湘潭金石锰矿周边土壤污染特征及生态风险评价
2018-05-14朱岗辉汪成李璐陈坚文一李书炎
朱岗辉 汪成 李璐 陈坚 文一 李书炎
摘要 [目的]掌握金石锰矿周边土壤重金属含量、污染程度及分布特征。[方法]对矿区周边土壤进行实地采样，并对土壤中重金属Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr和Ni含量进行分析。采用地累积指数法及潜在生态风险指数法，评价土壤中的重金属污染程度和风险。[结果]金石矿区周边土壤受到重金属不同程度的污染，重金属的污染程度从大到小依次为Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni;重金属区域污染差异较大，局部区域土壤Mn污染严重，垂向调查发现重金属污染主要集中在表层土壤;矿区周边土壤中重金属综合的潜在危害程度为“轻微-中等”，Cd 是潜在生态危害最大的因子。Pb 和Zn 、Cd和Ni有很大相关性，可能属于同源污染物。[结论]该研究可为矿区土壤重金属污染防治提供科学依据。
关键词 锰矿;土壤;重金属;污染特征;风险评价
中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）34-0048-05
工矿业企业排放是土壤重金属污染的重要来源。由于重金属污染的隐蔽性、长期性和不可逆性，且不能被微生物降解[1-2]，近年来随着采矿业的迅速发展，矿区周边土壤重金属污染问题已成为环境污染的热点问题之一。土壤重金属通常具有持久性、累积性和循环性的特点，不仅影响生物地球化学的可循环性，也会通过各种途径对生态环境和人体健康造成一定风险[3]。国内外学者对矿山资源开发的重金属污染评价和矿区环境重金属污染特征进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果[4-6]。
因此，研究矿区周边土壤中重金属的空间分布、污染状况及风险评价，对矿区周边土地的安全利用、保障周边居民健康生活具有重要意义。笔者以湘潭金石锰矿周边土壤为研究对象，分析矿区周边土壤重金属的空间分布规律;利用富集因子法及潜在生态风险指数对周边农田土壤中重金属的污染特征及生态风险进行分析与评价，以期为该区域土壤重金属污染防治及土地合理利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
湘潭金石锰矿地处湘乡、宁乡、韶山交界地带，位于湘乡市金石镇万群村，矿区地理坐标为112°26′～112°29′E、28°02′～28°05′N。矿区地处丘陵地带，海拔在62～165 m，属亚热带大陆性气候，气候湿润、四季分明。日气温最高为42.2 ℃，最低为-8.0 ℃，年平均气温为17.4 ℃;年降水量最多为2 081.0 mm，最少为997.7 mm，年平均降水量为1 431.4 mm;年蒸发量最大为1 580.9 mm，最小为992.2 mm，年平均为1 321.7 mm。湘潭金石锰矿矿床为“湘潭式”浅海相原生碳酸锰矿床，产于下震旦统莲沱组黑色页矿岩中，平均矿体厚度2.14 m，平均含锰品位18.71%。金石锰矿有25年的开采历史，开采过程中由于矿石废弃物、矿渣和选矿后的尾矿等造成对周边环境影响。
1.2 样品采集与处理
根据现场调研情况，依据《土壤环境检测技术规范》（HJ/T 166—2004）对金石锰矿周边范围内土壤进行采集，采样点主要集中在农田，也有部分为林地。采样时利用GPS 精确记录每个采样点对应的坐标，观察并对其周边环境进行记录。周边区域共布设土壤采样点20个，其中包括3个对照点，每个土样由4～6个子样混合，土壤采集深度为20、50、100 cm，采集量为1 kg。
