铜陵林冲尾矿库复垦土壤重金属含量及污染评价

陈莉薇， 徐晓春， 黄界颖，3， 梁建锋

（1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.青海大学 化工学院，青海 西宁 810016；3.安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

0 引 言

安徽省铜陵市是我国铜、铁、硫、金的重要生产基地。在矿产生产过程中产生的大量尾矿堆积在尾矿库，尾矿库是环境体系中重金属污染的重要来源。许多学者开展了关于尾矿库土壤复垦及植被重建方面的研究［1－5］，但对于尾矿库复垦后土壤质量评价体系与方法的研究还很少。

国际上有关沉积物中重金属污染评价研究的先进方法主要有地积累指数法（Index of Geoac－cumulation）、潜在生态危害指数法（Potential Ecological Risk Index）、污染负荷指数法（Pollution Load Index）、回归过量分析法（Regression Excessive Analysis）等［6－10］。本文以安徽铜陵林冲尾矿库复垦土壤作为研究对象，应用地积累指数法和潜在生态危害指数法进行重金属污染评价，为进一步了解复垦后的土壤环境质量、更好地开发利用复垦土壤提供科学依据。

1 研究区域概况

目前，铜陵矿集区不同类型矿床矿石采选冶炼后产生的尾矿砂分别堆放在大小39个尾矿库中，其中包括五公里、响水冲、相思谷、杨山冲和林冲等12个大型尾矿库。林冲尾矿库位于铜陵市东部的凤凰山地区，属于山谷型尾矿库，占地总面积16 650m2，汇水面积0.95km2，库容1.2×106m3。该尾矿库于1970年6月开始正式服役，到1980年底达到设计库容停止使用，库内共堆存尾矿190.0×104t。入库的尾矿砂的容重大约为1.4t／m3，平均粒度在0.019mm 左右。尾矿库封闭后，凤凰山铜矿进行了部分尾矿重选工作。林冲尾矿库中的尾矿堆存已超过30a，受地表风化影响强烈。目前，尾矿库内已无积水，地表尾砂呈黄褐色，大部分已固结成小的土块，并被土地覆盖；剖面自上而下颜色逐渐变深，粒度变细，黄褐色与灰色层状结构交互出现；地下50cm以下的尾矿砂呈深灰色，并有空隙水；继续向下，颜色呈深灰色，变化不明显，空隙水为中偏碱性。附近农民在库内及四周坡地上种植了油菜、丹皮等经济作物，生长状况良好，库区已经基本被植被所覆盖。尾矿库下游流域有农田及耕地数万公顷，人口约500人，建筑设施主要是隶属于矿山的预制厂、瓦工库、木工库、水泵房等，也有公路、铁路穿过下游坝口。此区域为铜陵市环境保护部门选定的自然保护区。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

考虑到尾矿库内地势高低不均、不同地点尾矿堆存条件的差异以及存在土壤扰动层等因素，在尾矿库的西北部、中部、东南部选择3个采样点垂直于地表采样，3个采样点之间间隔约300m，如图1所示，在每个点位上分别距离地表20、40、50cm深度上各取一个样品，并分别编号为：1－1，1－2，1－3；2－1，2－2，2－3；3－1，3－2，3－3。

图1 林冲尾矿库复垦土壤采样点位置示意图

2.2 样品分析

将尾矿样品装入洁净的布袋中，放入烘箱恒温40℃烘干后取出，剔除样品中的杂物，用研钵研至150目。样品委托安徽省地质测试中心分析Cu、Pb、Zn、As 4种重金属元素的含量。其中，Cu、Pb、Zn的含量采用原子吸收法测定，As的含量采用硫酸－硝酸消解、二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定。分析结果见表1所列。

表1 复垦土壤的重金属元素质量比分析 mg／kg

3 评价方法与计算

3.1 地积累指数法

地积累指数又称Müller指数（Igeo），是20世纪60年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标，这种评价方法也可用来评价土壤中重金属的污染程度及其分级情况［11－12］。其表达式为：

其中，ωn为元素n在沉积物中的质量比；Bn为沉积物中该元素的地球化学背景值；k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（在实际应用中一般取1.5），用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。地积累指数规定了相应的污染级别划分标准，见表2所列。

