額爾齊斯河流域典型尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

施建飛，靳正忠，周智彬*，王鑫

1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/國(guó)家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830054

土壤是人類賴以生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然資源之一，同時(shí)也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分（胡國(guó)成等，2015）。隨著工礦企業(yè)排放及農(nóng)業(yè)面源污染的加劇，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀（中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部等，2014）。就重金屬污染而言，全國(guó)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染超標(biāo)點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%（Zhao et al.，2015），存在重金屬污染的土地面積超過 1.0×107hm2（Qin et al.，2016）。土壤中重金屬具有隱蔽性、持久性、復(fù)合性、富集性等特點(diǎn)，一旦進(jìn)入土壤會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不良、土壤功能退化，并通過食物鏈進(jìn)入人體危害健康（Wu et al.，2016；陳世寶等，2019；周會(huì)程等，2020）。Shahid et al.（2012）在報(bào)道中指出，環(huán)境中的Pb具有高度持久性，可直接或間接地誘導(dǎo)植物的各種形態(tài)、生理和生化功能障礙，如種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)、葉綠素減少；Alvarez et al.（2001）研究發(fā)現(xiàn)土壤中的重金屬濃度會(huì)對(duì)植物分布和植物生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響；Diami et al.（2016）對(duì)礦區(qū)周邊表層土壤中重金屬存在的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的多種重金屬均存在一定的致癌風(fēng)險(xiǎn)。因此，土壤重金屬污染已對(duì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展以及人類生命健康安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

新疆礦產(chǎn)資源豐富，目前發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)地5000余處，銅、鎳、鐵、鋅、鉛等有色金屬的預(yù)測(cè)總量居全國(guó)前列（董連慧等，2016）。礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，但是由于開采方式以及冶煉技術(shù)的不成熟，礦業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾礦往往存在重金屬殘留，并且尾礦大多數(shù)以露天堆存的方式進(jìn)行處置。在這種條件下，尾礦庫(kù)區(qū)中的重金屬極易隨降雨、雪水進(jìn)一步遷移擴(kuò)散，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染（杜立宇等，2008）。陳璐等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，尾礦堆積過程中會(huì)造成下層尾礦中重金屬含量增加，同時(shí)下層尾礦重金屬浸出含量也高于表層；杜立宇等（2008）發(fā)現(xiàn)Cu、Zn等重金屬元素在尾礦剖面中具有很強(qiáng)的遷移性，易對(duì)周邊土壤環(huán)境造成危害；迪娜·吐爾生江等（2018）研究發(fā)現(xiàn)新疆奴拉賽銅礦尾礦庫(kù)區(qū)中各種重金屬元素存在較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，開展尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬富集情況調(diào)查以及重金屬污染評(píng)價(jià)，對(duì)維護(hù)區(qū)域土壤生態(tài)環(huán)境安全、保障人類健康發(fā)展具有重要意義。

