白云鄂博矿区土壤重金属污染地球化学评价

段丽丽

（1.山东理工大学 化学工程学院，山东 淄博 255091；2.鄂尔多斯职业学院 化学工程系，内蒙古 鄂尔多斯 017000；）

人类对矿产资源开发利用的同时，也带来了诸如矿区土壤重金属不断富集、地质地貌被改变等环境问题，尤其是矿山露天开采对土壤环境造成的污染更为严重［1－2］.土壤中重金属含量的增高不但对矿山环境产生危害，也会通过食物链影响到矿区周围居民的身体健康［3－5］，因此矿产资源开发的同时必须重视环境保护与治理，矿区环境评价是矿山环境保护与治理的基础，矿区土壤重金属污染评价是矿区环境评价的重要内容.本文选择白云鄂博矿区作为研究区域，对白云鄂博矿区土壤重金属污染进行地球化学评价.

白云鄂博矿区位于包头市北150km处，该矿始建于1957年，是一座罕见的多金属共生矿，主要以铁、铌、稀土等金属矿物共生.该矿稀土含量占世界稀土总量36%，铌含量居世界第二位［6］，其独特的矿产资源已引起全世界人民的关注.矿山分为主矿、东矿和西矿三个部分，现主要对主矿和东矿进行开采，西矿开采量较小，该矿以露天方式开采，为包头钢铁公司提供原料.现矿区居住人口约3万人，常年干旱少雨.

1 样品与分析方法

1.1 样品采集

矿区周围土壤重金属的富集主要是由于矿山开采、矿石运输以及尾矿堆放等因素所引起的［7］.在分析白云鄂博矿区地地形地貌的基础上，以主矿和东矿为中心向外扩散取样，采样点位置含盖了采矿区、尾矿坝、居民区、以及受人类活动影响较小的地区.采样具体过程为:确定采样点后，GPS定位，用不锈钢铲子取地表层厚5cm混合土壤约2kg装入塑料袋中，编号，记录周围地理环境特征.本次研究目的对白云鄂博矿区土壤中重金属污染程度作以大致分析，为后续的工作提供依据，因此采样点分布由污染较严重后果区域向污染较轻区域扩散的方向，确定11个采样点，样品采集区域示意图如图1所示.

图1 白云鄂博矿区土壤样品采集区域示意图

1.2 样品处理及分析

将样品在室温下风干后，将植物根系，石块儿等杂物剔除，其中结成块的土壤应轻轻将其碾碎，按四分法留存一份，将另一份过2mm不锈钢筛子.将2mm以下部分按四分法再留存一半后，将另一半放入玛瑙罐中通过研磨机将样品研磨至200目以下.

将200目以下土壤样品置于120℃烘箱中干燥8h后，取约4.000g样品，用高密度聚乙烯树脂做外包，通过粉末压样机，制成粉末压片.采用X射线荧光光谱仪对样品进行重金属元素含量分析.

1.3 理论分析方法简介

1.3.1 地累积指数法

地累积指数又称Muller指数，是Muller于1969年在德国海德堡大学提出的，该指数是欧洲国家广泛用于评价沉积物中重金属污染程度的指标，其计算公式如下:

其中:Igeo为地累积指数；Ci为元素i沉积岩中的实测含量；Bi为粘质沉积岩（普通页岩）中该元素的地球化学背景值，有时也采用当地无污染区该元素含量作为背景值；1.5为消除各地岩石差异可能引起背景值的变动转换系数.Forstner等将沉积物重金属污染程度与地积累指数分级之间的相互关系分为从无污染到极强污染7个级别［8］.

地累积指数方法不但考虑到了人为因素对土壤中重金属的污染评价的影响，还考虑到了自然成因作用可能引起的背景值变动因素对评价的影响［9］.

1.3.2 富集因子法

富集因子是评价人类活动过程中对环境介质中潜在有毒有害元素富集程度影响的重要参数［10］，因能判断自然的和人为因素对环境的影响，且该方法运用简单易行，所以一直被广泛应用.

