安徽銅陵銅尾礦土壤污染評價及綜合利用研究

李瑞娟，周冰

（1. 西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，陜西 西安 710077；2.青海省地質(zhì)礦產(chǎn)測試應(yīng)用中心，青海 西寧 810000）

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采，對當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞，其中以土壤重金屬污染現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。目前，國內(nèi)針對礦區(qū)土壤金屬污染評價的方法日趨成熟，包括內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法等[1]，但對于土壤污染的來源及分布研究并不全面，因此在運用以上方法進(jìn)行金屬污染評價的基礎(chǔ)上，對污染元素的來源及空間分布特征進(jìn)行研究，對查明重度污染區(qū)域及今后的污染防治具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

安徽省某金屬尾礦庫位于銅陵市東北部，三面環(huán)山，北有小峰山，南有烏木山，東北壩下有鐘團村。該尾礦庫主要包括銅陵銅尾礦、楊山?jīng)_尾礦、銅官山尾礦和金口嶺尾礦，設(shè)計總庫容約為540萬m3，目前尾砂堆存約670 m3，占地面積約44萬m2。其中銅陵銅尾礦廢棄地是一處存在重金屬Cu毒害的原生裸地，含有大量金屬硫化物和有毒物質(zhì)，不僅對周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重污染與破壞，還通過食物鏈對人體健康造成危害。

目前該尾礦廢棄地下游仍住有居民約260戶，農(nóng)田約70 km2，且布置有公路和鐵路設(shè)施。由于該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季多雨，年平均降水量約1400 mm，尾礦重金屬元素易通過降雨排水和地表徑流等方式?jīng)_刷至下游[2]，對下游居民安全及交通設(shè)施造成危害。故本文針對銅陵銅尾礦廢棄地及周邊55 km2范圍內(nèi)土壤進(jìn)行金屬污染評價及綜合利用研究，具有一定的現(xiàn)實意義，也為其他類似礦區(qū)提供參考價值。

2 樣品采集與測試方法

2.1 樣品采集

為查明土地質(zhì)量現(xiàn)狀，了解土壤污染狀況，采集研究區(qū)0～20 cm表層樣品。表層土壤樣點均勻布置，布設(shè)密度采用20個點/km2，根據(jù)實際情況，共采集表層土壤樣品754個，其采樣具體方法如下：

（1）樣品采集時，刮去地表植物凋落物，以刻槽方式采集地表至20 cm深處的土柱，并去除雜草、礫石、肥料團塊等雜物[3]。

（2）在每處采樣時，要在周圍10 m范圍內(nèi)至少采集3處以上土壤樣品組合成一件樣品，采樣點坐標(biāo)記錄中間采樣點GPS顯示的坐標(biāo)。

（3）所采集的樣品原始重量應(yīng)不低于2000 g，以保證自然干燥過篩后，截取的粒級樣品（＜0.8 mm）重達(dá)1000 g[4]。

（4）采樣用的布袋要經(jīng)過洗滌，比較濕的和污染較重的樣品要用塑料口袋裝好隔離，避免與其他樣品相互污染。

2.2 樣品測試

為了充分考察土壤污染情況，查明土壤中污染元素的含量及分布特征，故對土壤樣品中污染元素進(jìn)行測試分析，包括砷、鎘、鉻、鉛、汞、鎳、銅和鋅共計8項，其測試方法及儀器見表1。

表1 測試方法及儀器統(tǒng)計Table 1 Test methods and instrument statistics

2.3 金屬污染評價方法

土壤中存在的重金屬污染大多表現(xiàn)為綜合污染，故應(yīng)在傳統(tǒng)單因子指數(shù)法的基礎(chǔ)上將同個樣品中不同污染物的污染指數(shù)和同個污染物中不同樣品的污染指數(shù)兩者進(jìn)行綜合，從而達(dá)到對單個污染物或采樣點綜合評價[5]。其中，內(nèi)梅羅指數(shù)法是國內(nèi)對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合污染指數(shù)評價普遍方法之一，它能夠全面考慮不同重金屬元素對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，綜合反映出不同污染物對土壤環(huán)境的不同作用[6]。其計算公式如下：

