矿山不同区域土壤中重金属的污染特征

刘付真

（核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410000）

重金属大量存在于自然界中，并与居民生活息息相关，人们通过将地底深处的重金属矿产开采出来，冶炼加工成重金属制品，在拉动经济发展、方便日常生活的同时，也带来了重金属污染[1-2]。重金属作为持久性污染物，其在环境中被微生物自然降解的情况几乎可以忽略[3]，在进入土壤后，通过食物链进入人体，在人体不同器官内富集，对人体健康造成不可修复的损害[4]。

有色金属的开采是一个复杂的过程，每一个环节都能产生重金属污染，且污染物种类和性质各异，在开采过程中必须对不同的环节采取针对性的监测，进而制定特定的环保措施，以期尽可能将污染影响降到最低[5-6]。笔者对湖南永州市境内某有色金属矿山的土壤进行采样监测，依据开采过程及污染物排放途径的不同为依据，对矿山进行区域划分，对不同区域及周边农田的土壤的pH 值、Zn、Pb、Cd、Cu、As 含量进行监测分析，确定不同重金属对矿山土壤的污染程度，为矿山后续开采工作的优化、土壤环境保护及土壤生态修复提供资料支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集

1.1.1 采样区域划分有色金属矿产的开采过程包括原矿的开采、运输、选冶等[7]，每一步采矿活动都伴随着含重金属的废气、废水和固废的产生，在这些废弃物的外排过程中，也将其内的重金属带出，并对矿山及其周边的土壤土质造成影响，因此综合矿山开采过程及污染物排放的途径为划分原则，选取了尾矿堆积坝（标记为A 区，10 个点）、排污污水污染区（标记为B 区，8 个点）、排风口降尘区（标记为C 区，8个点）、精矿转运区（标记为D 区，6 个点）、外部农田区（标记为E 区，8 个点）、离矿山10 km 外背景值采集区（标记为O 区，6 个点）。

1.1.2 土样采集根据采样区域的地质特征，正对污染源方向，运用多点混合、“S”形交错的方式进行取样，取样土壤深度为100 cm，采集后的土壤带回实验室后自然风干，除杂，破碎，先过20 目，再过60 目的塑料土筛后，四分法取1 kg 样品土，三头球磨机进一步破碎，过100 目塑料筛后，装入密封塑料袋中低温干燥保存备用。

1.2 测试方法

准确称取1.000 0 g 处理后的土样，置至被清洗后的Teflon 罐中，加5 ∶10 ∶10 的硝酸、HF、HClO4混合液25.0 mL，密封后置于微波消解仪（美国CEM公司，MARS6 型）中消解0.5 h，自然冷却，浓缩至1 mL，10.00 mL 容量瓶中去离子水定容待测。

待测液中重金属元素的浓度在美国安捷伦电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，7900）中进行测试，设备功率为1 200 W，冷却气流速为9.0 L/min，载气流速为0.4 L/min，等离气流速为0.3 L/min，射频发生器频率为42.16 MHz，每个样品重复3 次数，取平均值作为最终值。

2 结果与分析

2.1 矿山土壤pH 特征分析

依据土壤pH 的测定标准（NY/T1377—2007），对不同区域的土壤的pH 值进行测定，A 区pH 值为6.08～7.19，B 区pH 值 为7.19～8.15，C 区pH 值为6.45～7.67，D 区pH 值为7.36～8.22，E 区pH 值为6.66～7.76，O 区pH 值为6.83～7.52，背景值采集区的土壤pH 值呈中性。以此为比对标准，将A、B、C、D、E 这5 个区域的pH 值与O 区进行比对可知，现阶段，金属矿的开发并未对土壤的pH 值产生较大影响，在排风口降尘区、外部农田区基本未见影响，而尾矿堆积坝区的土壤偏酸性，这可能与尾矿堆积坝区内尾矿中硫氧化物有直接联系，在雨水的浸渍作用下，尾矿中的硫进入土壤中，使得土壤中pH 值下降。而排污污水污染区、精矿转运区土壤呈现略微碱性，这与原矿在精选过程中加入的药剂有关，部分选矿废液的渗漏、随精矿转运而进入土壤，使得土壤中pH 值上升。因此，在有色金属矿开采过程中，应进一步加强废水处理处置和精矿转运的过程管理管控。