以額爾齊斯河流域典型多金屬（Cu、Ni）尾礦庫(kù)為研究對(duì)象，利用波長(zhǎng)色散 X射線熒光（X-ray fluorescence，XRF）光譜法測(cè)定尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn和 As的含量，采用單因子污染指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估對(duì)研究區(qū)重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)及預(yù)警，運(yùn)用相關(guān)性分析和主成分分析厘清土壤中重金屬來源，旨在為尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)、重金屬污染源頭治理以及土壤資源合理利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該尾礦庫(kù)為銅鎳礦尾礦庫(kù)，建于20世紀(jì)90年代，庫(kù)容設(shè)計(jì)級(jí)別為五等庫(kù)，占地面積約1.5×105m2，礦渣廢棄物采用傳統(tǒng)濕排法進(jìn)行處置，排尾量約1000 t·d?1。庫(kù)區(qū)選址位于額爾齊斯河流域東部（圖1），地貌屬于河間剝蝕殘丘區(qū)，地形較為平緩，出露地層主要為第四系，由洪積沙、角礫石、碎石層組成，表層為亞砂土。該地區(qū)夏季炎熱干燥，冬季寒冷，年平均氣溫1.8 ℃，最高溫度38.7 ℃，最低氣溫?51.5 ℃，年平均降水量158.6 mm，年平均蒸發(fā)量1692.5 mm，無霜期110 d，氣候?qū)儆诘湫偷拇箨懶院疁貛Ц珊禋夂?。尾礦庫(kù)周邊土壤pH均值為6.4，呈弱酸性，一年生植物以萹蓄（Polygonum aviculareL.）、刺沙蓬（Salsola ruthenica）、堿蓬（Suaeda glaucaBunge）、白莖鹽生草（Halogeton arachnoideusMoq.）、濱藜（Atriplex patens）為主；多年生植被以多花麻花頭（Klasea centauroides subsp.Polycephala(Iljin) L. Martins）、補(bǔ)血草（Limonium sinense(Girard) Kuntze）、苦馬豆（Sphaerophysa salsula(Pall.) DC.）、美洲沙茅草（Ammophila breviligulataFernald）為主。

圖1 研究區(qū)采樣分布示意圖Figure 1 Schematic diagram of sampling distribution in the study area

1.2 樣品采集與測(cè)定

2021年9月，在銅鎳礦尾礦庫(kù)區(qū)周邊約2 km2范圍內(nèi)采集27個(gè)表層（0—10 cm）土樣，土壤樣品去除植物殘?bào)w和礫石等雜質(zhì)后，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，并放置室內(nèi)自然陰干，研磨，過200目尼龍篩，再利用四分法取20 g過篩土樣放入牛皮紙袋，105 ℃烘干3 h備用。土壤重金屬測(cè)定參照《土壤和沉積物 無機(jī)元素的測(cè)定 波長(zhǎng)色散 X射線熒光光譜法》（中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，2015），稱取5 g烘干土壤樣品于壓片機(jī)（ZHY401/601，北京眾合創(chuàng)業(yè)科技發(fā)展有限責(zé)任公司）上以3×105N的壓力壓制成≥7 mm厚度的硼酸壓片，利用波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀（S8-Tiger，德國(guó)布魯克AXS有限公司）測(cè)定各重金屬元素含量，同時(shí)在測(cè)定過程中使用國(guó)家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSS-25）和重復(fù)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于<5%。

1.3 研究方法

1.3.1 污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是對(duì)單種重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，以土壤中某種重金屬的實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的比值作為評(píng)價(jià)依據(jù)，可以直觀地反映出該區(qū)域某種重金屬的污染程度，計(jì)算公式如下（Hakanson，1980；Bhuiyan et al.，2010）：

式中：

CFi——單因子污染指數(shù)；

Ci——實(shí)測(cè)值；

Si——評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，本文選擇額爾齊斯河流域重金屬元素背景值（王德厚等，1997）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

每種重金屬的污染指數(shù)分為無污染（CF<1）、輕度污染（1≤CF<3）、中度污染（3≤CF<6）和重度污染（6≤CF）。

污染負(fù)荷指數(shù)法是反映重金屬綜合污染程度的一種簡(jiǎn)單方法，通常用于描述單一位點(diǎn)多種重金屬的綜合污染程度，計(jì)算公式如下（Lenka et al.，2017；Chakraborty et al.，2021）：

式中：

PLI——污染負(fù)荷指數(shù)；

n——元素個(gè)數(shù)。

污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：PLI≤1，無污染；1

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

Hakason提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是計(jì)算土壤重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)的有效定量方法（Wu et al.，2016；Hakanson，1980）。該方法綜合考慮了土壤中重金屬的濃度和毒性水平，可評(píng)估一種或多種重金屬的潛在生態(tài)危害程度，被廣泛應(yīng)用于對(duì)沉積物及土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)（Diami et al.，2016；Liu et al.，2021），計(jì)算公式如下（Hakanson，1980）：

