废弃铜矿周边农田土壤重金属污染特征及风险评价.pdf

中国资源综合利用China Resources Comprehensive UtilizationVol.41 No.82023 年 8 月-165-环境保护废弃铜矿周边农田土壤重金属污染特征及风险评价许妍妍1，李璞1，刘江1，王鹤1，刘钟森1，吴聪聪1，陈学礼2（1.河南省地质环境勘查院有限公司，郑州450051；2.赣南师范大学场地污染控制与修复研究室，江西赣州341000）摘要：本文以某废弃铜矿为研究对象，对矿区农田土壤进行取样分析，从重金属污染特征及生态风险水平对矿区重金属污染情况进行研究。结果表明，表层土壤中 Cd、Cu 和 Cr 三种重金属污染严重，平均含量分别为土壤环境背景值的 1.25 倍、13.15 倍和 1.31 倍，Cu 在矿区内富集最为严重，相较农用地风险筛选值，其超标率达到 29.55%。内梅罗综合污染指数显示，矿区内达到中度和重度污染的点位分别占 10.29%和30.88%。综合潜在生态风险指数结果表明，超过 17%的点位达到中度及以上风险级别，矿区局部区域存在极强的生态风险。关键词：农田土壤；重金属；污染程度；风险评价中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1008-9500(2023)08-0165-04DOI:10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.046Pollution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soil around an Abandoned Copper MineXU Yanyan1,LI Pu1,LIU Jiang1,WANG He1,LIU Zhongsen1,WU Congcong1,CHEN Xueli2(1.Geological Environment Exploration Institute Co.,Ltd.of Henan,Zhengzhou450051,China;2.Site Pollution Control and Remediation Laboratory,Gannan Normal University,Ganzhou341000,China)Abstract:Taking a abandoned copper mine as the research object,this paper conducts sampling analysis on the farmland soil in the mining area,and studies the heavy metal pollution situation in the mining area from the characteristics of heavy metal pollution and ecological risk level.The results show that the pollution of three heavy metals(Cd,Cu,and Cr)in the surface soil is severe,with an average content of 1.25 times,13.15 times,and 1.31 times of the soil environmental background value,respectively,and Cu is most severely enriched in the mining area,and its exceeding rate reaches 29.55%compared to the risk screening value of agricultural land.The Nemero comprehensive pollution index shows that 10.29%and 30.88%of the points in the mining area have reached moderate and severe pollution,respectively.The results of the comprehensive potential ecological risk index indicate that over 17%of the points reach moderate or above risk levels,and there are extremely strong ecological risks in local areas of the mining area.Keywords:farmland soil;heavy metals;pollution level;risk assessment随着经济快速发展，城市化和工业化持续推进，环境污染问题日益突出，尤其是土壤重金属污染，直接威胁生态安全和人体健康。