幾種重金屬污染評價方法在稀土礦區中的應用

宋曉薇 劉 凱 趙侶璇 徐榮樂

（廣西壯族自治區環境保護科學研究院 廣西南寧 530022）

引言

近年來，隨著人類經濟社會的發展，生態破壞和環境污染的問題更受關注，土壤重金屬污染具有多源性、隱蔽性、難降解、毒性大等特性，是其中重要環境問題之一[1]，其可能對農作物的生產、產品和產量造成危害，通過生物富集進入食物鏈，具有損害人和動物健康的潛在風險[2]。礦產資源的開發和利用是土壤重金屬污染物的主要來源[3][4]，因此，對開采礦區土壤重金屬污染的環境風險開展研究，成為環境土壤學的研究熱點[5]。當前，土壤重金屬污染評價方法主要包括模糊數學法、環境質量綜合指數法、物元模型分析法、非線性可拓撲評價法、地積累指數法、單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法等[6～8]，上述方法可用于研究土壤重金屬污染物風險評價，直觀、定量地在空間上的變化趨勢和污染程度，且因地制宜地將多種方法結合使用能夠有效解決實際問題[9]。

本文以廣西桂東離子型稀土礦區為研究對象，針對研究區污染特點，利用單因子污染指數法、地積累指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態危害指數法對稀土礦區土壤重金屬污染進行評價，通過分析離子型稀土礦開采對土壤的污染情況，綜合評價土壤重金屬污染水平，為綜合評價該區域重金屬污染風險，開展污染防治提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西桂東賀州市某正在開采的稀土礦區，中心點坐標為東經111°09′17″，北緯24°36′19″，共賦存3 個礦體，山型為圓形土堆，礦區總面積13.22km2，山體南面為開采區，西面、東面和北面偏西為未開采區，礦區地勢為西南高，東西低，地下水流向為南向東西方向。

1.2 樣品采集與前處理

樣品采集方法按照 《土壤環境監測技術規范》（HJ/T166─2004），根據稀土礦區開采情況、周邊人類活動情況，以礦區中心V0 為圓心，V1 開采礦區，V2 采礦下游區，V3 采礦上游區，V4 未開采區域各設置一條采樣線，以V0 為起點間隔500m 設置1 個采樣點，每個區域各設置10 個采樣點。采樣點示意如圖1。

圖1 研究區土壤采樣點示意圖

每個土樣由3～5 個分樣組成，通過鉆孔采集，采樣深度為表層至風化砂巖層，分別為表層土深度3cm、中層土深度10cm、底層土深度20cm，采用四分法各點采集1kg 土樣。將采集的樣品放置并自然風干，分離樣品中的有機殘渣、植物根系等其他雜物，樣品研磨后過100 目篩備用。

1.3 分析方法

土樣樣品分別分析Pb、As、Cd、Cr、Sb 五項指標。稱取0.3 g土壤樣品置于100ml 燒杯中，加入20 mlHNO3和5 mlHClO4混合溶液，然后加入10ml 濃H2SO4，蓋上表面皿，浸泡放置過夜。隔日，用加熱板加熱消解液至接近無色，冷卻后轉入100ml 容量瓶。Pb、Cd、Cr 的測定用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilent 7500c），As 和Sb 的測定采用原子熒光法,所有測定均由平行雙樣和加標回收樣進行質量控制。

1.4 評價方法

本研究將每個采樣區樣品分析結果平均值，采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、地積累指數法和潛在生態風險指數法分別對研究區土壤重金屬污染情況進行評價，評價標準參考《土壤環境質量標準》（GB15618-1995），參照標準為廣西壯族自治區土壤環境背景值[10]。

1.4.1 單因子指數法

單因子指數法常用于對單因子污染物作用結果進行評價，是多因素綜合評價法的基礎。計算如公式1：

式中：Pi為某重金屬污染物i 的單項環境質量指數；Ci為樣品中某重金屬污染物i 的實測值；Si為某重金屬污染物i 的評價標準值，本研究選擇《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）二級標準作為土壤質量參比值。