式中：

RI——土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，根據(jù)RI值可將土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為輕微（RI<150）、中度（150≤RI<300）、強(qiáng)度（300≤RI<600）、很強(qiáng)（600≤RI）4 個(gè)等級(jí)；

1.3.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是指對(duì)自然資源或生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能出現(xiàn)的衰竭或危機(jī)而建立的報(bào)警，其內(nèi)容涵蓋了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的維護(hù)、防治危機(jī)發(fā)展的過程（王軍等，2007）。本研究土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估采用Rapant et al.（2003）提出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)進(jìn)行表征，公式如下：

式中：

IER——樣品生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)；

IERi——超過臨界限量的第i種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；

CAi——第i種重金屬的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·kg?1）；

CRi——第i種重金屬的臨界限量（mg·kg?1），綜合考慮重金屬空間分布的異質(zhì)性以及國(guó)家土壤質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)，本文選用額爾齊斯河流域重金屬元素的背景值（王德厚等，1997）和國(guó)家土壤環(huán)境Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，2018）作為臨界限量。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)為IER≤0，無警；05，重警。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用ArcGIS 10.8繪制研究區(qū)采樣分布示意圖，土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、主成分分析和其余圖件在R語言中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征

由描述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知（表1），尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別介于 238.7—1260.1、395.4—6523.5、248.3—5424.5、94.8—181.9、3.6—15.6、18.5—99.3、1050.0—2893.0、5.7—35.4mg·kg?1，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為593.8、1358.3、1139.1、120.7、6.9、47.74、1609.0、14.6 mg·kg?1。除 Mn 沒有可比的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值外，尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中的Cr、Ni、Cu和Cd含量平均值分別超出國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2.96、32.96、21.78和22倍。尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中 Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn 和 As的含量平均值分別超出額爾齊斯河流域土壤背景值的 7.53、36.08、31.45、0.68、35.32、1.76、0.76 和0.65倍，說明尾礦庫(kù)周邊土壤中重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn和As都存在不同程度污染，其中重金屬 Ni、Cu和 Cd的污染比較顯著和普遍，而Mn和As的污染程度相對(duì)較低。

表1 尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of heavy metal content in the soil around the tailing reservoir area

變異系數(shù)能夠反映各樣點(diǎn)重金屬含量的平均變異程度，若變異系數(shù)大于50%，說明重金屬含量空間分布不均勻，由外源物質(zhì)進(jìn)入所致（雷國(guó)建等，2013）。研究區(qū)土壤中重金屬Cu、Ni和Pb的變異系數(shù)分別為112.71%、97.17%和52.79%，變異較明顯（麥麥提吐爾遜等，2018），表明部分區(qū)域土壤中重金屬Cu、Ni和Pb的含量受人為因素影響較大。Cd、Cr和As的變異系數(shù)分別為47.83%、45.45%、43.84%屬于中等變異（陳丹丹等，2021），Mn和Zn的變異系數(shù)分別為21.45%、15.66%，變異程度相對(duì)較?。ü鶄サ?，2013），說明重金屬M(fèi)n、Zn污染在空間分布上較為均勻，受外界影響相對(duì)較小。

2.2 尾礦庫(kù)周邊土壤重金屬來源及相關(guān)性分析

對(duì)尾礦庫(kù)周邊土壤中重金屬含量進(jìn)行 Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，多種重金屬元素之間存在相關(guān)性（表2）。其中，Cr和Cd，Cr和Pb，Ni和Cu，Ni和Zn，Cu和Zn，Cu和Pb，Cd和Pb的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P<0.01）；Ni和Pb，Cu和Cd，Zn和Pb，Mn和Cr的相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P<0.05）。由此可以初步判斷，尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中的重金屬元素Cu、Ni和Zn來源可能相同，而Cr、Cd和Pb來源的途徑相似性較大，而Mn和As來源途徑可能相同。

表2 研究區(qū)土壤重金屬元素之間相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of heavy metal elements in soil

