下曼来铁矿区周边土壤重金属污染分析与评价

Analysis and Evaluation of Heavy Metal Pollution in Soil around Xiamanlai Iron Ore Area

摘要: 为探究下曼来露天的铁矿开采对周边土壤的影响，本文对采矿区周边进行了不同距离、不同方位的采样研究，共采集64处表层土壤样品，对其重金属含量进行测定。采用成图法、单因子指数法和内梅洛综合指数法对测得数据进行分析。采用成图法分析重金属来源和分布情况，采用单因子指数法分别对土壤重金属元素距矿区中心的不同方位和距离进行污染指数评价，采用内梅罗综合指数法对该地的重金属污染进行综合分析，得到综合污染评价。结果表明：重金属污染元素主要由Zn、Pb元素组成。其中，Pb的污染范围最广，污染程度较大。Cu元素分布与山体高度、降雨量相关。Zn元素分布与采矿区的距离和气候相关。Co元素含量分布与采矿活动相关。Ni元素分布与矿区活动和植被覆盖相关。Cr、Pb元素因矿区活动而在一定范围内富集。按内梅罗综合指数法评价，根据距离划分，其中800 m范围内皆为轻度污染。根据方位划分，各方向皆为轻度污染。

Abstract: In order to investigate the impact of iron ore mining on the surrounding soils in the Xiamanlai open pit, this paper collected sampling research at different distances and orientations around the mining area. A total of 64 surface soil samples were collected and their heavy metal contents were determined. The measured data were analyzed by the mapping method, the single-factor index method and the Nemelo composite index method. The mapping method was used to ana-lyze the sources and distribution of heavy metals. The single-factor index method was used to evaluate the pollution index of soil heavy metal elements at different orientations and distances from the center of the mine, respectively. The comprehensive pollution evaluation was obtained by the comprehensive analysis of the heavy metal pollution at the site using the Nemero comprehensive index method. The results showed that the heavy metal pollution elements mainly consisted of Zn and Pb elements. Among them, Pb has the widest pollution range and the greater pollution degree. The distribution of Cu elements is related to the height of the mountain and rainfall. The distribution of Zn elements is related to the distance of the mining area and the climate. The distribution of Co elements is related to the mining activities. The distribution of Ni elements is related to the mining activities and the vegetation cover. The Cr and Pb elements are enriched in a certain range due to the mining activities. According to the evaluation of the Nemero composite index method, according to the division of distance, all of them are lightly polluted within 800 m. According to the division of orientation, all directions are lightly polluted.

1. 引言

铁矿资源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。近几年来，随着经济的快速发展，中国钢铁产量大幅度的增长，使得对铁矿资源的消耗也在不断增加。所以在铁资源高需求的前景下，人们对资源进行过度开采，会在开采过程中造成了一系列包括土壤重金属污染的环境问题，严重影响了当地资源的可持续发展，因而我国在进行铁矿资源开发过程中，更要注重铁矿开采对周边土壤造成的影响 [1] [2] 。

铁矿周边土壤重金属影响程度研究对当地农业生产有积极的建设作用 [3] [4] 。土壤是农业发展的基础，现今资源的开采皆伴随着对土壤的破坏，尤其是重金属元素对土壤的污染，岸土壤重金属污染及土壤中的重金属极不容易分解 [5] ，因此会在土壤中不断造成重金属污染的累积，造成土壤的严重污染，同时也使农作物的生长、潜在的生态危害指数与金属元素含量变化破坏，威胁人类健康。所以矿区周边地区土壤重金属污染已成为环境科学和土壤科学研究和关注的热点问题之一 [6] [7] 。

矿区污染评价研究在国内已相对成熟，但该铁矿区还矿区污染评价方面的研究相对较少，铁矿区的污染研究也相对较少，这次研究对该区域此领域的研究进展起到了一定程度上的帮助作用。

目前，国内外评价重金属污染的方法有很多种，比如瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法，国内通用的方法有单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、地积累指数法和富集系数法等。Bux [8] 测定了Jamshoro区Sehwan Sharif表层土壤利用潜在生态危害指数法并生成了风险指数图，发现Cd在所研究元素中表现出较高的潜在生态风险。王玮雅等 [9] 通过单因子污染指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态危害指数法评价了某冶炼厂周边的土壤污染现状。本文运用了单因子污染指数法和内梅罗综合指数法对土壤重金属污染进行研究。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