调查结果显示，全国土壤总的点位超标率为 16.1%，其中，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8 种重金属污染物超标点位数占全部超标点位的 82.8%1。近年来，全国农用地土壤环境状况有所好转，但由于重金属污染影响较大，农用地土壤环境质量不容乐观，尤其是矿区周边的农田土壤环境更是面临风险。研究表明，大多数重金属具有毒性高、隐蔽性强以及降解难等特点，会通过各种途径进入土壤，经过不断累积，在动植物体内富集，进而通过食物链进入人体，产生不可逆的危害。收稿日期：2023-06-24基金项目：河南省土壤污染防治专项资金（H2020411523T1-20005）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ211424）。作者简介：许妍妍（1995），女，河南焦作人，硕士。研究方向：环境污染与修复。中国资源综合利用第 8 期-166-环境保护近年来，矿区重金属污染研究不断涌现。程睿2以铜矿弃渣场下游农田土壤为研究对象，发现农田受重金属污染严重，重金属 As 和 Cd 容易造成人体健康风险。陈航等3对铜山矿区周边农田土壤重金属的污染程度及来源进行解析，结果显示，矿山开采和农业活动是土壤重金属污染物的主要来源。陶美霞等4以铜矿废弃地块土壤环境为研究对象，开展土壤重金属污染特征、来源及人体健康风险调查，指出地块土壤受 Cu 和 Cd 污染严重，各重金属具有相同的来源，重金属 Cr 对人体产生的健康风险较大。可见，矿山的开采冶炼会释放大量重金属元素，造成周边农田土壤污染，产生严重生态问题。目前，河南省废弃铜矿对周边农田土壤环境影响的研究还很少见。信阳市某废弃铜矿位于大别山矿区，具有较高的重金属背景，加之早期矿区开采冶炼不规范，对周边农田土壤环境造成严重威胁。该废弃铜矿周边农田种植蔬菜、油菜、水稻和玉米等农作物，土壤环境直接影响区域生态环境及人体健康。因此，有必要摸清该矿区周边农田土壤重金属污染和生态风险，加强土壤环境监测与治理，改善区域生态环境，保护人体健康。1材料与方法1.1研究区概况该废弃铜矿位于豫南大别山腹地，地形以浅山、丘陵为主，岩性主要为变质岩和岩浆岩。研究区地势西南高、东北低，地表水及地下水随地势由西南向东北流动。地层岩性由上向下依次为杂填土、黏土和风化岩，土地利用类型以林地、草地和耕地为主，其中耕地占研究区面积的 33.50%。矿区主要土壤类型有黄棕壤、水稻土和潮土，主要种植水稻、油菜等农作物。1.2样品采集与测试根据研究区场地地形情况，布设 71 个表层土壤采样点，采集 71 个表层土壤样品。样品转运至实验室后，将样品置于阴凉通风处自然风干，然后对土样进行压碎、翻动，拣出碎石、沙砾及植物残体等杂质，之后进行研磨，过孔径 100 目筛，开展土壤元素分析。土壤样品检测项目为 8 种重金属，包括 Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg、Ni、As。1.3样品分析方法1.3.1土壤中重金属的测定根据相关标准，As、Hg 的测定采用原子荧光法，Cd、Pb 的测定采用石墨炉原子吸收分光光度法，Zn、Cu、Ni和Cr的测定采用火焰原子吸收分光光度法。1.3.2重金属污染评价方法采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法5对土壤重金属污染进行评价，以河南省土壤重金属背景值6作为评价标准。单因子污染指数法采用式（1）进行计算，内梅罗综合污染指数法采用式（2）进行计算。=iiiCPS（1）()22max=2iPPP+综（2）式中：Pi为重金属单因子污染指数；P综为内梅罗综合污染指数；Ci为重金属含量的实测值，mg/kg；Si为重金属 i 的土壤环境标准值，mg/kg；P为单因子污染指数Pi的平均值；Pimax为单因子污染指数最大值。分级标准参考相关文献5。