铜绿山矿区农业土壤重金属污染及生态风险评价

方月梅 张晓玲 刘娟 何明礼

摘要 [目的]掌握铜绿山矿区农业土壤中重金屬含量、污染程度及分布特征。[方法]对矿区周边农业土壤重金属进行实地采样，并对Cu、Pb、Cd、Zn含量进行分析。采用地累积指数法及潜在生态风险指数法，评价土壤中的重金属污染程度和风险。[结果]矿区农业土壤受到重金属不同程度的污染，重金属的污染程度从大到小依次为Cu、Zn、Pb、Cd；重金属区域污染差异较大，局部区域污染严重；矿区农业土壤中Cu、Pb、Zn和Cd 4种重金属综合的潜在危害程度均为“轻微”，Cu是潜在生态危害最大的因子。重金属潜在危害程度从大到小依次为Cu、Pb、Zn、Cd；Pb和Zn有很大相关性，说明Pb和Zn可能属于同源污染物。[结论]该研究可为矿区农业用地重金属污染防治提供科学依据。

关键词 农业土壤；重金属；生态风险评价

Heavy Metal Pollution and Ecological Risk Assessment of Agricultural Soil in Tonglüshan Mine

FANG Yue-mei1，2， Zhang Xiao-ling1， Liu Juan1 et al

（1. College of Environmental Science and Engineering， Hubei Polytechnic University， Huangshi， Hubei 435003；2. Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation， Huangshi， Hubei 435003）

Abstract [Objective]To master the content， pollution degree and distribution characteristics of heavy metals in the agricultural soils in Tonglüshan mining area. [Method]Field sampling of heavy metals in the agricultural soil around the mining area was carried out， and the contents of Cu， Pb， Cd and Zn were analyzed. The degree and risk of heavy metal pollution in soil were evaluated by land accumulation index method and potential ecological risk index method. [Result]The agricultural soils in the mining area were polluted by heavy metals in varying degrees. The pollution degree of heavy metals ranged from large to small， followed by Cu， Zn， Pb and Cd. Regional pollution of heavy metals was different， pollution in local areas was serious. The potential damage degree of Cu， Pb， Zn and Cd in the agricultural soil of the mining area was all slight， and Cu was the most potential ecological hazard factor. The potential damage degree of heavy metals ranged from large to small， followed by Cu， Pb， Zn and Cd. Pb and Zn had a great correlation， indicating that Pb and Zn might belong to homologous pollutants. [Conclusion]The study can provide scientific basis for the prevention and control of heavy metal pollution in agricultural land.

Key words Agricultural soil；Heavy metal；Ecological risk assessment

随着工业发展、废弃物排放及农业化肥施用量的增加，土壤重金属污染已经成为一个世界性环境问题。土壤中的重金属具有残留时间长、隐蔽性强、毒性大等特点，并且可经作物吸收后进入食物链，或通过某些迁移进入地下水和大气，从而威胁人类的健康和其他动物的繁衍生息。因此成为研究的热点[1-9]。铜绿山矿区是大冶市典型的铜铁矿区，经过多年的开采和冶炼，矿区周边土壤的重金属污染严重，已威胁到矿区周边区域的生态安全[10-12]。笔者以铜绿山矿区周边的菜地、橘园和林地等农业土壤为研究对象，测定各采样点的Cu、Pb、Cr、Zn 4种重金属的含量，分析矿区农业土壤中重金属的分布特征，并采用地累积指数法及潜在生态风险指数法对土壤中的重金属污染程度进行评估，以期为矿区农业用地重金属污染防治，合理布局矿区农业等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2016年3月在铜绿山矿区周边菜地、橘园及林地进行采样，共采集13个土壤样品。

菜地样品采深为0～20 cm，橘园及林地采深为0～60 cm，用铲采集土样装入聚乙烯保鲜（密封）袋内，同时去除动植物残体及砾石，采集后尽快放置于阴凉、清洁的房间内阴干。经自然风干后，研磨并过100目尼龙筛，过筛样品用聚乙烯密封袋保存，备用。

1.2 试验方法

用AA-240FS 型原子吸收分光光度计测定重金属含量。

该试验严格按照实验室质量控制进行，所用数据为3个平行样品平均值，相对标准偏差在10%以内，分析结果均以干重计。数据用SPASS 19进行分析。

1.3 评价方法

1.3.1 土壤综合污染指数（P综）。

采用土壤单项污染指数（Pi）、P综评价土壤重金属污染等级。

Pi=Ci/Si

P综=[（P2max+P2x ）/2]1/2

式中，Ci为调查土壤中污染物的实测浓度；Si为污染物的评价标准值或参考值；Pmax为单项污染指数最大值；Px为单项污染指数的算术平均值。

03.0，表示土壤受到相当严重的污染。

1.3.2 地积累指数评价法。

地积累指数法考虑了人为污染因素、环境地球化学背景值和由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，能直观反映土壤中重金属富集程度[13-14]。其计算式为

