铜尾矿区土壤重金属污染与生态风险评价研究

徐 浩， 杨红飞,2,3， 钟宣宁， 邓思淇

(1.安徽师范大学 生态与环境学院，安徽 芜湖 241000;2.皖江流域退化生态系统的恢复与重建省部共建协同创新中心，安徽 芜湖 241000;3.重要生物资源保护与利用研究安徽省省级重点实验室，安徽 芜湖 241000)

随着经济快速发展、工业生产规模扩大和人类活动影响，土壤污染问题日趋严重[1-2]，对人类和自然产生了极大威胁。在矿区由于不合理的开采，废渣废水直接排放[3]，废弃物中重金属因其生物富集性，难降解而累积土壤中[4-8]。另外在矿产开采中，未有效处理的伴生矿堆积成尾矿库，Cu、Pb、Cr、Zn等重金属因长期堆积而迁移和扩散，最终累积在土壤中[9-11]。土壤重金属不仅会对生物地化循环[12]，生态环境[13]造成影响，而且还会通过直接接触[13]或间接的食物链方式进入人体而影响人体健康[14]。近年来，针对矿区重金属污染和生态风险有学者进行了研究。如陆金等利用污染评价、生态风险评价方法对铜陵市狮子山矿区土壤进行评价，揭示了矿区重金属污染特征[15]；陈小敏等利用多元统计方法对金矿区土壤重金属污染和来源进行了有效分析[16]；He和Liu等利用正矩阵分解、地累积指数法揭示了长江口沉积物中重金属来源[17-18];Tóth等利用统计分析对欧盟地区土壤重金属空间分布以及风险等级进行研究评价[19]。尽管目前在土壤重金属污染、生态风险评价方面已有一定研究，但针对有污染背景的尾矿区的研究少有报道。

本研究以安徽省铜陵市杨山冲尾矿库及周边农田表层土壤为研究对象，测定分析土壤As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn等6种重金属。利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积污染指数法以及潜在生态风险指数法系统分析评价研究区土壤重金属污染程度和生态风险；运用多元统计分析重金属污染来源，旨在揭示研究区域重金属污染现状以及为污染治理提供科学依据，对促进社会可持续发展具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与分析

本文选取地处安徽省南部的铜陵市狮子山矿田内的杨山冲尾矿库为研究对象。采样区当地为丘陵地形，杨山冲尾矿库处于狮子山矿田内冬瓜山铜矿矿部东南约1.5km处的簸箕山、刺山、新华山和羊山之间，是一座山谷型的尾矿库，用以堆存矿山进行矿石选别后排出的尾矿或工业废渣，于1966年建成投入运行，1990年11月底服务期满停用。但近年来又有人在矿区内进行二次选矿，造成环境再次恶化[15]。

本研究土壤样品采集于杨山冲尾矿库表层及紧邻尾矿库下游地区地势较低的周边农田区域。采样点采用五点采样法，深度为0～20cm，混合均匀后取约1kg样本装入采样袋带回，共采集尾矿库土样32个，农田土样20个，采样点分布如图1。样品带回实验室风干，剔除杂物并磨碎过180目筛。土壤重金属含量采用BeethorX3G手持式重金属分析仪进行测定，测定过程中每份样品均进行3次有效测定，取均值作为土壤样品的实际含量。土壤pH以pH试纸测定。

图1 研究区地理位置及采样点分布

1.2 分析方法

1.2.1 重金属污染评价方法 采用铜陵市土壤背景值[20],参考国家土壤环境质量二级标准(6.0

单因子指数法是对土壤中单项污染物的累积污染程度进行评价，计算公式[21]如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi为单项污染指数；Ci为污染物实测值；Si为污染物评价标准。分级标准：Pi≤1，未污染；13，重度污染。

内梅罗综合污染指数法兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，用于对各样点重金属综合污染水平进行评价，计算公式[22]如下：

(2)

式中，P综为内梅罗污染指数；Pmax为土壤元素污染指数最大值，Pave为土壤元素污染指数平均值。分级标准：P综≤0.7，安全；0.73，重度污染。

地累积指数法[23]是由德国学者Muller于1969年提出，该方法综合考虑自然地质因素及人为活动的影响。计算公式[24]如下：

(3)

