1、某釩尾礦庫周邊土壤重金屬污染評價徐勇基金項目：陜西省公益性地質調查項目（201907）南秦嶺釩礦集中開采區(qū)地質環(huán)境影響評價。Fund:Supported by Shaanxi Province commonweal geological survey project（201907）作者簡介：徐勇（1986-），男，重慶彭水人，高級工程師，博士，地質工程，主要從事地質環(huán)境調查研究。,2，張曉團1,2，楊志東1,2，李得路3（1.陜西省地質調查院，西安 710054；2.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，西安710054；3.西安科技大學，西安 710054）摘要：為定量評價釩尾礦庫周邊土壤重

2、金屬污染程度，采用地累積指數(shù)法、內梅羅指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)等3種方法結合進行土壤重金屬污染綜合評價。結果表明，尾礦庫周邊土壤存在重金屬Cd、Ni、As、Cr、Cu、Zn、Pb含量積累和超標情況，Cd的超標率最大，Ni、As 次之?？傮w上，尾礦庫周邊土壤中Cd為主要污染因子，其次為Ni、As，其它重金屬元素貢獻較小。生態(tài)風險評價表明，Cd、Ni為主要生態(tài)危害元素，Cd以較高風險為主，Ni為中度風險。該釩尾礦庫對周邊土壤的影響不容忽視，應加強重金屬污染的污染防治。關鍵詞：釩尾礦庫；土壤；地積累指數(shù)法；內梅羅指數(shù)法；生態(tài)危害評價；重金屬污染評價The Evaluation of Heavy Me

3、tal Pollution in Soils Near a Vanadium Tailings PondXU Yong1,2 ZHANG Xiao-tuan1,2,YANG Zhi-dong1,2,LI De-lu3(1.Shaanxi Institute of Geological Survey, Xian710054,China;2. Key Laboratory of Mine Geological Hazard Mechanism and Control, Xian 710054,China;3. Xi an University of Science and Technology X

4、ian 710054,China)Abstract：In order to quantitatively evaluate pollution degree of heavy metal in soils near the vanadium tailings pond, the geoaccumulation index method, nemerow index method and potential ecological hazard index were used to comprehensively evaluate pollution degree of heavy metal.

5、The results showed that the heavy metals such as Cd, Ni, As, Cr, Cu, Zn and Pb contents were accumulated in soils near the vanadium tailings pond and the soils were polluted according common soil evaluation standard, with the most serious contamination by Cd, followed by Ni and As. In general, Cd is

6、 the most important pollution factor in the soils near the vanadium tailings pond, followed by Ni and As, while other heavy metal elements are not the primary factors. Ecological risk assessment showed that Cd and Ni are the main ecological hazard elements, Cd is mainly at high risk, and Ni is at mo

7、derate risk. The influence of the vanadium tailings pond on the surrounding region was indispensable, the prevention and control of heavy metal pollution should be strengthened.Keywords：Vanadium Tailings Pond; soil; Geoaccumulation index method; Nemerow integrated index method; Ecological hazard ass

8、essment; evaluation of heavy metal pollution尾礦庫是在礦產(chǎn)開采、選礦、冶煉過程產(chǎn)生的尾礦渣、廢水等堆筑而形成的廢渣壩，具有占地面積較大、重金屬元素含量較高等特點1-3。尾礦在風化、降水淋濾等作用下，重金屬元素通過釋放、遷移等過程富集于尾礦庫周邊水土環(huán)境中，造成水土環(huán)境污染，對周邊生態(tài)環(huán)境和人體健康構成一定威脅4-5。釩尾礦污染問題長期以來得到了各方的廣泛關注，主要集中在釩的空間分布、污染特征及微生物響應等方面6-8，而對釩尾礦庫周邊土壤重金屬污染的定量評價還較少。為保障我國釩礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，礦區(qū)農(nóng)業(yè)和人畜等的生態(tài)安全，本文以商洛市某釩礦尾礦庫周邊