富集因子的基本意义是将样品中元素的浓度与参比元素浓度进行对比，以此来判断人为因素对表生环境造成的污染状况.其计算公式可表示为

式中:Ci为元素i的浓度；Cn为标准化元素（即参比元素）的浓度；sample和baseline分别表示样品和背景值.

根据富集因子的大小，可将元素的富集（污染）程度分为五个级别，富集因子分为五个等级［11］.

富集因子计算当中，为保证各指标的等效性和可比性，对测试样品中各元素进行归一化处理，要恰当的选择参比元素.对参比元素的要求是自身性质稳定，不易受到所在环境和分析测试过程中的影响.笔者选择Zr元素作为参比元素，主要是考虑Zr元素测量精确且该元素在环境和分析测试过程中极稳定.

2 结果与分析

2.1 研究区域土壤重金属含量分析

白云鄂博矿区及周围土壤重金属含量见表1.在白云鄂博矿区周围采集的11个样品中重金属Cr、Cu、Zn、Pb、As、Co、Ni、Mn的平均含量均高于内蒙古土壤重金属元素几何平均值.其中在矿区内采集的1号、2号样品重金属含量最高，其次为火车站附近采集9号样品（个别元素含量甚至高于矿区内重金属含量），尾矿坝周围土壤重金属含量、居民区土壤重金属含量、远离矿区土壤重金属含量依次降低.说明，矿山的长期开采和运输造成了矿区及周围土壤中重金属含量超标，引起重金属污染.

表1 白云鄂博矿区土壤重金属元素含量（mg／kg）

2.2 地累积指数法评价

采用内蒙古土壤重金属元素几何平均值作为土壤背景值，计算白云鄂博矿区各土壤样品中8种重金属元素地累积指数结果见表2.

表2 白云鄂博矿区土壤重金属地累积指数

由表2数据可以看出，在研究区域采集的11个样品中，对Cr元素54.5%的样品地累积指数为1级，无污染（Igeo＜0），36.4%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染（0≦Igeo＜1），9.1%的样品地累积指数为4级，中度污染到强污染（2≦Igeo＜3）.中度污染到强污染样品取自白云鄂博火车站附近.白云鄂博矿区土壤Cr含量的增高或许与交通运输工具的磨损有关.

对Cu元素，9.1%的样品地累积指数为1级，无污染，72.7%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染，18.2%的样品地累积指数为3级，中度污染（1≦Igeo＜2）.中度污染样品分别取自白云鄂博矿东矿与主矿之间和街心公园北门.

对Zn元素，9.1%的样品地累积指数为1级，无污染，45.5%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染，18.2%的样品地累积指数为3级，中度污染，18.2%的样品地累积指数为4级，中度污染到强污染，9.1%的样品地累积指数为5级，强污染.强污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间.

对Pb元素，18.2%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染，36.4%的样品地累积指数为3级，中度污染，18.2%的样品地累积指数为4级，中度污染到强污染，18.2%的样品地累积指数为5级，强污染，9.1%的样品地累积指数为6级，强污染到极强污染（4≦Igeo＜5）.强污染样品取自白云鄂博矿东矿和白云鄂博火车站附近，强污染到极强污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间.

对As元素，9.1%的样品地累积指数为1级，无污染，81.8%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染，9.1%的样品地累积指数为3级，中度污染.中度污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间.

对Co元素，72.7%的样品地累积指数为1级，无污染，27.3%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染.

对Ni元素，72.7%的样品地累积指数为1级，无污染，27.3%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染.

对Mn元素，45.5%的样品地累积指数为2级，无污染到中度污染，18.2%的样品地累积指数为3级，中度污染，9.1%的样品地累积指数为4级，中度污染到强污染，27.3%的样品地累积指数为5级，强污染.强污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间，白云鄂博矿东矿和白云鄂博火车站附近.

2.3 富集因子法评价

选择Zr元素作为参照元素，仍采用内蒙古土壤重金属元素几何平均值作为土壤背景值.各重金属元素富集因子见表3.

表3 白云鄂博矿区土壤重金属富集因子

由表3中数据可看出，在研究区域内采集样品中，对Cr元素，90.9%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染（EF＜2），9.1%的样品富集因子为3级，为重污染（5≦EF＜20）.重污染样品取自白云鄂博火车站附近.

