錳礦區土壤重金屬污染風險評估與生態監測研究

摘要：錳礦區土壤重金屬含量高，對作物以及生態均有不利影響。為有效評估錳礦區土壤重金屬污染情況，以某錳礦區為案例，檢測土壤中的重金屬物質含量。研究引入綜合污染指數法等來評估礦區土壤重金屬污染程度，同時引入潛在生態危害指數法來監測礦區生態情況。結果分析表明，污染區調查出錳、鋅、鎳、銅、鉻、砷、鉛、鎘8種重金屬，土壤中鋅、銅、鎘、砷、鉛超標率超過93.25%。污染區中鎘、錳是單因子污染影響最大的兩種重金屬，污染區綜合評估結果為重度污染。而在生態監測中，鎘、鉛、砷對生態潛在風險影響最大。可見，該地區污染嚴重，需要采取必要的環境治理措施。

關鍵詞：綜合污染指數法；潛在生態危害指數法；重金屬；錳礦區

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0167-04

Research on Risk Assessment and Ecological Monitoring of Heavy Metal Pollution in Soil of Manganese Mine Area

CUI Baoyu

（Grg Metrology amp; Test Group Co.， Ltd.， Guangzhou 510760， China）

Abstract： The high content of heavy metals in the soil of manganese mining areas has adverse effects on crops and ecology. To effectively evaluate the heavy metal pollution in the soil of a manganese mining area， a case study was conducted to detect the content of heavy metal substances in the soil of a certain manganese mining area. The study introduces comprehensive pollution index method to evaluate the degree of heavy metal pollution in soil in mining areas， and introduces potential ecological hazard index method to monitor the ecological situation in mining areas. The analysis of the results showed that eight heavy metals， including manganese， zinc， nickel， copper， chromium， arsenic， lead， and cadmium， were identified in the polluted area. The exceedance rate of zinc， copper， cadmium， arsenic， and lead in the soil exceeded 93.25%. Cadmium and manganese are the two heavy metals most affected by single factor pollution in the polluted area， and the comprehensive assessment of the polluted area shows severe pollution. In ecological monitoring， cadmium， lead， and arsenic have the greatest potential impact on ecological risks. It can be seen that the pollution in this area is severe and necessary environmental governance measures need to be taken.

Keywords： comprehensive pollution index method; potential ecological hazard index method; heavy metals; manganese ore area

錳礦作為國家重要戰略性金屬資源，其?在工業生產、?冶金制造、?化工、農業等領域均有著廣泛的應用[1]。其中，錳被廣泛應用于工業煉鋼領域，?錳礦作為關鍵原料，可以顯著提高鋼鐵的硬度、?彈性和耐磨性，是冶煉鋼業重要的原材料[2]。錳是工業制造發展的關鍵性原材料，但其在開采、冶煉、加工等過程對生態環境造成了嚴重污染。例如，我國早期錳礦開采中，受限于技術、設備以及人員素養等因素，不少開采區環境生態被破壞、土壤結構失衡、造成大量動植物死亡，農田受到嚴重污染[3]。此外，在錳冶煉中，部分企業采用落后工藝技術，無法有效處理其中的廢石、?廢渣等固液廢棄物，隨意排放到土壤環境，嚴重破壞區域生態。而根據相關研究，?重金屬污染對生態環境的影響是深遠而復雜的[4]。如?對于植物而言，?重金屬可通過根系吸收進入植物體內，?干擾其正常代謝過程，?導致生長受阻、?葉片變黃甚至死亡[5]。此外，被農作物所吸收的重金屬會流入餐桌，人體大量攝入重金屬會導致人器官衰竭甚至死亡，而長期攝入重金屬物質會增加患癌風險，并對神經系統造成永久性損傷。因此，為降低錳礦區重金屬對環境生態以及人體健康的影響，將評估錳礦區土壤重金屬風險。研究內容可以為重金屬污染區污染評估以及環境治理提供技術參考。

?1 材料與方法

1.1 地區概況

研究以某重金屬污染區域為研究對象。該地區屬于亞熱帶氣候，四季分明，且冬冷夏熱。地區年降雨量達1 221 mm，無霜期為295 d。地區水資源、礦物資源等豐富，尤其是研究區位于錳礦附近，附近含有大量錳礦資源。對礦區范圍農田進行調查，該地區主要以農業種植為主，主要經濟作物為玉米、高粱、蔬菜等作物。因此，研究主要以玉米地與蔬菜地為研究地區，展開相關重金屬污染評估與生態監測。

