北京某金礦區土壤重金屬污染特征及風險評價

韓娟娟，吳大鵬，張 濤

（北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

金屬礦產在開采、冶煉、運輸等過程中廢氣、廢水的排放及固體廢物的堆放都會造成周圍環境重金屬污染。環境中的重金屬污染達到一定程度，可通過飲用水和食物進入人體，嚴重危害我們的健康。近些年研究者對礦區重金屬污染開展了一系列的研究，周艷等（2018）通過多元分析及潛在生態風險指數法對西南某鉛鋅礦農田土壤重金屬進行分析評價，指出農田土壤Cd、Pb、Zn污染嚴重；趙云峰等（2020）通過測定某鐵尾礦庫周邊土壤中4種重金屬元素（Cu、Cr、Pb、Cd）的含量及其形態特征，采用地累積指數法和次生相與原生相比值法（RSP法）研究重金屬污染程度，指出研究區重金屬元素污染風險大小的順序為Cd＞Pb＞Cu＞Cr；平谷萬莊金礦由于長期的開采與冶煉造成周圍土壤重金屬污染，姚世廳等（2018）通過分析萬莊金礦區土壤中表層及垂向上的重金屬分布特征，采用單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數及污染負荷指數方法對礦區的污染程度進行評價，指出該區重金屬污染屬中等污染程度；王威等（2019）采用ArcGIS反距離權重插值數學模型和SPSS多元統計方法綜合研究了土壤重金屬空間分布及污染特征，結果表明研究區域的土壤重金屬存在不同程度的污染風險。上述研究中，北京地區土壤污染評價基本選用北京市土壤背景值作為評價標準，評價方法較多但適用性不強。此次研究土壤背景值選取楊全合等（2013）平谷地質背景研究論文中的背景值，風險評價執行GB 15618－2018《土壤環境質量標準農用地土壤污染風險管控標準》。通過野外樣品采集、實驗室化驗分析、SPSS多元統計方法、土壤重金屬含量空間分布及極值點分析，研究北京某金礦區土壤重金屬污染特征并對重金屬污染風險進行評價，揭示了研究區土壤重金屬污染類型、污染風險、污染來源及污染物遷移途徑。

1 材料與方法

1.1 概況

研究區位于平谷西部低山區，屬劉家店鎮孔城峪村。此礦開采歷史悠久，相傳自唐代開采，解放后先后由平谷縣礦務局、市冶金局以及縣辦企業等多個部門開采，采礦方式為地下開采（姚世廳等，2018）。此礦已停采多年，附近另有2個金礦尾礦庫，用于堆放氰化物冶煉后的尾礦，金礦開采區東部原有一小型選礦廠，位置分布見圖1。該金礦礦床成因屬在熱液成礦期，生成中低溫熱液充填交代型金礦床，在表生成礦期，由于風化作用，改造了熱液礦床形成鐵帽型金礦床（北京市地質工程設計研究院，2010），礦區范圍內共發現8條礦體，集中分布于F3斷裂以東，關上-萬莊傾伏背斜軸以西1.92 km2范圍內，見圖1（陳大經等，1998）。

圖1 研究區地質圖Fig. 1 Geological map of the study area

研究區位于燕山山脈中段南側邊緣與潮白河、溝河沖—洪積平原銜接地帶，除劉家店屬川口平地外，四周皆山，金礦開采區海拔約230 m，平原區海拔約70 m。區內山坡坡度相對較平緩，一般為20°～40°，局部達45°以上。溝谷較發育，孔城峪村北山有4條近南北向溝谷，由于多年采礦活動地形切割較強，溝谷狹窄，地形地貌破壞嚴重。沿金礦開采區下游村莊向東至1號尾礦庫地勢逐漸降低，1號尾礦庫至東北方向村莊海拔逐漸降低。

1.2 樣品采集與分析

利用奧維地圖在研究區內劃分200 m×200 m網格，沿采礦點下游區域每個網格中布設一個樣品采集點，共布設144個采樣點。利用手持GPS及奧維地圖的導航功能，在指定點位進行樣品采集。表層土壤樣品的采樣深度為0～20 cm。采樣時需去除表面雜物，在采樣點附近50 m范圍內選取3～5處不同位置進行樣品采集，棄去動、植物殘留體、礫石等，將不同位置采集的樣品進行混合，混合后的樣品作為代表該采樣點土壤特性的樣品，將混合樣品裝入樣品袋，并進行編號，土壤樣品原始重量大于1000 g。采集的樣品要防止玷污，并及時送至實驗室。

