廢棄銅礦周邊農(nóng)田土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

摘要：本文以某廢棄銅礦為研究對(duì)象，對(duì)礦區(qū)農(nóng)田土壤進(jìn)行取樣分析，從重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平對(duì)礦區(qū)重金屬污染情況進(jìn)行研究。結(jié)果表明，表層土壤中Cd、Cu和Cr三種重金屬污染嚴(yán)重，平均含量分別為土壤環(huán)境背景值的1.25倍、13.15倍和1.31倍，Cu在礦區(qū)內(nèi)富集最為嚴(yán)重，相較農(nóng)用地風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其超標(biāo)率達(dá)到29.55%。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)顯示，礦區(qū)內(nèi)達(dá)到中度和重度污染的點(diǎn)位分別占10.29%和30.88%。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)結(jié)果表明，超過(guò)17%的點(diǎn)位達(dá)到中度及以上風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，礦區(qū)局部區(qū)域存在極強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；重金屬；污染程度；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.046

Pollution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soil around an Abandoned Copper Mine

XU Yanyan1， LI Pu1， LIU Jiang1， Wang He1， LIU Zhongsen1， WU Congcong1， CHEN Xueli2

（1. Geological Environment Exploration Institute Co.， Ltd. of Henan， Zhengzhou 450051， China; 2. Site Pollution Control and Remediation Laboratory， Gannan Normal University， Ganzhou 341000， China）

Abstract： Taking a abandoned copper mine as the research object， this paper conducts sampling analysis on the farmland soil in the mining area， and studies the heavy metal pollution situation in the mining area from the characteristics of heavy metal pollution and ecological risk level. The results show that the pollution of three heavy metals （Cd， Cu， and Cr） in the surface soil is severe， with an average content of 1.25 times， 13.15 times， and 1.31 times of the soil environmental background value， respectively， and Cu is most severely enriched in the mining area， and its exceeding rate reaches 29.55% compared to the risk screening value of agricultural land. The Nemero comprehensive pollution index shows that 10.29% and 30.88% of the points in the mining area have reached moderate and severe pollution， respectively. The results of the comprehensive potential ecological risk index indicate that over 17% of the points reach moderate or above risk levels， and there are extremely strong ecological risks in local areas of the mining area.

Keywords： farmland soil; heavy metals; pollution level; risk assessment

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化持續(xù)推進(jìn)，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，尤其是土壤重金屬污染，直接威脅生態(tài)安全和人體健康。調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，其中，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種重金屬污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%[1]。近年來(lái)，全國(guó)農(nóng)用地土壤環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn)，但由于重金屬污染影響較大，農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量不容樂(lè)觀，尤其是礦區(qū)周邊的農(nóng)田土壤環(huán)境更是面臨風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，大多數(shù)重金屬具有毒性高、隱蔽性強(qiáng)以及降解難等特點(diǎn)，會(huì)通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤，經(jīng)過(guò)不斷累積，在動(dòng)植物體內(nèi)富集，進(jìn)而通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，產(chǎn)生不可逆的危害。

近年來(lái)，礦區(qū)重金屬污染研究不斷涌現(xiàn)。程睿[2]以銅礦棄渣場(chǎng)下游農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田受重金屬污染嚴(yán)重，重金屬As和Cd容易造成人體健康風(fēng)險(xiǎn)。陳航等[3]對(duì)銅山礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬的污染程度及來(lái)源進(jìn)行解析，結(jié)果顯示，礦山開(kāi)采和農(nóng)業(yè)活動(dòng)是土壤重金屬污染物的主要來(lái)源。陶美霞等[4]以銅礦廢棄地塊土壤環(huán)境為研究對(duì)象，開(kāi)展土壤重金屬污染特征、來(lái)源及人體健康風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查，指出地塊土壤受Cu和Cd污染嚴(yán)重，各重金屬具有相同的來(lái)源，重金屬Cr對(duì)人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)較大。可見(jiàn)，礦山的開(kāi)采冶煉會(huì)釋放大量重金屬元素，造成周邊農(nóng)田土壤污染，產(chǎn)生嚴(yán)重生態(tài)問(wèn)題。目前，河南省廢棄銅礦對(duì)周邊農(nóng)田土壤環(huán)境影響的研究還很少見(jiàn)。信陽(yáng)市某廢棄銅礦位于大別山礦區(qū)，具有較高的重金屬背景，加之早期礦區(qū)開(kāi)采冶煉不規(guī)范，對(duì)周邊農(nóng)田土壤環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。該廢棄銅礦周邊農(nóng)田種植蔬菜、油菜、水稻和玉米等農(nóng)作物，土壤環(huán)境直接影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境及人體健康。因此，有必要摸清該礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，保護(hù)人體健康。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該廢棄銅礦位于豫南大別山腹地，地形以淺山、丘陵為主，巖性主要為變質(zhì)巖和巖漿巖。研究區(qū)地勢(shì)西南高、東北低，地表水及地下水隨地勢(shì)由西南向東北流動(dòng)。地層巖性由上向下依次為雜填土、黏土和風(fēng)化巖，土地利用類(lèi)型以林地、草地和耕地為主，其中耕地占研究區(qū)面積的33.50%。礦區(qū)主要土壤類(lèi)型有黃棕壤、水稻土和潮土，主要種植水稻、油菜等農(nóng)作物。

