多金属矿区土壤重金属垂向污染特征及风险评估

苏耀明，陈志良*，雷国建,2，方晓航

1.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655；2.广东工业大学，广东 广州 510006



多金属矿区土壤重金属垂向污染特征及风险评估

苏耀明1，陈志良1*，雷国建1,2，方晓航1

1.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655；2.广东工业大学，广东 广州 510006

摘要：重金属在土壤中向下迁移可能会对地下水造成污染，了解重金属在剖面上的迁移特征对污染控制与防范有重要意义。为深入了解多金属矿区尾矿库土壤重金属垂直迁移与生态风险问题，分层采集了某多金属矿区尾矿库坝下附近0～100 cm深度的土壤样品，分析检测了不同深度土壤中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni总量及有效态含量。综合考虑多元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素，采用Hakanson潜在生态风险指数法对土壤污染状况及生态环境风险进行了评价，并对土壤中铅、锌重金属的形态垂向分布特征及其迁移能力进行了分析研究。结果表明，研究区域土壤重金属污染严重，垂向污染也达到了一定的深度，上层土壤、中层土壤综合污染指数均达到重度污染级别，下层土壤综合污染指数达到中度污染级别。供试土壤的污染程度最重的指标为Pb和Zn，污染最重的土层为0～30 cm上层土壤。从生态风险来看，单项潜在生态风险指数在3.07～77.1之间，上层土壤单项潜在生态风险Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Zn，矿区场地土壤修复过程中应重点关注Cd、Cu的生态风险影响；此外，由于As在土壤中具有较强的垂向迁移能力，也应予以重点关注。

关键词：生态风险；重金属污染；垂直分布；矿区

SU Yaoming,CHEN Zhiliang,LEI Guojian,FANG Xiaohang.Vertical Pollution Characteristic and Ecological Risk Assessment of Heavy Metal of Soil Profiles in Polymetallic Ore Mine [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):130-134.

我国金属矿产资源丰富，改革开放以来矿产资源的勘查开发取得了巨大的成就，但同时采矿、选矿、冶炼等过程也产生了大量的尾矿、废渣等，这些重金属含量很高的废弃物露天堆放后，会迅速风化，并通过降雨、淋洗、酸化等作用向周边地区扩散并向地下迁移，从而导致土壤与地下水受到重金属污染（许超等，2009；仇荣亮等，2009），且往往是两种或多种重金属并存的复合污染（李如忠等，2013；李清飞等，2009；郑国璋，2007；赵志强等，2010）。重金属元素进入土壤后，与土壤中有机态和无机态组分持续发生作用，如溶解-沉淀、吸附-解吸、络合-离解、氧化-还原作用等，会以不同的形态存在于土壤中（朱继保等，2005；魏树和等，2004；孙花等，2011；Michael et al.，2013；Kumpiene et al.，2008），且不同种类、不同形态的重金属在土壤中的迁移速率不同，其留下的痕迹也存在差异，从而造成其在土壤中的迁移转化特点、生物有效性和危害程度都不尽相同。本文以某多金属矿区为例，分析土壤剖面重金属总量、形态垂直差异特征，并对其生态风险进行评估，这对了解重金属在土壤中迁移特点及污染防治工作具有重要的现实意义。

1　材料与方法

1.1采样地点

本次采样的多金属矿区位于韶关市曲江区沙溪镇、翁源县铁龙镇境内。该区多年平均气温17.1～18.0 ℃，最高气温32.0～34.4 ℃，最低气温-2.7～-4.8 ℃；年降雨量1532.7～2470.1 mm，年内降雨分配不均，多集中于3─9月份，夏季多有暴雨，年蒸发量在1154.0～1404.7 mm。冬季有霜冻和降雪现象，常年主导风向为北风。矿区矿产资源丰富，主要有铁、铜、硫、铅、锌、钨、钼、石灰石等矿产。但是由于开采冶炼历史较早，早期采冶过程中缺乏有效的重金属污染防治措施，矿区尤其是尾矿库重金属污染问题较突出。在尾矿库坝下采集1个剖面，采样深度100 cm，按0～30 cm（上层）、30～60 cm（中层）、60～100 cm（下层）分别进行采样分析。

