北京万庄金矿区土壤重金属分布特征及污染评价

北京万庄金矿区土壤重金属分布特征及污染评价
姚世厅;李玉倩;王德利;农冬灵;赵峰华
【摘要】通过对万庄金矿区表层及垂向土壤的取样调查,分析了矿区土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn及Ni的重金属含量、重金属在土壤垂向上的分布特征,采用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数及污染负荷指数(PLI)的方法对矿区
的污染程度进行评价.结果表明:土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn及Ni平
均含量分别为26.858 mg/kg、0.321 mg/kg、68.055 mg/kg、30.879 mg/kg、59.040 ng/g、51.556 mg/kg、89.450 mg/kg和32.070 mg/kg;两个剖面的重
金属元素总体自地表向地下含量减少且该趋势主要表现在地表至地下1m处,再向
地下则含量趋于稳定;综合污染指数是1.79,说明该区总体上表层土壤处于轻微污染水平;矿区整体的PLI值为1.12,属于中等污染程度.
【期刊名称】《中国矿业》
【年(卷),期】2018(027)0z2
【总页数】7页(P59-65)
【关键词】万庄金矿区;土壤重金属;分布特征;污染指数及程度
【作者】姚世厅;李玉倩;王德利;农冬灵;赵峰华
【作者单位】北京市地质矿产勘查开发总公司 ,北京100050;北京市地质矿产勘查开发总公司 ,北京100050;北京市地质矿产勘查开发总公司 ,北京100050;北京市
地质矿产勘查开发总公司 ,北京100050;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程
学院 ,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】X53
土壤是自然界最重要的地理要素之一，为各种各样的生物提供生存物质和生存空间，是人类健康生活和发展的基础。

近些年，矿床的开采造成附近较大区域的土壤和水体的污染，而受到重金属污染的土壤难以恢复，会影响到整个生态系统和人类的身心健康[1-2]。

目前，矿山开采引发的重金属污染问题，国内外学者都给予了广泛
关注。

专家学者以福建尤溪铅锌矿等矿区的土壤重金属元素进行详细调查基础上，常青山等[3]测试矿区内Cd、Mn、Pb、Zn的含量浓度，结果是高出土壤质量标
准几十倍；而北京市得田沟和崎峰茶金矿中Pb、As、的含量都在质量安全范围内，但是除此之外的重金属元素含量都已经超过了标准值，产生一定程度的污染，其中最为严重的是Cr元素，污染程度中等[4]。

Dinelli等[5]研究了意大利北部的Vigonzano矿区，详细调查了该矿区开采后的尾矿渣，经过对其深入研究发现，
该区的Cr、Ni、Cu等重金属元素累计相对较多，并由此推测元素的富集主要就是尾矿坝的长期堆积；Teieira等[6]研究了RS Baixo Jacui煤矿区的土壤重金属污染分部状况，样品取自于矿区周围河流的沉积物，结果显示该矿区存在重金属污染，污染程度中等级。

某些学者发现了联合体的采矿场和废渣堆积区的农业田地受重金属污染比较严重，并引发了类似于先天性小脑畸形的慢性病[7]。

虽然对北京市土
壤重金属污染和风险评价有一些研究，但是对万庄金矿区的研究还属首次，因此对该矿区土壤重金属污染调查及其污染元素溯源分析研究具有重要意义。

本文以北京市平谷万庄金矿为研究区，对其土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn及Ni重金属元素的含量进行分析，目的是明确该煤矿区周边土壤重金属的污染程度及其分布特征，为后期金矿区土壤重金属污染治理提供基础性资料。

1 研究材料与方法
1.1 研究区概况
平谷区位于北京的东北部，其地质面貌以山区为主，东、南、北地势较高，中间夹有平原。

万庄金矿位于平谷县城308°方位、直距17.1 km的刘店乡孔城峪村。

海拔高度约260 m，山坡坡度15～40°，局部较陡。

矿区内植被发育较弱，主要为稀疏低矮的灌木，覆盖率在40%左右。

此矿相传唐代已开采，至建国前均由私人采金。

解放后先后由平谷县矿务局、市冶金局以及县办企业等多个部门开采，采矿方式为地下开采。

探明储量C+D级2 884 kg。

采矿能力1.5万t/a，选矿能力1.5万t/a。

该矿于20世纪80年代已停止开采。

1.2 样品采集
根据万庄金矿区的布局和分部面积，对样品的采集选用的标准是《多目标地球化学调查规范》。

所采工区面积大约为9 km2，共采集了浅层土壤样品103件、垂向上采集剖面2条，共13件剖面样品。

采样点位置分布，如图1所示。

图1 矿区土壤采样分布示意图
1.3 样品测试
按照国家标准规范对采集的样品在自然条件下风干处理，使用玛瑙研钵磨成细粉，称取过0.15 mm木质尼龙筛的土壤样品0.2 g，并将该样品放入铂金坩埚中，在104 ℃下恒温干燥大约5 h，采用硝酸-氢氟酸-高氯酸三酸消解法[8](具体操作规范见《土壤农业化学分析方法》[9-11])处理后用Perkin Elmer公司生产的Aanalyst 800型原子吸收光谱仪测定重金属含量，需要测定的重金属有砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、铅(Pb)、锌(Zn)和镍(Ni)，为了保证实验方法的准确可靠性，插入了四个土壤成分分析标准物质(GSS18、GSS49、GSS23、GSS25)，以此用来控制实验的精确性，所测量元素的误差控制在5%以内，并采
用平行样进行质量控制。