研究区位于西双版纳傣族自治州西南部，勐海县勐遮镇西南方向10 km的曼来村的一处露天矿山铁矿区(已停采)，如图1所示。西双版纳州矿产也较为丰富，拥有岩盐、铁、铜、锰、钴、稀土(磷钇矿、独居石)、褐煤、油页岩、铅、锌、汞、钨、金、高岭土等矿产。

勐海县的气候为高温多雨，终年温暖湿润，年降雨量1024.4~1365.3毫米之间，年平均气温各县市在18.9~23.5℃之间，只有雨季与旱季之分。

待测区域四面环山，存在三处水潭，存在铁矿处理厂和尾矿堆放区域，几乎被植被覆盖范围。

Figure 1. Sampling area location map

图1. 采样区域位置图

Figure 2. Sample dot plot

图2. 采样点图

2.2. 样品采集

为探究矿区周围重金属分布情况和规律，一共设置了8个方向的采样方位辐射线采样，如图2所示，分别位于采矿中心区域的东南、西北、东北、东南、西北、西南八个方向，由近到远分别采集距离采矿中心50、100、300、400、500、600、700、800 m的样品，一个方向采8个，共采集样品65个，土壤样品均为0~20 cm表层土壤，用密封样品袋密封并贴上序号标签。记录采样的时间，位置坐标土壤类型和采样点周围环境等内容，采用的是不锈钢锹采样。

2.3. 样品处理及测试分析

将样品放置在通风干燥处进行自然风干，把风干后的样品放入干燥样品袋中保存。再将样品经过研磨钵进行研磨处理，使土壤样品能通过100目的尼龙筛。把过筛后的样品粉末装入干燥小袋中密封保存。样品通过压片模具加入硼酸作衬底进行压片处理制成片。将压片放入X荧光光谱仪进行XRF荧光分析，得到样品的数据。

2.4. 图像分析

通过Kriging插值和数学模拟成图，根据图像初步分析各重金属元素的成因和污染源，并分析其分布状态和运移规律 [10] 。

2.5. 评价方法

2.5.1. 单因子指数法

单因子指数法 [10] [11] [12] 是国内外普遍采用的对某一污染物的污染程度进行评价的方法，公式为：

$P_{i_{}}=C_i/S_i$

式中：P_i为土壤中污染物i的环境质量指数；C_i为污染物i的实测含量(mg∙kg⁻¹)；S_i为污染物i的评价标准(mg∙kg⁻¹)。

2.5.2. 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合指数法 [10] [11] [12] [13] 能全面反映土壤中污染物的平均污染水平，也突出了污染最严重的污染物给环境造成的影响，计算公式为：

$P_{综}=\sqrt{\frac{{\left(C_i/S_i\right)}^2{}_{\max }+{\left(C_i/S_i\right)}^2{}_{ave}}{2}}$

式中：P_综为内梅罗综合指数；C_i为污染物i的实测含量(mg∙kg⁻¹)；S_i为污染物i的评价标准(mg∙kg⁻¹)；(C_i/S_i)_max为各污染物中污染指数最大值；(C_i/S_i)_ave为各污染物中污染指数的算术平均值 [11] [12] [14] 。

Table 1. Soil heavy metal classification standards

表1. 土壤重金属分级标准

3. 分析与讨论

3.1. 成图分析

将土壤重金属含量测试数据通过Kriging插值和数学模拟成图进行分析。

Figure 3. Element distribution

图3. 元素分布

根据图3(a)所示，Cu元素主要有三个峰值点，第一个Cu元素含量峰值点是采矿中心，由采矿中心向范围200 m区域内呈递减趋势，其峰值为60.12 mg/kg。第二个Cu元素峰值点位于西面距采矿中心700 m处的山顶处向周围100 m区域内递减，峰值为50.36 mg/kg。第三个Cu元素含量峰值点位于采矿中心北方700 m处的山顶处向周围100 m区域内递减，峰值为35.8 mg/kg。Cu元素分布与山体高度相关，还可能与降雨量相关，高处山体的土壤受雨水浸泡冲刷时间低于低处土壤和植被覆盖相关，但采矿中心区域却出现Cu元素富集异常，初步判断与矿区开采活动有着密切的关系。

根据图3(b)所示，采矿区域内Zn元素主要在距采矿区300 m处的西南方向大面积富集，峰值为393.13 mg/kg。距离矿区300 m的西面，300 m的东面小面积富集峰值分别为280.35 mg/kg、254.37 mg/kg，距离矿区800 m处小范围富集，其峰值为236.8 mg/kg。采样区范围内最大的三个峰值均距离采矿中心距离为300 m，仅一处为较远的700 m处，重金属富集区域与矿区距离较远可能与当地气候相关，长时间高频率的降雨会对重金属的运移方向造成一定程度的影响，由此判定Zn元素分布与采矿区的距离和气候相关。

