云南会泽某铅锌冶炼厂周边土壤重金属污染特征与评价
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摘要：
有色金属矿产资源采选冶炼活动所造成的土壤重金属污染已成为严重的环境问题。试验通过对会泽某铅锌冶炼厂周边不同距离区域土壤中重金属Pb、Zn、Cd 元素进行分析测定，并采用内梅罗污染指数法和潜在生态风险指数法对其污染状况进行评价。结果表明：（1）周边土壤重金属元素Pb、Zn、Cd含量平均为1 161.07、2 374.31 mg/kg和20.28 mg/kg，分别是当地土壤背景值的30.26、31.78倍和34.96倍，（2）周边土壤重金属元素Pb、Zn和Cd单因子污染指数分别为2.32、4.75和20.28，分别达中污染、重污染和重污染级别；综合污染指数平均为15.75，达到重污染级别。（3）周边土壤重金属Pb、Zn、Cd生态风险系数分别为151.3、31.8和1 049.1，污染等级分别达到了强度、轻度和极度；生态风险指数RI平均为1 232.2，污染等级为极度。
关键词：土壤；重金属；污染；评价
中图分类号：S151.9+3 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2017）04-0072-06
Characteristics and Evaluation of Heavy Metal Pollution in Soil
Surrounding a Lead and Zinc Smelter in Huize of Yunnan Province
Yang Muqing， Kang Hongyu， Liu Yuan， Lin Jian， Kang Rifeng， Zhang Naiming
（Yunnan Agricultural University/Yunnan Soil Fertilizer and Pollution Repair
Engineering Laboratory， Kunming 650201， China）
Abstract Soil heavy metal pollution caused by exploitation of nonferrous metalmine has become a severe environment problem. Pb， Zn and Cd in soil surrounding a lead and zinc smelter in Huize were measured and analyzed statistically， and the pollution status was evaluated through applying Nemerow multi-factor index method and potential ecological risk index method. The results were as follows. （1） The average contents of Pb， Zn and Cd were 1 161.07， 2 374.31 and 20.28 mg/kg respectively， which were 30.26， 31.78 and 34.96 times of the background value in the local soil. （2） The single pollution indexes of Pb， Zn and Cd were 2.32， 4.75 and 20.28 respectively， so the fist one reached the level of common pollution and the other two reached the level of heavy pollution. The average comprehensive pollution index was 15.75， which reached the level of heavy pollution. （3） The ecological risk coefficients were 151.3， 31.8 and 1 049.1 respectively， and the pollution levels were intense， slight and extreme. The average ecological risk index was 1 232.2 with the extreme level of pollution.
