白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬污染地球化學(xué)評(píng)價(jià)

段麗麗

（1.山東理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 淄博 255091；2.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；）

人類對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)，也帶來(lái)了諸如礦區(qū)土壤重金屬不斷富集、地質(zhì)地貌被改變等環(huán)境問(wèn)題，尤其是礦山露天開(kāi)采對(duì)土壤環(huán)境造成的污染更為嚴(yán)重［1－2］.土壤中重金屬含量的增高不但對(duì)礦山環(huán)境產(chǎn)生危害，也會(huì)通過(guò)食物鏈影響到礦區(qū)周?chē)用竦纳眢w健康［3－5］，因此礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的同時(shí)必須重視環(huán)境保護(hù)與治理，礦區(qū)環(huán)境評(píng)價(jià)是礦山環(huán)境保護(hù)與治理的基礎(chǔ)，礦區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)是礦區(qū)環(huán)境評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容.本文選擇白云鄂博礦區(qū)作為研究區(qū)域，對(duì)白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行地球化學(xué)評(píng)價(jià).

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(jiàn)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(dú)特的礦產(chǎn)資源已引起全世界人民的關(guān)注.礦山分為主礦、東礦和西礦三個(gè)部分，現(xiàn)主要對(duì)主礦和東礦進(jìn)行開(kāi)采，西礦開(kāi)采量較小，該礦以露天方式開(kāi)采，為包頭鋼鐵公司提供原料.現(xiàn)礦區(qū)居住人口約3萬(wàn)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?chē)寥乐亟饘俚母患饕怯捎诘V山開(kāi)采、礦石運(yùn)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(chǔ)上，以主礦和東礦為中心向外擴(kuò)散取樣，采樣點(diǎn)位置含蓋了采礦區(qū)、尾礦壩、居民區(qū)、以及受人類活動(dòng)影響較小的地區(qū).采樣具體過(guò)程為:確定采樣點(diǎn)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(hào)，記錄周?chē)乩憝h(huán)境特征.本次研究目的對(duì)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(diǎn)分布由污染較嚴(yán)重后果區(qū)域向污染較輕區(qū)域擴(kuò)散的方向，確定11個(gè)采樣點(diǎn)，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(fēng)干后，將植物根系，石塊兒等雜物剔除，其中結(jié)成塊的土壤應(yīng)輕輕將其碾碎，按四分法留存一份，將另一份過(guò)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(guò)研磨機(jī)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(shù)脂做外包，通過(guò)粉末壓樣機(jī)，制成粉末壓片.采用X射線熒光光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行重金屬元素含量分析.

1.3 理論分析方法簡(jiǎn)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(guó)海德堡大學(xué)提出的，該指數(shù)是歐洲國(guó)家廣泛用于評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染程度的指標(biāo)，其計(jì)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(shí)測(cè)含量；Bi為粘質(zhì)沉積巖（普通頁(yè)巖）中該元素的地球化學(xué)背景值，有時(shí)也采用當(dāng)?shù)責(zé)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(dòng)轉(zhuǎn)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(jí)之間的相互關(guān)系分為從無(wú)污染到極強(qiáng)污染7個(gè)級(jí)別［8］.

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

1.3.2 富集因子法

富集因子是評(píng)價(jià)人類活動(dòng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境介質(zhì)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(duì)環(huán)境的影響，且該方法運(yùn)用簡(jiǎn)單易行，所以一直被廣泛應(yīng)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(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)判斷人為因素對(duì)表生環(huán)境造成的污染狀況.其計(jì)算公式可表示為

式中:Ci為元素i的濃度；Cn為標(biāo)準(zhǔn)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(gè)級(jí)別，富集因子分為五個(gè)等級(jí)［11］.

富集因子計(jì)算當(dāng)中，為保證各指標(biāo)的等效性和可比性，對(duì)測(cè)試樣品中各元素進(jìn)行歸一化處理，要恰當(dāng)?shù)倪x擇參比元素.對(duì)參比元素的要求是自身性質(zhì)穩(wěn)定，不易受到所在環(huán)境和分析測(cè)試過(guò)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(cè)量精確且該元素在環(huán)境和分析測(cè)試過(guò)程中極穩(wěn)定.

2 結(jié)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?chē)寥乐亟饘俸恳?jiàn)表1.在白云鄂博礦區(qū)周?chē)杉?1個(gè)樣品中重金屬Cr、Cu、Zn、Pb、As、Co、Ni、Mn的平均含量均高于內(nèi)蒙古土壤重金屬元素幾何平均值.其中在礦區(qū)內(nèi)采集的1號(hào)、2號(hào)樣品重金屬含量最高，其次為火車(chē)站附近采集9號(hào)樣品（個(gè)別元素含量甚至高于礦區(qū)內(nèi)重金屬含量），尾礦壩周?chē)寥乐亟饘俸?、居民區(qū)土壤重金屬含量、遠(yuǎn)離礦區(qū)土壤重金屬含量依次降低.說(shuō)明，礦山的長(zhǎng)期開(kāi)采和運(yùn)輸造成了礦區(qū)及周?chē)寥乐兄亟饘俸砍瑯?biāo)，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(píng)價(jià)

采用內(nèi)蒙古土壤重金屬元素幾何平均值作為土壤背景值，計(jì)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(jié)果見(jiàn)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(gè)樣品中，對(duì)Cr元素54.5%的樣品地累積指數(shù)為1級(jí)，無(wú)污染（Igeo＜0），36.4%的樣品地累積指數(shù)為2級(jí)，無(wú)污染到中度污染（0≦Igeo＜1），9.1%的樣品地累積指數(shù)為4級(jí)，中度污染到強(qiáng)污染（2≦Igeo＜3）.中度污染到強(qiáng)污染樣品取自白云鄂博火車(chē)站附近.白云鄂博礦區(qū)土壤Cr含量的增高或許與交通運(yùn)輸工具的磨損有關(guān).