采用潜在生态风险指数法对重金属的潜在危害程度进行划分，分析评价环境中特定污染物和多种污染物对外界的影响7。相关参数按照式（3）和式（4）进行计算。iiirriCETS=（3）=1=niriRIE（4）式中：Eri为单个重金属潜在生态风险指数；RI为某一采样点多个重金属潜在生态风险综合指数；Tri为重金属毒性响应系数。评价等级参考相关文献7。2结果与讨论2.1土壤重金属含量检测结果显示，农田土壤中 8 种重金属 As、Cd、Zn、Cu、Pb、Hg、Ni 和 Cr 的含量最大值均超过河南省土壤环境背景值6，其中，Cd、Cu 和 Cr 3 种重金属含量的平均值也超出背景值，分别达到背景值的 1.25 倍、13.15 倍和 1.31 倍，表明该矿区受到不同程度的重金属污染，尤其是 Cd、Cu 和 Cr 的污染较为严重，如表 1 所示。对照土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB 156182018），Cd、Cr 和 Cu 的筛选值超标率分别为 0.00%、1.14%和29.55%，这表明 Cu 在矿区内明显超标。由表 1 可知，As、Cd、Cu、Hg 和 Cr 的变异系数分别为 47.75%、89.32%、283.26%、69.09%和 46.43%，其属于高度变第 8 期-167-环境保护许妍妍等：废弃铜矿周边农田土壤重金属污染特征及风险评价异（变异系数大于 36%）8，说明这几种重金属空间分布不均匀，其分布受人为因素影响较为明显9。2.2土壤重金属污染评价2.2.1土壤重金属污染指数评价矿区土壤重金属单因子污染指数及内梅罗综合污染指数统计结果如表 2 所示。单因子污染指数平均值的大小排序为 Cu Cr Cd Zn Ni Hg Pb As，其中，Cu 的污染指数均值达到 13.14，远远超过重度污染的分级标准，表明 Cu 污染较为严重。观察各重金属采样点位污染水平的分布可知，As、Zn、Pb 和 Ni 多数处于安全水平，少数点位样品为轻度污染，无中度污染和重度污染。重金属 Cd、Cu、Hg 和 Cr 均有达到中度和重度污染水平的样品，因此，要加强对这 4 种重金属的关注。经计算，内梅罗综合污染指数处于安全、轻度污染、中度污染以及重度污染的点位比例分别为 2.94%、55.88%、10.29%以及30.88%，有超过 40%的点位受到重金属中度及以上污染，表明矿区重金属污染情况不容乐观。表 1土壤重金属含量检测结果元素平均含量/（mg/kg）标准差/（mg/kg）变异系数/%河南省土壤环境背景值/（mg/kg）筛选值/（mg/kg）超标率（超筛选值）/%As4.422.1547.759.8020 300.00Cd0.080.0789.320.060.3 0.80.00Zn60.7215.1524.5462.50200 3000.00Cu262.90661.70283.2620.0050 10029.55Pb17.543.7219.3121.8080 2400.00Hg0.020.0169.090.030.5 1.00.00Ni23.068.6935.4527.3060 1900.00Cr82.9137.8846.4363.30230 3501.14表 2不同重金属的单因子污染指数及其综合污染指数序号元素污染指数污染指数均值样品占比/%安全轻度污染中度污染重度污染1AsPi0.4597.062.940.000.002CdPi1.2244.1241.1810.294.413ZnPi0.9766.1833.820.000.004CuPi13.1410.2947.0611.7630.885PbPi0.8088.2411.760.000.006HgPi0.8185.2911.760.002.947NiPi0.8479.4120.590.000.008CrPi1.3129.4162.244.412.949P综2.9455.8810.2930.882.2.2土壤重金属潜在生态风险指数评价以河南省土壤环境背景值为参比，对矿区土壤重金属污染的潜在生态风险进行评价10，结果如表 3所示。矿区内土壤单个重金属潜在生态风险指数平均值的大小排序为 Cu Cd Hg As Ni Pb Cr Zn。其中，Cd 和 Hg 的潜在生态风险指数平均值低于 40，As、Zn、Pb、Ni 和 Cr 的潜在生态风险指数平均值远小于 40，表明其生态危害程度较小。Cu的潜在生态风险指数平均值（65.72）超过 40，风险评价程度为中等。