广西某铅锌矿区土壤重金属污染状况分析与评价

谢金亮 赵庆圆,2

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.中国恩菲项目执行长沙中心， 湖南 长沙 410012)

0 前言

近年来随着采矿和冶炼业的不断发展，矿区周边的生态环境特别是土壤环境中重金属的污染已成为环境污染较突出的一个问题[1-2]。采矿和金属冶炼是土壤重金属污染的一个重要来源，其生产过程中产生的尾矿、废水、冶炼烟尘及污水灌溉对周围土壤产生严重影响，土壤重金属污染具有潜在的生态危害,已成为影响生态系统的重要污染源[3-4]。重金属在土壤中的积累，不仅直接影响土壤理化性状、降低土壤生物活性、阻碍养分有效供给，而且可通过植物富集吸收后经食物链进入人体，从而直接或间接地威胁人类安全和健康[5-6]。目前我国受重金属不同程度污染的农田面积达6.06×109m2，矿山开发与冶炼引起的环境问题越来越受到人们的重视，其中铅锌矿山开采冶炼引发的环境污染问题尤为严重，矿区和冶炼区土壤重金属污染成为当前研究热点[7-9]。此外，国内外学者对矿区和冶炼区土壤重金属的形态生物可利用性及有效性也进行了研究，结果表明，Pb、Zn和Cd容易迁移，易被生物体利用,有较大潜在生态危害[10-12]。

本研究以广西某铅锌矿矿区周边受到重金属污染的农田土壤为对象，调查研究该区附近农田土壤中重金属的污染特征并对其污染状况进行评价，以期对矿区周边地区受到重金属污染的农田土壤的安全利用和生态修复以及该矿区后期的开发利用提供科学性参考依据。

1 土壤重金属污染状况的评价方法

1.1 研究区工程概况

研究区原铅锌矿生产期间，对采选矿产生的废水、废矿石、尾矿未进行有效处理，使矿区及周边的水、土壤环境受到重金属污染，影响到附近村庄居民的身体健康，同时采矿遗留的废石堆场也存在地质灾害风险。铅锌矿矿区发育的地表溪流最终通过地下岩溶管道汇入下游某水库。然后，这些水体作为农田灌溉用水，成为污染物迁移最主要的载体，从而使得灌溉的农田逐渐受到污染，前期有关调查已经在农田土壤中检测到重金属污染物。

1.2 样品采集方法

1.2.1 网格布点

样品采集时间为2017年10月15—24日，为了使采集的监测样品具有好的代表性，避免一切主观因素，使组成总体的个体有同样的机会被选入样品，本项目采用网格布点法确定土壤调查采样点，网格间距为100 m。在具体放点时，可根据实际情况适当调整网格点的经纬度，使采样点避开河流、居民房屋及道路等区域，这样采集的样品更具有代表性。另外，为了了解调查区域农田土壤与周边区域农田土壤环境状况的差异，在调查区域外围1.0～2.0 km内，布设了农田表层土壤背景采样点6个。本项目共采集了104个点位388个样品，农田土壤采样点分布如图1和图2所示，土壤背景采样点分布如图3所示。

图1 A区(a村庄)农田土壤布点

图2 B区(b、c、d村庄)农田土壤布点

图3 土壤背景点布点

1.2.2 采集剖面样

本项目污染农田土壤主要采集剖面样，剖面样采样探坑的规格为长1.5 m、宽0.8 m、深2.2 m。探坑采用人工开挖，开挖时，表土和底层土分两侧堆放，采样剖面向阳，便于观察。表层采样0～20 cm，第二层采样20～70 cm，第三层采样70～120 cm，第四层采样120～170 cm，第五层采样170～220 cm。若个别土壤采样点遇基岩或地下水，采样层厚度不足时，按实际情况取样。采样次序自下而上，先采剖面底层样品，再采中层样品，最后采上层样品。因为本项目主要关注污染物为重金属，所以，采样时先用木铲刮去探坑开挖时与金属器具接触的部分再用木铲采样；对于用金属采样器采样的，同样用木铲刮去接触部分。剖面每层样品采集1 kg左右。

采样完成后，所有样品尽快转移到低温保温箱内并送专业实验室进行保存和检测。样品采集完成后，经分类、整理和包装，于当地暂时保存或即时发往具有CMA认证的检测单位，重金属污染土壤检测样品包括pH、Pb、As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni等9项指标，各项目监测分析方法由检测单位按相关标准技术规范进行[13]。

1.3 评价方法

以标准[14]中的二级标准为基准，采用环境质量指数法对铅锌矿区的土壤质量进行评价，所采用的指数评价模型为单因子污染指数评价和内梅罗综合污染指数评价[15]。

1.3.1 单因子指数法

单因子指数法是一种传统的重金属污染评价方法，对于农田土壤、地表水和地下水都采用该方法评价[16]，其公式见式(1)、(2)、(3)，评价结果见表1。

Pi=ci/Si

(1)

式中：Pi——样品中重金属的单项污染指数；

ci——样品中重金属的实测值，mg/kg；

Si——二级标准，mg/kg。

当pH≤7.0时，

(2)

当pH>7.0时，

(3)

式中：pHj——j点的pH实测值；

pHsd——水质标准中pH值的下限值；

pHsu——水质标准中pH值的上限值。

表1 土壤单因子污染指数评价标准

1.3.2 内梅罗综合指数法

内梅罗综合污染指数法是目前国内外重金属污染普遍采用的一种综合性评价方法[17-18]。该方法能更加全面地反映不同重金属因子对土壤和农作物污染的作用，计算公式见式(4)，评价结果见表2。