9、土壤為研究對象，分析周邊土壤重金屬特征和空間差異性，對重金屬污染進行定量評價和潛在生態(tài)風險評價，為該礦區(qū)土壤生態(tài)修復提供科學依據(jù)。1.研究區(qū)概況該尾礦庫位于低山溝谷區(qū)，三面環(huán)山，一面筑壩，已經(jīng)閉庫多年，庫內大部分尾礦仍呈裸露狀態(tài)，為減少對周邊環(huán)境的污染，已修建了滲水收集渠和泵房等。庫區(qū)下游有居民區(qū)、耕地農(nóng)田等，人口約300余人。該區(qū)海拔7001470 m，地形起伏較大，總體地形南高北低。屬季風性半濕潤山地氣候，多年平均氣溫約為13.1 ，降水比較豐富，年降雨量約為700900 mm，年平均蒸發(fā)量 750800mm。2.材料方法2.1 樣品采集根據(jù)該尾礦庫污染源分布特點，結合周圍地形、人口分布、

10、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、當?shù)貧庀髼l件等，在尾礦壩體下的村莊布置了22個土壤采樣點（圖1）。為避免采樣偶然性，每個采樣點劃定1 m1 m樣方，通過五點取樣法采集020 cm深度的表層土壤，形成一個混合樣。土壤樣品均用聚乙烯薄膜袋密閉包裝，去除石塊和生物殘留體等異物后，自然風干、磨碎后過 200目尼龍篩，然后裝入清潔的塑料袋中，以備實驗分析使用。圖1 土壤采樣點示意圖Fig.1 Sketch map of soil sampling poits2.2樣品重金屬含量測定土壤樣品分別測定土壤重金屬銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鎘（Cr）、鉻（Cd）、砷（As）和pH。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

11、（ICP-AES）測定Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等5種重金屬含量；采用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定Cd含量；采用原子熒光光譜法（AFS）測定As含量；采用電位法（ISE）測定pH，分析過程質量控制嚴格按照有關規(guī)范執(zhí)行9。2.3 評價方法土壤重金屬污染評價方法有多種10-12，地積累指數(shù)法的優(yōu)點是能直觀的反應出重金屬污染級別，但其側重對單一重金屬的污染評價；內梅羅污染指數(shù)法則反應出各重金屬污染程度的綜合評價結果，突顯了高濃度污染物對土壤環(huán)境質量的影響；潛在生態(tài)危害指數(shù)法考慮了土壤重金屬含量和環(huán)境效應、生態(tài)效應、毒理性等之間的聯(lián)系，綜合反映了重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響，具有快速、準確、

12、簡便等特點。為了避免試驗過程中多種因素的影響，更加精準的評價重金屬污染程度，本次研究采地累積指數(shù)法、內梅羅指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)等評價方法，并將不同的評價方法得到的結果進行對比分析。2. 3.1內梅羅指數(shù)法內梅羅指數(shù)法計算公式如下：Pi=CiSi（1）PN=(Pi平均)2+(Pi最大)22（2）公式（1）中：Pi為土壤中重金屬i的單項污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測含量(mg /kg); Si 為土壤中重金屬i的背景值( mg /kg)。公式（2）中：PN為內梅羅綜合污染指數(shù); Pi平均為各重金屬單項污染指數(shù)的平均值; Pi最大為各重金屬單項污染指數(shù)的最大值。根據(jù)計算所得PN值的大小，將重金屬

13、污染程度分為5級(表1) 11。表1 內梅羅污染指數(shù)評價標準Table1 The evaluation criteria of heavy metal contamination by Nemerow integrated pollution index等級PN指數(shù)污染等級PN0.7清潔（安全）0.7 PN1.0尚清潔（警戒限）1.0 PN2.0輕度污染2.0 PN3.0中度污染PN3.0重污染2. 3.2地積累指數(shù)法地積累指數(shù)法不僅考慮了自然成巖作用下形成的背景值，還考慮了人為活動污染影響因素，其計算公式如下： Igeo=log2CnKBn（3）公式（3）中：Cn 為重金屬實測含量（mg/k

14、g），Bn為研究區(qū)土壤背景值，k為各地土壤或巖石差異可能會引起的背景值變動系數(shù)，一般取值1.5。依據(jù)Igeo指數(shù)把重金屬污染程度分為7個等級（表2）11。表2 重金屬污染程度與地積累指數(shù)的關系Table2 The relationship between the contamination degree of heavy metals and Igeo values分級Igeo指數(shù)污染程度0Igeo0清潔10Igeo1輕度污染21.0 Igeo2.0偏中度污染32.0 Igeo3.0中度污染43.0 Igeo4.0偏重污染54. Igeo5.0重污染6Igeo5.0嚴重污染2. 3.3潛在生態(tài)