1.2 采集數據樣本

根據對污染區域的走訪與調查，選取玉米地與蔬菜地作為研究目標。數據采集中設置了污染區與參考區兩個研究區域。其中污染區設置7個采樣區（玉米地4個、蔬菜地3個），分別距離礦區50、200、400、600、800、1 000以及1 200 m進行采樣，其在每個采樣區中劃分3個采樣點，其大小為1 m2。而參考區距離礦區6 km，同樣在1 200 m直徑范圍設置7個采樣區，按照污染區相同采樣法采集土壤樣本。通過采樣點，采集樣本土壤樣本124份，接著將采集土壤樣本放置通風處自然風干，并將樣本研磨通過孔徑為150μm篩后進行裝袋保存。同時，采集區域內蔬菜與玉米樣本，通過離子水對其清洗并烘干到恒重，再進行研磨裝入備用實驗袋使用。

1.3 樣本鑒定

在土壤樣本消解中主要參考《土壤和沉積物 金屬元素總量的消解 微波消解法》（HJ 832—2017），而在研究地區采集的作物樣本則通過硝酸和過氧化氫消解法進行加熱消解。消解后的作物與土壤樣本均采用等離子體質譜法進行檢測。樣本分析過程主要參考標準物質土壤（GBW 07430）和蔬菜標準物質（GBW 10015）。在土壤樣品重金屬物質檢測中，錳金屬、鉻金屬、鎳金屬、銅金屬、鋅金屬、砷物質、鎘金屬以及鉛金屬總含量加標回收率均保持在90%以上。而在蔬菜樣品中，僅有總砷的含量明顯低于無機砷標準值要求，對此分析中僅對總砷含量進行測定。

1.4 錳礦區重金屬污染土壤評估與生態評估

研究中采用綜合污染指數法（Integration Pollutant Index，IPI）以及單因子污染指數法（Single-Factor Pollution Index assessment method，SFPI）評價土壤重金屬污染。其中，SFPI法的計算表達如式（1）所示。

Pi=Ci/Si（1）

式中：Si為金屬i的標準評價值；Ci為金屬i實際檢測值；Pi為污染指數。在實際檢測中，Pi大于1則表示存在污染，否則為無污染，且值越大污染越嚴重。而IPI法計算如式（2）所示。

（2）

式中：Pmax為最大污染單因子；Pave為平均污染單因子；Pzong為綜合污染評估指數。

對地區生態評估，研究采用潛在生態危害指數法（The potential Ecologicalrisk Index，PEI）進行評估，用于反映地區生態污染狀況。PEI計算如式（3）所示。

（3）

式中：PRI為綜合生態危害系數；Ei為第i個土壤下潛在生態危害系數；n為潛在風險因素數量，而Ei計算如式（4）所示。

Ei=Ti×（Ci/Si）（4）

式中：Ti為第i個土壤下參比值。PEI法能夠全面分析土壤潛在綜合生態風險，為生態環境的監測提供重要依據。

此外，在生態監測中，需要考慮污染土壤中微生物對特定重金屬元素的積累情況，這里采用?生物富集系數（Bioconcentration Factors，BCF）表示，計算如式（5）所示。

PBCF=CR/Cs（5）

式中：Cs為土壤內對應的金屬含量；CR為作物內重金屬的含量。

1.5 數據統計方法

數據統計分析中采用了ArcGIS軟件進行樣本區域示意圖繪制與標記，采用Excel軟件統計相關變量數據。同時，采用SPSS 2.6對樣本數據重金屬差異性統計分析。土壤重金屬源解析采用Origin2021軟件，用于輔助分析金屬物質來源。

2 結果與分析

2.1 錳礦區土壤重金屬含量分析

選取錳礦污染區與參考區兩個區土壤數據進行重金屬含量檢測。結果顯示，研究從土壤中檢測到8種重金屬物質，分別為錳、鋅、鎳、銅、鉻、砷、鉛、鎘。按照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）檢測，礦區土壤中有多種重金屬含量超標，包括錳、鋅、銅、鎘、砷、鉛。錳元素在污染區和參考區均有明顯超標，平均值均超過1 000 mg/kg；污染區鋅超標率達93.25%，而參考區超標率為29.5%；污染區銅超標率為50.21%，而參考區銅超標率為39.8%；污染區鎘超標率為87.25%，而參考區鎘超標率為39.8%；污染區砷超過率為42.5%，參考區超標率為21.2%；污染區鉛超過率為31.7%，參考區超標率為19.7%。根據檢測結果來看，遠離錳礦區的參考區土壤雖然重金屬含量減少，但是仍存在重金屬含量超標問題。

2.2 重金屬空間分布研究

礦區土壤重金屬空間分布調度結果如表1所示。其中，錳與鋅兩種重金屬在調查錳礦區中分布含量最高，且是分布平均值最大的兩種重金屬。通過調查分析發現，錳元素在調查區域內最小值為681 mg/kg，最大值為2 020 mg/kg，區域分布平均值為1 120 mg/kg，可見錳在整個區域中分布廣，且分布含量較高。鋅在檢測礦區土壤含量次之，其分布最小值為132 mg/kg，最大值為1 602 mg/kg，而分布均值為525 mg/kg，鋅的整體分布含量較低，但在靠近錳礦區最近的污染區其分布含量較高，超過了1 000 mg/kg。此外，在空間分布調查中，銅、鉛也有較廣泛的分布，主要集中在靠近錳礦區的污染區附近。