1.2样品处理与分析

1.2.1样品前处理

土壤样品经过自然风干松散后，过40目筛。一部分用于理化性质分析，其余部分用于元素含量和形态分析；土壤样品pH值的测试按照水土比25∶1进行测定。

1.2.2重金属分析

采用原子吸收分光光度计（AA-7000）测定消解液中重金属含量。同时精确称取过2 mm尼龙筛的风干土壤1.0 g，放入100 mL离心管中，并按照Tessier连续提取法（Tessler et al.，1979）开展土壤重金属形态分析，分析过程所得的清液用原子吸收分光光度计（AA-7000）进行不同形态铅、锌含量的测定。

1.2.3重金属质量评价

本次土壤污染评价采用《土壤环境质量标准》（GB15618─1995）的二级标准。土壤污染程度研究采用单因子指数法（孙清斌等，2013）和内梅罗综合指数法（胡明，2014）进行评价。通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度，以污染指数来表示，使污染程度量化；内梅罗综合指数能反映场地土壤中每种重金属的污染程度，突出了重金属极值浓度对土壤环境质量的影响。质量分级采用污染指数分级标准，如表1所示。

表1　土壤污染综合指数分级标准Table 1　The grading standards of integrated pollution index for soil

1.2.4生态风险评价

采用Hakanson潜在生态风险指数法进行土壤污染状况及环境风险评价，以《土壤环境质量》（GB 15618─1995）为评价标准。该方法综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素，在环境风险评价中得到广泛应用，适合于对大区域范围的土壤进行评价比较（Hakanson，1980；Guo et al.，2006）。其计算公式如下：

式中：Ci为土样中第i种重金属的污染系数；

i

fCs为土样中第i种重金属质量浓度的实测值，mg·kg-1；Cni为土样中第i种重金属的评价参比值，mg·kg-1；Eri为土样中第i种重金属的潜在生态风险指数；Ti为土样中第i种重金属的毒性响应系数，

r主要反映重金属毒性水平和环境对重金属污染的敏感程度；RI为土样中多种重金属的综合潜在生态风险指数。

本研究中，土样中的6种重金属毒性响应系数参照Hakanson（1980）和徐争启等（2008）的研究结果设定。为方便同类研究结果间比较，重金属的评价参比值采用Hakanson提出的工业化前全球土壤（沉积物）最高背景值。重金属的潜在生态风险等级划分标准见表2。

2　结果与讨论

2.1土壤重金属含量和污染现状

对采样点土壤上层、中层、下层土壤的理化性质以及土壤中的Pb、Zn、Cu、Ni、Cd、As等重金属总量进行分析测定，上、中、下3层不同深度土壤pH值、有机质、容重、阳离子交换量（CEC）、净产酸量（NAG）等理化性质的测定结果如表3所示，不同深度土壤各重金属单因子污染指数及综合污染指数统计结果如下表4和表5所示。

表2　重金属潜在生态风险等级划分标准Table 2　Standard of heavy metal potential ecological risk assessment

表3　土壤的基本理化性质Table 3　Physical and chemical properties of soil

表4　土壤重金属总量Table 4　The total amount of heavy metals in soil　　　mg·kg-1

表5　土壤重金属污染评价指数得分Table 5　The evaluation index of heavy metals pollution in soil

从表4和表5中可以看出，矿区尾矿库坝下不同深度土壤中铅、锌、铜含量表现为从上层到下层土壤依次递减的趋势；镍含量表现为上层土壤和中层土壤含量相当，高于下层土壤；镉含量表现为中层土壤略高于上层土壤，远高于下层土壤；砷含量表现为中层土壤高于下层土壤且下层土壤高于上层土壤。

