1、某铜矿区土壤重金属污染评价张永康 1,2，曹耀华 1,2，高照国 1,2，刘承勇 3，冯乃琦 1,2，闫小换 1,2（1.中国地质科学院 郑州矿产综合利用研究所，郑州 450006；2.国土资源部多金属矿评价与综合利用重点实验室，郑州 450006；3.河南省地质矿产勘查开发局 第二地质环境调查院，郑州 450000）摘要：分析测试了青海某铜矿区土壤重金属元素(As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni)含量，研究了对照区土壤似背景值，采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积污染指数法评价了矿业活动区土壤重金属污染状况。结果表明，除废石堆场周边区域极个别的土壤样品 As、Pb、Cu、
2、Cd 元素超标外，矿业活动区土壤环境质量良好；对照区土壤似背景值与青海省土壤元素背景值相当，不是重金属高背景区。关键词：矿业活动区；重金属污染；土壤似背景值中图分类号：X825 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2018）08-0000-00Assessment of Heavy Metal Pollution in One Copper Mining AreaZHANG Yong-kang1,2, CAO Yao-hua1,2, GAO Zhao-guo1,2, LIU Cheng-yong3, FENG Nai-qi1,2, YAN Xiao-huan1,2(1. Zhengz
3、hou Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources CAGS, Zhengzhou 450006, China; 2. Key Laboratory of Evaluation and Multipurpose Utilization of Polymetallic Ores, Ministry of Land and Resources, Zhengzhou 450006, China;3. No.2 Institute of Geo-environment Survey of Henan, Zhengzhou 450
4、000, China)Abstract：Contents of heavy metal elements (As, Cd, Hg, Pb, Cu, Zn, Cr, Ni) in soil samples from one copper mining activity area in Qinghai Province were analyzed and measured. Background-like values of the soil in control area were studied. Contents of heavy metal elements were evaluated
5、based on Single Factor Index Method, Nemerow Multi-Factor Index Method and Mullers Geo-Accumulation Pollution Index Method. The results show that the soil quality in mining activity area is good except that contents of As, Pb, Cu, and Cd elements in a small amount of samples from areas around waste
6、rock yard are higher than the secondary standard of GB15618-1995. Background-like values of soil in control area are similar to those of soil elements in Qinghai Province, proving a non-heavy metal high-background area.Key words：mining activity area; heavy metal pollution; background-like value of s
