段麗麗

（1.山東理工大學 化學工程學院，山東 淄博 255091；2.鄂爾多斯職業(yè)學院 化學工程系，內蒙古 鄂爾多斯 017000；）

人類對礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的同時，也帶來了諸如礦區(qū)土壤重金屬不斷富集、地質地貌被改變等環(huán)境問題，尤其是礦山露天開采對土壤環(huán)境造成的污染更為嚴重［1－2］.土壤中重金屬含量的增高不但對礦山環(huán)境產(chǎn)生危害，也會通過食物鏈影響到礦區(qū)周圍居民的身體健康［3－5］，因此礦產(chǎn)資源開發(fā)的同時必須重視環(huán)境保護與治理，礦區(qū)環(huán)境評價是礦山環(huán)境保護與治理的基礎，礦區(qū)土壤重金屬污染評價是礦區(qū)環(huán)境評價的重要內容.本文選擇白云鄂博礦區(qū)作為研究區(qū)域，對白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬污染進行地球化學評價.

白云鄂博礦區(qū)位于包頭市北150km處，該礦始建于1957年，是一座罕見的多金屬共生礦，主要以鐵、鈮、稀土等金屬礦物共生.該礦稀土含量占世界稀土總量36%，鈮含量居世界第二位［6］，其獨特的礦產(chǎn)資源已引起全世界人民的關注.礦山分為主礦、東礦和西礦三個部分，現(xiàn)主要對主礦和東礦進行開采，西礦開采量較小，該礦以露天方式開采，為包頭鋼鐵公司提供原料.現(xiàn)礦區(qū)居住人口約3萬人，常年干旱少雨.

1 樣品與分析方法

1.1 樣品采集

礦區(qū)周圍土壤重金屬的富集主要是由于礦山開采、礦石運輸以及尾礦堆放等因素所引起的［7］.在分析白云鄂博礦區(qū)地地形地貌的基礎上，以主礦和東礦為中心向外擴散取樣，采樣點位置含蓋了采礦區(qū)、尾礦壩、居民區(qū)、以及受人類活動影響較小的地區(qū).采樣具體過程為:確定采樣點后，GPS定位，用不銹鋼鏟子取地表層厚5cm混合土壤約2kg裝入塑料袋中，編號，記錄周圍地理環(huán)境特征.本次研究目的對白云鄂博礦區(qū)土壤中重金屬污染程度作以大致分析，為后續(xù)的工作提供依據(jù)，因此采樣點分布由污染較嚴重后果區(qū)域向污染較輕區(qū)域擴散的方向，確定11個采樣點，樣品采集區(qū)域示意圖如圖1所示.

圖1 白云鄂博礦區(qū)土壤樣品采集區(qū)域示意圖

1.2 樣品處理及分析

將樣品在室溫下風干后，將植物根系，石塊兒等雜物剔除，其中結成塊的土壤應輕輕將其碾碎，按四分法留存一份，將另一份過2mm不銹鋼篩子.將2mm以下部分按四分法再留存一半后，將另一半放入瑪瑙罐中通過研磨機將樣品研磨至200目以下.

將200目以下土壤樣品置于120℃烘箱中干燥8h后，取約4.000g樣品，用高密度聚乙烯樹脂做外包，通過粉末壓樣機，制成粉末壓片.采用X射線熒光光譜儀對樣品進行重金屬元素含量分析.

1.3 理論分析方法簡介

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)又稱Muller指數(shù)，是Muller于1969年在德國海德堡大學提出的，該指數(shù)是歐洲國家廣泛用于評價沉積物中重金屬污染程度的指標，其計算公式如下:

其中:Igeo為地累積指數(shù)；Ci為元素i沉積巖中的實測含量；Bi為粘質沉積巖（普通頁巖）中該元素的地球化學背景值，有時也采用當?shù)責o污染區(qū)該元素含量作為背景值；1.5為消除各地巖石差異可能引起背景值的變動轉換系數(shù).Forstner等將沉積物重金屬污染程度與地積累指數(shù)分級之間的相互關系分為從無污染到極強污染7個級別［8］.

