杜 波

(四川勞研科技有限公司，四川 攀枝花 617000)

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要載體和生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其環(huán)境質(zhì)量的好壞與人類健康息息相關(guān)，然而，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染問題日漸凸顯[1]。礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其開采、選礦及冶煉等活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生含較高有毒有害重金屬的固體廢物—尾礦[2]。尾礦多露天堆存于尾礦庫內(nèi)，長(zhǎng)期裸露的尾礦會(huì)因外界環(huán)境條件的改變，使內(nèi)部更多重金屬元素經(jīng)釋放、遷移等過程，進(jìn)入水體和土壤環(huán)境中，給周邊水體、土壤帶來嚴(yán)重污染，對(duì)農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。因此，對(duì)尾礦庫導(dǎo)致的周邊土壤重金屬污染研究具有特別重要的意義。

攀枝花市地處四川省西南部，境內(nèi)釩鈦磁鐵礦資源十分豐富，釩鈦磁鐵礦礦產(chǎn)的發(fā)展已成為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)支柱。大規(guī)模的礦業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生了大量的尾礦囤積在尾礦庫內(nèi)，由于攀枝花地區(qū)礦物組成復(fù)雜，難以分離，綜合利用難度較大，尾礦中重金屬含量較高[4]，且尾礦粉由于風(fēng)力作用等進(jìn)入尾礦庫周邊土壤，使其尾礦庫成為一個(gè)主要的環(huán)境污染源，環(huán)境污染問題嚴(yán)重[5]。

鑒于此，本研究以攀枝花釩鈦磁鐵礦尾礦庫為研究目標(biāo)，探討尾礦庫對(duì)周邊農(nóng)用土壤的影響，通過對(duì)尾礦庫周邊農(nóng)用土壤重金屬污染情況進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)其污染狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、土壤重金屬污染防治及生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于四川省攀枝花市東區(qū)銀江鎮(zhèn)，屬于南亞熱帶—北溫帶的多種氣候類型，具有夏季長(zhǎng)，四季不分明的特點(diǎn)，年平均氣溫19.7℃～20.5℃，是四川省年平均氣溫總熱量最高的地區(qū)，無霜期達(dá)300天以上；氣候干燥，降雨量集中，年降雨量801.60mm。

1.2 樣品采集與處理

以尾礦庫初期壩為起始點(diǎn)，分別沿南北方向間隔200m依次采集0～20cm的表層土壤，采樣點(diǎn)均設(shè)置在尾礦庫周邊的農(nóng)用地內(nèi)。具體采樣點(diǎn)布置如下圖所示。

圖 采樣點(diǎn)分布圖Fig. Sketch map of soil sampling sites

各采樣點(diǎn)在200m×200m范圍內(nèi)隨機(jī)采取5個(gè)分樣品，充分混合，采用四分法標(biāo)記成一個(gè)樣品，共采集混合土壤樣品30個(gè)。采集的樣品均裝入聚乙烯塑料袋中，并注明采樣點(diǎn)的信息。將土壤樣品自然風(fēng)干，去除樣品中植物殘?jiān)?、石塊等雜質(zhì)，并研磨成粉末，過100目篩，裝入樣品袋中低溫保存，供分析測(cè)定使用。

1.3 樣品分析方法

土壤pH值采用水土比為2.5∶1配比后，用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定；土壤重金屬全量采用電熱板濕法消解，即采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫消解土壤樣品，鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鎘(Cd)采用原子吸收分光光度計(jì)(ICE3500，美國(guó)熱電)測(cè)定，汞(Hg)、砷(As)采用原子熒光分光光度計(jì)(AFS-9330，北京)測(cè)定。通過測(cè)定參考標(biāo)準(zhǔn)樣(國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-13)對(duì)土壤樣品的測(cè)定進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理

采用《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)[6]對(duì)尾礦庫周邊農(nóng)用土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表1。

表1 《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》GB15618-2018Tab.1 Soil environmental quality standards for soil pollution risk control in agricultural land(trail) (mg/kg)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel2010、SPSS12.0、Origin8.0等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。應(yīng)用重金屬含量相關(guān)性分析方法、單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)尾礦庫周邊土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬含量分析

研究區(qū)土壤pH呈中性或弱堿性，范圍為7.46～8.11。根據(jù)對(duì)尾礦庫周邊農(nóng)用土壤重金屬的監(jiān)測(cè)結(jié)果，6種重金屬Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As的含量、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)見表2?？梢钥闯觯瑴y(cè)定的Hg、Cd、Ni、As的含量變化幅度較大，分別為0.041～2.62、0.02～0.32、9.21～57.1、2.44～15.0mg/kg，最大值與最小值的比值分別為63.9、16.0、6.2、6.1，說明尾礦庫周邊農(nóng)用土壤中的重金屬含量受外源重金屬污染影響較大。6種重金屬元素的平均值都未超過 《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)風(fēng)險(xiǎn)篩選值，只有極個(gè)別采樣點(diǎn)的Hg含量接近標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)篩選值。除Pb、As元素，其余4種重金屬元素平均值均超過四川省土壤環(huán)境背景值，說明人為因素造成的重金屬積累比較明顯。變異系數(shù)是表示樣品變異程度的重要參數(shù)，反映了不同樣品之間的平均變異程度，其值越大，說明受人為干擾越強(qiáng)烈[7]。土壤中Hg的含量顯示為強(qiáng)變異，變異系數(shù)為182.79%，其余元素的變異系數(shù)均介于10%～100%，達(dá)到中等變異強(qiáng)度，說明研究區(qū)農(nóng)用表層土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。

表2 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of heavy metal content in soil

