典型铜尾矿库周边土壤重金属复合污染特征

生态环境学报 2010, 19(1): 113-117 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@

基金项目：全国优秀博士学位论文作者专项资金项目(200549)；国家自然科学基金项目(50874032)；上海市重点学科建设项目（B604） 作者简介：王志楼（1984年生），男，硕士研究生，研究方向为环境微生物学与污染控制。E-mail:zlouwang@ *通讯作者：柳建设，男，博士生导师，研究方向为环境微生物学与污染控制。E-mail:liujianshe@ 收稿日期：2009-11-06

典型铜尾矿库周边土壤重金属复合污染特征

王志楼，谢学辉，王慧萍，郑春丽，柳建设*

东华大学环境科学与工程学院，上海 201620

摘要：应用了Hakanson 潜在生态风险指数法、相关分析法、主成分分析法对德兴铜矿尾砂库周边土壤Cu 、Zn 、Ni 、Pb 、Cr 和Cd 复合污染特征进行研究，定量确定了铜尾矿库潜在生态风险程度、主要污染因子和潜在生态风险因子。结果表明：铜矿尾矿库周边土壤受到不同程度的重金属污染，该地区平均潜在生态风险污染指数超过600，具有极高的潜在生态风险；各重金属潜在生态风险参数由高至低顺序为Cd 、Cu 、Pb 、Ni 、Cr 、Zn ，其中Cd 为主要潜在生态风险因子。进一步通过主成分分析法研究了重金属的污染特性，发现前3个主成分贡献率分别为：65.033%、18.825%、6.243%，第一主成分反映了Zn 、Ni 、Cr 的信息，第二主成分反映了Cu 和Cd 的信息，第三主成分反映Pb 的信息。 关键词：重金属；复合污染；铜尾矿库；潜在生态风险评价；主成分

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2010）01-0113-05

矿山开采导致的矿山生态环境污染已成为全球性的环境问题，日益引起人们的关注。选矿产生的尾矿通常呈泥浆状，尾矿一般存放在尾矿库，小部分尾矿作为充填材料又回填到井下，绝大部分长期堆存尾矿库。选矿废水以及尾矿沉淀后的废液经简单处理后循环使用或用于周边农田灌溉，部分废液经尾矿坝泄水孔直接外排至周边水体。尾矿库中的重金属通过外排的废液或者通过扬尘进入周边环境，从而对周边环境产生重金属污染和危害。同时，选矿必须加入大量的选矿药剂，如捕收剂、抑制剂、萃取剂，这些药剂多为重金属的络合剂或整合剂，它们络合Cu 、Zn 、Hg 、Pb 、Mn 、Cd 等有害重金属，形成复合污染，改变重金属的迁移过程，加大重金属迁移距离[1-3]。因此，在矿产资源开采过程中，尾矿库的重金属是矿山环境污染的重要来源之一[4]。

德兴铜矿是亚洲最大的露天铜矿，其4#尾砂库尾砂坝是亚洲第一大坝，前人研究表明，在矿区开采活动中，致使重金属在土壤中累集，土壤环境质量下降和生态环境恶化。为进一步揭示矿区重金属污染特征，本文对德兴铜矿4#尾砂库周边土壤，尤其是农用土壤重金属污染状况及复合污染特征进行了研究，对指导矿冶周边地区重金属污染土壤生态修复具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采样时间是2008年5月，采用S 形多点采样，在德兴铜矿4#尾砂库坝顶及其坝坡以及坝下游按照

距离增大的顺序采集石墩头村、杜村、浮溪口和海口镇农田，沿线约10 km 的范围内土壤表层样品16件，具体采样点分布位置见图1。

采用四分法挑出一部分新鲜土样，将拣出土壤样品中异物后自然风干，再将风干的土样剔除石块、贝壳、玻璃、残根等杂物后，经石英研钵研细，过1 mm 尼龙网筛，装入塑料袋，供分析测定使用。 1.2 样品分析

土壤重金属元素测定方法为：土壤样品经由浓硝酸-浓盐酸-氢氟酸-高氯酸消解后，采用日立Z-2000原子吸收光谱法进行测定[5]。

图1 土壤重金属取样点分布

Fig.1 Distribution of sampling sites of soil heavy metals

114 生态环境学报 第19卷第1期（2010年1月）

1.3 评价方法

按照Hakanson 潜在生态危害指数法定量划分出潜在生态危害的程度，该指数不仅反映了某一特定环境中的每种污染物的影响，而且也反映了多种污染物的综合影响[6]。污染土壤中污染物的潜在风险参数和潜在生态危害指数法按下式可表示为： i

i e

C F C =

（1） i i i E T F =× （2）

RI i E =∑ （3）

式中，i F 为污染因子，i C 为其污染物实测平

均含量(mg·kg -1)，e C 为某污染物参比值(mg·kg -1)，本研究中采用江西省土壤元素平均背景值为参比值，如表1所示。i E 为潜在风险参数，i E <40为低潜在生态风险；40≤i E <80为中潜在生态风险；80