為進(jìn)一步了解土壤中重金屬的來源，進(jìn)而對(duì)研究區(qū)重金屬污染進(jìn)行主成分分析。分析結(jié)果表明（表3），前 3個(gè)主成分的特征值均大于 1，累積解釋了總方差的84%，符合分析要求（Boruvka et al.，2005），表明 3個(gè)主成分能夠?qū)λ兄笜?biāo)進(jìn)行充分概括。第一主成分（PC1）的方差貢獻(xiàn)率為 33%，Ni、Cu和Zn在PC1的因子載荷分別達(dá)到0.90、0.89和0.87，說明Ni、Cu和Zn與PC1具有較高的相關(guān)性。第二主成分(PC2)的方差貢獻(xiàn)率為33%，Cr、Cd和Pb在PC2的因子載荷分別為0.93、0.88和0.85，說明Cd、Cr和Pb與PC2具有較高的相關(guān)性。第三主成分（PC3）的方差貢獻(xiàn)率為18%，As和Mn在PC3的因子載荷分別為0.87和0.73，說明As和Mn與PC3具有較高的相關(guān)性。

表3 土壤重金屬元素因子載荷Table 3 Factor matrix of heavy metal elements of soil

2.3 尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

以額爾齊斯河流域土壤背景值作為參比值，按照公式（1）計(jì)算得到尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬在各樣點(diǎn)的單因子污染指數(shù)以及污染負(fù)荷指數(shù)，并根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中 Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn和 As單項(xiàng)污染指數(shù)平均值從大到小依次為：Cd（37.10）、Ni（37.08）、Cu（32.45）、Cr（8.53）、Pb（2.76）、Mn（1.76）、Zn（1.68）、As（1.65）。其中，重金屬元素Cd、Ni、Cu和Cr屬于重度污染，Pb、Mn、Zn和As屬于輕度污染。從各種重金屬元素不同污染級(jí)別樣點(diǎn)數(shù)量與樣點(diǎn)總數(shù)的比值可以發(fā)現(xiàn)（表4），所有樣點(diǎn)中重金屬元素Cd、Ni和Cu的單因子污染指數(shù)屬于重度污染，Zn屬于輕度污染；大部分樣點(diǎn)中重金屬元素Mn、As和Pb的單因子污染指數(shù)屬于輕度污染，Cr屬于重度污染。研究區(qū)所有調(diào)查樣點(diǎn)的重金屬污染負(fù)荷指數(shù)變化范圍介于3.64—11.70之間，平均值為6.34，呈現(xiàn)重度污染。

表4 不同污染級(jí)別樣點(diǎn)數(shù)占比Table 4 Proportion of samples with different pollution levels %

2.4 尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)額爾齊斯河流域土壤背景值計(jì)算不同重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)果表明土壤中 8種重金屬元素的單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由大到小依次為 Cd、Ni、Cu、Cr、As、Pb、Mn 和 Zn。其中，所有樣點(diǎn)中重金屬元素Cd的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均大于320，處于極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；Cr、Zn、Pb、Mn的單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；Cu和Ni的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的比重為33.33%；As的單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的比重為96.30%（表5）。研究區(qū)所有樣點(diǎn)的土壤重金屬綜合潛在生態(tài)指數(shù)均大于 600，表明研究區(qū)域的重金屬污染存在很強(qiáng)的潛在生態(tài)危害。以國(guó)家土壤環(huán)境Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為參比值計(jì)算不同重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)果顯示土壤中7種重金屬元素的單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由大到小依次為Cd、Ni、Cu、Cr、As、Pb和Zn。其中，所有樣點(diǎn)中重金屬元素Cd的單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)均大于 320，處于極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；Cr、Zn、Pb和As的單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于 40，處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；Cu處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的樣點(diǎn)數(shù)均占樣點(diǎn)總數(shù)的33.33%；Ni處于較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的樣點(diǎn)占樣點(diǎn)總數(shù)的 37.03%（表6）。研究區(qū)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)危害等級(jí)比重由低到高分別為強(qiáng)度（18.52%）、很強(qiáng)（81.48%）。