Keywords Soil； Heavy metals； Pollution； Evaluation
全土壤污染调查公报显示，我国土壤环境污染形势十分严峻，土壤总超标率为16.1%，其中，重金属污染尤为突出，土壤重金属污染已成为不容忽视的环境问题。
云南是著名的有色金属王国，有色金属冶炼过程中，一部分重金属元素随冶炼废水释放，对土壤、地表水、地下水等造成严重污染，导致周边生态环境被严重破坏[1]；另一部分重金属元素则以气态或烟尘等形式排放到大气中，特别是亚微米颗粒中携带了大量的重金属，通过大气沉降、降雨等过程进入土壤[2]。云南省东北部会泽县拥有我国重要的铅锌矿产资源，矿产规模大、品位高、伴生有用元素多，历史上由于生产力落后，长期以来都采用土法冶炼，冶炼过程中，重金属元素释放到大气或残留于矿渣中[3，4]，已造成了大面积严重的重金属污染[5]。因此，了解区域内土壤重金属污染情况及潜在生态风险，有利于更好地提出修复治理方案。
本研究在野外调查和室内试验分析的基础上，对云南会泽某铅锌冶炼厂周边不同距离土壤重金属的含量进行分析测试，并评估土壤重金属潜在生态风险，旨在为不同污染状况土壤治理修复及防控措施提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
会泽县位于云南省东北部，地处东经103°03′～103°55′、北纬25°48′～27°04′之间，平均海拔2 200 m以上，主要土壤类型有红壤、棕壤、燥红土等，气候睾停 降雨充沛，年平均气温12.7℃，年均降雨量858.4 mm， 年均相对湿度79%，干湿分明，属典型的温带高原季风气候，地势西高东低，南起北伏，由西向东呈阶梯状递减，又具有独特的高原季风气候和丰富的立体气候特点，当地主要农作物为玉米和马铃薯，主要经济作物为蔬菜和水果。
1.2 样品采集
因当地主导风向为西南风，故在铅锌冶炼厂东北及偏东方向不同距离（分别距铅锌冶炼厂200、1 000、3 000 m处）的H、L、M三区域，采用S形进行土壤样品采集，每个区域取8个，共计24个样品，在每个采样点按照0～20 cm深度进行多点采集土样，每处采样点充分混合按照四分法保留1 kg，装于自封袋运回实验室处理。采样点说明见图1。
1.3 样品的处理与分析
土壤样品先置于室内自然风干，除去杂物，取100 g土样过2 mm的尼龙筛后研磨，再过100目筛，装于自封袋中备用。土壤重金属Pb、Zn、Cd全量的测定采用王水-高氯酸消解[6]，原子吸收分光光度法测定。
1.4 土壤重金属污染评价
为准确了解研究区域内重金属的污染状况，本研究评价方法采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法。
1.4.1 单因子指数法和内梅罗综合污染指数法[7]
单因子指数评价法计算公式为：
式中：Pi为i污染物的污染指数；Ci为i污染物的实际测量值；Si为i污染物的评价标准。
式中：P为内梅罗综合指数；Piave为所有污染物单因子指数平均值；Pimax为所有污染物单因子指数最大值。根据单因子指数法， 可将土壤划分为4个等级；根据内梅罗综合污染指数，可将土壤划分为5个等级（见表1）。
重金属污染评价标准参照国家环保局的《国家土壤环境质量标准》（GB 15618―1995）[8]进行评价。因冶炼厂周边土壤重金属污染严重，所以采用土壤环境三级标准进行评价（土壤环境质量三级标准 Cd≤1 mg/kg、Pb≤500 mg/kg、Zn≤500 mg/kg）。
1.4.2 潜在生态风险指数法[9] 该方法在反映某一特定环境中各种污染物影响的同时，也反映了多重污染物的综合影响，并以定量的方法划分出潜在危害程度[10]，对于控制污染极其重要。
1.5 数据分析
本研究数据及图表采用Microsoft Excel 2007 和 SPSS 17.0 统计软件进行制作及分析。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量统计特征分析
由表3可知，就总体而言，铅锌冶炼厂周边重金属元素Pb、Zn、Cd含量随着距冶炼厂距离增加而呈现线性降低趋势，当距离为3 000 m时，土壤中Pb、Zn、Cd的平均含量分别为306.06、498.56、6.92 mg/kg，且在不同区域元素分布特征各不相同，3种元素含量都不同程度地超过了当地土壤环境背景值（Pb 38.37 mg/kg、Zn 74.71 mg/kg、Cd 0.58 mg/kg），具体表现为以下三方面：
