南方某铅锌矿矿区周边农用地土壤重金属污染特征及生态风险评价

＊廖经慧李化伟 滕飞 骆检兰

（湖南省地球物理地球化学调查所 湖南 410114）

铅锌矿是我国重要的矿产资源，铅锌矿采选及冶炼过程中的矿坑涌水、选矿废水、尾矿废渣等处理不当会引起矿区周边土壤中的Pb、Cd、Zn、As等多种重金属复合污染问题。

湖南省是农业大省，同时也是著名的“有色金属”之乡，受工农业生产等人类活动的影响，重金属污染问题突出。根据近年来开展的全省农业环境质量调查结果了解，湖南省被污染的耕地面积高达71.52hm2、占全省耕地总面积的23.7%[1]。

本文选择了湖南省桂阳县某铅锌矿矿区周边农田土壤为研究对象，评价其重金属污染水平，生态风险评估，确保全面把控研究区农田的污染状况，为该区后续的修复治理及重金属污染管控提供参考。

1.材料与方法

（1）研究区概况。以湘南某铅锌矿区为研究对象，总体地势西南高、东北低，中部高、东西两侧低。区内地层岩性主要为石炭系灰岩，水系不发育，无大型河流，水源主要大气降水，土壤类型以石灰土、红壤、水稻土为主。矿区开采历史悠久，老窿民采在矿区内星罗密布，开采深度超百米，近年资源整合后现有采矿企业3家，选矿企业3家，使用中尾矿库4个。

（2）样品采集与分析测试。根据对矿区污染源现场调查情况，选择可能受矿区污染的基本农田，采集0～20cm耕作层土壤样品，土壤样品采用网格布点法，采样网格不大于500m×500m，共采集农田土壤样品16件。其中Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、Tl的含量采用《全国土壤污染状况详查土壤样品分析测试方法技术规定》电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行测定；As、Hg的含量采用《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》（HJ 680-2013）进行测定。每批样品监测平行样比例不少于10%，平行样的结果误差控制在10%以内，同时采样标准物质进行质量控制。

（3）评价方法。本文选用单因子指数法、内梅罗指数法、地累积指数法和潜在生态风险评估法对研究区农田土壤的重金属污染状况和生态风险进行综合评价。单因子指数法中标准值采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）中水田风险筛选值，其中Tl无筛选值，标准值参考研究区所在构造单元华南褶皱系铊背景值。潜在生态风险评价中，Cd、Pb、Zn、As、Hg、Cu、Ni的毒性影响系数[2]分别为35、5、1、10、40、5、5，铊和砷具有相似的毒性特征，因此铊的毒性响应系数参考砷的毒性响应系数取10[3]。污染评价与潜在生态风险等级划分标准见表1。

表1 土壤重金属污染等级划分及潜在生态风险指数评价标准[4]

2.结果与分析

(1)土壤重金属含量

研究区农田土壤的重金属含量的描述性统计结果见表2，结果显示：土壤pH值范围为5.04～8.40，主要呈弱碱性。Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cu、Ni的含量全部超过背景值[5]，Tl超背景值比例为87.5%。全部点位的Cd、Pb和大部分点位的As、Zn、Cu超出了农用地土壤污染风险筛选值，其中62.5%的镉和31.3%的Pb、As还超出了风险管控制，该地区重金属污染较为严重，已不适宜作为农用地继续使用。由变异系数可知，Pb、Zn的大于100%，属于强变异，As、Tl、Cu、Cd、Hg、Ni变异系数均超过20%，属于中等变异[6]，说明8种重金属元素均受到不同程度人为活动的干扰。

表2 研究区农田土壤重金属含量统计结果

(2)土壤重金属污染评价

①单因子指数和内梅罗指数法。研究区水田土壤的重金属单因子污染指数评价结果见表3，Cd、Pb、Zn、As的均值大于5，污染程度为重度污染。Cd、Pb的污染率占比达100%；存在重度污染水平的有Cd、Pb、As、Zn、和Tl，重度污染占比分别为62.5%、31.25%、37.5%、37.5%和18.75%；Hg、Ni都处于清洁水平。研究区内梅罗综合污染指数范围为2.83～42.4，点位污染率达100%，其中重污染占比87.5%，中度污染占比12.5%。可见，研究区农田土壤中重金属污染严重。

②地累积指数法。8种重金属的地累积指数均值为Cd＞Pb＞Zn＞As＞Tl＞Cu＞Hg＞Ni，其中Cd、Pb为重度污染、Zn、As为中度污染、Tl、Cu、Hg为轻度污染，Ni清洁无污染。8种元素不同污染程度的占比情况见图2，其中Cd、Pb、Zn、As的污染比例为100%，且Cd、Pb、Zn存在极重污染程度的情况，由此可见Cd、Pb、Zn、As含量的累计较为明显，需重点关注。地累积指数与单因子指数分析得到的污染规律相似。

图1 单因子污染指数评价结果图

图2 地累积指数评价结果图

③潜在生态环境风险评价。8种重金属的潜在生态风险指数统计结果见表3，其均值大小为Cd＞Pb＞As＞Hg＞Tl＞Zn＞Cu＞，综合潜在生态风险指数（RI）为532～6540，均值为2178，整体处于极强潜在生态风险。图3结果显示Cd存在极强潜在生态风险的点位占比为100%，另外部分点位的Pb、As也存在极强潜在生态风险；Ni、Cu、Zn、Tl以轻微潜在生态危害为主，综合潜在生态风险为极强程度的点位占比56.3%，综上可知，研究区水田重金属污染引起的生态风险极强，Cd、Pb、Zn为主要污染。

图3 潜在生态风险评价等级图

(3)土壤重金属相关性分析

土壤中的元素不会独立存在，而是存在一定的相关性，表4为研究区周边农田土壤中重金属含量Spearman相关系数分析结果，结果显示Pb、Zn、Cd、As、Cu、Tl这6种元素之间有显著相关性，说明其环境来源相似，可能受到铅锌矿采选活动的影响。

注：**表示元素在P＜0.01级别上显著相关；*表示元素在P＜0.05级别上显著相关

表4 研究区农田土壤重金属元素之间的相关性

3.结论

（1）研究区水田土壤中重金属Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cu、Ni含量全部超过湖南省“十一五”土壤重金属背景值，Cd、Pb全部超过我国农用地土壤污染风险筛选值，部分点位的Cd、Pb、As甚至超出我国农用地土壤污染风险管控制值，该铅锌矿区周边水田土壤重金属含量超标严重，已不适合作为农用地继续使用。（2）各采样点位内梅罗综合污染指数范围为2.83～42.4，重度污染点位占比达87.5%；地累积指数结果显示Cd、Pb、Zn、As的污染比例为100%，累计较为明显，且Cd、Pb、Zn存在极重污染程度的情况。（3）针对研究区内农田重金属污染现象，建议可进一步开展垂向深度扩散情况的研究，并采取源头管控与修复治理的方法进行整治，一方面强化矿山企业环境管理工作，废气、废水达标排放，固废合理堆存处置；另一方面结合研究区污染状况及现有先进的土壤修复技术，选取合理的土壤重金属修复治理方法。