2.3 錳礦區土壤污染評估研究

對礦區8種主要的重金屬進行單因子污染評估可以發現，其中單因子污染影響最大的是鉻，其在污染區污染指數為47；其次是錳，在污染區污染指數為17。

而在距離礦區較遠的參考區，單因子污染影響最大是錳，其污染指數為7，而鎘的污染指數為6，其污染影響次之。同時，發現鋅與砷其單因子風險影響也較高，在污染區污染指數分別為6與5，而在較遠的參考區則鋅與砷的單因子影響可以忽略不計。此外，鉛、銅、鉻以及鎳單因子風險整體較小，在參考區其影響可以忽略不計。綜合污染指數評估結果顯示，其中選取了采樣區玉米地與蔬菜地兩種土壤進行綜合污染評估。由此來看，污染區玉米與蔬菜其綜合風險指數均超過了15，有嚴重的綜合污染情況，且鎘是土壤風險首要因素，其次是錳與鋅。而在參考區，玉米地與蔬菜地均為輕度污染，但玉米地土壤風險要整體高于蔬菜地，這可能與部分元素被蔬菜所吸收導致。

2.4 錳礦區生態監測研究

錳礦區土壤生態潛在風險評估結果如表2所示。測試結果可知，污染區潛在風險影響最大的是鎘，其潛在風險指數均值為2 388.81，其次是砷，其潛在風險指數均值為24.98。不過在錳礦附近錳在土壤中檢測含量雖高，但對生態的整體影響要遠低于鎘與砷，其生態潛在風險均值為11.79。在參考區測試中，潛在風險影響最大是鎘、鉛以及砷，潛在風險指數均值分別為263.97、18.61以及15.41，而錳的潛在風險指數均值為2.34。由上述分析結果來看，無論是在污染區還是參考區，鎘對生態的潛在風險影響是最大的。其主要原因與鎘的含量以及危害性有關，其中鎘更容易在植物中富集，該類植物對人體健康有嚴重影響。

檢測礦區主要作物玉米的重金屬含量。在玉米中檢測到污染區鉻、鉛、銅含量均超標率超過20%。此外，在參考區有部分金屬在玉米檢測中超標，如鉛、砷、銅等。玉米中鉛超標與礦區土壤鉛含量過高以及植物對其吸收更強有關。此外，進一步研究發現，銅、鉛、鎳以及鉻變異系數高，其值超過35%。而鉻、錳、砷為變異率低，其變異率值低于15%。

比較玉米與蔬菜重金屬富集系數，如圖1所示。在玉米中，鉻、銅、鋅更容易富集，其中，玉米對鉻以及鋅的富集很強，如在污染區中，玉米中對鉻以及鋅的富集系數均值分別為6.4%與5.1%。而在蔬菜中，蔬菜則對銅、鋅具有較高的富集能力，而對鎘具有很強的富集能力，污染區蔬菜對鎘的富集系數均值為6.1%，而參考區蔬菜對鎘的富集也達到了5.7%。進一步分析發現，蔬菜中葉片對重金屬的富集能力要明顯強于自身的根莖，如在調查的蔬菜中葉面部位鎘富集要明顯高于根部部位。同時，玉米對鉻、鋅、鎳的富集能力要明顯強于蔬菜。由此也能看出，植物對不同重金屬的富集能力是不同的，在錳礦區生態治理中需要充分考慮到植物對不同重金屬的富集能力，針對性種植差異化作物，降低作物農害。

3 結論

錳作為工業重要的原材料，其開采地易受到重金屬污染。為有效治理錳礦區生態環境，研究以某錳礦區為案例，展開錳礦區土壤重金屬污染風險評估。其中，引入單因子污染指數法分析單一因素對土壤污染的影響，采用綜合污染指數法評估礦區土壤重金屬污染程度。同時，引入潛在生態危害指數法來分析礦區生態污染發展情況，從而為地區生態治理提供相關治理依據。根據分析結果來看，土壤中重金屬有錳、鋅、鎳、銅、鉻、砷、鉛、鎘，其中污染區鋅超標率為93.25%，鎘超標率為87.25%。在土壤污染評估中，污染區土壤綜合污染指數均高于15，為重度污染。在單因子污染指數中，鎘、錳、鋅對單因子影響最大。在潛在生態風險分析中，鎘、鉛以及砷對環境影響最大。在富集系數分析中，玉米對鉻與鋅具有很強的富集能力，而蔬菜對鎘具有很強的富集能力。可見，礦區土壤受到嚴重污染，靠近礦區的參考地也不同程度受到污染。不過研究并未對礦區重金屬形態特性進行研究，未來需要進一步考慮，以加強對重金屬污染礦區的風險評估效果。

參考文獻

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