2.2 土壤中重金屬相關(guān)性分析

本研究對(duì)土壤中重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析，從表3可以看出，Cr與Pb、Cr與Cd、Cr與Ni、Pb與Cd、Pb與Ni有較強(qiáng)正相關(guān)性，說明這些元素之間可能存在相同的污染源或者受到了相似因素的影響；其中Cr與Ni之間的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到了0.839，有著極強(qiáng)的相關(guān)性，暗示研究區(qū)域中Cr與Ni的關(guān)系最為密切，它們之間的相互影響也最大。Hg與其他元素均無顯著的相關(guān)性，推測(cè)Hg與其他元素的污染源不同。

表3 土壤中重金屬含量間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between heavy metal in the soil

2.3 單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)

以風(fēng)險(xiǎn)篩選值為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各重金屬的單因子污染指數(shù)法，來評(píng)價(jià)重金屬元素的累積污染程度，其值越大說明受重金屬污染程度越重。從表4可以看出，各重金屬的單因子污染指數(shù)均小于1，說明尾礦庫周邊農(nóng)用土壤未受到Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As等重金屬污染；從各重金屬污染指數(shù)的平均值角度看，6種重金屬均屬于未污染水平，污染程度為As>Cr>Cd>Ni>Pb>Hg。

表4 重金屬單因子污染指數(shù)Tab.4 The single factor pollution index of heavy metal

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是將研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠更加科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)研究區(qū)域的重金屬污染狀況，既綜合考慮了單因子污染指數(shù)最大值和平均值，又突出強(qiáng)調(diào)了高濃度重金屬對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，可以反映多種重金屬對(duì)土壤環(huán)境的復(fù)合污染作用。通過分析可知尾礦庫各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤重金屬的內(nèi)梅羅污染指數(shù)介于0.11～0.59，均小于0.7，說明各監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量處于清潔水平，能夠進(jìn)行各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)

由瑞典科學(xué)家Hakanson[9]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法不僅考慮了重金屬含量對(duì)土壤環(huán)境的影響，又把重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)聯(lián)系在一起，并用定量的方法劃分出潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害程度，具有一定的實(shí)際意義。土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算方法如下：

(1)

Ei=Ti×Ci

(2)

(3)

其中，Ci為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)；Di為土壤中重金屬i的含量；Bi為重金屬i的土壤背景值，采用四川省土壤環(huán)境背景值進(jìn)行計(jì)算[8]；Ei為重金屬i的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Ti為重金屬i毒性響應(yīng)系數(shù)，Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As取值分別為2、5、5、30、40、10[10]；RI為土壤中各種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的大小，可將土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為表5所示的5個(gè)級(jí)別。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Classification criterion of potential ecologicalrisk index

利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的相關(guān)計(jì)算公式得出表6。從重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Ei來看，Cr、As、Pb、Ni這4種重金屬在所有的采樣點(diǎn)的數(shù)值都小于40，風(fēng)險(xiǎn)程度低；Cd、Hg這兩種重金屬的最大值分別為121.52、1 718.03，達(dá)到較重風(fēng)險(xiǎn)、嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別；從不同重金屬的Ei均值來看，Cd為中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，Hg為重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，其余重金屬均為低風(fēng)險(xiǎn)程度，尾礦庫周邊農(nóng)用地各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度強(qiáng)弱順序?yàn)镠g>Cd>As>Ni>Pb>Cr；以多元素綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)評(píng)價(jià)不同采樣點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，輕微及中等生態(tài)危害的采樣點(diǎn)共25個(gè)，占總采樣點(diǎn)的83%，RI的平均值為274.62，為中等生態(tài)危害，說明尾礦庫周邊土壤整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不大；部分采樣點(diǎn)達(dá)到了很強(qiáng)甚至極強(qiáng)生態(tài)危害，需要對(duì)這些區(qū)域土壤進(jìn)行綜合治理，尤其是加強(qiáng)對(duì)Hg的污染防治。

表6 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.6 Potential ecological hazard index

通過對(duì)比幾種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，表明：攀枝花釩鈦磁鐵礦尾礦庫周邊農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量尚處于清潔水平，未受到Hg、Cd、As、Ni、Pb、Cr等重金屬的污染；但部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤重金屬含量高于四川土壤環(huán)境背景值，說明部分區(qū)域土壤中產(chǎn)生了重金屬累積效應(yīng)，應(yīng)采取適當(dāng)措施改善土壤環(huán)境質(zhì)量，避免土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步惡化。

續(xù)表6

3 結(jié) 論

3.1 重金屬的總量結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤中的重金屬含量均未超過GB15618-2018風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但人為因素造成的重金屬積累比較明顯。

3.2 相關(guān)性分析表明，研究區(qū)土壤中多種重金屬含量之間具有較強(qiáng)正相關(guān)性，說明這些重金屬之間可能有相同的污染源。

3.3 六種重金屬的單因子污染指數(shù)均小于1，說明尾礦庫周邊農(nóng)用土壤未受到重金屬污染；尾礦庫各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤重金屬的內(nèi)梅羅污染指數(shù)均小于0.7，說明各監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量處于清潔水平。

3.4 從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來看，尾礦庫周邊農(nóng)用地各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度強(qiáng)弱順序?yàn)镠g>Cd>As>Ni>Pb>Cr，采樣區(qū)域整體處于中等生態(tài)危害。

3.5 對(duì)比幾種方法綜合結(jié)果表明，尾礦庫周邊農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量處于清潔水平，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤重金屬含量高于四川土壤環(huán)境背景值，說明部分區(qū)域土壤中已產(chǎn)生了重金屬累積，應(yīng)采取適當(dāng)措施改善土壤環(huán)境質(zhì)量。