土壤重金屬測試由具有專業測試資質的機構完成，測試元素為As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn共8種。依據國家標準，主要采用石墨爐原子吸收分光光度法、冷原子吸收法、二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法、火焰原子吸收分光光度法、石墨爐原子吸收分光光度法等測試方法完成重金屬元素含量分析。

1.3 多元統計分析

使用SPSS 19.0的多元統計方法，對各重金屬元素的極值、標準差、均值、超標率進行統計分析，了解重金屬污染現狀及空間分布情況。運用相關性及主成分分析衡量各重金屬元素的相關密切程度，并初步推測重金屬來源。

1.4 土壤重金屬空間分布與風險評價

依據平谷地區背景值及GB 15618－2018《土壤環境質量標準農用地土壤污染風險管控標準》，土壤采樣點的地類為其他，重金屬元素含量按pH＞7.5相對應的風險篩選值和管制值進行分類。利用ArcGIS的空間展示功能，分別將Cr、Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn、Ni等8種重金屬含量依次按照背景值、篩選值、管制值在圖上進行分類展示，評價污染風險。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量特征

研究區144個表層土壤樣品重金屬含量統計結果見表1。除Hg與Cr超標率相對較低外，其余大部分元素含量均超過背景值。平均值超過背景值倍數較高的元素依次為Pb、As、Cd，超標倍數分別為25.48、20.13、15.48，表明該3種元素污染較重；Cu、Hg、Zn平均值超過背景值2～3倍多，表明該區域存在一定的Cu、Hg及Zn污染。Cr、Ni均值接近背景值，表明該區域Cr、Ni基本無污染。標準差反應重金屬分布均勻程度，由表1可看出，該區域Pb、Zn、As含量極不均勻，Cu分布不均勻，Hg、Cd、Ni、Cr分布較均勻。

表1 研究區表層土壤重金屬含量描述性統計Tab. 1 Descriptive statistics of heavy metals concentration in the surface soil of study area

綜合分析可知，該區域存在不同程度的Pb、As污染且局部污染較重，普遍存在較重的Cd污染，局部存在較輕的Zn、Cu污染，輕微Hg污染，Ni、Cr無污染。

2.2 重金屬含量相關性及主成分分析

對重金屬元素含量進行相關性分析，作為推斷重金屬來源的重要依據，結果見表2。若元素之間存在顯著或較顯著的相關性，表明元素間具有同源關系或存在復合污染。經相關性分析，As、Cu、Pb、Cd、Zn兩兩之間存在極顯著正相關關系（P＜0.01），且相關系數均大于0.687，說明這5種元素極有可能存在同源關系和復合污染的可能。Hg與As、Cu、Pb、Cd、Zn，存在顯著正相關性，推測Hg與這5種元素可能具有同源性。Cr與Ni相關性較高，且相關系數為0.742，推斷Cr與Ni具有相同來源。

表2 研究區土壤重金屬元素相關性分析Tab. 2 Correlation of soil heavy metals contents in study area

土壤重金屬主要來源于成土母質與人類活動，通過主成分分析可以有效地判斷土壤重金屬來源。通過上述相關性分析發現大部分重金屬元素之間存在顯著相關性，且Bartlett球形度檢驗相伴概率為0.000，小于顯著水平0.005，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統計值為0.680，表明該樣本適合做相關性分析。主成分分析結果詳見表3，根據特征值大于1原則篩選出2個主成分，共解釋了79.892%的原有信息，說明對前2個主成分進行分析即可得到8種重金屬元素含量數據的大部分信息。

表3 研究區土壤重金屬含量主成分分析Tab. 3 Principal component analysis of soil heavy metals contents in study area

第一主成分（F1）貢獻率為60.24%，在Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn含量上載荷較高，主要反映了Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn的富集信息。結合之前統計分析，這6種元素均存在不同程度的污染，其中As、Pb、Cd超背景值高達25.48、20.13、15.48倍。且這6種元素兩兩之間存在極顯著相關性，判斷這6種元素可能來自于同一污染源。有研究表明該區金礦石的主要礦物成分為褐鐵礦、黃鐵礦、方鉛礦、黃銅礦、閃鋅礦等，分析推斷研究區的金礦開采及冶煉產生的廢渣、廢水及尾礦是這6種重金屬的主要來源。判斷第一主成分代表了礦山開采及冶煉來源。