对Cu元素，72.7%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染，27.3%的样品富集因子为2级，为中度污染（2≦EF＜5）.中度污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间、街心公园北门和白云鄂博火车站附近.

对Zn元素，45.5%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染，18.2%的样品富集因子为2级，为中度污染，36.4%的样品富集因子为3级，为重污染.重污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间、白云鄂博矿东矿、街心公园北门和白云鄂博火车站附近.

对Pb元素，9.1%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染，45.5%的样品富集因子为2级，为中度污染，45.5%的样品富集因子为3级，为重污染.重污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间、白云鄂博矿东矿、街心公园北门、白云鄂博火车站附近和白云鄂博大街与育才路交叉口.

对As元素，72.7%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染，27.3%的样品富集因子为2级，为中度污染.中度污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间、白云宾馆院内和白云鄂博火车站附近.

对Co元素，100%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染.可见研究区域基本不受Co污染.

对Ni元素，100%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染.可见研究区域基本不受Ni污染.

对Mn元素，27.3%的样品富集因子为1级，为无到轻微污染，36.4%的样品富集因子为2级，为中度污染，36.4%的样品富集因子为3级，为重污染.重污染样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间、白云鄂博矿东矿、街心公园北门和白云鄂博火车站附近.

2.4 地累积指数法和富集因子法综合评价

由上述数据及分析可知，两种评价方法的结果基本一致，见表4.

表4 研究区域11个样品污染等级

由表4可以看出，1号采样点Zn、Pb、Mn元素重污染，Cu、As元素中度污染，其余元素无污染－中污染.2号采样点Zn、Pb、Mn元素重污染，其余为元素无污染－中污染.3号采样点Pb、Mn元素中度污染，其余元素为无污染－中污染.4号采样点Pb元素中度污染，其余元素为无污染－中污染.5号采样点Pb元素中度污染，其余元素为无污染－中污染.6号采样点Pb、Mn元素中度污染，其余元素为无污染－中污染.7号采样点Cu元素中度污染，Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素为无污染－中污染.8号采样点Zn、As、Pb、Mn元素中度污染，其余元素为无污染－中污染.9号采样点Cu元素中度污染，Cr、Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素为无污染－中污染.10号采样点Zn、Mn元素中度污染，Pb元素重污染，其余元素为无污染－中污染.11号采样点元素均为无污染－中污染.

显然，白云鄂博矿区（包括矿山城区）土壤不同程度受到重金属的污染.Cu、Pb、Zn、As主要在主矿和东矿之间，Mn、Cr的污染主要出现在火车站附近，Co、Ni污染程度相对较低.笔者认为Cu、Pb、Zn、As的污染主要来自矿体开发，Mn、Cr的污染既有矿体开发的影响，也有矿石运输（如火车等交通运输工具的磨损）的影响，

3 结论

（1）在所研究的白云鄂博矿区，所取11个样品各重金属元素平均值均高于内蒙古土壤重金属元素几何平均值，不同程度受到所研究8种重金属元素的污染，其中污染最严重的Zn、Pb、Mn三种元素含量分别为背景值的5.1倍、9.0倍和6.3倍.

（2）各种重金属地累积指数及富集因子在研究区域的分布特点为:各采样点Co、Ni两种元素地累积指数均小于1，富集因子均小于1.8为无污染—轻微污染，对环境影响相对较小.其余元素均不同程度受到人类活动的影响，以Zn、Pb、Mn三种元素对研究区域污染较为严重.其中部分采样点中三种元素地累积指数介于3到4之间，富集因子介于5到20之间，为重污染或极重污染.

（3）污染最为严重的样品取自白云鄂博矿东矿与主矿之间、白云鄂博矿东矿、街心公园北门和白云鄂博火车站附近.研究表明，除7号和9号采样点特殊外，其余采样点分析数据表明污染程度是沿着采矿区向居民区逐渐降低，说明采矿活动是造成该区土壤重金属污染的源头；而7号采样点位于街心公园北门位于矿山路旁，矿山路为矿石由矿山运往外界的通道，而9号采样点位于白云鄂博火车站，该站以运送矿石为主，这说明矿石运输过程中对环境造成的污染极大.

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