15、危害指數(shù)潛在生態(tài)危害指數(shù)RI由Hakanson提出，主要評估生態(tài)與環(huán)境之間的毒性影響12-13，其計算公式如下：RI=（4）公式（4）中，Eir為某一重金屬元素潛在生態(tài)風險指數(shù)，Tri為某一重金屬元素生物毒性響應參數(shù)，Ci 是土壤中某種重金屬的實測值，Cin為土壤重金屬元素背景值。根據(jù)Eir和RI，將單因子潛在生態(tài)危害和總潛在生態(tài)危害共分成了5級（表 3）。各重金屬毒性系數(shù)為：Zn=1、Cr=2、Ni=Cu=Pb=5、As=10、Cd=3013-14。表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)Eir、RI及風險等級Table 3 The Hakanson potential ecological risk ind

16、ex and risk levelEir單因子風險分級RI生態(tài)危害指數(shù)40輕微RI 150輕微40Eir80中度150RI 300中80Eir160較高300RI 600強160Eir320高600RI 1200很強320Eir極高1200RI極強3.結果與分析3.1 土壤重金屬含量分析根據(jù)對尾礦庫周邊土壤重金屬的分析結果，7種重金屬的含量、平均值、標準差和變異系數(shù)見表4?？梢钥闯?，Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、Zn、As含量變化幅度較大，分別為 60.0101.0、0.10-5.41、28.1062.70、8.1055.40、17.1048.60、54.80149.0、12.7028.50m

17、g /kg，含量的平均值（mg /kg）分別為84.25、0.75、42.89、22.42、32.0、91.08、18.84，7種重金屬元素的含量都大于陜西土壤重金屬背景值，依次是背景值的1.52、7.97、2.05、1.05、1.50、1.31、1.70倍，超標倍數(shù)排序為：CdNiAsCrCuZnPb，其中Cd、Ni和As的超標情況比較嚴重。表4 研究區(qū)土壤重金屬含量特征Table 4 The contents and its characteristics of heavy metals of soil samples in the study area重金屬含量(mg/kg)標準差變異系

18、數(shù)/%偏度豐度最小值最大值平均值Cr60.0101.084.2511.050.13-0.71-0.23Cd0.15.410.751.241.643.2210.39Ni28.162.742.897.220.170.551.97Pb8.155.422.429.140.412.127.86Cu17.148.632.07.570.240.41-0.08Zn54.814991.0820.560.231.262.71As12.728.518.843.880.210.840.92研究區(qū)土壤 pH 呈弱堿性，范圍為7. 848. 94。對比7種重金屬含量分布范圍、陜西省土壤背景值、土壤環(huán)境質量農(nóng)用地污染風險篩

19、選值和土壤污染風險管制值的分布特征9，除Cd元素外，其他六種元素的平均值都未超過出農(nóng)用地土壤污染風險篩選值，Cd 有18.18%的采樣點超出農(nóng)用地土壤污染風險篩選值。因此，Cd是研究區(qū)農(nóng)田土壤的一般超標元素，可能會對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)作物安全產(chǎn)生影響，加強監(jiān)測的同時，可通過土壤淋洗、植物修復、微生物修復等技術對重金屬污染的土壤進行原位土壤修復。變異系數(shù)（Cv）是表征樣品變異程度的重要參數(shù)，可反映出不同樣品之間的平均變異程度，其值越大，表明受人為干擾越強烈。Cv0.1 時為弱變異性，0.1Cv Cu（0.54）Ni（0.43） As（0.15）Cr（0.004）Zn（-0.23）Pb（-0.61）