实验测试过程中所用水为超纯水，使用的试剂均为优级纯，每个土壤样品均平行测量三次，实验结果用平均值来表示。

1.4 研究方法
1.4.1 单因子指数法
单因子指数是评价土壤、作物污染程度或者土壤的环境质量等级所用的一种相对无量纲指数，并能全面反应各个元素的污染程度，大多数基础性的评价都是采用本办法，用单项因子表示污染程度或土壤环境质量等级的单项污染指数(Pi)。

计算公式见式(1)。

(1)
式中：Si为i重金属污染物的评价标准，mg/kg；Ci为i土壤中重金属污染物的实测浓度，mg/kg；Pi表示土壤中i污染物的污染指数。

本文在此采用北京市土壤
背景值表1，作为评价标准。

Pi≦1表示未污染，1<Pi≦2表示轻度污染，2<Pi≦3
表示中度污染，Pi>3表示重度污染，Pi值越大表示重金属污染严重。

1.4.2 综合污染指数法
综合指数法就是内梅罗N.L.Nemerow综合污染指数法[12-14]，可以全面的综合
反映土壤的污染程度，该方法被广泛应用于土壤重金属污染的评价，而且也兼顾了单元素污染指数的平均值和最大值，凸显高浓度污染物对整个区域内环境质量的影响，综合考虑了各个重金属对环境质量的影响。

计算公式见式(2)。

(2)
式中：P为综合污染指数，具体见表2；Pi为各种所测重金属的单因子指数评价值；avg(Pi)为土壤中各种重金属单因子评价的平均值；max(Pi)为土壤中重金属单因子评价的最大值。

表1 北京市土壤重金属背景值重金属元素AsCdCrCuHgPbZnNi背景值
/(mg/kg)7.090.1229.8018.700.0624.6057.5031.20
表2 综合污染指数评价标准等级P污染等级污染水平ⅠP≦0.7安全清洁Ⅱ0.7<P≦1警戒限尚清洁Ⅲ1<P≦2轻污染土壤轻污染Ⅳ2<P≦3中污染土壤中度污染ⅤP>3重污染土壤污染比较严重
1.4.3 污染负荷指数法
污染负荷指数法是对重金属污染不同水平等级的研究，最终提取出的一种新的污染评价的方法[14]。

公式的应用如下：首先计算样品的实测浓度，结合改浓度来计算出某污染物的最高污染系数(CF)，见式(3)。

(3)
式中：CFi为元素i的最高污染系数；Ci为元素i的实际测量含量；C0i为元素i的评估基准，也就是平谷区平均样品土壤的标准值。

对于某一点的污染负荷指数(PLI)见式(4)。

(4)
式中：PLI为某一点的污染负荷指数；n为所有评价元素的个数。

某一工作区域的污染负荷指数(PLlzone)见式(5)。

(5)
式中：PLIzone为区域的污染负荷指数；n为参与评价样点的实际个数(就是实际采样点的分析个数)，污染负荷指数通常有四个不同的等级，见表3。

表3 污染负荷指数和污染程度之间的关系PLI值<11-22-3≥3污染等级0ⅠⅡⅢ污染程度无污染中等污染强污染极强污染
1.4.4 多元统计方法
本文采用Grapher10.0对土壤重金属在垂向上的分布特征进行绘制，并采用SPASS17.0和Excel处理软件对土壤元素进行数据和图像处理。

2 研究内容与成果
2.1 土壤重金属分布特征
该矿区土壤重金属含量测定及描述性分析结果见表4。

表4 矿区土壤重金属元素含量项目AsCdCrCuHgPbZnNi最大值
80.0000.803112.50066.900181.867119.700120.50070.100最小值
6.8150.09122.30019.00024.07224.10060.1001
7.200平均值
26.8580.32168.05530.87959.04051.55689.45032.070标准差
16.8730.12710.7218.33924.27320.73014.1017.264变异系数
3.2313.1760.2931.4991.9032.7582.7850.291中位数
20.4900.29368.40029.40056.20645.90087.80031.300背景值
16.1000.29867.70029.80060.00038.70085.30031.200
注：Hg含量单位为ng/g;变异系数的单位是%;其余的单位含量是mg/kg。

从表4可以看出，万庄金矿区土壤中As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Pb、 Zn和Ni
的重金属平均含量分别为26.858 mg/kg、0.321 mg/kg、68.055 mg/kg、
30.879 mg/kg、59.040 ng/g、51.556 mg/kg、89.450 mg/kg和32.070
mg/kg。