不同层次土壤中铅、锌污染均已达到或接近中度污染（下层土壤中铅的单因子污染指数为2.99，接近于重度污染值3）；上层土壤、中层土壤中铜、镍污染达到重度污染，下层土壤中铜、镍污染级别为中度污染；各层土壤中镉的污染级别为中度污染；上层土壤、下层土壤中砷污染为轻度污染，中层土壤污染级别为中度污染。研究区域土壤重金属污染严重，污染也达到了一定的深度，上层土壤、中层土壤综合污染指数均达到重度污染级别，下层土壤综合污染指数达到中度污染级别。

2.2土壤重金属形态垂向分布特征

从不同层次的土壤污染程度分析可知，研究区100 cm以上土壤污染严重的重金属为铅、锌，为进一步了解污染特征，对研究区土壤铅、锌进行形态分析，结果如表6所示。

表6　供试土壤铅、锌形态特征Table 6　The morphology and concentration of Pb and Zn in soil　　　　　　　　　　　　　　　　 mg·kg-1

上层、中层、下层土壤中可交换态铅、碳酸盐态铅、铁锰氧化态铅、有机态铅、残渣态铅的分配系数分别为2.64%～3.34%、10.09%～19.25%、 24.19%～30.35%、5.76%～10.28%、41.45～51.07%；可交换态锌、碳酸盐态锌、铁锰氧化态锌、有机态锌、残渣态锌的分配系数分别为3.35%～4.04%、11.45%～16.12%、15.51%～23.37%、5.38%～9.86%、50.79～60.15%。土壤中铅、锌主要以残渣态的形式存在，其次为铁锰氧化态和碳酸盐态，有机结合态和可交换态含量最低，两者的形态分布特征基本一致（图1、图2）。

现在，这条舒服的大道，又被开挖得千疮百孔。说是还要扩宽，又说要修成快速路。开满鲜花的花坛和已然长成的大树又悉数被挖。罗爹爹急了，找到阿东，说：“你怎么说也是个干部，能不能去反映一下，这条路蛮好，没必要重新修吧？”

图1　不同深度土壤中铅的各形态比例Fig.1　The morphological rate of Pb in different depth soil

图2　不同深度土壤中锌的各形态比例Fig.2　The morphological rate of Zn in different depth soil

结合表6中各形态的垂向分布可以看出，土壤中可交换态铅含量表现为上层土壤高于中、下层土壤，中层、下层土壤中可交换态铅含量相当；土壤中碳酸盐态铅含量表现为从上层、中层、下层土壤依次大幅递减的趋势，下层土壤中碳酸盐态铅含量仅为上层土壤的37.56%；土壤中铁锰氧化态铅含量表现为上层土壤高于中、下层土壤，下层土壤的铁锰氧化态铅含量略高于中层土壤；土壤中有机结合态铅含量表现为从上层、中层、下层土壤依次大幅递减的趋势，和碳酸盐态变化趋势相似，其中从上层到中层的变化尤其明显，这可能与有机质含量随土层深度增加而减少有关；土壤中残渣态铅含量上、中、下层含量变化不大，表现为从上层到下层依次递减的趋势。

上层、中层、下层土壤可交换态锌含量相当，无显著差异；土壤中碳酸盐态锌含量表现为上层土壤和中层土壤含量相当，远高于下层土壤；土壤中铁锰氧化态锌含量表现为上层土壤高于中、下层土壤，下层土壤的铁锰氧化态锌含量略高于中层土壤；土壤中有机结合态锌含量表现为从上层、中层、下层土壤依次大幅递减的趋势，其中从上层到中层的变化尤其明显；土壤中残渣态铅含量上、中、下层差异不大，表现为从上层到下层依次递减的趋势。

2.3土壤复合污染风险评价

不同重金属类型及深度的生态风险如图3和表7，尾矿区的重金属生态风险指数在3.07～77.1之间，综合潜在生态风险等级依次为上层＞中层＞下层，上层与中层土壤处于中等生态风险，下层接近中等生态风险。