Pi越大，表明該樣品受到的污染越嚴重。表1 為單項污染指數法污染等級劃分的標準。

表1 土壤重金屬單因子指數法污染等級劃分標準

1.4.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法適用于多種污染因素綜合作用結果的評價，綜合評估各種污染因子的生態風險，并反映環境中生態風險最大的污染因子。計算如公式2：

式中：Pn為綜合污染指數，Pia為平均單項污染指數，Pimax為最大單項污染指數，內梅羅綜合污染指數法污染等級劃分的標準如表2 所示。

表2 內梅羅綜合污染指數法污染等級劃分標準

1.4.3 地積累指數法

地積累指數法適用于評價沉積物及其它物質中重金屬污染程度的方法[5]，其計算如公式3：

式中：Igeo是地積累指數，Cn表示元素n 在的含量；Bn表示該元素的背景值，參考廣西壯族自治區土壤環境平均值[10]。

表3 為地積累指數法污染等級劃分的標準。

表3 地積累指數法污染等級劃分標準

1.4.4 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法適對于沉積物或土壤重金屬污染風險評價，綜合土壤重金屬含量以及重金屬的環境效應、生態效應和毒理學等因素，其表達如公式4：

式中：RI 為潛在生態危害指數；Ci為某一重金屬實測含量；為對應元素的評價標準，采用廣西壯族自治區土壤環境背景值作為參照背景值[10]，為第i 種重金屬元素的毒性系數；為第i種重金屬的潛在生態危害系數，分級標準如表4。

表4 潛在生態危害單項系數（）、潛在生態危害指數（RI）分級標準[15]

表4 潛在生態危害單項系數（）、潛在生態危害指數（RI）分級標準[15]

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量水平

表5 展示了區域土壤重金屬含量水平。研究區土壤pH 均值為5.26，以輕度酸化土壤為主。本研究開采礦區土壤中Pb、Sb、Cd、Cr 和As 五種重金屬的平均含量分別為54.32、2.61、0.12、37.01 和24.33 mg/kg，Pb、Cd、Cr 和As 含量均遠低于二級標準限值，Sb 低于世界衛生組織（WHO）推薦的最大允許值（3.5 mg/kg）[12]，研究區重金屬均未超標。從5 種重金屬的變異系數來看，Pb、Sb和As 的變異系數較大，存在顯著變異（＞30%），可能受到人為因素的影響。各區重金屬含量顯示，V1-開采礦區重金屬含量最高，V4-未開采區重金屬含量最低，V2-采礦下游區和V3-采礦上游區重金屬含量分別為第二位和第三位。

表5 研究區域土壤重金屬含量

2.2 評價結果

2.2.1 單因子指數法評價結果

對照《土壤環境質量標準》（GB15618－1995）二級標準，分別計算5 種元素的單因子污染指數，結果如圖2 所示。總的污染程度顯示：采樣區土壤單因子均小于1，土壤未受到污染，其中，V1-開采礦區污染指數最高，其次為V2-采礦下游區，V3-采礦上游區和V4-未開采區單因子指數均較低。Pb、Cd、Cr、As 和Sb的單因子污染指數均小于1，說明上述5 種重金屬元素均未對土壤產生污染，研究區土壤重金屬單項污染指數依次為Sb＞As＞Cd＞Cr＞Pb，表明Sb 污染程度最大，Pb 污染程度最輕。

圖2 單因子指數法評價結果

2.2.2 內梅羅綜合污染指數法評價結果

采用內梅羅綜合污染指數法評價研究區土壤綜合污染程度，評價結果如圖3 所示。結果顯示，研究區內梅羅綜合污染指數均小于0.7，評價結果為清潔土壤。其中Pn 由大至小依次為V1＞V2＞V3＞V4。

圖3 內梅羅綜合污染指數法評價結果

各污染物的分擔率（表6）結果表明，研究區土壤重金屬風險指數的主要貢獻因子是Sb 和As，污染分擔率分別為38.48%和20.67%，其它污染物的污染分擔率均小于20%，其中貢獻率最小的為Cr，僅有2.16%。