7、oil土壤是人类的衣食之源和生存之本，是最基本的生产要素 1，土壤环境污染防治是目前研究的热点 2-3。土壤中的重金属通过自然风化、扬尘、降雨淋溶等方式进一步扩散到周边水体和土壤中，严重影响区域土壤的质量，进而通过食物链影响人类 4-6，因此对以重金属为评价指标的土壤环境质量评价研究尤为重要。青海省西部祁漫塔格地区位于青藏高原东北部，柴达木盆地西南缘，是青海省重要的铁、铜、铅、锌多金属成矿带 7-8，已探明铜、铅、锌、铁、镍等大型矿产资源多处。目前，正在大力开发铜、铅、锌、铁、镍等矿产资源。据报导，该地区前期的矿产资源开发已造成了一定程度的环境破坏和土壤污染 9。该地区属于高寒荒漠区，气候恶劣
8、，生态环境十分脆弱，环境恢复能力差，一旦生态环境遭到破坏将很难修复，目前，针对该地区土壤重金属污染研究较少。为了进一步了解该地区的土壤质量状况，本文选取区内典型的铜矿区为研究区域，分析研究了区域内土壤重金属元素及对照区似背景值 10-11，检测分析了矿区土壤中 8 种重金属的含量（Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd 、Ni、Cr） ，并对其质量状况进行了分析评价。1 研究区简介研究区属于铜多金属矿区，区内气候属典型的高寒、干旱内陆高原盆地气候，多风、少雨，蒸发强烈，冬长夏短，昼夜温差悬殊，年平均降水量低于 200 mm，蒸发量达 2 500 mm，年平均气温低于 0 ，最低气温-34 。常年西
9、北风不断，年八级以上风日多达 105 d 以上。区内海拔一般在 4 0004 500 m，呈现典型高寒荒漠景观，生态环境脆弱。土壤以第四系覆盖物为主，常见类型为高山寒漠土、高山草原土、风沙土等，植被生长稀疏，覆盖率低，一般小于 20%，以紫花针茅、高原嵩草等耐寒耐旱草本植物为主，群落简单，生长周期短。收稿日期：2018-03-22基金项目：中国地质调查局地质调查项目（DD20160073 ）doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018 .08.018作者简介：张永康（1987-） ，男，江西上饶人，硕士，工程师.受自然条件及矿业形势影响，区内矿业活动不发达，目前仅有 1
10、家矿山企业正在开采，以露天开采为主，开采规模为 10 万 t/a，矿业活动区面积约 170 km2。本文在矿业活动区域内采集土壤样品 150 件，样品采样密度约为 1 件/km 2(图 1)。2 材料与方法2.1 样品布设与采集矿业活动区采样：采用网格采样方式进行样品布设、采集。表层土壤样品采样深度为 020 cm，废石堆场周边典型剖面样品深度为 0100 cm（020 cm、2040 cm、4060 cm、6080 cm、80100 cm） 。在露天采场、尾矿库、矿石转运场、废石堆场、矿石加工厂及废水排放口等矿业活动剧烈区加密取样。加密采样距离 50 m、100 m、200 m、300 m、
11、500 m 。对照区采样：对照区位于矿业活动区西部约 4 km 处，区内仅存在夏季零星放牧活动，基本无其他人类活动且不受矿业活动区影响，区域地层为第四系覆盖物，土壤类型为风沙土、高山草原土，植物类型主要为紫花针茅。布设 4 个典型土壤剖面，共采集 20 件土壤样品。图 1 采样点分布示意图Fig.1 Distribution sketch map of sampling points2.2 样品处理与测试将土壤样品外包装袋除去，除去其中的碎石块、草根等异物，并置于阴凉通风处自然阴干。阴干除杂后，过筛混匀，按四分法取样。样品干燥磨细后密封保存用于检测分析。样品中 Cd、Cr、Ni、Cu、Pb、Z
12、n 含量采用电感耦合等离子体发射光谱法检测，As 和 Hg 含量采用原子荧光光谱法分析。2.3 评价标准与方法根据我国第二次土地调查分类结果和青海省土地利用总体规划（2006-2020 年） ，研究区土地利用类型主要为裸地，考虑到该区域夏季有零星放牧，部分区块有牧场的作用，选择土壤环境质量二级标准（GB15618-1995）和对照区似背景值为评价标准。对研究区域土壤重金属污染状况进行分析评价时，采用单因子指数法 12-14、内梅罗综合污染指数法 15-17以及地累积污染指数法 18-20。1）单因子指数法计算公式为：Pi=Ci/Si式中，P i为土壤中重金属 i 的环境质量指数；C i为重金属