對(duì)Cu元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級(jí)，無(wú)污染，72.7%的樣品地累積指數(shù)為2級(jí)，無(wú)污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級(jí)，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(mén).

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

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

對(duì)As元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級(jí)，無(wú)污染，81.8%的樣品地累積指數(shù)為2級(jí)，無(wú)污染到中度污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為3級(jí)，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(duì)Co元素，72.7%的樣品地累積指數(shù)為1級(jí)，無(wú)污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為2級(jí)，無(wú)污染到中度污染.

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

對(duì)Mn元素，45.5%的樣品地累積指數(shù)為2級(jí)，無(wú)污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級(jí)，中度污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為4級(jí)，中度污染到強(qiáng)污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為5級(jí)，強(qiáng)污染.強(qiáng)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(chē)站附近.

2.3 富集因子法評(píng)價(jià)

選擇Zr元素作為參照元素，仍采用內(nèi)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(jiàn)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(nèi)采集樣品中，對(duì)Cr元素，90.9%的樣品富集因子為1級(jí)，為無(wú)到輕微污染（EF＜2），9.1%的樣品富集因子為3級(jí)，為重污染（5≦EF＜20）.重污染樣品取自白云鄂博火車(chē)站附近.

對(duì)Cu元素，72.7%的樣品富集因子為1級(jí)，為無(wú)到輕微污染，27.3%的樣品富集因子為2級(jí)，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(mén)和白云鄂博火車(chē)站附近.

對(duì)Zn元素，45.5%的樣品富集因子為1級(jí)，為無(wú)到輕微污染，18.2%的樣品富集因子為2級(jí)，為中度污染，36.4%的樣品富集因子為3級(jí)，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(mén)和白云鄂博火車(chē)站附近.

對(duì)Pb元素，9.1%的樣品富集因子為1級(jí)，為無(wú)到輕微污染，45.5%的樣品富集因子為2級(jí)，為中度污染，45.5%的樣品富集因子為3級(jí)，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(mén)、白云鄂博火車(chē)站附近和白云鄂博大街與育才路交叉口.

對(duì)As元素，72.7%的樣品富集因子為1級(jí)，為無(wú)到輕微污染，27.3%的樣品富集因子為2級(jí)，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(nèi)和白云鄂博火車(chē)站附近.

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

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

對(duì)Mn元素，27.3%的樣品富集因子為1級(jí)，為無(wú)到輕微污染，36.4%的樣品富集因子為2級(jí)，為中度污染，36.4%的樣品富集因子為3級(jí)，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(mén)和白云鄂博火車(chē)站附近.

2.4 地累積指數(shù)法和富集因子法綜合評(píng)價(jià)

由上述數(shù)據(jù)及分析可知，兩種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果基本一致，見(jiàn)表4.

表4 研究區(qū)域11個(gè)樣品污染等級(jí)

由表4可以看出，1號(hào)采樣點(diǎn)Zn、Pb、Mn元素重污染，Cu、As元素中度污染，其余元素?zé)o污染－中污染.2號(hào)采樣點(diǎn)Zn、Pb、Mn元素重污染，其余為元素?zé)o污染－中污染.3號(hào)采樣點(diǎn)Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.4號(hào)采樣點(diǎn)Pb元素中度污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.5號(hào)采樣點(diǎn)Pb元素中度污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.6號(hào)采樣點(diǎn)Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.7號(hào)采樣點(diǎn)Cu元素中度污染，Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.8號(hào)采樣點(diǎn)Zn、As、Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.9號(hào)采樣點(diǎn)Cu元素中度污染，Cr、Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.10號(hào)采樣點(diǎn)Zn、Mn元素中度污染，Pb元素重污染，其余元素為無(wú)污染－中污染.11號(hào)采樣點(diǎn)元素均為無(wú)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(chē)站附近，Co、Ni污染程度相對(duì)較低.筆者認(rèn)為Cu、Pb、Zn、As的污染主要來(lái)自礦體開(kāi)發(fā)，Mn、Cr的污染既有礦體開(kāi)發(fā)的影響，也有礦石運(yùn)輸（如火車(chē)等交通運(yùn)輸工具的磨損）的影響，

3 結(jié)論

（1）在所研究的白云鄂博礦區(qū)，所取11個(gè)樣品各重金屬元素平均值均高于內(nèi)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(yán)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(diǎn)為:各采樣點(diǎn)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(wú)污染—輕微污染，對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小.其余元素均不同程度受到人類活動(dòng)的影響，以Zn、Pb、Mn三種元素對(duì)研究區(qū)域污染較為嚴(yán)重.其中部分采樣點(diǎn)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(yán)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(mén)和白云鄂博火車(chē)站附近.研究表明，除7號(hào)和9號(hào)采樣點(diǎn)特殊外，其余采樣點(diǎn)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(shuō)明采礦活動(dòng)是造成該區(qū)土壤重金屬污染的源頭；而7號(hào)采樣點(diǎn)位于街心公園北門(mén)位于礦山路旁，礦山路為礦石由礦山運(yùn)往外界的通道，而9號(hào)采樣點(diǎn)位于白云鄂博火車(chē)站，該站以運(yùn)送礦石為主，這說(shuō)明礦石運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的污染極大.

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