第二主成分（F2）貢獻率為19.66%，在Cr與Ni含量上載荷較高，主要反映了Cr與Ni的富集信息。這2種元素具有極顯著的相關性，判斷這2種元素具有同源性。結合之前統計分析，這2種元素與背景值相差不大，判斷第二主成分為自然源。

2.3 重金屬空間分布與風險評價

研究區表層土壤樣品中重金屬含量超管制值的個數為75，超標率52.08%，其中超篩選值樣品個數為35，超標率24.31%。通過各重金屬元素含量的超標統計可知，As、Cu、Pb、Cd、Zn等5種元素含量均存在不同程度的超標，其中As元素超標率最高，詳見表4。結合8種重金屬含量空間分布圖，詳見圖2，可得出As在金礦開采點及尾礦庫附近含量較高，大部分點位超過篩選值，甚至超過管制值，土壤污染風險較高；Cd與Pb含量分布相似，在金礦開采點、選礦廠及尾礦庫附近含量較高，大部分點位超過篩選值，少數點位超過管制值，存在一定的土壤污染風險；Cu、Zn含量分布相似，在金礦開采點、選礦廠及尾礦庫附近含量較高，部分點位超過篩選值，存在一定的土壤污染風險；Cr、Ni、Hg均無超過篩選值的點，土壤污染風險較低，一般情況下可忽略不計。

表4 研究區表層土壤重金屬含量超標統計Tab. 4 Analysis of over standard rate of heavy metals concentration in the surface soil of study area

圖2 土壤重金屬含量空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of soil heavy metals contents

土壤重金屬污染主要分布在金礦開采區、尾礦庫、選礦廠及下游約1.5 km范圍內，且污染風險較高，污染元素為As、Cd、Pb、Cu、Zn，其中As污染最嚴重，Cd、Pb次之，Cu、Zn污染較輕。其他區域污染風險較低，且該區域Cr、Ni、Hg基本無污染。

采集的土壤樣品中，Zn、Pb、Cd、Cu等4種重金屬含量的極大值點出現在萬莊金礦開采區內，As、Ni、Cr重金屬含量的極大值點出現在磕頭溝尾礦庫下游500 m范圍內，Hg含量的極大值點出現在選礦廠附近400 m處。Cr含量的極小值點出現在金礦開采區上游400 m處，Hg、Cd含量極小值點出現在磕頭溝尾礦庫上游200 m處，Ni含量極小值點出現在選礦廠上游500 m處，As、Cu、Zn、Pb含量極小值點出現在選礦廠下游1.5 km范圍內。土壤重金屬元素含量極大值點均出現在金礦開采點、尾礦庫及選礦廠附近及下游500 m范圍內，極小值點出現在金礦開采點、尾礦庫、選礦廠上游或下游1.2～1.5 km范圍內，詳見圖3。推斷土壤重金屬的主要遷移途徑為，金礦開采區、尾礦庫及選礦廠的廢渣和尾礦析出的重金屬，通過廢渣及尾礦堆的孔隙下滲進入底墊土壤，在地表徑流的作用下向下游土壤環境中遷移。

圖3 土壤重金屬含量極值點分布圖Fig. 3 Extreme value distribution of soil heavy metals contents

3 結論

（1）通過重金屬含量描述性分析，研究區土壤存在不同程度的Pb、As污染且局部污染較重，普遍存在較重的Cd污染，局部存在較輕的Zn、Cu污染，輕微Hg污染，Ni、Cr基本無污染。

（2）通過重金屬空間含量分布及污染風險評價，該區土壤重金屬污染主要分布在金礦開采區、尾礦庫、選礦廠及下游約1.5 km范圍內，呈現出污染物沿溝谷向下游擴散的趨勢。主要污染元素為As、Cd、Pb、Cu、Zn，其中As污染最嚴重，Cd、Pb次之，Cu、Zn污染較輕。區內基本不存在Cr、Ni、Hg污染。

（3）通過重金屬含量相關性分析，推測As、Cu、Pb、Cd、Zn、Hg等6種元素來源相似，Cr與Ni具有相同來源。主成分分析顯示，第一主成分主要反映了Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn等6種元素的富集信息，代表了礦山開采及冶煉來源。第二主成分反映了Cr與Ni的富集信息，代表了自然源。