式中，Igeo为地累积指数；Cn为土壤元素实测值；Bn为土壤元素背景值。分级标准：Igeo<0，未污染；05，极强度污染。

1.2.2 生态风险评价方法 潜在生态风险指数法是由瑞典科学家提出。该方法不仅考虑环境中各种重金属含量，同时对重金属的生态、环境效应以及毒理学特性[20]进行了综合分析。计算公式[25]如下：

(4)

表1 Ei和RI生态风险程度分级[15]

2 结果与分析

2.1 研究区土壤重金属含量统计特征

重金属含量统计分析结果见表2。从表2可知，不同土地利用区域土壤重金属含量存在差异。尾矿库土壤As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn元素含量值均高于农田。参考铜陵市土壤环境背景值，尾矿库土壤As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn元素平均含量均偏高，分别为背景值的11.47、4.47、1.19、1.97、2.37、1.40倍，存在一定程度富集；农田土壤Cr元素低于背景值，As、Pb、Cu、Ni、Zn元素平均含量均偏高，分别为背景值的3.30、1.42、1.27、1.83、1.31倍，同样存在一定程度富集。与国家土壤环境质量二级标准比较，尾矿库内As、Cu、Ni元素均超标，分别为二级标准值的8.68、1.56、1.56倍，农田内As、Cu、Ni分别为二级标准值的2.50、1.01、1.21倍。

表2 研究区土壤重金属含量统计特征分析

变异系数是衡量观测值变异程度的统计量，反映各样本量在总体样本中的平均变异程度[8]；变异系数≤0.1的为弱变异，0.1～1的为中度变异，≥1的为高度变异[26]。由表2可知，尾矿库土壤As、Pb、Cu、Zn元素变异系数均大于1，呈高度变异；Cr、Ni元素呈中度变异；农田土壤As、Pb元素变异系数为1.29、1.26，呈高度变异；Cr、Cu、Ni、Zn元素呈中度变异。

2.2 研究区土壤重金属污染评价

本研究污染评价均参考铜陵市背景值。单因子污染指数评价结果见表3。单因子污染指数表明，尾矿库内Cr、Cu、Zn元素呈轻度污染，Ni元素呈中度污染，As、Pb元素呈重度污染；农田内Cr元素未污染，Pb、Cu、Ni、Zn元素呈轻度污染，As元素呈重度污染。

表3 研究区土壤重金属单因子指数评价结果

尾矿库内梅罗污染指数P综为8.55，表明尾矿库土壤呈重度污染；农田土壤内梅罗污染指数P综为2.61，说明周边农田土壤呈中度污染。

地累积指数评价结果见表4。由表4可知，尾矿库土壤As、Pb、Cu和Ni元素均受到不同程度污染，其中As污染程度最大，呈中等-强度污染，其次为Pb，呈中度污染，Cu和Ni元素呈轻度污染，Cr和Zn元素未污染；农田土壤中，As元素呈中度污染、Ni元素呈轻度污染，其余元素未受污染。

表4 研究区土壤重金属地累积指数评价结果

综合单因子指数、内梅罗综合污染指数、地累积指数评价结果可知，研究区内存在一定重金属累积，且尾矿库土壤重金属污染程度整体要较农田土壤高；研究区土壤中As、Ni和Pb元素为主要污染因子，其中As元素污染最严重。

2.3 研究区土壤重金属生态风险评价

潜在生态风险指数评价结果见表5。从结果可知，As元素单种潜在生态风险值为114.71，呈强潜在风险；另外5种元素均呈轻度风险；农田土壤元素As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的单种潜在生态风险值均较小，呈轻度风险。尾矿库土壤6种重金属元素综合潜在生态风险值为162.55，呈中度风险；周边农田6种土壤重金属元素的综合潜在生态风险值为58.60，呈轻度风险。

表5 研究区土壤重金属潜在生态风险评价结果

2.4 研究区土壤重金属来源分析

应用相关性分析和主成分分析对重金属元素来源进行识别。研究区土壤重金属元素相关性结果见表6。不同元素之间相关性显著，则表示可能具有同源性[27]。表6可知，元素As与Pb、As与Cr、Cr与Ni、Cr与Zn、Ni与Zn的相关系数均达到0.8以上，且通过0.01水平的显著性检验，表现出较强的关联性，说明这些元素可能具有相同来源；Cu与As、Pb之间相关系数较低，表明这些元素来源可能不同，具体来源还有待进一步探究。