表6 研究區域土壤重金屬內梅羅綜合污染指數

2.2.3 地積累指數法評價結果

研究區土壤在廣西背景值下的地積累指數及相應的重金屬污染級別如圖4 所示。結果顯示，V1-開采礦區土壤污染程度為輕微污染，V2-采礦下游區、V3-采礦上游區、V4-未開采區Igeo均為0，結果顯示均未受到重金屬污染。V1-開采礦區中，Pb、As、Cd地積累指數分別為0.94、0.87 和0.37。Igeo均值評價結果顯示，各重金屬元素的污染程度排序為：Pb＞As＞Cd＞Sb＞Cr，Pb、As 的污染程度較強，是主要的污染因子。

圖4 地積累指數法評價結果

2.2.4 潛在生態危害指數法評價結果

采用Hakanson 推薦的潛在生態危害風險指數評價結果見圖5。

圖5 潛在生態危害指數法評價結果

結果顯示V1-開采礦區潛在生態危害風險指數最高，屬于中等生態危害；V2-采礦下游區、V3-采礦上游區和V4-未開采區均屬于輕微生態危害。5 種重金屬的潛在生態危害單項指數顯示，Sb 和Cd 為中等生態危害，As、Pb 和Cr 為輕微生態危害，大小順序為：Cd＞Sb＞As＞Pb＞Cr。

2.3 評價結果比較與分析

四種土壤重金屬污染評價方法結果顯示，V2-采礦下游區、V3-采礦上游區和V4-未開采區土壤均未受重金屬污染，潛在生態危害風險指數較低，V1-開采區的污染等級指數是四個分區中最高的，地積累指數法結果顯示該區域輕微污染，潛在生態危害風險指數法顯示其具有中等生態危害，單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法評價結果顯示V1 區雖未受到重金屬污染，但評價指數相對較高，說明四種方法在研究區的土壤重金屬污染風險評價結果具有一致性。同時也說明，在輕微污染和中低風險區域，地積累指數法和潛在生態危害風險指數法靈敏度較高，更易于識別土壤潛在污染和生態風險。

重金屬單污染指數評價結果顯示，單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態危害風險指數法主要污染重金屬因子均指向Sb、As 和Cd，表明單污染指數評價結果具有一定的一致性，但潛在生態危害風險指數法污染程度排序有輕微差異，這可能是由于重金屬毒性系數偏差造成影響[13]。地積累指數法重金屬污染程度排序與其余方法評價結果截然不同，主要原因是地積累指數法主要考慮自然成巖作用，一定程度上反映了外源重金屬的富集程度[14]。

表7 幾種土壤重金屬污染評價方法結果比較

結語

（1）研究區土壤以輕度酸化土壤為主，V1-開采礦區重金屬含量最高，污染風險最大，V2-采礦下游區含量次之，V3-采礦上游區和V4-未開采區區含量分別為第三位和第四位。V1-開采礦區Pb、Sb、Cd、Cr 和As 五種重金屬的平均含量分別為54.32、2.61、0.12、37.01 和24.33mg/kg，Pb、Cd、Cr 和As 含量均低于 《土壤環境質量標準》，Sb 低于WHO 推薦的最大允許濃度，研究區重金屬未超標。表明離子型稀土礦區開采對礦區土壤重金屬濃度有一定的影響，但并未對礦區土壤造成污染。

（2）單因子污染指數、內梅羅污染指數、地積累指數法和潛在生態風險指數四種方法進行評價結果比較發現，其結果具有一致性，地積累指數法和潛在生態危害風險指數法靈敏度更高，更易于識別輕微污染區域。但對重金屬單因子評價結果具有差異，尤其是地積累指數法差異較大，主要原因是地積累指數法綜合考慮土壤沉積物及其他物質中重金屬污染程度。

（3）對研究區域土壤進行重金屬污染評價研究時，建議采用多種評價方法進行綜合分析和對比，以確保評價結果的科學性與準確性，尤其在低污染區域，建議采用靈敏度不高地積累指數法和潛在生態危害風險指數法共同開展評價。