13、 i 的含量（mg/kg ） ；S i为重金属 i 的评价标准（mg/kg） ，本文中为土壤环境质量二级标准各重金属元素含量限值。2）内梅罗综合污染指数法计算公式为：式中，P N为某土壤样品的综合污染指数； Pi为各重金属污染物中污染指数的算术平均值； Pmax为各重金属污染物中污染指数最大值。内梅罗综合污染指数对应污染程度共 5 个等级，具体参见文献15-16。3）地累积污染指数法：是评价沉积物和土壤重金属元素富集程度的一个重要参数，考虑了自然成矿岩作用对土壤背景值的影响，还考虑了人为因素对土壤环境的影响。其计算公式为：Igeo=log2Cn/(KBn)式中，I geo为地累积污染指数 ；
14、Cn为元素 n 的浓度；B n为对照区土壤似背景值 ； K 为修正系数，一般取1.5。地累积污染指数分析评价土壤污染程度的具体标准参见文献18-19。3 结果与讨论3.1 单因子指数污染评价土壤样品各重金属元素基本参数统计见表 1。表 1 土壤重金属基本参数统计Table 1 Statistic parameters of heavy metals in soil元素 最大值 最小值 平均值 中位数 标准方差 变异系数 二级标准（GB15618-1995） 超标个数Hg 0.089 0.014 0.026 0.025 0.01 0 0.5 0As 64.5 9.82 14.36 14.10 1
15、.05 0.07 30 2Cu 950 12.60 22.58 20.70 76.04 2.58 100 2Pb 378 8.31 19.38 18.90 29.33 1.37 300 1Zn 123 30.3 51.83 51.00 11.38 0.21 250 0Cd 0.31 0.06 0.1 0.10 0.04 0.34 0.3 1Cr 69.4 20.5 42.04 42.50 8.46 0.20 200 0Ni 36.8 12.7 20.06 20.10 3.77 0.19 50 0注：表中各元素实测含量和标准限值单位均为 mg/kg从表 1 可以看出，土壤样品中各重金属元素实测含
16、量中位数和平均数差异很小，除 Cu、Pb 元素标准方差较大外，其他元素标准方差和变异系数均较小，说明各实测数据离散个数少，分布较平均；参照土壤环境质量二级标准（GB15618-1995）限值可知，各重金属元素含量平均值均小于二级标准限值，仅 As、Cu、Pb、Cd元素个别样本超标。对照各样品采集记录信息，发现超标样品共计 3 件，1 件 Cd 元素超标，另外 2 件样品As、 Cu、Pb 超标，且超标样品均分布在废石堆场周边 200 m 区域内。由此可见，矿业活动区内重金属元素超标区分布在废石堆场周边 200 m 区域内，超标面积较小。总体而言，矿业活动区土壤质量良好，除废石堆附近区域极个别样
17、品重金属超标，其他区域土壤质量满足土壤环境质量二级标准。3.2 内梅罗综合污染指数评价根据内梅罗综合污染指数法计算公式对 150 件土壤样品重金属元素实测数据进行计算分析，计算结果表明，土壤样品中 As、Hg、Cu、Pb、Zn、Cd 、Cr、Ni 等元素的 Pi值分别为0.49、0.05、0.29、0.06、0.21、0.35、0.21、0.39，元素的 Pi值均小于 1，区内土壤内梅罗指数综合污染指数PN值为 0.39，P N值小于 0.7，表明该地区土壤质量达到清洁程度。根据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法评价结果，可知矿业活动区土壤质量良好，仅废石堆周边区域极个别样品重金属元素超标，超