地累積指數(shù)方法不但考慮到了人為因素對土壤中重金屬的污染評價的影響，還考慮到了自然成因作用可能引起的背景值變動因素對評價的影響［9］.

1.3.2 富集因子法

富集因子是評價人類活動過程中對環(huán)境介質中潛在有毒有害元素富集程度影響的重要參數(shù)［10］，因能判斷自然的和人為因素對環(huán)境的影響，且該方法運用簡單易行，所以一直被廣泛應用.

富集因子的基本意義是將樣品中元素的濃度與參比元素濃度進行對比，以此來判斷人為因素對表生環(huán)境造成的污染狀況.其計算公式可表示為

式中:Ci為元素i的濃度；Cn為標準化元素（即參比元素）的濃度；sample和baseline分別表示樣品和背景值.

根據(jù)富集因子的大小，可將元素的富集（污染）程度分為五個級別，富集因子分為五個等級［11］.

富集因子計算當中，為保證各指標的等效性和可比性，對測試樣品中各元素進行歸一化處理，要恰當?shù)倪x擇參比元素.對參比元素的要求是自身性質穩(wěn)定，不易受到所在環(huán)境和分析測試過程中的影響.筆者選擇Zr元素作為參比元素，主要是考慮Zr元素測量精確且該元素在環(huán)境和分析測試過程中極穩(wěn)定.

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)域土壤重金屬含量分析

白云鄂博礦區(qū)及周圍土壤重金屬含量見表1.在白云鄂博礦區(qū)周圍采集的11個樣品中重金屬Cr、Cu、Zn、Pb、As、Co、Ni、Mn的平均含量均高于內蒙古土壤重金屬元素幾何平均值.其中在礦區(qū)內采集的1號、2號樣品重金屬含量最高，其次為火車站附近采集9號樣品（個別元素含量甚至高于礦區(qū)內重金屬含量），尾礦壩周圍土壤重金屬含量、居民區(qū)土壤重金屬含量、遠離礦區(qū)土壤重金屬含量依次降低.說明，礦山的長期開采和運輸造成了礦區(qū)及周圍土壤中重金屬含量超標，引起重金屬污染.

表1 白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬元素含量（mg／kg）

2.2 地累積指數(shù)法評價

采用內蒙古土壤重金屬元素幾何平均值作為土壤背景值，計算白云鄂博礦區(qū)各土壤樣品中8種重金屬元素地累積指數(shù)結果見表2.

表2 白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬地累積指數(shù)

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在研究區(qū)域采集的11個樣品中，對Cr元素54.5%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染（Igeo＜0），36.4%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染（0≦Igeo＜1），9.1%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強污染（2≦Igeo＜3）.中度污染到強污染樣品取自白云鄂博火車站附近.白云鄂博礦區(qū)土壤Cr含量的增高或許與交通運輸工具的磨損有關.

對Cu元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，72.7%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染（1≦Igeo＜2）.中度污染樣品分別取自白云鄂博礦東礦與主礦之間和街心公園北門.

對Zn元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，45.5%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為5級，強污染.強污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間.

對Pb元素，18.2%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，36.4%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為5級，強污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為6級，強污染到極強污染（4≦Igeo＜5）.強污染樣品取自白云鄂博礦東礦和白云鄂博火車站附近，強污染到極強污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間.

對As元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，81.8%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染.中度污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間.

對Co元素，72.7%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染.

對Ni元素，72.7%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染.

對Mn元素，45.5%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為5級，強污染.強污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間，白云鄂博礦東礦和白云鄂博火車站附近.

2.3 富集因子法評價

選擇Zr元素作為參照元素，仍采用內蒙古土壤重金屬元素幾何平均值作為土壤背景值.各重金屬元素富集因子見表3.