2.2 矿山土壤Zn 含量特征分析

对不同区域的土壤的Zn 含量进行测定，并与外背景值采集区土壤Zn 含量和湖南省土壤背景值（94.9 mg/kg）[8]进行Mull 指数评价法分析，其计算公式如下：

式中：Igeo为污染程度的定量指标，Ci为i元素在土壤中的含量，Bi是土壤中i元素的区域背景值，K表示指数，取1.5。Igeo数值范围≤0 为无污染，( 0，1]为轻-中度污染，( 1，2]为中度污染，( 2，3]为中-强度污染，( 3，4]为强度污染，( 4，5]为强-极度严重污染，＞5 为极严重度污染[9]。测定分析结果如表1。

由表1 可知，矿山上的A、B、C、D 区域土壤中Zn 含量差异较大，其中含量最高的区域为排污污水污染区，平均值达到789.7 mg/kg，且8 个采样点数据差异较小，浓度最高点比最低点高出220.0 mg/kg，这表明排污污水污染区整个区域都处在被污染的范围，最低的为排风口降尘区，8 个采样点平均值为达到292.5 mg/kg，浓度最低采样点为159.8 mg/kg，浓度最高采样点与最低采样点相差282.3 mg/kg，呈现越靠近排风口浓度越高的趋势，外部农田区的Zn 含量为132.6 mg/kg，与离矿山10 km 的区域相差不大，远低于矿山的4 个区域，说明矿山污染并未扩散到农田。

表1 不同区域土壤中Zn 含量

由于Mull 指数评价法分析的评价结果与土壤背景值密切相关，因此评价过程中选取了离矿山10 km外背景值采集区土壤Zn 含量和湖南土壤Zn 含量背景值作为评价标准。从表1 中可知，无论是以背景值采集区土壤Zn 含量和湖南土壤Zn 含量背景值作为评价标准，农田区的Igeo数值都＜0，为无污染区域，这进一步验证了前文的结论，矿山污染并未扩散到农田。且矿山上的4 个区域都处在中-强度污染以下，其中最严重的是排污污水污染区，污染程度最轻的为排风口降尘区。

2.3 矿山土壤Pb 含量特征分析

对不同区域的土壤的Pb 含量进行测定，并与外背景值采集区土壤Pb 含量和湖南省土壤背景值（29.7 mg/kg）[8]进行Mull 指数评价法分析，测定分析结果见表2。

表2 不同区域土壤中Pb 含量

由表2 可知，所检测的6 个区域土壤中Pb 含量均高于湖南土壤背景值，其中，排污污水污染区土壤中Pb 含量为湖南土壤背景值的27.65 倍，为周边土壤（以背景值采集区为基准）的25.82 倍，且8 个采样点的浓度都较高，最低点浓度为781.3 mg/kg，达到了湖南土壤背景值的26.31 倍，且Mull 评价指数均处在 ( 4，5]区间内，为强-极严重度污染区域，其次为尾矿堆积坝区域，为强度污染区域，而污染程度最轻的为排风口降尘区，为轻-中度污染区域。而分析农田的Mull 评价指数可知，虽然，无论是以背景值采集区土壤Pb 含量和湖南土壤Pb 含量背景值作为评价标准，都属于无污染区域，但其Mull 评价指数都与0 较为接近，这表明农田马上将达到轻-中度污染区域程度。

2.4 矿山土壤Cd 含量特征分析

对不同区域的土壤的Cd 含量进行测定，并与外背景值采集区土壤Cd 含量和湖南省土壤背景值（0.126 mg/kg）[8]进行Mull 指数评价法分析，测定分析结果见表3。

表3 不同区域土壤中Cd 含量

由表3 可知，所检测的6 个区域土壤中Cd 含量均远高于湖南土壤背景值。Cd 含量最低区域为外部农田区，其Cd 含量达到湖南土壤背景值的10.32 倍；矿山浓度最高值在尾矿堆积坝，平均值为8.7 mg/kg，达到湖南土壤背景值的69.05 倍，达到背景值采集区土壤Cd 含量的6.21 倍；背景值采集区土壤中Cd 含量为1.4 mg/kg，是湖南土壤Cd 含量背景值的11.11 倍，这说明矿山原始土壤中Cd 含量较高，因此以背景值采集区土壤Cd 含量作为Mull 指数评价法分析的评价标准更为准确合理。