土壤样品置于阴凉处自然风干，混匀后选取约0.5 kg 土壤样品进行研磨处理，依次全部通过20、60 和100 目尼龙筛，置于自封袋中保存备用。称取100 目土壤样品0.1 g（精确至0.000 1 g）置于消解管中，用石墨消解仪（ST-60）进行消解[7]。将消解完成的样品置于100 mL 容量瓶，定容并混匀后过滤到聚乙烯瓶中，并利用电感耦合等离子体光谱仪ICP-AES（ICAP 6200，USA Thermofisher）测定重金属（Cu、Zn、Pb、Cr、Mn）含量，利用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS（X USA Thermofisher）测定Ni、Cd 含量。在所有样品试验过程中，采用平行试验、国家标准土壤样品（ESS-2）回收试验进行质量控制。平行试验相对误差在1.36%～11.15%，标准样品回收率在91.8%～109.3%。
1.3 土壤重金属污染评价方法
1.3.1 土壤评价的方法。
根据样品分析测试结果，参考土壤环境质量标准，对研究区域土壤重金属分别采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行评价[8]。污染指数评价法计算公式如下：
以国家土壤环境质量标准为评价标准，单因子污染指数评价法可用于评价土壤重金属污染程度，分析土壤环境质量对农业生产的影响程度。具体分级指标为：P综≤0.7，土壤环境质量处于清洁安全状态;P综
1.3.2 地积累指数评价法。
地累积指数法是德国科学家Muller[9]在1969年提出的，是一种研究土壤、沉积物中重金属污染程度的定量指标。其计算公式为：
1.3.3 潜在生态危害指数法。
瑞典科学家Hakanson[10]提出的生态危害指数法是目前最为流行的一种对土壤或沉积物中土壤重金属污染进行评价的方法。该法将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，不仅反映了某一特定环境中各种污染物对环境的影响，及多种污染物的综合效应，而且用定量的方法划分出了潜在生态风险的程度。其计算公式为：
1.4 数据分析
采用SPSS 22.0软件，利用Pearson相关分析检验重金属元素之间的相关性，探索重金属的来源。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属的污染状况
矿区周边土壤重金属含量见表1。依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[11]和《重金属污染场地土壤修复标准》（DB43/T 1125—2016）[12]，锰矿周边土壤中主要存在重金属Mn、Cd、Pb、Zn、Cu超标，超标率分别为45%、35%、5%、5%、5%。其中Mn的超标率和超标倍数最高，污染最为严重，可能会危及农业生产及人体健康。土壤中Cr、Ni均未超出农用地土壤环境质量标准，但部分点位高出区域土壤背景值。由变异系数可知，元素变异程度之间存在较大差异，其值为Mn > Pb > Cd > Zn > Cr > Ni >Cu，其中Mn变异程度最大，超过100%，属于强变异;Pb、Zn和Cd 的变异系数较高，超过60%，属于中等变异程度;而其他元素Cr、Ni和Cu的变异系数在40%左右，也属于中等程度变异。各重金属含量变化幅度较大，说明矿区周边土壤重金属污染差异较大。
根据单因子污染指数、多因子综合污染指数的计算公式，以农用地土壤环境质量标准为评价标准，分别计算出金石锰矿周边土壤重金属元素的污染指数，结果见表2。矿区周边土壤重金属的综合污染指数最高达10.3 属于重污染，说明该矿区局部区域土壤重金属污染严重。从单因子污染指数（Pi）来看，Mn的污染指数最高，4个采样点达了重污染程度，其污染指数最高达14.35，该区域土壤Mn污染比较严重;Cd仅有一个采样点污染指数达到重污染程度，存在局部污染;Zn、Pb、Cu污染指数均小于 属于轻度污染。Cr、Ni污染指数均小于 属于清洁。各元素污染指数的大小排序为Mn> Cd> Pb> Zn> Cu> Ni>Cr。
2.2 土壤重金属含量的垂直分布
7种重金属元素在垂直方向上的分布如图1所示，可以看出Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni分布规律基本一致，其含量随深度增加呈总体下降趋势，前50 cm 变化特别明显。50 cm处除Mn以外，其他元素的含量均低于农用地土壤环境质量标准和湖南省地方标准，与湖南省土壤背景值含量基本一致。研究区域土壤重金属污染主要集中在表层50 cm以内。