1.2 樣品采集與測(cè)試

根據(jù)研究區(qū)場(chǎng)地地形情況，布設(shè)71個(gè)表層土壤采樣點(diǎn)，采集71個(gè)表層土壤樣品。樣品轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，將樣品置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，然后對(duì)土樣進(jìn)行壓碎、翻動(dòng)，揀出碎石、沙礫及植物殘?bào)w等雜質(zhì)，之后進(jìn)行研磨，過(guò)孔徑100目篩，開(kāi)展土壤元素分析。土壤樣品檢測(cè)項(xiàng)目為8種重金屬，包括Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg、Ni、As。

1.3 樣品分析方法

1.3.1 土壤中重金屬的測(cè)定

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，As、Hg的測(cè)定采用原子熒光法，Cd、Pb的測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度法，Zn、Cu、Ni和Cr的測(cè)定采用火焰原子吸收分光光度法。

1.3.2 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[5]對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，以河南省土壤重金屬背景值[6]作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。單因子污染指數(shù)法采用式（1）進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

（1）

（2）

式中：Pi為重金屬單因子污染指數(shù)；P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Ci為重金屬含量的實(shí)測(cè)值，mg/kg；Si為重金屬i的土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg；P為單因子污染指數(shù)Pi的平均值；Pimax為單因子污染指數(shù)最大值。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]。

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬的潛在危害程度進(jìn)行劃分，分析評(píng)價(jià)環(huán)境中特定污染物和多種污染物對(duì)外界的影響[7]。相關(guān)參數(shù)按照式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算。

（3）

（4）

式中：Eri為單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；RI為某一采樣點(diǎn)多個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)；Tri為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)。評(píng)價(jià)等級(jí)參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量

檢測(cè)結(jié)果顯示，農(nóng)田土壤中8種重金屬As、Cd、Zn、Cu、Pb、Hg、Ni和Cr的含量最大值均超過(guò)河南省土壤環(huán)境背景值[6]，其中，Cd、Cu和Cr 3種重金屬含量的平均值也超出背景值，分別達(dá)到背景值的1.25倍、13.15倍和1.31倍，表明該礦區(qū)受到不同程度的重金屬污染，尤其是Cd、Cu和Cr的污染較為嚴(yán)重，如表1所示。對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），Cd、Cr和Cu的篩選值超標(biāo)率分別為0.00%、1.14%和29.55%，這表明Cu在礦區(qū)內(nèi)明顯超標(biāo)。由表1可知，As、Cd、Cu、Hg和Cr的變異系數(shù)分別為47.75%、89.32%、283.26%、69.09%和46.43%，其屬于高度變異（變異系數(shù)大于36%）[8]，說(shuō)明這幾種重金屬空間分布不均勻，其分布受人為因素影響較為明顯[9]。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 土壤重金屬污染指數(shù)評(píng)價(jià)

礦區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。單因子污染指數(shù)平均值的大小排序?yàn)镃u＞Cr＞Cd＞Zn＞Ni＞Hg＞Pb＞As，其中，Cu的污染指數(shù)均值達(dá)到13.14，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)重度污染的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表明Cu污染較為嚴(yán)重。觀察各重金屬采樣點(diǎn)位污染水平的分布可知，As、Zn、Pb和Ni多數(shù)處于安全水平，少數(shù)點(diǎn)位樣品為輕度污染，無(wú)中度污染和重度污染。重金屬Cd、Cu、Hg和Cr均有達(dá)到中度和重度污染水平的樣品，因此，要加強(qiáng)對(duì)這4種重金屬的關(guān)注。經(jīng)計(jì)算，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)處于安全、輕度污染、中度污染以及重度污染的點(diǎn)位比例分別為2.94%、55.88%、10.29%以及30.88%，有超過(guò)40%的點(diǎn)位受到重金屬中度及以上污染，表明礦區(qū)重金屬污染情況不容樂(lè)觀。

2.2.2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

以河南省土壤環(huán)境背景值為參比，對(duì)礦區(qū)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]，結(jié)果如表3所示。礦區(qū)內(nèi)土壤單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值的大小排序?yàn)镃u＞Cd＞Hg＞As＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn。其中，Cd和Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值低于40，As、Zn、Pb、Ni和Cr的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值遠(yuǎn)小于40，表明其生態(tài)危害程度較小。Cu的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值（65.72）超過(guò)40，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程度為中等。但Cu的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值（1 337.50）遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的最大值（320），表明Cu是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，存在極高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)，超過(guò)17%的土壤點(diǎn)位處于中風(fēng)險(xiǎn)水平以上，其中高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)分別占1.47%和4.41%。礦區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)介于27.45～1 600.31，平均值為149.18，整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，這說(shuō)明礦區(qū)內(nèi)各區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)存在較大差異。風(fēng)險(xiǎn)極高的土壤點(diǎn)位處于上游偏南的區(qū)域，主要集中在銅礦洗選及尾礦堆放處，其風(fēng)險(xiǎn)由極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域向外逐漸降低。

3 結(jié)論

土壤重金屬含量檢測(cè)分析表明，該廢棄銅礦周邊農(nóng)田土壤受Cd、Cu和Cr 3種重金屬的污染比較嚴(yán)重。Cu在礦區(qū)內(nèi)富集最為嚴(yán)重，As、Cd、Cu、Hg和Cr在場(chǎng)地的分布受人為干擾影響較大。礦區(qū)表層土壤中，Cd、Cu和Cr存在不同程度的污染，其中，Cu已達(dá)到重度污染水平。Cd、Cu、Hg和Cr均有達(dá)到中度和重度污染水平的樣品，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管控。潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該礦區(qū)的重金屬Cu存在很高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。礦區(qū)內(nèi)各區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平存在較大差異，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在銅礦洗選及尾礦堆放處。

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