18、标元素为 As、Cu 、Pb、Cd 。3.3 地累积污染指数法评价有文献报导，自然成矿岩作用强烈的地区，可能导致区内土壤中重金属元素背景值偏高 21。矿业活动区自然成矿岩作用强烈，背景值可能偏高，这可能是个别样品中 As、Cu、Pb、Cd 超标的原因。为了进一步明晰As、 Cu、Pb、Cd 等重金属元素超标原因，在矿业活动区西部约 4 km 处，选择了一处土壤似背景值对照区，该区不受矿业活动影响、基本无人类活动且地质背景条件与矿业活动区相似。在对照区采集了 4 组典型土壤剖面样品，分析了超标元素 As、Cu 、Pb、Cd 的似背景值。参照文献10-11，在某一剖面深度上土壤重金属含量变化趋于稳
19、定时，可选择此深度上元素含量平均值作为似背景值。通过分析 4 组典型土壤剖面样品重金属元素含量，发现土壤深度大于 20 cm，各元素含量变化不大，且趋于稳定（如图 2 所示） ，因此将 20 cm 土壤深度元素含量平均值作为似背景值。对照区各元素似背景值如表 2 所示。-10-80-60-40-208 12 16 20 240.1 0.2 0.3 0.4 0.5Cd含 量 /（ mgkg-1） AsCu PbAs、 Cu、 Pb含 量 /（ mgkg-1）深度/cmd图 2 典型土壤剖面重金属含量变化Fig.2 Content changes of heavy metal in typical
20、 soil profile表 2 对照区土壤似背景值Table 2 Results of background-like values of soils in control area /(mgkg-1)元素 土壤似背景值 二级标准（GB15618-1995） 青海省元素背景值 22As 13.67 30 14.00Cu 18.00 100 19.72Pb 20.20 300 20.47Cd 0.13 0.3 0.137由表 2 知，对照区土壤似背景值和青海省土壤元素背景值相当，远小于土壤环境质量二级标准（GB15618-1995）的限值。该土壤似背景值并不偏高，对照区不属于重金属高背景区。以
21、对照区土壤元素似背景值为参比对象，依据地累积污染指数法计算公式对土壤样品各重金属元素实测数据进行计算和统计，结果如表 3 和表 4 所示。表 3 重金属元素地累积污染指数 Igeo统计结果Table 3 Heavy metal results of Mullers Geo-accumulation pollution index Igeo元素 最大值 最小值 平均值As 1.65 -1.06 -0.54Cu 5.14 -1.10 -0.35Pb 0.28 -1.87 -0.65Cd 0.52 -1.70 -0.97由表 3 可知，区内土壤样品中各重金属元素 Igeo平均值均小于 0，达到清洁程
22、度。总体而言，表明矿业活动区土壤质量良好。表 4 地累积污染指数结果Table 4 Results of Mullers Geo-accumulation pollution index method污染程度样本百分比/%元素清洁 轻度污染 偏中污染 中度污染 偏重污染 重度污染 严重污染As 96.00 3.33 0.67 0 0 0 0Cu 86.67 10.67 2.00 0 0 0 0.66Pb 97.33 2.00 0 0 0.67 0 0Cd 96.67 3.33 0 0 0 0 0由表 4 可知：1）区内土壤重金属元素 As、Pb、Cd 清洁样本百分比在 96%以上，且无重度以上
23、污染，说明土壤中As、 Pb、Cd 含量低，污染轻微；2）Cu 清洁样本百分比为 86.6%，轻度污染以内的样本为 97.34%，严重污染样本为 1 件，占总样本数0.66%，说明可能存在个别点状或斑块状的 Cu 元素严重污染区，对照该样品采集记录信息，样品采集点位于废石堆下游 100 m 区域内；3）地累积污染指数法评价结果与单因子指数法相似，矿业活动区土壤质量较好，仅个别样品重金属元素超标。根据对照区元素似背景值分析和地累积污染指数法评价结果可知，对照区不是重金属元素高背景区；矿业活动区土壤质量良好，仅发现 1 件样品 Cu 元素达到严重污染程度；矿业活动区个别土壤样品As、 Cu、Pb、