表6 研究区土壤重金属相关性分析

应用SPSS 24.0软件对研究区土壤中6种重金属进行主成分分析，分析结果见表7和图2。共提取出两个主成分，累积方差贡献率达到92.252%，基本可以代表原始变量包含的信息。

表7 研究区土壤重金属主成分分析结果

图2 土壤重金属因子载荷Fig.2 Soil heavy metal factor loading

因子1的特征值为4.290，方差贡献率为57.758%，元素As、Pb、Cr和Ni在因子1上载荷较大，因子负荷均在0.7以上。土壤元素Cr和Ni一般来源于自然因素，多与土壤母质有关[28-29]。但在研究区内，土壤Cr和Ni元素均超过当地土壤背景值，因此除了考虑自然因素，还应考虑人类活动影响。研究区内As、Ni和Pb元素的单因子指数均大于1.0，表明尾矿区由于长期堆积废弃矿石，使得土壤重金属存在一定富集。尾矿区内近年来又存在二次选矿，矿产开采、工业“三废”排放、生活排污是土壤元素Cr、Ni、As、Pb主要影响因素[30-32]。另外农田土壤内部分样点靠近道路交通，近年来由于机动车辆不断增加，汽车尾气排放也会引起土壤重金属含量增加[33]；农田内无机磷肥的使用、污水灌溉也会导致土壤Pb元素累积[33]；推测认为工业活动、道路交通等人为因素导致了研究区土壤重金属含量增加。因此推测因子1主要受工业活动、道路交通等人为活动因素影响。

因子2的特征值为1.246，解释了总方差的34.493%，元素Cu和Zn在因子2上有较高载荷(表7)。研究表明，土壤元素Cu和Zn主要来源于自然地质[34]，但一般来源于土壤母质的Cu含量较低[35]，研究区内Cu元素存在一定富集，这可能是和研究区长久的积累和工业开采有关；土壤元素Zn的积累与化肥农药的使用存在一定联系[36]，且在因子1中也有一定的载荷(表7)。当某种元素在不同因子上均有载荷时，可考虑具备多种主成分的来源[31]，因此可以推测因子2主要受人为因素和自然因素混合影响。

3 结论与讨论

本研究在土壤重金属污染评价的基础上，结合潜在生态风险评价研究，结果表明研究区土壤重金属已经存在一定富集和具有一定潜在危害，主要结论如下：

(1)重金属在不同土地利用类型下含量存在差异。当以铜陵市土壤背景值为参考时，尾矿库土壤As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn元素均超过背景值，周边农田土壤As、Pb、Cu、Ni、Zn元素均超标，说明当地多年的采矿活动已造成研究区重金属累积，对当地生态环境已造成破坏；当以国家土壤环境质量二级标准为参考时，研究区土壤As、Cu、Ni元素均超标，研究区内土壤已受到一定程度重金属污染，尤其是土壤As元素污染问题已经较为严重。长时间重金属累积必然会引起生态环境、人类健康问题产生，应当引起足够重视。

(2)结合单因子指数结果看，研究区内6种元素均有一定程度污染，As元素污染最为严重，呈重度污染；内梅罗综合污染指数结果表明，尾矿库土壤污染程度要较农田土壤更严重。地质累积指数结果表明，尾矿库土壤中，As、Pb、Cu和Ni元素均已受到不同程度的污染；周边农田土壤中，As元素呈中度污染，Ni元素呈轻度污染，其余元素未受污染。综合潜在生态风险结果表明，研究区不同区域内存在一定风险程度，尾矿库土壤呈中度风险，周边农田土壤呈轻度风险。

(3)通过利用相关性分析以及主成分分析重金属来源结果表明，研究区土壤重金属元素As、Pb、Cr、Ni主要来源于工业活动、道路交通等人为活动因素；元素Cu、Zn主要受人为因素和自然因素混合影响。

在本研究中发现，当采取不同土壤背景值进行污染评价时，会出现不同结果，在未来研究中可以考虑更灵活的应用不同区域土壤背景值进行土壤重金属综合评价。另外有研究表明，不同形态下的重金属累积能力以及生物毒性会有所不同[15]。在不同研究角度，研究结果上会有差异。因此，如何协调因研究角度的不同以及时间空间上的不同而对区域重金属污染评价结果存在的差异性，还有待进一步研究。