2.3 土壤重金属的地积累分析
采用湖南当地背景值计算研究区各元素的地积累指数及其污染情况，见表3。从计算结果来看，重金属Mn的Igeo最大值为5.38，达极严重污染水平;重金属Cd的Igeo最大值为2.57，属于中污染-强污染;重金属Pb的Igeo最大值达1.77，属于中度污染水平;重金属Cu、Cr、Ni、Zn的Igeo值均小于1.00，属于无污染-轻微污染;整个7种重金属元素污染顺序为Mn > Cd >Pb > Zn >Cu>Cr>Ni。由此分析，矿区对周边土壤环境造成重金属污染，其中Mn 受影响最为显著，其次为Cd，而Cr、Ni 几乎不受影响。
2.4 土壤重金属生态风险评价
以湖南土壤元素背景值为参比，应用Hakanson[10]提出的潜在生态危害指数法，计算了金石锰矿土壤单项污染潜在生态危害系数特征值和潜在生态危害指数。 如表4 所示，金石锰矿土壤重金属Mn的单项污染潜在生态危害系数特征值最大为125.05，属于强风险;土壤重金属Cd的单项污染潜在生态危害系数特征值最大为285.7 属于很强风险;金石锰矿土壤重金属Pb、Zn、Cu、Cr、Ni的单项污染潜在生态危害系数特征值均小于40.00，说明石锰矿附近土壤重金属Pb、Zn、Cu、Cr、Ni污染程度较低，存在轻微生态危害。其中Cd 的平均潜在生态风险指数远远大于其他重金属元素，这一方面与Cd的毒性响应系数较大有关，其次潜在生态风险较大的为Mn。从表4 可以看出，在所有土壤样品中，Cd有40%的采样点存在强和很强的环境风险，轻微环境风险仅占15%。由多元素综合潜在生态风险指数（RI）来看，该地区存生态风险中等。
2.5 重金属来源分析
元素间相关性显著和极显著，说明元素间一般具有同源关系或是复合污染，否则来源可能不止一个[14]。通常相关性强的被认为是同一来源，而较弱的相关性则暗示与其他元素来源不一致。为了解矿区周边土壤重金属Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni的污染特征，运用SPSS软件，对土壤中各重金属总量进行相关性分析。由表5 可知，各重金属之间存在不同程度的相关性，Pb和Zn之间相关系数为0.825，Cd和Ni之间相关系数为0.695，达到显著相关水平，可见Pb和Zn、Cd和Ni之间存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。
3 结论
（1）锰矿周边土壤中主要存在重金属Mn、Cd、Pb、Zn、Cu污染，其中Mn的超标率和超标倍数最高，污染最为严重。土壤中Cr、Ni均未超出农用地土壤环境质量标准，但部分土壤Cr、Ni含量高出區域土壤背景值。土壤中各重金属含量变化幅度较大，说明矿区周边土壤重金属污染差异较大。土壤重金属纵向分析发现，研究区重金属污染主要集中在表层。
（2）采用湖南当地背景值计算研究区各元素的地积累指数及其污染情况。土壤重金属Mn的Igeo最大值为5.38，达极严重污染水平;Cd的Igeo最大值为2.57，属于中污染-强污染;Pb的Igeo最大值达1.77，属于中度污染水平;Cu、Cr、Ni、Zn的Igeo值均小于1.00，属于无污染-轻微污染。其中重金属Mn受污染最为显著，其次为Cd，而Cr、Ni 几乎不受影响。
（3）Cd是潜在生态危害最大的因子，Mn等其他5 种重金属的危害轻微;由多元素综合潜在生态风险指数（RI）来看，该地区存生态风险轻微-中等，表明矿区周边土壤整体生态风险较轻。
（4）各重金属之间存在不同程度的相关性，Pb 和Zn 之间相关系数为0.825，Cd和Ni之间相关系数为0.695，达到显著相关水平，可见Pb 和Zn 、Cd和Ni之间存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。
参考文献
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