釩鈦磁鐵礦尾礦庫周邊農(nóng)用土壤重金屬污染診斷

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)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，其開采、選礦及冶煉等活動中會產(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)，長期裸露的尾礦會因外界環(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，進入水體和土壤環(huán)境中，給周邊水體、土壤帶來嚴重污染，對農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)和人體健康構(gòu)成嚴重威脅[3]。因此，對尾礦庫導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?shù)氐慕?jīng)濟支柱。大規(guī)模的礦業(yè)活動產(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]，且尾礦粉由于風力作用等進入尾礦庫周邊土壤，使其尾礦庫成為一個主要的環(huán)境污染源，環(huán)境污染問題嚴重[5]。

鑒于此，本研究以攀枝花釩鈦磁鐵礦尾礦庫為研究目標，探討尾礦庫對周邊農(nóng)用土壤的影響，通過對尾礦庫周邊農(nóng)用土壤重金屬污染情況進行調(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)法對其污染狀況進行系統(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)保護提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

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，四季不分明的特點，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，分別沿南北方向間隔200m依次采集0～20cm的表層土壤，采樣點均設置在尾礦庫周邊的農(nóng)用地內(nèi)。具體采樣點布置如下圖所示。

圖 采樣點分布圖Fig. Sketch map of soil sampling sites

各采樣點在200m×200m范圍內(nèi)隨機采取5個分樣品，充分混合，采用四分法標記成一個樣品，共采集混合土壤樣品30個。采集的樣品均裝入聚乙烯塑料袋中，并注明采樣點的信息。將土壤樣品自然風干，去除樣品中植物殘渣、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計進行測定；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(ICE3500，美國熱電)測定，汞(Hg)、砷(As)采用原子熒光分光光度計(AFS-9330，北京)測定。通過測定參考標準樣(國家一級標準物質(zhì)GSS-13)對土壤樣品的測定進行質(zhì)量控制。

1.4 評價標準及數(shù)據(jù)處理

采用《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)[6]對尾礦庫周邊農(nóng)用土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價，見表1。

表1 《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(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等軟件進行統(tǒng)計分析。應用重金屬含量相關(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)風險指數(shù)法對尾礦庫周邊土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進行評價。

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)對尾礦庫周邊農(nóng)用土壤重金屬的監(jiān)測結(jié)果，6種重金屬Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As的含量、平均值、標準差和變異系數(shù)見表2。可以看出，測定的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)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)風險篩選值，只有極個別采樣點的Hg含量接近標準風險篩選值。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烈[7]。土壤中Hg的含量顯示為強變異，變異系數(shù)為182.79%，其余元素的變異系數(shù)均介于10%～100%，達到中等變異強度，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

本研究對土壤中重金屬含量進行相關(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，達到了0.839，有著極強的相關(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)法評價

以風險篩選值為標準計算各重金屬的單因子污染指數(shù)法，來評價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)量作為一個整體進行評價，能夠更加科學、客觀地評價研究區(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，又突出強調(diào)了高濃度重金屬對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，可以反映多種重金屬對土壤環(huán)境的復合污染作用。通過分析可知尾礦庫各監(jiān)測點土壤重金屬的內(nèi)梅羅污染指數(shù)介于0.11～0.59，均小于0.7，說明各監(jiān)測區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量處于清潔水平，能夠進行各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。

2.4 潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價

由瑞典科學家Hakanson[9]提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法不僅考慮了重金屬含量對土壤環(huán)境的影響，又把重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應和毒理學效應聯(lián)系在一起，并用定量的方法劃分出潛在生態(tài)風險危害程度，具有一定的實際意義。土壤中重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)的計算方法如下：

(1)

Ei=Ti×Ci

(2)

(3)

其中，Ci為重金屬i的潛在生態(tài)風險單項系數(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)境背景值進行計算[8]；Ei為重金屬i的潛在風險系數(shù)；Ti為重金屬i毒性響應系數(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)風險指數(shù)。

根據(jù)潛在生態(tài)風險指數(shù)的大小，可將土壤中重金屬的潛在生態(tài)風險程度劃分為表5所示的5個級別。

表5 潛在生態(tài)風險指數(shù)法分級標準Tab.5 Classification criterion of potential ecologicalrisk index

利用潛在生態(tài)風險指數(shù)法的相關(guān)計算公式得出表6。從重金屬的潛在風險系數(shù)Ei來看，Cr、As、Pb、Ni這4種重金屬在所有的采樣點的數(shù)值都小于40，風險程度低；Cd、Hg這兩種重金屬的最大值分別為121.52、1 718.03，達到較重風險、嚴重風險級別；從不同重金屬的Ei均值來看，Cd為中生態(tài)風險程度，Hg為重生態(tài)風險程度，其余重金屬均為低風險程度，尾礦庫周邊農(nóng)用地各重金屬潛在生態(tài)風險程度強弱順序為Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cr；以多元素綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)評價不同采樣點的潛在風險，輕微及中等生態(tài)危害的采樣點共25個，占總采樣點的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)風險不大；部分采樣點達到了很強甚至極強生態(tài)危害，需要對這些區(qū)域土壤進行綜合治理，尤其是加強對Hg的污染防治。

表6 潛在生態(tài)風險指數(shù)Tab.6 Potential ecological hazard index

通過對比幾種方法的評價結(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)測點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，應采取適當措施改善土壤環(huán)境質(zhì)量，避免土壤環(huán)境質(zhì)量進一步惡化。

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風險篩選值，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)測點土壤重金屬的內(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)風險指數(shù)評價結(jié)果來看，尾礦庫周邊農(nóng)用地各重金屬潛在生態(tài)風險程度強弱順序為Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cr，采樣區(qū)域整體處于中等生態(tài)危害。

3.5 對比幾種方法綜合結(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)測點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，應采取適當措施改善土壤環(huán)境質(zhì)量。