图3(c)为Co元素分布图，根据图所示，Co元素主要高浓度大范围富集在采矿区西北400 m处，根据该图的Co元素高含量分布趋势可知，采样区西北处为Co元素大面积富集区域，采矿区范围100 m区域内呈现三处小范围富集，由此判断该地Co元素含量分布与采矿活动相关。

图3(d)为Ni元素分布图，图中明显看出，在采矿区50 m范围内呈现小范围较高含量Ni元素异常富集向周围递减扩散分布，其余区域均在正常范围内波动变化。由此可见，矿区活动使矿区周围元素含量受到一定程度变化，Ni元素富集区域基本为植被未覆盖区域，Ni元素分布与矿区活动和植被覆盖相关。

图3(e)为Cr元素分布图，根据图中信息，观察峰值在采矿区50 m范围区域内且由中心向四周呈递减。除采矿区外，整体从北部到南部含量呈递减趋势。矿区周围呈异常分布状态峰值达165 mg/kg。矿区周围的Cr元素分布异常，说明矿区活动使Cr元素在一定范围内富集。

图3(f)为Pb元素含量分布图，在采矿中心西北方向50 m处小范围聚集，峰值为700 mg/kg。西南方向Pb大范围聚集，整体由南向北递减。东北处的小幅度富集位置与尾矿处理位置较近，该处富集与尾矿处理区域相关。除原地质背景外，矿区开采活动使部分地区Pb小范围聚集。

通过成图分析对该矿区重金属分布有了新的认知，重金属元素不同于以往的沿采矿中心呈线性相关减少趋势，不同重金属元素的分布及运移规律都不相同。重金属的运移成因是综合形成的，需要考虑多种成因。

3.2. 单因子指数评价

单因子指数法是以土壤背景值为评价标准来评价重金属元素累计污染程度的方法 [10] 。根据表1进行污染标准评价。

Table 2. Single pollution index of each element at a distance of 50 m

表2. 距50 m各元素单项污染指标表

根据表2数据分析，当距离采矿区50 m处，Cu的P_i值范围为0~1.20，主要受污染方向为西南方，基本为清洁状态。Zn的P_i值范围为0.17~0.77，为清洁状态。Cr的P_i范围为0.15~1.05，基本为清洁状态。Pb的P_i值范围为0.71~1.95，为尚清洁状态。主要受污染方位为北、西、东、东北方向。

根据表3数据分析，当距离采矿中心100 m处时，Cu、Zn含量均为清洁状态，Cr的P_i值为0.23~1.10范围内，基本为清洁状态，只有位于东南方向为尚清洁状态。Pb的P_i值范围为1.05~2.35，基本为尚清洁状态，位于西方向为轻度污染。

Table 3. Single pollution index of each element at a distance of 100 m

表3. 距100 m各元素单项污染指标表

Table 4. Single pollution index of each element at a distance of 300 m

表4. 距300 m各元素单项污染指标表

据表4分析，当距采矿中心300 m处，Cu、Cr元素均为位于各方向的清洁状态。Zn的P_i值范围为0.46~1.97，为尚清洁状态，位于西北、西、西南方向为Zn元素的主要污染方向。Pb的P_i取值范围为1.03~4.90主要为尚清洁状态，西北方向上为Pb的中度污染方向，西方向为Pb元素的轻度污染方向。

据表5数据分析，距采矿中心400 m处的Cu、Cr元素都为清洁状态，Zn的P_i范围为0.45~1.27，Zn元素主要为清洁状态，东方向为尚清洁方向。Pb元素的P_i值范围为1.14~2.02为尚清洁状态，向四周8个方向都进行污染。

Table 5. Single pollution index of each element at a distance of 400 m

表5. 距400 m各元素单项污染指标表

Table 6. Single pollution index of each element at a distance of 500 m

表6. 距500 m各元素单项污染指标表

根据表6分析，得知距采矿中心500 m处的Cu、Zn、Cr的P_i值都小于1，都为清洁状态。Pb的P_i值范围为1.01~2.51，基本为尚清洁状态，东方向为轻度污染状态。

根据表7分析，距采矿中心600 m处采样点，Cu、Zn、Cr的P_i值均小于1，都为清洁状态。Pb基本为尚清洁状态，P_i值范围为1.04~3.08，西南方向为轻度污染方向。