表3 白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬富集因子

由表3中數(shù)據(jù)可看出，在研究區(qū)域內采集樣品中，對Cr元素，90.9%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染（EF＜2），9.1%的樣品富集因子為3級，為重污染（5≦EF＜20）.重污染樣品取自白云鄂博火車站附近.

對Cu元素，72.7%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，27.3%的樣品富集因子為2級，為中度污染（2≦EF＜5）.中度污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.

對Zn元素，45.5%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，18.2%的樣品富集因子為2級，為中度污染，36.4%的樣品富集因子為3級，為重污染.重污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.

對Pb元素，9.1%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，45.5%的樣品富集因子為2級，為中度污染，45.5%的樣品富集因子為3級，為重污染.重污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門、白云鄂博火車站附近和白云鄂博大街與育才路交叉口.

對As元素，72.7%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，27.3%的樣品富集因子為2級，為中度污染.中度污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云賓館院內和白云鄂博火車站附近.

對Co元素，100%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染.可見研究區(qū)域基本不受Co污染.

對Ni元素，100%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染.可見研究區(qū)域基本不受Ni污染.

對Mn元素，27.3%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，36.4%的樣品富集因子為2級，為中度污染，36.4%的樣品富集因子為3級，為重污染.重污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.

2.4 地累積指數(shù)法和富集因子法綜合評價

由上述數(shù)據(jù)及分析可知，兩種評價方法的結果基本一致，見表4.

表4 研究區(qū)域11個樣品污染等級

由表4可以看出，1號采樣點Zn、Pb、Mn元素重污染，Cu、As元素中度污染，其余元素無污染－中污染.2號采樣點Zn、Pb、Mn元素重污染，其余為元素無污染－中污染.3號采樣點Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.4號采樣點Pb元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.5號采樣點Pb元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.6號采樣點Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.7號采樣點Cu元素中度污染，Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素為無污染－中污染.8號采樣點Zn、As、Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.9號采樣點Cu元素中度污染，Cr、Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素為無污染－中污染.10號采樣點Zn、Mn元素中度污染，Pb元素重污染，其余元素為無污染－中污染.11號采樣點元素均為無污染－中污染.

顯然，白云鄂博礦區(qū)（包括礦山城區(qū)）土壤不同程度受到重金屬的污染.Cu、Pb、Zn、As主要在主礦和東礦之間，Mn、Cr的污染主要出現(xiàn)在火車站附近，Co、Ni污染程度相對較低.筆者認為Cu、Pb、Zn、As的污染主要來自礦體開發(fā)，Mn、Cr的污染既有礦體開發(fā)的影響，也有礦石運輸（如火車等交通運輸工具的磨損）的影響，

3 結論

（1）在所研究的白云鄂博礦區(qū)，所取11個樣品各重金屬元素平均值均高于內蒙古土壤重金屬元素幾何平均值，不同程度受到所研究8種重金屬元素的污染，其中污染最嚴重的Zn、Pb、Mn三種元素含量分別為背景值的5.1倍、9.0倍和6.3倍.

（2）各種重金屬地累積指數(shù)及富集因子在研究區(qū)域的分布特點為:各采樣點Co、Ni兩種元素地累積指數(shù)均小于1，富集因子均小于1.8為無污染—輕微污染，對環(huán)境影響相對較小.其余元素均不同程度受到人類活動的影響，以Zn、Pb、Mn三種元素對研究區(qū)域污染較為嚴重.其中部分采樣點中三種元素地累積指數(shù)介于3到4之間，富集因子介于5到20之間，為重污染或極重污染.

（3）污染最為嚴重的樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.研究表明，除7號和9號采樣點特殊外，其余采樣點分析數(shù)據(jù)表明污染程度是沿著采礦區(qū)向居民區(qū)逐漸降低，說明采礦活動是造成該區(qū)土壤重金屬污染的源頭；而7號采樣點位于街心公園北門位于礦山路旁，礦山路為礦石由礦山運往外界的通道，而9號采樣點位于白云鄂博火車站，該站以運送礦石為主，這說明礦石運輸過程中對環(huán)境造成的污染極大.

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