表5 基于流域土壤背景值的不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重Table 5 Proportion of different risk levels based on the background value %

表6 基于國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)的不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重Table 6 Proportion of different risk levels based on national standards %

2.5 尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬污染預(yù)警評(píng)估

基于不同的參比值對(duì)尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估。結(jié)果表明，以額爾齊斯河流域土壤背景值作為參比，研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)的變化范圍介于 41.01—385.61之間，平均值為115.02，按照生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，尾礦庫(kù)周邊土壤所有樣點(diǎn)均屬于重度預(yù)警級(jí)別。在所有樣點(diǎn)中重金屬元素Cd、Ni和Cu均屬于重度預(yù)警級(jí)別。大部分樣點(diǎn)中重金屬元素 Cr屬于重度預(yù)警級(jí)別，占比為66.67%。大部分樣點(diǎn)中重金屬元素Mn、Zn、As和 Pb屬于預(yù)警級(jí)別，占比分別為92.59%、88.89%、59.26%和40.74%（圖2）。按照國(guó)家土壤環(huán)境Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估，研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)的變化范圍介于23.93—296.13之間，平均值為77.98，按照生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，尾礦庫(kù)周邊土壤所有樣點(diǎn)均屬于重度警級(jí)別。所有樣點(diǎn)中的重金屬元素 Ni和Cd屬于重度預(yù)警級(jí)別，而所有樣點(diǎn)中的重金屬元素Zn、Pb和As屬于無警級(jí)別。大部分樣點(diǎn)中重金屬元素Cu屬于重度預(yù)警級(jí)別，重金屬元素Cr屬于輕度預(yù)警級(jí)別（圖2）。

圖2 基于流域土壤背景值（BJ）和國(guó)家土壤環(huán)境Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB）的不同預(yù)警等級(jí)比重Figure 2 Proportion of different warning levels based on BJ and GB

3 討論

土壤中重金屬來源途徑比較廣泛，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)排放、交通運(yùn)輸、大氣沉降和土壤母質(zhì)等（Li et al.，2021；黃小娟等，2014；黃鐘霆等，2021）。在一定區(qū)域內(nèi)，同類型土壤中重金屬元素的來源途徑可以是相同的，也可以是多途徑的（秦魚生等，2013）。根據(jù)元素地球化學(xué)理論，相同來源的重金屬元素之間通常存在較顯著的相關(guān)關(guān)系，因此，通過對(duì)重金屬元素間的統(tǒng)計(jì)分析可以闡釋元素間的同源關(guān)系，為辨析重金屬來源提供依據(jù)（米曉軍等，2019）。

從尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤重金屬含量的主成分分析結(jié)果來看，Ni、Cu和Zn在第一主成分（PC1）上具有較大載荷，貢獻(xiàn)率分別為90%、89%和87%。由相關(guān)性分析結(jié)果可知，重金屬元素Ni和Cu、Ni和Zn、Cu和Zn的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P<0.01），說明這3種元素可能來自于同一污染源。銅鎳礦尾礦庫(kù)采用傳統(tǒng)濕排法堆存，導(dǎo)致尾礦中大量的重金屬殘留伴隨酸性礦山廢水向周圍擴(kuò)散，造成庫(kù)區(qū)周邊土壤中重金屬元素Cu、Ni和Zn的復(fù)合污染。趙仁鑫等（2012）在內(nèi)蒙古白乃廟銅礦區(qū)土壤重金屬污染特征分析中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域存在Cu、Ni和Zn復(fù)合污染，與本研究結(jié)果相似。另外，杜立宇等（2008）在研究中也發(fā)現(xiàn)重金屬元素 Zn在銅尾礦庫(kù)區(qū)存在一定的富集。因此，可以推斷研究區(qū)土壤中重金屬元素Cu、Ni和Zn的主要來源是銅鎳礦尾礦庫(kù)。因此，可以推斷重金屬元素Cu、Ni和Zn可能存在伴生關(guān)系，研究區(qū)土壤中重金屬元素Cu、Ni和Zn的主要來源是銅鎳礦尾礦庫(kù)。