24、Cd 元素超标与背景值关联度小，主要为人为活动影响。4 结论与建议1）该矿业活动区土壤环境质量良好，仅废石堆附近区域极个别样品 As、Pb、Cu、Cd 元素超标，其他区域土壤质量满足土壤环境质量二级标准（GB15618-1995 ） 。2）对照区土壤似背景值与青海省土壤元素背景值相当，不是重金属高背景区。3）铜矿区位于高寒荒漠区，气候恶劣，植被稀少，生态环境脆弱，生态修复十分不易。建议在矿产资源开发过程中应树立环保意识，加强区域环境保护与恢复治理，如清理废石堆、进一步明晰废石堆场周边重金属污染范围和深度、加强扬尘污染防治和水土流失防治。参考文献1 王军，陈振楼，王初，等. 上海崇明岛蔬菜地土壤
25、重金属含量与生态风险预警评估J. 环境科学，2007，28(3)：647-653.2 李淑敏，李红，孙丹峰，等 . 北京耕作土壤 4 种重金属空间分布的网络特征分析 J. 农业工程学报，2012，28(23)：208-215.3 何林华，高小红 . 三江源区土壤重金属的累积特征及潜在生态风险评价- 以青海省玉树县为例J. 农业环境科学学报，2016，35(6)：1071-1080.4 乔鹏炜，周小勇，杨军，等. 土壤重金属元素迁移模拟方法在矿集区适用性比较 J. 地质通报，2014，33(8)：1121-1131.5 章明奎，夏建强. 土壤重金属形态对径流中重金属流失的影响 J. 水土保持学报
26、，2004，18(4)：1-3.6 朱昌宇，黄道友，朱奇宏，等. 模拟降雨条件下污染土壤中重金属元素径流迁移特征 J. 水土保持学报，2012，26(4)：49-53.7 张爱奎，莫宣学，李云平，等. 青海西部祁漫塔格成矿带找矿新进展及其意义 J. 地质通报，2010，29(7)：1062-1074.8 时超，李荣社，何世平，等. 东昆仑祁漫塔格虎头崖铅锌多金属矿成矿时代及其地质意义-黑云二长花岗岩地球化学特征和锆石 U-Pb 年龄证据J. 地质通报，2017，36(6)：977-986.9 张永康，曹耀华，冯乃琦，等. 青海某铁多金属矿区土壤重金属污染评价 J. 矿产保护与利用，2017(3
27、)：94-99.10 黄玉，蔡保新，王宇，等 . 云南个旧锡矿区矿业活动对土壤重金属的累积贡献 J. 地质通报，2014，33(8)：1167-1174.11 毛香菊，邹安华，马亚梦，等. 南京某铁矿区矿业活动对土壤重金属的累积效应J. 矿产保护与利用，2016(4)：50-55.12 MANUEL A，LEIVA G，SANDRA MORALES. Environmental assessment of mercury pollution in urban tailings from gold miningJ. Ecotoxicology and Environmental Safety，2
28、013，90(1)：167-173.13 毛香菊，马亚梦，邹安华，等. 内蒙古草原某铜钼矿区土壤重金属污染特征研究J. 环境科学与技术，2016，39(6)：156-161.14 张文娟，王利军，王丽，等. 西安市地表灰尘中重金属污染水平与健康风险评价J. 土壤通报，2017，48(2)：481-487.15 张金婷，孙华. 内梅罗指数法和模糊综合评价法在土壤重金属污染评价应用中的差异分析J. 环境监测管理与技术，2016，28(4)：27-31.16 毛香菊，邹安华，马亚梦，等. 南京某铁尾矿库复垦土壤重金属污染评价 J. 矿产保护与利用，2015(1)：54-58.17 谢志宜，张雅静，陈
29、丹青，等. 土壤重金属污染评价方法研究：以广州市为例J. 农业环境科学学报，2016，35(7)：1329-1337.18 刘敬勇，常向阳，涂湘林，等. 广东某硫酸废渣堆渣场周围土壤铊污染的地累积指数评价 J. 土壤通报，2010，41(5)：1231-1236.19 孟静静. 青海省刚察县南部土壤重金属含量特征与质量评价研究 D. 西安：陕西师范大学，2011.20 MLLER G. Schwermetalle in den sedimenten des rheins-veranderungen seit 1971J. Umschau，1979，79(24) ：778-783.21 陈兴仁，陈富荣，贾十军，等. 安徽省江淮流域土壤地球化学基准值与背景值研究J. 中国地质，2012，39(2)：302-310.22 中国国家环境保护局. 中国土壤元素背景值M. 北京 :：中国环境科学出版社，1990：330-381.