Igeo=log2[Cn/（KBn）]

式中，Cn为元素n在土壤中的含量；Bn为当地母质岩中该元素的地球化学背景值；K为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（取1.5）。Igeo与污染程度分级见表1。

1.3.3 潜在生态危害指数评价法。

潜在生态危害指数法不仅考虑土壤重金属含量，还将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，反映了某一特定环境中各种污染物对环境的影响及多种污染物的综合效应，而且用定量的方法劃分出了潜在生态风险的程度，是沉积物质量评价中应用最广泛的方法之一[15-18]。该评价方法表达式：

RI=Eir=（Tir×Cif）=∑[（Tir×Ci）/Cin]

式中，RI为多种重金属潜在生态风险指数；Cif为某一重金属的污染参数，Cif=Ci/Cin；Ci为重金属的实测值；Cin为参比值，该研究以大冶湖底泥自然背景值为参考；Eir为某一重金属潜在生态风险参数；Tir为单个污染物的毒性响应系数（Pb、Cd、Cu、Zn的Tir分别取5、30、5、1）。

2 结果与分析

2.1 矿区农业土壤重金属污染状况

由表3可知，土壤中Cd的平均含量均低于当地背景值和湖北省土壤背景值，Pb、Cu、Zn均超过背景值，其中超标最严重的是Cu。这是由于铜绿山矿区盛产Cu，多年的开采和冶炼及尾矿库雨水淋溶，使周边土壤铜污染加剧。各重金属含量变化幅度较大，说明矿区重金属区域污染差异较大。

由表4可知，Cu的Pi全部大于1.00，1.23～26.26，其中样点T11污染最重；Cd的Pi全部小于1.00，Pb的超标率为46.15%，Zn的超标率为61.54%。由于Cu的Pi较大，使得P综也较大，使各点位表现出不同程度的污染，即T1和T2为轻度污染，其余各点均为重污染。重金属的污染程度从大到小依次为Cu、Zn、Pb、Cd。

2.2 矿区农业土壤重金属含量的空间分布特征

从图1可以看出，从空间分布看，各采样点重金属分布差异较大，同一采样点各重金属含量不同。其中，Pb含量最高点在T10（55.11 mg/kg），最低点在T8（6.66 mg/kg）；Zn含量最高点

在T10（179.98 mg/kg），最低点在T8（44.71 mg/kg）。可见，Pb和Zn的最高含量和最低含量点位一致，这说明Pb和Zn

之间存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。Cu含量最高点在T11（806.21 mg/kg），最低点在T2（37.90 mg/kg）；Cd含量最高点在T4（0.017 6 mg/kg），最低点在T12和T13（均为0.006 0 mg/kg）。T1点各重金属含量均较低，这是由于该采样点离矿区最远；T10点各重金属含量均较高，这是由于该采样点离矿区最近；T12、T13点Cu含量均很高，这是由于二者靠近古铜矿遗址，多年的开采，Cu累计污染较重。

2.3 矿区农业土壤的地累积指数法评价

由表5可知，

土壤中Pb的污染极别为1～2级，表明Pb污染不严重。

土壤中Cu的污染程度大多为“极强”，仅在T1、T2分别为“中”和“无～中”，T9为“强”，T12为“强～极强”，表明Cu污染很严重。

土壤中Zn污染程度为“无～中”到“中”，表明Zn污染不严重。

土壤中Cd污染程度最轻，均为“无～中”。

根据各样点重金属的Igeo大小，重金属污染程度从大到小依次为Cu、Zn、Pb、Cd。

2.4 土壤中重金属的生态危害评价

采用当地背景值[14]和现代工业化以前正常颗粒金属的最高背景值作为参比值，参比值见表6，RI、潜在生态危害系数（Ei）值与生态危害分级见表7。

综上可知，Cu在2种评价结果中都是潜在生态危害最大的因子，其他3种重金属的危害轻微，且各重金属元素的综合危害程度轻微。重金属潜在危害程度从大到小依次为Cu、Pb、Zn、Cd。T11点因靠矿区最近，因而Cu的污染最严重，潜在危害也最大，应引起关注。