H区域土壤中Pb含量为404.40～3 241.00 mg/kg，平均值为1 932.05 mg/kg；Zn含量为1 469.00～7 323.00 mg/kg，平均值为4 660.00mg/kg；Cd含量8.18～52.61 mg/kg，平均值32.17 mg/kg。变异系数的差异反映了研究区域土壤中3种重金属元素含量变化程度的大小，其从大到小依次为Cd>Zn>Pb。土壤中Pb、Zn、Cd含量全部超过了当地土壤背景值，分别为当地土壤背景值的50.35、62.37倍和55.46倍，这主要由于该区域距离冶炼厂近，污染物辐射强度大。
M区域土壤中Pb含量为576.60～2 437.00mg/kg，平均值为1 245.11 mg/kg；Zn含量为 1 087.00～2 300.00 mg/kg，平均值为1 964.37 mg/kg；Cd含量为15.82～32.51 mg/kg，平均值21.74 mg/kg。该研究区域土壤中3种重金属变异系数从大到小依次为Pb>Cd>Zn。土壤中Pb、Zn、Cd含量全部超过了当地土壤背景值，分别为当地土壤背景值的32.45、26.29倍和37.48倍。M区域内土壤重金属含量较H区域有了明显减少，说明冶炼厂周边土壤重金属污染主要来自冶炼厂，且污染程度随距冶炼厂距离的增加而减少。
L区域土壤中Pb含量为191.60～385.40 mg/kg，平均值为306.06 mg/kg；Zn含量266.70～838.00 mg/kg，平均值为498.56 mg/kg；Cd含量1.00～10.72 mg/kg，平均值为6.92 mg/kg。该研究区域土壤中3种重金属变异系数从大到小依次为Cd>Zn>Pb。土壤中Pb、Zn、Cd含量全部超过了当地土壤背景值，分别为当地土壤背景值的7.99、1.31倍和11.93倍。该区域较H区域和M区域3种重金属元素含量大为减少，主要是距离冶炼厂最远，同时该区域为农田，主要种植玉米，可能由于作物吸附了较多的重金属，导致土壤中重金属含量相对减少。
2.2 冶炼厂周边土壤重金属污染程度
内梅罗指数法可以全面反映各重金属对土壤的不同作用，突出高浓度重金属对环境质量的影响，以避免由于平均作用削弱污染金属权值现象的发生[12]。
按照评价标准以及评价方法计算铅锌冶炼厂周边不同区域重金属单因子污染指数和综合污染指数（表4）。由单因子污染指数可以看出，就总体而言，研究区采样点土壤中Zn和Cd单因子污染指数都超过3，处于重污染等级；Pb单因子污染指数在2～3之间，处于中污染级别。就单区域评价而言，H区域中Pb、Zn、Cd的单因子污染指数分别为3.86、9.32、32.17，属于重污染等级；M区域中Zn、Cd元素单因子污染指数分别为3.93和21.74，属于重污染等级，而Pb元素单因子污染指数则为2.49，属于中污染等级；L区域中Pb、Zn、Cd的平均单因子污染指数分别为0.61、1.00和6.93，污染等级分别为清洁、轻污染和重污染。
从综合污染指数来看，铅锌冶炼厂周边土壤综合污染指数均超过了3，属于重污染等级，说明冶炼厂周边农田土壤已受到严重污染。
2.3 冶炼厂周边土壤潜在生态风险
2.3.1 参数的确定 为了更好地反映该矿区土壤重金属的污染情况，本研究选取会泽县土壤3种金属元素背景值为参比值，同时参照文献[13]设定了3种重金属生物毒性响应系数，见表5。
2.3.2 评价结果 经计算，铅锌冶炼厂周边土壤重金属元素的潜在生态风险系数Eir和潜在生态风险指数RI如表6所示。
从单因子生态风险系数可知，H区域3种重金属平均潜在生态风险系数的顺序为Cd>Pb>Zn，其中Pb平均潜在生态风险系数为251.8，达到很强生态风险程度，Zn平均潜在生态风险系数为62.4，生态风险程度为中度，Cd平均潜在生态风险系数为1 664.2，达到极度生态风险程度。H区域土壤重金属潜在风险指数在734.1～3 231.6之间，平均值为1 978.3。各采样点区域均达到了极度生态风险水平，而导致土壤重金属污染的主要污染因素是Pb和Cd，其中Pb潜在生态风险指数贡献比率达4.35%～39.37%，Cd潜在生态风险指数贡献比率_57.64%～90.47%。