表2 地积累指数（Igeo）分级标准

在重金属污染评价过程中，除必须考虑人为污染因素、环境地球化学背景值外，还应考虑由于自然成岩作用可能引起的背景值变动因素。与其他重金属污染评价方法相比，地累积指数法注意到了这种变动因素，弥补了其他评价方法的不足，使得评价结果更加准确［13－15］。

土壤元素背景值是指土壤在自然成土过程中所形成的固有地球化学组成和含量，是判断土壤中化学物质的行为与环境质量的必要基础数据。由于土壤的形成、发育受气候、生物、母质、地形和时间等因素的影响，土壤元素背景值也会反映出土壤自身结构与化学组成的不均匀性。由于人类活动和现代工业发展的影响，绝对不受污染的土壤已很难找到，因而这种概念的“背景值”无论在时间上和空间上均具有相对的含义［16］。

本文着重于研究尾矿库对复垦土壤的污染程度及其潜在危害，故选取安徽铜陵土壤元素背景值分别为：Cu 46.04mg／kg，Pb 47.25mg／kg，Zn 137.60mg／kg，As 25.00mg／kg［17］。

应用地积累指数的公式对林冲尾矿库复垦土壤重金属元素含量进行计算，可得Cu、Pb、Zn、As 4种重金属元素的地积累指数及其污染分级，见表3所列。

表3 林冲尾矿库复垦土壤重金属元素的地积累指数与分级

3.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数评价法是瑞典学者Hakanson于1980年建立的一套应用沉积学原理评价重金属污染及生态危害的方法［18］，该方法作为国际上土壤 （沉积物）中重金属研究的先进方法之一［19－20］，不仅反映了某一特定环境中各种污染物的影响，也反映了多种污染物的综合影响，并以定量的方法划分出潜在危害程度，是目前应用很广的一种方法［21－24］。

单个重金属的潜在生态危害指数Ei＝Ti（ωi／ω0），其中，ωi、ω0、Ti分别为第i种重金属的监测质量比、参比值和毒性系数。某区域多个重金属的综合潜在生态危害指数RI为各个金属潜在生态危害指数的代数叠加。Hakanson根据“元素丰度原则”来区分各种污染物，由于重金属的沉积作用及对固体的亲合作用，毒性和稀有性之间存在着一种比例关系。毒性高的金属应比毒性低的金属对RI值有较大贡献。由此Hakanson提出了重金属元素的“沉积学毒性系数”，其顺序为：Zn＝l＜Cr＝Ni＝2＜Cu＝Pb＝5＜As＝10＜Cd＝30＜Hg＝40［25］。根据Ei和 RI大小，参照沉积物中重金属潜在生态危害系数、生态危害指数和污染程度的关系，将沉积物的潜在生态危害状况进行分级，见表4所列。

以安徽省土壤元素背景值为参比值，应用潜在生态危害指数的公式对林冲尾矿库复垦土壤重金属含量进行计算可得Cu、Pb、Zn、As 4种重金属元素的潜在生态危害指数Ei及综合潜在生态危害指数RI，见表5所列。

表4 重金属潜在生态危害程度分级

表5 复垦土壤重金属元素的潜在生态危害指数

4 分析与讨论

由表3地积累指数的计算可知，林冲尾矿库复垦土壤重金属污染程度从高到低依次为Cu＞Zn＞As＞Pb。其中，Cu的地积累指数最高，属于中等—强污染；其次是Zn和As，属于轻度—中等污染；而Pb的地积累指数很小，没有产生污染。由此可知，Cu、Zn和As是土壤中主要的污染因子，应在复垦土壤利用过程中充分考虑其在土壤－植物体系中的富集与迁移；尤其是As，虽然其污染程度较轻，但是由于其毒性及其对动植物、人体的影响较大，故需慎重对待；而Pb的含量很低，不造成污染。

由表5潜在生态污染指数的计算可知，林冲尾矿库复垦土壤中各重金属的潜在生态危害程度从高到低依次为Cu＞As＞Pb＞Zn，从单个重金属元素的潜在生态危害指数来看，土壤重金属污染以Cu为主，As次之，而Pb和Zn的污染程度很轻；从综合潜在生态危害指数来看，复垦土壤处于中度生态危害状态。