式中：PN-土壤綜合污染指數(shù)；Ci?Si -土壤中第i種污染物的單項污染指數(shù)；(Ci?Si )max-土壤污染物中的最大單項污染指數(shù)；(Ci?Si )ave-土壤中各類污染物的單項污染指數(shù)的平均值。

根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可將土壤劃分為5個等級。

2.4 金屬元素空間分布研究方法

隨著GIS 技術(shù)的不斷發(fā)展，可運用地理信息系統(tǒng)軟件Arc GIS 10.2分析土壤中金屬的空間分布狀況[7]。其中影響該軟件對土壤中金屬元素空間分布預(yù)測精度的因素包括采樣點的數(shù)量，布點的空間結(jié)構(gòu)和空間插值方法。

本次研究共采集樣點數(shù)量754個，滿足實際需求；布點方法可基于GIS 技術(shù)準(zhǔn)確快速地直觀表達(dá)，同時將土壤屬性數(shù)據(jù)與樣點空間數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，從而建立樣點數(shù)據(jù)庫便于數(shù)據(jù)保存與實時更新；空間插值方法選用普通克里金插值法對研究區(qū)土壤中金屬含量進(jìn)行內(nèi)插，把已知數(shù)據(jù)點之間的未知區(qū)域部分通過插值來進(jìn)行估算并賦值，通過這些離散點的特征數(shù)據(jù)得出連續(xù)的空間數(shù)據(jù)集，然后按不同濃度值重新分類后分級著色得出各金屬元素的空間分布狀況圖，從而對研究區(qū)土壤的重金屬含量和污染狀況全面把握。

3 土壤污染評價

目前，銅陵銅尾礦土地貧瘠，土壤養(yǎng)分匱乏，富含重金屬，遺留大片廢地，僅在邊緣區(qū)域存在少數(shù)植物存活，而中央?yún)^(qū)域幾乎無植物生長。

3.1 土壤測試指標(biāo)分析

根據(jù)樣品測試結(jié)果，運用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對上述754個土壤樣品的測試指標(biāo)進(jìn)行描述性分析，分別統(tǒng)計其極小值、極大值、中位數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，并參考全國土壤污染狀況調(diào)查中當(dāng)?shù)乇尘爸礫8]，見表3。

由表3可得，研究區(qū)土壤中Hg元素變異系數(shù)最大，高達(dá)233%，具有較強的變異性，而其他金屬元素的變異系數(shù)較低，均在[0,1]范圍，具有中等變異性，這說明人為活動對礦區(qū)內(nèi)土壤化學(xué)組成成分影響有限。同時根據(jù)各金屬元素的平均含量與當(dāng)?shù)乇尘爸祵Ρ瓤傻?，目前研究區(qū)內(nèi)Pb、Cu、Zn和Hg四種元素已經(jīng)在土壤中開始累積。

3.2 內(nèi)梅羅污染評價

運用內(nèi)梅羅指數(shù)法對研究區(qū)754 個土壤樣品中的砷、鎘、鉻、鉛、汞、鎳、銅和鋅八種金屬元素含量計算其單項污染指數(shù)，以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2018)中pH≤6.5 的二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)，按公式（1）計算樣品中污染因子的污染指數(shù)，其評價結(jié)果見表4。并根據(jù)表2對樣品劃分污染等級程度，其結(jié)果見表5。

表2 土壤質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard table of soil quality classification

表4 污染評價結(jié)果Table 4 Pollution evaluation results

表5 污染等級結(jié)果Table 5 Pollution level results

由表4可得，研究區(qū)土壤中Hg和Cu元素的超標(biāo)現(xiàn)象最嚴(yán)重，各采樣點中Hg和Cu的綜合污染指數(shù)分別為3.822和3.641，達(dá)到重度污染；其次是 Cd，其綜合污染指數(shù)為 1.376，構(gòu)成輕度污染；Ni和Zn兩種元素除部分存在輕微污染外，其綜合污染指數(shù)表明研究區(qū)總體上并未受到污染；As、Cr和Pb三種元素均處于安全水平，沒有造成污染。結(jié)合綜合污染指數(shù)可得，研究區(qū)土壤采集樣品中19.8%的采樣點已達(dá)到重度污染，這將嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)丨h(huán)境安全。根據(jù)樣點分布及現(xiàn)場勘查推測重度污染區(qū)域主要分布在采區(qū)和尾礦廢棄地附近。