Cr、Cd和Pb在第二主成分（PC2）上具有較高載荷，分別為0.93、0.88和0.85，與相關(guān)性分析結(jié)果相一致，因此重金屬元素Cr、Cd和Pb具有同源性，且變異系數(shù)較高，受人為影響程度較大。在相關(guān)性分析中重金屬元素 Pb與 Cu的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平（P<0.01），因此PC2在一定程度上也受到尾礦庫(kù)的影響。王冠等（2021）發(fā)現(xiàn)金川銅鎳礦區(qū)周邊表土中存在的重金屬元素 Cr、Pb污染，與本研究結(jié)果相似。另外，有研究表明 Pb主要來源于汽車尾氣排放，Cd與工業(yè)活動(dòng)相關(guān)（Rasmussen et al.，2001；王海東等，2010）。尾礦庫(kù)在國(guó)道（G216）和省道（S11）附近，距離金屬礦生產(chǎn)區(qū)1 km左右，由此可以推斷，土壤中重金屬元素Cd、Cr和Pb的富集可能與交通運(yùn)輸以及礦業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)。

重金屬元素As和Mn分別在第三主成分（PC3）上具有較高載荷，2種重金屬元素含量的平均值與地區(qū)額爾齊斯河流域土壤背景值相差不大，且變異系數(shù)相對(duì)較低，受人為影響程度較小。相關(guān)研究認(rèn)為（Li et al.，2001；Boruvka et al.，2005），Mn 是成土母質(zhì)的重要物質(zhì)，因而成土母質(zhì)對(duì)土壤中 Mn含量起主要控制作用。因此，可以推斷尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中的重金屬元素As和Mn在一定程度上受到成土母質(zhì)的控制。

土壤重金屬源解析是土壤重金屬污染防控的基礎(chǔ)，厘清土壤重金屬污染物來源，對(duì)開展有針對(duì)性的環(huán)境治理具有重要意義（陳雅麗等，2019），但是土壤重金屬來源廣、空間異質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致其來源解析較為困難（秦旭芝等，2021）。因此，在今后的研究工作中，應(yīng)綜合運(yùn)用多種分析方法或模型進(jìn)行對(duì)比研究，以提高重金屬來源解析結(jié)果的可靠性，為重金屬污染有效防治提供有效的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤中 Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn和As的含量平均值分別超出額爾齊斯河流域土壤背景值的7.91、36.08、31.45、0.68、35.32、1.76、0.76和0.65倍，表明尾礦堆存對(duì)周邊土壤生態(tài)環(huán)境造成了一定危害。

（2）研究區(qū)各重金屬元素之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。土壤中重金屬元素Ni、Cu和Zn主要來自于銅鎳礦尾礦庫(kù)；Cr、Cd和 Pb主要源于交通運(yùn)輸以及礦業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)；As和Mn主要受土壤地球化學(xué)作用的控制。

（3）以額爾齊斯河流域土壤重金屬含量作為參比值，研究區(qū)存在土壤重金屬污染現(xiàn)象，表明尾礦露天堆放對(duì)周邊土壤生態(tài)環(huán)境存在負(fù)面影響。單項(xiàng)污染指數(shù)（CF）表明土壤中重金屬元素Cd、Cr、Ni和Cu為重度污染等級(jí)；Pb、Mn、Zn和As為輕度污染等級(jí)。研究區(qū)土壤綜合污染指數(shù)（PLI）呈現(xiàn)重度污染。

（4）基于額爾齊斯河流域土壤重金屬含量和國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，尾礦庫(kù)區(qū)周邊土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IER）的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)重金屬潛在危害程度等級(jí)處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警水平處于重度預(yù)警。