各元素在2种评价方法中的污染等级见表6所列。

表6 各元素在2种评价方法中的污染等级

由表6可知，应用2种方法对林冲尾矿库复垦土壤中重金属污染程度进行评价所得到的结果基本一致。地积累指数法能够直观给出重金属的污染级别，明确体现出重金属的富集程度，但其侧重单一金属，未引入生物有效性和相对贡献比例及地理空间差异；而潜在生态危害指数法则弥补了上述不足，可综合反映出多种重金属对生态环境的影响，但其毒性响应系数带有主观性［25］。

在重金属污染评价过程中，评价方法的选择以及背景值（或称为参照值）的选取尤为重要，直接影响评价结果。文献［17］曾以单因子指数法和内梅罗指数法评价此复垦土壤的重金属污染状况，得到的结果与本研究的结果存在较大的差异，其评价结果为复垦土壤质量属于5级重污染。内梅罗指数法以环境质量标准为参照值，属于环境质量的评估范畴，其描述的环境质量是非连续的，分级标准是建立在二值逻辑基础上的，同时用于计算的环境质量标准未进行修正，难以代表研究区的背景值，故使用这种标准进行评价难以反映污染的质变特征，对污染程度的界定有其不足之处［26］。因本研究区属于矿产开发地带，人为活动是土壤中重金属累积和污染的主要因素，所以地积累指数和潜在生态危害指数更适合用于此区域污染程度的判定。

应用地积累指数和潜在生态危害指数进行重金属污染程度评价时，地区表层土壤元素背景值的使用最为广泛，但也有学者使用工业化前全球沉积物重金属平均背景值［27，28］、最高背景值［29］或中国土壤环境质量标准［17，30］。使用的背景值不同，同一地区的评价结果也有所不同。以本研究区为例，若以中国安徽土壤元素背景值Cu 20.40mg／kg、Pb 26.60mg／kg、Zn 62.00mg／kg、As 9.00mg／kg［31］进行评价，则地积累指数评价结果Cu属于强—极严重污染，As和Zn属于中等污染，Pb没有产生污染；单个重金属的潜在生态危害指数评价结果重金属污染以Cu为主，As次之，而Pb和Zn的污染程度很轻。本文着重于研究尾矿库对安徽省铜陵地区复垦土壤的污染程度及其潜在危害，且铜陵自古以来就有采矿活动，土壤背景值的人为影响很大，故选取安徽铜陵土壤元素背景值进行评价。

5 结 论

（1）2种评价法研究表明，林冲尾矿库复垦土壤中Cu的污染极其严重，As、Zn、Pb的污染较轻。

（2）应用2种评价方法得到重金属污染程度的顺序有差别，主要体现在As、Pb和Zn的污染顺序不同。这是因为潜在生态危害指数法引入了重金属对生物的毒性系数，As的毒性系数较大，而Zn的毒性系数比Pb小。这也说明有些污染物虽然污染程度高，但其自身的性质使得其潜在风险程度降低。

（3）从环境学意义而言，重金属污染主要表现在对生态环境、生物生长等方面的负面影响，不同的重金属性质有所不同，毒性各异。潜在生态危害指数评价法引入重金属毒性系数，具有实际意义。但由于土壤体系中存在多种重金属的复合污染，故应进一步考虑各重金属之间毒性加权或拮抗作用而造成的评价失真。

（4）地积累指数评价法的优点在于它将土壤重金属的污染等级细化，为分析和研究林冲尾矿库复垦土壤重金属的污染状况以及选择最佳的修复技术奠定了基础；而潜在生态危害指数评价法综合反映出多种重金属对生态环境的潜在影响，为进一步研究复垦土壤的修复提供了依据。

［1］刘付程，孙庆业，顾也萍.铜陵铜矿尾矿的不良特性对植被重建的影响与治理对策 ［J］.资源保护，1999，15（3）：147－149.

［2］王友保，张 莉，刘登义，等.铜陵铜尾矿库植被状况分析［J］.生态学杂志，2004，23（1）：135－139.

［3］储 玲，王友保，刘登义.安徽铜陵五公里铜尾矿废弃地的植被调查［J］.生物学杂志，2003，20（1）：15－19.

［4］杨世勇，谢建春，刘登义.铜陵铜尾矿复垦现状及植物在铜尾矿上的定居［J］.长江流域资源与环境，2004，13（5）：488－492.