3.3 空間分布研究

利用Arc GIS 10.2中的 Geostatistical Analysis 地統(tǒng)計分析模塊，采用普通克里金（Kriging）插值法繪制研究區(qū)污染元素在空間上的分布狀況，見圖1。

圖1 污染元素分布Fig. 1 Distribution of pollution elements

圖1展示了研究區(qū)內(nèi)土壤8種污染元素含量的空間分布。由圖1可知，砷、汞、銅、鉻和鋅元素具有相似的空間分布特征，呈現(xiàn)以采區(qū)為中心向四周遞減的趨勢，元素含量較高的區(qū)域集中分布在采區(qū)和尾渣堆積地，其他區(qū)域含量隨距采區(qū)距離的增大而遞減。其中，研究區(qū)中含量較高的污染元素為銅元素，最大值為198.670 mg/kg，最小值為13.258 mg/kg，遠(yuǎn)大于其他污染元素的含量，并通過圖中空間分布可得銅元素集中分布于采區(qū)和尾礦廢棄地，而其他區(qū)域含量幾乎為0，分析其原因可能和礦區(qū)不充分開采有關(guān)，造成大量銅元素殘留，另外尾礦廢棄地自身金屬元素含量偏高，并伴隨著降雨、刮風(fēng)和人為活動等因素不斷向周圍遷移。

3.4 污染元素綜合利用

根據(jù)上述研究區(qū)目前存在元素Pb、Cu、Zn和Hg累積，借鑒曹紅梅對香根草的研究[9]，在重度污染區(qū)域隨機選擇10個樣點處種植香根草以期研究香根草對重金屬的富集吸收及轉(zhuǎn)運能力。根據(jù)表1中測試方法及儀器分別測試土壤樣品、香根草根部、莖部內(nèi)Pb、Cu、Zn和Hg四種金屬元素的含量，取其平均值統(tǒng)計結(jié)果可見表6。

表6 香根草富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)統(tǒng)計Table 6 Statistics of the enrichment coefficient and transport coefficient of vetiver

富集系數(shù)BCF[10]是評價植物對于重金屬富集能力的重要指標(biāo)，轉(zhuǎn)運系數(shù)TCF[11]是體現(xiàn)植物將重金屬離子由根部運輸至地上部的主要指標(biāo)。由表6可知，香根草對Pb、Cu、Zn和Hg四種元素中，僅有Cu的富集系數(shù)大于1，其他均小于1，說明香根草根系對Cu的富集能力很強，可以作為研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)的備用植物，但其轉(zhuǎn)運系數(shù)較低，如何在不破壞根系的前提下有效利用香根草將Cu轉(zhuǎn)移出土壤進(jìn)一步利用仍待研究。

4 結(jié) 論

（1）通過測試指標(biāo)分析和內(nèi)梅羅污染評價可得，目前研究區(qū)土壤中累積污染元素主要為Pb、Cu、Zn和Hg，其中尤以Hg和Cu金屬污染最為嚴(yán)重，其綜合污染指數(shù)分別達(dá)3.822和3.641，且19.8%的采樣點已達(dá)到重度污染程度。

（2）通過Arc GIS及普通克里金插值法，得出As、Hg、Cr和Zn元素具有相似的空間分布特征：以采區(qū)為中心向四周遞減。其中含量較高的污染元素為Cu，集中分布于采區(qū)和尾礦廢棄地，并未遷移至下游居民區(qū)。這與現(xiàn)場勘查重度污染樣點分布地點一致，說明了引入Arc GIS 對污染元素空間分布狀況研究的可行性，為后續(xù)綜合治理做下了鋪墊。

（3）針對研究區(qū)土壤銅污染問題，可選擇香根草作為生態(tài)恢復(fù)植物。香根草對Cu的富集系數(shù)為1.31，具有很強的富集能力，可有效降低土壤中Cu元素的含量，但其轉(zhuǎn)運系數(shù)較低，如何在不破壞根系的前提下有效利用香根草將Cu轉(zhuǎn)移出土壤進(jìn)一步利用仍待研究。