根据《中国土壤环境质量标准》(GB15618—1995)，对比发现，该矿区土壤中研究的重金属含量超过了二级标准值，说明该地区的重金属存在一定的积累。

除此之外，土壤中重金属的变异系数不尽相同，其中变异系数最大的是As元素，高达323.1%，而Ni元素的变异系数最小，只有29.1%。

经计算，八种重金属由
大到小的变异系数顺序是：As、Cd、Zn、Pb、Hg、Cu、Cr、Ni，其中Cr、Ni
变异系数相对小一些，其余元素的变异系数较大，说明该矿区人为活动严重影响了
该区矿区的土壤化学成分，特别是尾矿、矿渣以及废弃矿的后期处理方式。

2.2 土壤重金属元素在垂向上的分布特征
在万庄金矿区附近各采集了一条土壤垂向剖面，其中1号剖面位于紧邻国家尾矿
库西南角的桃林地中，2号剖面位于远离平谷尾矿库东北方向150 m远的树林中。

两个剖面总共采集了13个样品，将上述土壤样进行分析，得出各个重金属元素在垂向上分布图，如图2和图3所示，其中左侧为1号剖面；右侧为2号剖面。

图2 矿区土壤垂向剖面重金属元素分布图(一)
图3 矿区土壤垂向剖面重金属元素分布图(二)
分析表明：两个剖面的重金属元素总体具有自地表向地下含量减少的趋势且该趋势主要表现在地表至地下1 m处，再向地下则含量趋于稳定；对于1号剖面，60
cm以上重金属含量较高，以下趋于正常，这些元素在地表的富集可能与采矿的粉尘有关。

而2号剖面，距离采矿区尾矿坝较远，整体水平较低。

2.3 土壤重金属污染评价
2.3.1 综合污染指数法评价
经数据分析得出万庄金矿区土壤中的重金属除了Hg以外，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni的实测平均值高于背景含量，由此可以推测，此矿区的污染并非是单一
元素的质量问题，选择综合法来分析污染状况较为准确。

考虑背景值的区域性，选择用平谷区平均土壤重金属的背景含量作为土壤质量标准值，采用综合污染指数计算见表5，土壤重金属综合污染指数分布图见图4。

表5 矿区土壤的重金属污染评价指数项目PiAsCdCrCuHgPbZnNiP平均含量26.8580.32168.05530.87959.04051.55689.45032.070背景值
16.10.29867.729.80.0638.785.331.21.79Pi1.671.081.011.040.9841.331.051.0 3
图4 土壤重金属综合污染指数分布图
由此用内梅罗综合污染指数和单因子污染指数分析数据可得出以下结论。

从表5和图4可以得出，该金矿区土壤的重金属污染指数由大到小顺序为：As>Pb>Cd>Cr>Zn>Cu>Ni>Hg，其中对比得出八种重金属元素都处于中等污染水平，其余元素整体属于中等的水平，都处在1～2之间，属于轻度的污染。

而该矿区的综合污染指数是1.79，说明该区总体上表层土壤处于轻微污染水平，也是矿山的长期开采，矿区周围矿渣的堆积，人为活动以及运输过程中的影响所致。

2.3.2 污染负荷指数法评价
1) 通过污染负荷指数法进行计算并统计得出：在103个样品中，有34个样品的单点PLI均小于1，没有污染；其中68个样品的PLI介于1～2之间，属于中等污染；而仅有一个样品的污染负荷指数是2.258，属于强度污染；经计算该矿区整体的PLI值为1.12，代表中等污染程度。

2) 根据数据的计算结果绘制出采样点位置与每个采样点相对应污染负荷指数PLI 关系图，见图5。

图5 平谷万庄金矿区采样点与污染负荷指数图
由图5可看出，污染负荷指数存在高低起伏的态势，而且高值点和低值点相间出现，分析原因主要是和采样点位置造成的，该矿区附近相隔不远就建设了尾矿坝和冶炼厂房，所以采样点数据评价值和实际距离有一定关系。

3 结论
1) 土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn及Ni平均含量分别为26.858 mg/kg、0.321 mg/kg、68.055 mg/kg、30.879 mg/kg、59.040 ng/g、51.556 mg/kg、89.450 mg/kg和32.070 mg/kg。

2) 矿区两个剖面的重金属元素总体具有自地表向地下含量减少的趋势且该趋势主
要表现在地表至地下1 m处，再向地下则含量趋于稳定；对于1号剖面，60 cm
以上重金属含量较高，以下趋于正常，这些元素在地表的富集可能与采矿的粉尘有关。

而2号剖面，距离采矿区尾矿坝较远，整体水平较低。

3) 在103个样品中，有34个样品的单点PLI均小于1，没有污染；其中68个样品的PLI介于1～2之间，属于中等污染；而仅有一个样品的污染负荷指数是
2.258，属于强度污染；经计算该矿区整体的PLI值为1.12，基本属于中等污染程度。

4) 对于中等污染的点位，主要分布在孔城峪村庄的北山、金矿冶炼厂房与尾矿坝
等比较密集的中心，并呈现条带状分布。

总体来说，矿区污染程度与距离尾矿坝、金矿开采区，金矿冶炼厂房的距离呈现一定的正相关。

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