图3　研究区重金属生态风险危害指数Fig.3　The ecological risk index of heavy metal in study area

表7　重金属潜在生态危害Table 7　The ecological risk of heavy metal

上层土壤单项潜在生态风险Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Zn，在矿区土壤修复过程中，应重点关注Cd和Cu的生态风险影响。此外As单项潜在生态风险表现为中层＞下层＞上层，表明As在土壤中的垂向迁移能力相对较强，也是值得注意的元素。

3　结论

（1）研究区域土壤重金属污染严重，污染也达到了一定的深度，0～30 cm上层土壤和30～60 cm中层土壤综合污染指数均达到重度污染级别，60～100 cm下层土壤综合污染指数达到中度污染级别。供试土壤中污染程度最重的指标为Pb和Zn，污染最重的土层为上层土壤。

（2）土壤中铅、锌各形态大体表现为残渣态＞铁锰氧化态＞碳酸盐结合态＞有机态＞可交换态，其中可交换态含量在不同层间的土壤含量相差不大，其他形态具有不同程度的差异；土壤中铅、锌各形态比例表现为可交换态含量大体相当，有机结合态比例随土壤深度的减少而降低，残渣态比例随土壤深度增加而升高，其余形态无明显规律。

（3）研究区生态风险等级为中等，单项潜在生态风险指数在3.07～77.1之间，上层土壤单项潜在生态风险Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Zn，场地土壤重金属污染修复治理过程中应重点关注Cd和Cu的生态风险影响。此外，由于As具有较强的垂向迁移能力，在场地重金属防治过程中也应予以重点关注。

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Vertical Pollution Characteristic and Ecological Risk Assessment of Heavy Metal of Soil Profiles in Polymetallic Ore Mine

SU Yaoming1,CHEN Zhiliang1*,LEI Guojian1,2,FANG Xiaohang1
1.South China Institute of Environmental Sciences,Ministry of Environmental Protection,Guangzhou 510655,China; 2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China

Abstract:Heavy metal pollution in soil may cause groundwater pollution for its migration and it is important to understand the migration characteristics of heavy metals in soil profile.To better understand the heavy metals pollution problems of soil in polymetallic ore Mine area,we collected soil profile about 0～100 cm depth near mine tailings.The concentration of Cr,Cd,Pb,Cu,Zn,Ni in soil was detected.The Hakanson potential ecological risk index method was used to evaluate the soil pollution and ecological environment risk both consider the multi-elements synergistic,the toxicity level,the pollution concentration and the sensitivity of the heavy metal pollution.The zinc and lead heavy metal form distribution characteristic and migration ability was also analysis.The result showed that the soil is serious polluted by heavy metal in study area.Pollution has reached a certain depth,0～30 cm upper layer soil and 30～60 cm middle layer soil pollution index reached severe pollution levels,60～100 cm bottom layer soil pollution index reached moderate pollution levels.Characteristics of pollutants in study area are Pb and Zn,the most heavily contaminated soil is top layer soil.But the individual potential ecological risk in the study area is range between the ecological risks 3.07～77.1,the range of individual potential ecological risk in upper layer soil is Cd ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ As ＞ Zn.So the ecological risk of Cd and Cu should be a key point during soil remediation in this area,as well as As element which has strong vertical migration ability in the soil.

Key words:ecological risk; heavy metal pollution; vertical distribution; mine

收稿日期：2015-08-14

作者简介：苏耀明（1981年生），工程师，博士，主要从事污染场地修复与地下水污染防治。E-mail:suyaoming@scies.org*通讯联系人。E-mail:chenzhiliang@scies.org

基金项目：国家环保公益专项（201309003；201309037）；广东省教育部产学研结合项目（2012B091000152）；广东省科技计划项目（2013B020700010）；公益性科研所基本科研业务专项（pm-zx021-201410-023）

中图分类号：X131.3

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）01-0130-05

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.019

引用格式：苏耀明,陈志良,雷国建,方晓航.多金属矿区土壤重金属垂向污染特征及风险评估[J].生态环境学报,2016,25(1):130-134.