(4)

式中：PN——综合污染指数；

Pmax——单项污染指数最大值；

Pave——单项污染指数Pi的平均指数。

表2 土壤内梅罗污染指数评价标准

1.3.3 土壤评价标准

本项目调查对象为农田，故按标准[14]中Ⅱ类土壤环境质量二级标准(可允许范围内最大值)执行，其标准见表3。因检测土壤样品的pH值平均值为7.04，因此采用pH在6.5～7.5内的标准值。

表3 土壤环境质量二级标准 mg/kg

2 结果与分析

2.1 项目区土壤背景值及重金属含量检测结果分析

土壤背景值采样点有6个，检测结果见表4，项目区土壤重金属含量见表5。由表4可知，本项目场地土壤背景As、Hg含量较高，超过土壤二级质量标准的点位较多。

2.2 单因子评价结果分析

对土壤样品污染指数结果进行统计评级，结果见表6。由表6可知，调查区土壤中Cu、Ni和Cr只有个别点位超标，且浓度较低，表明Cu、Ni和Cr在调查区无明显污染；Zn、Hg的污染浓度和范围较大，在调查区存在明显污染，但根据背景采样点的检测结果可知，其背景值也较高；Cd、As和Pb的在调查土样中存在一定数量的超标点位，表明调查区存在Zn、Cd、As、Hg和Pb的污染。

表4 土壤背景值采样点检测结果 mg/kg

注：“ND”表示未检出

表5 污染物含量对比表 mg/kg

表6 土壤样品中重金属单因子污染指数评价统计结果

2.3 内梅罗指数评价结果分析

采用内梅罗综合指数法来表征各采样点位的综合污染情况，数值越大说明该点位污染越严重[19]，结果见表7。土壤重金属数据统计采用Excel 2016进行分析，通过ArcGIS10.5中的反距离加权插值法(幂参数设置为2)对调查区域内(面积为1 443亩)超标污染物的空间分布特征进行数值模拟分析，并在投影坐标系WGS1984 World Mercator下计算不同污染等级的占地面积[20-21]，如图4所示。

由表7可知，重金属污染在表层土壤中污染最严重，随着深度的增加重金属浓度有所降低，重金属污染超标点位比例由0～0.20 m土壤层的87.85%随土壤层深度逐渐降低，这表明随着土壤深度的增加，土壤污染有变轻的趋势。但同时也注意到表层以下土壤超标率变化不大，即使在深层土壤中，重金属超标点位比例依然很高，其可能有背景值较高的贡献，但同时也说明调查区重金属污染情况不容乐观。

表7 土壤样品分层内梅罗指数评价结果

图4 不同采样层内梅罗指数分布

2.4 根据采样区域进行分析

对矿区附近a、b、c、d四个村屯的农田土壤样品进行分析统计以及内梅罗指数评价，结果见表8。

表8 各调查区土壤受污染程度统计 %

从表8的调查结果来看，a村所采集土壤样品中受污染土壤样品数占总样品数的59.7%，其中中度及重度污染样品数占总样品数的20.8%；b村受污染土壤样品数所占比例为94.1%，中度及重度污染所占比例为40.5%；c村受污染土壤样品数所占比例为75.3%，中度及重度污染所占比例为16.6%；d村受污染土壤样品数所占比例为94.0%，中度及重度污染所占比例为76.4%；由此可见重金属在各调查区域均存在着较为严重的的污染情况，其中b村和d村受污染范围和程度最大，其次为a村和c村两个调查区域。

3 结论

根据前期搜集资料以及调查结果可知，原铅锌矿开矿产生的废石、尾矿库内的尾矿、各废石场和含重金属的矿井涌水是铅锌矿矿区农田的污染源。在降水、地表水径流和地下水溶淋、冲刷等作用下，重金属经水力作用迁移到下游，经农田灌溉系统，造成矿区附近a、b、c、d四个村屯的农田受到重金属污染。本调查采用100 m×100 m网格布点法，对调查区域内1 433亩重金属污染农田进行了系统的调查与分析，得出以下结论：

1)调查范围内，Zn、Hg、As和Cd超过土壤二级标准值的样品数较多，占总样品数比例分别为61.90%、69.28%、33.49%和11.55%，污染较严重。Pb、Cr、Ni、Cu超标率较低，占比分别为6.92%、6.24%、11.78%和0.46%。其中Cu仅有2个土壤样品受到轻微污染，Cr的27个超标样品均为轻微污染，Ni超标点位均分布在长屯。土壤背景值调查，As、Hg的含量较高。

2)表层0～0.20 m土壤采样层中，污染严重，受污染土壤样品占比为87.85%，主要污染物为Zn、Hg、As和Cd，重污染和中度污染样品数占比高。0.20～0.70 m土壤采样层中，Cu元素不超标，其中污染物Hg、Zn、As和Ni的含量最高，对所有样品进行内梅罗指数评价，受污染土壤样品数71个，占总样品数的66.36%。

3)调查区域内，在0～2.20 m垂直向上表层污染最严重，其余各分层的污染程度均比表层低，污染程度变化不明显，其污染样品也以轻度污染为主。调查范围内，Zn、Pb、Cd含量在垂向上由表层至深层，超标率逐渐减小，Hg、As、Cr等含量在垂向上无明显变化，其中Cd主要是0～0.20 m土壤采样层超标。

4)调查区域内各个村屯农田土壤中均存在着较为严重的的污染情况，b、d村污染程度和范围最大，受污染土壤样品占比均在94%以上，其次c村为75.3%，a村为59.7%。各个村屯中均是表层污染最重，且以重污染和中度污染为主。