2.5 土壤重金属总量相关性

为了解矿区农业土壤重金属Pb、Cu、Cd和Zn的污染特征，运用SPASS软件，对土壤中各重金属总量进行了相关性分析，结果见表9。由表9可知，各重金属之间存在不同程度的相关性，Pb和Zn之间相关系数为0.588，达到显著相关水平，可见Pb和Zn之间存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。

3 结论

（1）矿区农业土壤中Cd的平均含量均低于当地背景值和湖北省土壤背景值，而且全部达到土壤环境质量II级标准；Pb、Cu、Zn都超过背景值，所有测点Cu全部超过II级标准，Pb的超标率为46.15%，Zn的超标率为61.54%，超标最严重的是Cu。

（2）矿区农业土壤中重金属区域污染差异较大，有些监测点污染较重，应引起关注。

（3）土壤重金属累积性评价结果表明，Pb、Cd、Cu、Zn在不同农业用地已形成不同程度的累积，Pb、Zn的污染程度为“无～中”到“中”，Cd的污染程度均为“无～中”，Cu的污染程度大多为“极强”，重金属污染程度从大到小依次为Cu、Zn、Pb、Cd。

（4）Cu是潜在生态危害最大的因子，其他3种重金属的危害轻微；各监测点的重金属元素综合的潜在危害程度均为“轻微”，表明铜绿山矿区农业土壤Cu、Pb、Zn和Cd污染较轻。重金属潜在危害程度从大到小依次为Cu、Pb、Zn、Cd。

（5）矿区农业土壤中Pb和Zn达到显著相关水平，说明Pb和Zn之间存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。

参考文献

[1] 王辉，董元华，安琼.南京市郊区蔬菜地土壤环境质量评价[J].土壤，2005，37（3）：295-298.

[2] 陈晶中，陈杰，谢学俭，等.北京城市边缘区土壤重金属污染物分布特征[J].土壤學报，2005，42（1）：149-152.

[3] 李军辉，卢瑛，尹伟，等.佛山市某工业区周边蔬菜重金属富集特征的研究[J].华南农业大学学报，2008，29（4）：17-20.

[4] 姚春霞，陈振楼，张菊，等.上海市浦东新区土壤及蔬菜重金属现状调查及评价[J].土壤通报，2005，36（6）：884-887.

[5] 窦磊，马瑾，周永章，等.广东东莞地区土壤-蔬菜系统重金属分布与富集特性分析[J].中山大学学报（自然科学版），2008，47（1）：98-102.

[6] 仝磊，朱圣陶.苏州工业园区土壤与蔬菜中重金属污染调查研究[J].微量元素与健康研究，2008，25（2）：40-41.

[7] 荆旭慧，李恋卿，潘根兴.不同环境下土壤作物系统中重金属元素迁移分配特点[J].生态环境，2007，16（3）：812-817.

[8] 姜丽娜，王强，郑纪慈，等.蔬菜产地土壤重金属含量空间分布研究[J].水土保持学报，2008，22（4）：174-178.

[9] 陈华林，周江敏，金煜彬，等.温州城市土壤Cu，Zn，Pb含量及其形态研究[J].水土保持学报，2007，21（6）：75-78.

[10] 张然然，罗鹏林，刘远河，等.大冶铜绿山矿区优势草本植物重金属富集能力测定[J].化学与生物工程，2016，33（11）：63-70.

[11] 宋琪，祁士华，张蓓蓓，等.大冶铜绿山矿区周围土壤重金属分布特征及污染状况评价[J].环境化学，2011，30（9）：1672-1673.

[12] 孙清斌，李永达，尹春芹，等.铜绿山矿区植物修复铜污染土壤潜力调查研究[J].湖北理工学院学报，2015，31（6）：16-21，30.

[13] 章晓飞，梁峙，马捷，等.河流湖泊底泥处理方法的探讨[J].水电与新能源，2014（1）：70-72.

[14] MULLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geo Joumal，1979，2（3）：108-118.

[15] 李兆华，张亚东.大冶湖水污染防治研究[M].北京：科学出版社，2010：45-46，92.

[16] 于瑞莲，张伟芳，胡恭任，等.晋江河口沉积物重金属污染历史与来源[J].环境科学研究，2015，28（6）：907-914.

[17] 戴彬，吕建树，战金成，等.山东省典型工业城市土壤重金属来源、空间分布及潜在生态风险评价[J].环境科学，2015，36（2）：507-515.

[18] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control：A sedimentological approach[J].Water research，1980，14（8）：975-1001.