Table 7. Single pollution index of each element at a distance of 600 m

表7. 距600 m各元素单项污染指标表

Table 8. Single pollution index of each element at a distance of 700 m

表8. 距700 m各元素单项污染指标表

根据表8分析，距采矿中心700 m的区域，Cu的P_i值范围为0.4~1.01，主要为清洁状态，西方向为尚清洁状态。Zn的P_i范围为0.59~1.18，基本为清洁状态，北方为尚清洁状态。Cr为清洁状态。Pb的P_i范围为1.26~3.04，基本为尚清洁状态，西南方向为轻度污染区域。

根据表9数据分析，距采矿中心800 m处，Cu和Cr为清洁状态。Zn基本为清洁状态，西南方向为尚清洁状态。Pb的北、西北、西、东、东北为尚清洁状态，西南、南方、东南方向为轻度污染状态。

Table 9. Single pollution index of each element at a distance of 800 m

表9. 距800 m各元素单项污染指标表

综上，通过不同距离各方位的Cu、Zn、Cr、Pb的单项污染指数的分析知道以下信息。单项污染指数大于1的为受污染区域。受Cu元素污染区域仅有2处，单项污染指数的最大值为1.2，为尚清洁。研究区域内Cu元素污染程度较小。Zn受污染处有6处，其P_i最大值为1.97，都为尚清洁状态，污染区域集中在距矿区300 m的范围内。受到Cr元素污染区域为2处，P_i的最大值为1.10，为尚清洁状态。受到Pb污染处有60处，其中尚清洁区域有45处，轻度污染区域有11处，中度污染区域有4处。中度污染区域主要集中在西南方向。

3.3. 内梅罗综合污染指数评价

Table 10. Comprehensive pollution index in the sampling area

表10. 采样区综合污染指标表

Table 11. Composite pollution index orientation table

表11. 综合污染指数方位表

根据表10，以距离矿区的距离划分，按平均污染指数从大到小对其进行排行，结果为300 m处 > 800 m处 > 600 m处 > 700 m处 > 500 m处 > 100 m处 > 400 m处 > 50 m处。根据内梅罗综合污染指数分级标准，其中50 m、100 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m处皆为轻度污染。根据方位划分，各方向皆为轻度污染。按平均污染指数对其进行从大到小排行，结果为西南 > 东 > 西北 > 西 > 东南 > 北 > 南 > 东北。各方向的平均综合污染指数皆为轻度污染。根据不同距离和不同方位的综合污染指数的平均值数据分析，采矿区周边的土壤整体基本呈轻度污染状态，推测其污染分布较平均与当地雨季高频降雨和较大降雨量相关。根据表11的综合污染指数的最大值数据分析，综合污染的峰值按距离和方位为西北300 m处，P_n值为3.67，说明西北300 m处的综合污染较为严重。

3.4. 认识及解决方法

通过成图分析直观地了解和认识到了该区域重金属元素的迁移规律各不相同，其成因也较复杂，想要全面分析该区域重金属分布成因和运移规律，还需要对当地环境进行更加充分的调查与研究，需要有雨季降雨频繁区域的重金属一般迁移规律方面的研究，才能更准确地得到结论。

4. 结论

1) 根据成图分析得知，Cu元素分布与山体高度、矿区开采活动有着密切的关系。Zn元素分布与采矿区的距离相关。Co元素含量分布与采矿活动相关。矿区活动使Cr元素在一定范围内富集，使部分区域Pb含量升高。

2) 根据单因子指数法分析得知，铁矿开采对周围土壤造成主要由Zn、Pb元素组成的重金属污染。其中Pb的污染范围最广，污染程度较大。

3) 根据内梅罗综合指数法分析得知，按照距离划分，800 m范围内皆为轻度污染。按照方位划分，各方向皆为轻度污染。其污染分布较平均，与当地雨季高频降雨和较大降雨量相关。

4) 雨季高频降雨区域的重金属迁移与前人所研究的非雨季区域有较大的差异，本文通过图像与单因子指数法综合分析得到了雨季区域单一元素分布方向不同且不均，但综合污染分布均匀的特点。

基金项目

2022年宿州学院大学生创新创业训练计划项目(项目编号：KYLXYBXM22-081; ZCXM22-312)。

宿州学院资助省级大学生创新创业训练计划项目(项目名称：盐碱农田重金属污染评价及来源分析——以甘肃省酒泉市银达镇为例)。

2022年国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号：202210379056)。

NOTES

^*通讯作者。