［5］代宏文，王春来，汪庚水，等.杨山冲尾矿库复垦建立植被技术研究［J］.资源·产业，2000（7）：26－27.

［6］贾振邦，梁 涛，林健枝，等.香港河流重金属污染及潜在生态危害研究［J］.北京大学学报：自然科学版，1997，33（4）：485－492.

［7］彭晖冰，刘云国，李爱阳.铅锌矿尾渣土壤中重金属的形态及潜在生态风险［J］.湖南农业大学学报：自然科学版，2007，33（3）：345－347.

［8］柴世伟，温琰茂，张亚雷，等.地积累指数法在土壤重金属污染评价中的应用［J］.同济大学学报：自然科学版，2006，34（12）：1657－1661.

［9］贾振邦，于澎涛.应用回归过量分析法评价太子河沉积物中重金属污染的研究［J］.北京大学学报：自然科学版，1995，31（4）：451－458.

［10］李金城，尹仁湛，罗亚平，等.广西大新锰矿区土壤重金属污染评价［J］.环境科学与技术，2010，33（7）：183－185.

［13］彭 景，李泽琴，侯家渝.地积累指数法及生态危害指数评价法在土壤重金属污染中的应用及探讨［J］.广东微量元素科学，2007，14（8）：13－17.

［14］卢 瑛，龚子同，张甘霖.南京城市土壤Pb的含量及其化学形态［J］.环境科学学报，2002，22（2）：156－160.

［15］贾振邦，周 华，赵智杰，等.应用地积累指数法评价太子河沉积物中重金属污染［J］.北京大学学报：自然科学版，2000，36（4）：525－530.

［16］芦长明.安徽石台大山地区岩石－土壤地球化学特征［J］.安徽地质，2010，20（2）：120－125.

［17］王 军，徐晓春，陈 芳.铜陵林冲尾矿库复垦土壤的重金属污染评价［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2005，28（2）：142－145.

［18］Hakanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control：a sedimentological approach［J］.Water Research，1980，14：975－1001.

［19］王永强.多金属污染农田土壤固化／稳定化修复研究进展［J］.广西农业科学，2009，40（7）：881－888.

［20］周 娅，杨定清，谢永红，等.攀枝花钒钛磁铁矿区土壤重金属污染特征及评价［J］.西南农业学报，2010，23（3）：777－781.

［21］王显炜，徐友宁，杨 敏，等.国内外矿山土壤重金属污染风险评价方法综述［J］.中国矿业，2009，18（10）：54－56.

［22］李章平，陈玉成，杨学春，等.重庆市主城区土壤重金属的潜在生态危害评价［J］.西南农业大学学报：自然科学版，2006，28（2）：227－230.

［23］赵沁娜，徐启新，杨 凯.潜在生态危害指数法在典型污染行业土壤污染评价中的应用［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2005，3（1）：111－116.

［24］王诚曦.农田土壤环境质量标准值制定与健康风险评估［J］.广西农业科学，2009，40（9）：1199－1202.

［25］石 平，王恩德，魏忠义，等.青城子铅锌矿区土壤重金属污染评价［J］.金属矿山，2010（4）：172－175.

［26］张江华，赵阿宁，王仲复，等.内梅罗指数和地质累积指数在土壤重金属评价中的差异探讨：以小秦岭金矿带为例［J］.黄金，2010，31（8）：43－46.

［27］范清华，黎 刚，牛志春，等.安徽铜陵新桥河上游沉积物重金属污染及潜在生态风险评价［J］.污染防治技术，2010，23（1）：43－47.

［28］徐晓春，牛杏杏，王美琴，等.铜陵相思河重金属污染的潜在生态危害评价［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（1）：128－131，136.

［29］张 鑫，周涛发，袁 峰，等.铜陵矿区水系沉积物中重金属污染及潜在生态危害评价［J］.环境化学，2005，24（1）：106－107.

［30］郑国强，方向京，张洪江，等.云南省个旧锡矿区重金属污染评价及植被恢复初探［J］.水土保持通报，2009，29（6）：208－212.

［31］国家环境保护局，中国环境监测总站.中国土壤元素背景值［M］.北京：中国环境科学出版社，1990：330－378.