20、。土壤中Cd污染程度為偏中等污染，11個采樣點均處偏中等污染，7個采樣點均處輕度污染，1個采樣點處嚴重污染，1個采樣點處重污染，2個采樣點均處中度污染。 Cu、Ni、Cr、As的Igeo指數(shù)均值介于01之間，分別有18個、21個、13個、15個采樣點處于輕度污染狀態(tài)，分別占總采樣點的81.81%、95.45%、59.09%、68.18%，Cu、Ni、Cr、As總體污染處于輕度污染。Pb和Zn的Igeo指數(shù)均值均小于 0，Pb有21個采樣點處于無污染狀態(tài)，Zn的全部采樣點處于無污染狀態(tài)，Pb、Zn總體污染處于無污染狀態(tài)。因此，尾礦庫周邊土壤Cd污染現(xiàn)象最為突出，同時Ni的污染現(xiàn)象不容忽視，呈現(xiàn)污

21、染樣品多的特點。表6 土壤中七種重金屬的地積累指數(shù)法及污染程度Table6 The geoaccumulation index and pollution level of different soil heavy metals元素Igeo范圍平均值污染程度Cr-0.47-0.280.004輕度污染Cd-0.48-5.261.59偏中等污染Ni-0.16-0.990.43輕度污染Pb-1.99-0.79-0.61清潔Cu-0.32-1.180.54輕度污染Zn-0.46-0.37-0.23清潔As-0.39-0.780.15輕度污染3.2.3潛在生態(tài)危害指數(shù)法以陜西省土壤背景值作為參比值，運用

22、潛在生態(tài)風險指數(shù)法對研究區(qū)土壤潛在生態(tài)危害風險程度進行評價（表7），Cr、Ni、Pb、Cu、Zn、As 的Eir范圍分別為2.163.64、6.7114.96、1.8912.94、3.9911.36、0.792.15、11.4425.67，以上6 種重金屬在全部采樣點的Eir均小于40，全部為輕微生態(tài)風險；Cd的Eir范圍為32.231726.59，其中1個采樣點為輕微生態(tài)風險，2個采樣點為極高生態(tài)風險；5個采樣點為中度生態(tài)風險，占比 22.73%；9個采樣點為較高生態(tài)風險，占比40.91%；5個采樣點為高生態(tài)風險，占比 40.91%，Cd生態(tài)風險在中度較高高風險之間，以較高風險為主；因此，研

23、究區(qū)土壤中Cd為主要生態(tài)危害元素，對土壤生態(tài)危害程度十分明顯。表7土壤中七種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)法及危害程度Table7 The ecological hazard assessment index and hazard level of different soil heavy metals評價因子EirEir平均值RI危害程度Cr2.163.643.0466.79輕微Cd32.231726.59240.515291.17高Ni6.7114.9610.24225.21中度Pb1.8912.945.24115.25輕微Cu3.9911.367.48164.48輕微Zn0.792.151.3

24、128.87輕微As11.4425.6716.97373.42輕微研究區(qū)土壤重金屬總的潛在生態(tài)指數(shù) RI 分布范圍為 28.875291.17，生態(tài)風險在輕微至極強風險分布，其中以輕微中風險為主，土壤呈現(xiàn)輕微中風險生態(tài)風險面積大的特點。4.結論1）尾礦庫周邊土壤存在重金屬Cd、Ni、As、Cr、Cu、Zn、Pb含量積累和超標情況，以Cd的超標率最大，Ni、As 次之。尾礦庫周邊農(nóng)田土壤中各重金屬含量排序：CdNiAsCrCuZnPb。2）內梅羅指數(shù)法評價結果表明，尾礦庫周邊土壤中Cd污染最為突出， Ni和As為中度污染，其余重金屬元素為輕度污染。3）地積累指數(shù)法評價結果表明，尾礦庫周邊土壤中C

25、d為偏中等污染，Cu、Ni、As、Cr總體污染處于輕度污染，Pb、Zn總體污染處于無污染狀態(tài)。4）潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果表明，土壤中Cd為高風險，Ni為中度風險，其他元素為輕微風險；尾礦庫周邊土壤重金屬總的潛在生態(tài)指數(shù) RI分布范圍為 28.875291.17，整體生態(tài)風險具有輕微中風險、面積大的特點。參考文獻1王亞平, 鮑征宇, 候書恩. 尾礦庫周圍土壤中重金屬存在形態(tài)特征研究J. 巖礦測試, 2000, 19(1): 7-13.WANG Yaping, BAO Zhengyu, HOU Shuen, et al. Study on characteristics of heavy me

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