但 Cu 的潜在生态风险指数最大值（1 337.50）远超过风险等级的最大值（320），表明Cu是主要的生态风险因子，存在极高的潜在生态风险。表 3不同重金属的潜在生态风险指数序号元素潜在生态风险指数均值1As4.512Cd36.743Zn0.974Cu65.725Pb4.026Hg30.367Ni4.228Cr2.62根据潜在生态风险综合指数，超过 17%的土壤点位处于中风险水平以上，其中高风险和极高风险分（下转第172页）中国资源综合利用第 8 期-172-节能减排脱硝效率高于SNCR，造价也高于SNCR，与SCR类似，其脱硝效率受催化剂影响；在不能满足常规脱硝工艺温度、空间、设备余量的情况下，可考虑臭氧氧化法。参考文献1 郭昆鹏.成都市某区能源替代及限煤禁煤可行性研究 D.成都：成都理工大学，2009：11-12.2 郑祖权.锰铈复合氧化物的制备及其低温 SCR脱硝性能研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020：8-9.3 张 斌.锰基复合氧化物型低温 SCR 脱硝催化剂实验研究 D.合肥：合肥工业大学，2020：15-16.4 吴小平，王学雷，宋云华.一种焦炉烟气湿式脱硫脱硝工艺及其工业应用 J.燃料与化工，2016（5）：31-33.5 贾双燕，路 涛，李晓芸，等.选择性催化还原烟气脱硝技术及其在我国的应用研究 J.电力环境保护，2004（1）：19-21.6 盛洪产，赵旭东，楼 军，等.SNCR+SCR 脱硝效果的影响因素分析 J.广东化工，2019（22）：103-104.7 陈 彬，姚丽萍，胡 深.燃煤锅炉降氮脱硝技术综述 J.广东化工，2012（3）：101-102.8 康 勇，阮 磊.烟气臭氧脱硝应用研究 J.化工管理，2016（31）：200.别占 1.47%和 4.41%。矿区潜在生态风险综合指数介于 27.45 1 600.31，平均值为 149.18，整体生态风险较低，这说明矿区内各区域生态风险存在较大差异。风险极高的土壤点位处于上游偏南的区域，主要集中在铜矿洗选及尾矿堆放处，其风险由极高风险区域向外逐渐降低。3结论土壤重金属含量检测分析表明，该废弃铜矿周边农田土壤受Cd、Cu和Cr 3种重金属的污染比较严重。Cu 在矿区内富集最为严重，As、Cd、Cu、Hg 和 Cr 在场地的分布受人为干扰影响较大。矿区表层土壤中，Cd、Cu 和 Cr 存在不同程度的污染，其中，Cu 已达到重度污染水平。Cd、Cu、Hg 和 Cr 均有达到中度和重度污染水平的样品，要加强监测和风险管控。潜在生态危害评价结果表明，该矿区的重金属 Cu 存在很高的潜在生态风险。矿区内各区域生态风险水平存在较大差异，高风险区域主要集中在铜矿洗选及尾矿堆放处。参考文献1 环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查公报 EB/OL.（2014-04-17）2023-05-16.https:/ 程睿.铜矿弃渣场下游农田土壤重金属污染特征及健康风险评价 J.环境工程技术学报，2020（2）：280-287.3 陈航，王颖，王澍.铜山矿区周边农田土壤重金属来源解析及污染评价 J.环境科学，2022（5）：2719-2731.4 陶美霞，胡虎，胡兰文，等.上饶市某铜矿废弃地土壤重金属污染特征及健康风险评价 J.生态环境学报，2018（6）：1153-1159.5 陈锐，杜双杰，徐伟，等.南京城郊某典型退耕农用地土壤重金属含量特征与污染评价分析 J.环境工程，2022（3）：102-110.6 邵丰收，周皓韵.河南省主要元素的土壤环境背景值 J.河南农业，1998（10）：28.7 HAKANSON L.An Ecological Risk Index for Aquatic Pollution Control：a Sedimentological ApproachJ.Water Research，1980（8）：975-1001.8 王洋洋，李方方，王笑阳，等.铅锌冶炼厂周边农田土壤重金属污染空间分布特征及风险评估 J.环境科学，2019（1）：437-444.9 刘硕，吴泉源，曹学江，等.龙口煤矿区土壤重金属污染评价与空间分布特征 J.环境科学，2016（1）：270-279.10 徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算 J.环境科学与技术，2008（2）：112-115.（上接第 167 页）