依据Mull 指数评价法分析可知，矿山的污染程度由重到轻依次为尾矿堆积坝（中-强度污染）＞排污污水污染区（中度污染）＞精矿转运区（中度污染）＞排风口降尘区（轻-中度污染），外部农田区的Igeo指数为-0.69，为无污染区域，其Cd 含量为1.3 mg/kg，较背景值采集区（1.4 mg/kg）小，但8 个采样点的检测数据差异较大，Cd 含量最高的采样点（4.2 mg/kg）的Igeo指数达到1.0，为轻-中度污染区域，这是需要警惕的。

2.5 矿山土壤Cu 含量特征分析

对不同区域的土壤的Cu 含量进行测定，并与外背景值采集区土壤Cu 含量和湖南省土壤背景值（27.3 mg/kg）[8]进行Mull 指数评价法分析，测定分析结果见表4。

由表4 可知，所检测的6 个区域土壤中Cu 含量均高于湖南土壤背景值，含量最小的背景值采集区Cu 含量为湖南土壤背景值1.95 倍，外部农田区的Cu含量达到169.5 mg/kg，以背景值采集区为评价标准，Igeo指数达到1.09，为中度污染区域，以湖南土壤背景值为评价标准，Igeo指数达到2.05，为中-强度污染区域。

表4 不同区域土壤中Cu 含量

矿山上的A、B、C、D 这4 个区域土壤中Cu 含量的污染程度由高到低依次为排污污水污染区＞尾矿堆积坝＞精矿转运区＞排风口降尘区，污染最严重的排污污水污染区Cu 含量达到392.7 mg/kg，以背景值采集区为评价标准，Igeo指数已达到2.30，为中-强度污染区域。以湖南土壤背景值为评价标准，Igeo指数达到3.26，为强度污染区域，污染最轻的排风口降尘区也达到了中度污染区域/中-强度污染区域，这表明，无论是矿山还是外部农田区都受到了Cu 重金属污染，且污染程度都在中度污染以上，这个结果必须警惕。

2.6 矿山土壤As 含量特征分析

对不同区域的土壤的As 含量进行测定，并与外背景值采集区土壤As 含量和湖南省土壤背景值（14.0 mg/kg）[8]进行Mull 指数评价法分析，测定分析结果见表5。

表5 不同区域土壤As 含量

由表5 可知，矿山上的A、B、C、D 区域土壤中As 含量的污染程度都处在中-强度污染及以下，污染最严的污染区域为尾矿堆积坝，其以湖南背景值为标准，其Igeo指数为2.23，与2 较为接近，属于中-强度污染区域偏中度污染，而排风口降尘区、精矿转运区属于轻-中度污染区域，因此对于As的污染来说，矿山土壤污染不算严重，不过As 毒性较大，危害程度较高，虽然其在土壤中含量不算太高，在后续的生产中也应加强管理，避免污染进一步加剧。

对于外部农田区土壤中As 含量分析可知，其背景值采集区和湖南省土壤背景值为评价标准的Igeo指数分别为0.23 和0.49，与0 较为接近，污染程度较轻，这表明As 污染并未大规模扩散到农田，但也需要警惕。

3 结 论

对矿山4 个区域土壤中的Pb、Zn、As、Cd、Cu这5 种重金属元素综合分析可知，污染程度最严重的是Cd 污染，其次是Pb 污染，区域污染程度最严重的为排污污水污染区（Zn、As、Cd 污染最严重），其次是尾矿堆积坝（Cd、Pb 污染最严重），接着是精矿转运区，最轻的是排风口降尘区，这提醒矿山管理者要进一步加强矿山废水的处理和尾矿的管理，防止污染的加剧和外扩。

通过对外部农田区土壤中Pb、Zn、As、Cd、Cu这5 种重金属元素综合分析发现，外部农田受污染并不严重，Pb、Zn、As、Cd、Cu 的污染程度基本处在轻-中度污染程度以下，但有受到污染的潜在风险。