从单因子生态风险系数可知，M区域3种重金属平均潜在生态风险系数的顺序为Cd>Pb>Zn，其中Pb平均潜在生态风险系数为162.3，达到很强生态风险程度，Zn平均潜在生态风险系数为6.7，生态风险程度为轻度，Cd平均潜在生态风险系数为1 124.7，达到极度生态风险程度。M区域土壤重金属潜在风险指数在996.6～1 811.1之间，平均值为1 313.2。各采样点区域均达到了极度生态风险水平，而导致土壤重金属污染的主要污染因素是Pb和Cd，其中Pb潜在生态风险指数贡献比率达5.48%～20.54%，Cd潜在生态风险指数贡献比率达77.72%～92.85%。
从单因子生态风险系数可知，L区域3种重金属平均风险系数的顺序为Cd>Pb>Zn，其中Cd平均潜在生态风险系数为358.3，达到极度生态风险程度，Pb和Zn的平均潜在生态风险系数分别为39.9和6.7，生态风险程度为轻度。L区域土壤重金属潜在风险指数在90.1～613.7之间，平均值为404.9。有62.5%采样点区域达到了极度生态风险水平，25.0%采样点位达到了很强生态风险水平，而导致土壤重金属污染的主要因素是Cd，Cd潜在生态风险指数贡献比率达57.39%～91.33%。
3 讨论
本研究区域中，土壤重金属变异系数均较低且均匀，说明3种重金属空间差异均不大，且受外界状况影响可能一致，一定程度上反映了Pb、Zn、Cd这3种重金属元素在该区域的来源可能具有同源性，也表明该区域土壤主要受到铅锌冶炼活动的影响。与此同时，变异系数较低也一定程度上说明本试验所布设的24个采样点的土壤重金属含量基本能反映出研究区土壤重金属的整体状况，这与陆泗进等[3]在会泽某铅锌厂周边农田重金属研究相符。
土壤中3种重金属含量随着距离增加而明显降低，矿产冶炼过程中长期排放含有重金属的烟尘，在冶炼厂周边环境中沉降，其沉降量与距离冶炼厂的距离密切相关，在冶炼厂周边环境的农田表层土壤，通常富集了高浓度的重金属，冶炼厂烟气粉尘的沉降是周边土壤重金属污染的主要来源之一。刘勇等[2]通过对关中西部某铅锌厂周边农田为研究对象发现，以铅锌冶炼厂为主中心，Pb和Zn浓度值在两个相反的方向上逐渐降低。胡雪菲等[14]对徽县铅锌冶炼区土壤中重金属研究表明，Pb含量随距离增大而逐渐减小，说明该地区冶炼活动造成Pb的污染状况与污染源距离密切相关。袁艺宁等[1]在湖南某铅锌冶炼厂土壤调查结果表明，渣堆场下，距渣堆场10 m处及1 000 m处表层土壤中重金属Pb的质量分数分别可达775.25、645.33 mg/kg和309.80 mg/kg。研究区由于长期铅锌冶炼活动，导致周边土壤受到不同程度的重金属污染。研究区域内重金属元素的污染程度表现为Cd>Pb>Zn，这也与李敬伟等[15]的研究结果基本一致。
采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险评价法对铅锌冶炼厂周边土壤污染程度进行评价，就总体而言，周边土壤重金属综合污染程度都达到了重污染或极度污染水平，就单因子而言，采用单因子污染指数评价结果表明，冶炼厂周边Zn和Cd元素单因子污染指数都为重污染级别，而Pb元素单因子污染指数级别为中污染；而采用潜在生态风险指数进行评价，单因子生态风险系数中Pb、Zn、Cd污染等级分别为强度、轻度和极度。总体而言，两种方法得出的结论大致相同，但单项指标评价又有差异，可能是潜在生态风险指数法引入了毒性响应系数，将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来[16]。而内梅罗指数法则突出了高浓度重金属对环境质量的影响[12]，因此造成区域内Pb和Zn的污染差异性。
4 结论
冶炼厂周边土壤重金属含量随着距冶炼厂距离的增加而显著减少。就整体而言，周边土壤重金属元素Pb、Zn、Cd含量平均为1 161.07、2 374.31 mg/kg和20.28 mg/kg，分别是当地土壤背景值的30.26、31.78倍和34.96倍，且平均含量由高到低依次为Zn>Pb>Cd。
内梅罗指数法评价结果表明，冶炼厂周边土壤重金属元素Zn和Cd单因子污染指数分别为4.75和20.28，级别达到重污染，Pb单因子污染指数为2.32，级别达到中污染；重金属污染指数由高到低依次为Cd>Zn>Pb；综合污染指数平均为15.75，达到重污染级别。
潜在生态风险评价结果表明，冶炼厂周边土壤重金属Pb、Zn、Cd生态风险系数分别为151.3、31.8和1 049.1，污染等级分别达到了强度、轻度和极度；重金属污染指数由高到低依次为Cd>Pb>Zn；研究区生态风险指数平均为1 232.2，污染等级为极度。
参 考 文 献：
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