≤i E <160为较高潜在生态风险；

160≤i E <320为高潜在生态风险；i E ≥320很高潜在生态风险(Hakanson ，1980)。i T 为单个污染物毒性响应参数，Cu 、Zn 、Ni 、Pb 、Cr 和Cd 的毒性响应参数分别为5、1、5、5、2、30(Hakanson, 1980)。RI （risk index ）为潜在生态风险指数，RI <150，表示低潜在生态

风险；150≤RI < 300，

表示中等潜在生态风险；300≤RI < 600，表示较高生态风险；RI ≥600，表示具有极高潜在生态风险[7]。 1.4 数据处理

测定结果用Excel 2003和SPSS 13.0进行数据整理和分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量及分布

4#尾砂库是德兴铜矿目前正在使用的尾砂库，其重金属环境效应主要表现在重金属可能污染坝下游的农田土壤，本文分析了坝下游土壤样品中Cu 、Zn 、Ni 、Pb 、Cr 和Cd 这六种元素含量。从表1中得到，德兴铜矿尾砂库周边土壤16件样品中，Cu 的含量范围为15.8～805.7 mg·kg -1，平均值为195.518 mg·kg -1和Cd 的含量范围为0.3～3.5 mg·kg -1，平均值为1.956 mg·kg -1，两者平均值均明显超过国家二级土壤标准（Cu 50 mg·kg -1，Cd 0.3 mg·kg -1），其中全部16件土壤样品中Cd 的含量均高于国家二级土壤标准，Zn 、Ni 、Pb 、Cr 平均值低于国家二级土壤标准，只有少量样点接近或超过二级土壤标准，该地区Cu 、Zn 、Ni 、Pb 、Cr 和Cd 平均值分别是当地背景值的9.6、1.3、1.7、2.5、1.7和18.1

倍，大部分样点已超过江西环境背景值[8]

（见表2），应引起重视。

可以看出，Cu 的分布基本上随采样点的距离增大，其含量呈逐渐减少的趋势，而其余元素分布没有明显的规律，初娜，赵元艺等人认为由于德兴铜矿周围有银山铅锌矿的存在，尾砂库周围铅锌等元素含量可能受到地质背景的影响，因而分布规律与铜等元素不一致[9-10]。另外，该地区农田存在着污水灌溉的现象，改变了重金属元素的分布情况。因此，影响尾矿库周边土壤重金属分布的因素很多，还需进一步研究。

2.2 土壤重金属潜在生态风险评价

根据公式（1）、（2）和（3），德兴铜矿尾砂库周边土壤中的Cu 、Zn 、Ni 、Pb 、Cr 和Cd 潜在风险参数和潜在风险指数的计算结果见表4。可以看出，Cd 的潜在风险参数最高，平均生态风险参数i E 达到543.403，除T4-4、T4-19、T4-21样点以外，其生态风险参数i E 值均高于320；而T4-4、T4-6、T4-7、T4-8，即石墩头村的四个距离尾砂库较近的采样点的Cu 处于较高生态风险，其余处于低潜在生态风险；其余元素Zn 、Ni 、Pb 、Cr 都处于低潜在生态风险中。各重金属潜在生态风险由高至低顺序为Cd ，Cu ，Pb ，Ni ，Cr ，Zn 。从各采样点的潜在生态风险指数RI 来看，尾矿库除海口镇T4-19处于轻微生态风险中，其余15个样点均处于不同程度的潜

表1 土壤样品中重金属元素质量分数

Table 1 Concentration of Heavy metal elements in soil sample

mg·kg -1

序号土样编号

Cu Zn Ni Pb Cr Cd

1 T4-4 452.444.6 12.6 37.7 45.80.5

2 T4-6 677.242.

3 23.

4 64.1 66.8 2.3 3 T4-7 805.7

52 26.7 76 72.3 2.3 4 T4-8 462.8148.3 43.8 94.6 95.4 2.3 5

T4-9 56.1

108.4 40.3 86.8 99.8 1.4 6 T4-11 59.3145.2 41.1 88.1 98.4 3.2 7 T4-12 56.5112.6 32.1 84.5 81 1.9

8

T4-13 47.6

109.2 44.1 81.3 101.8 2.3 9 T4-14 62.6108.5 39.7 78.6 92.70.9 10 T4-15 147.298.7 49 86.6 103.8 3.5 11 T4-16 92.692.2 50.1 98.6 108.8 3.1 12 T4-17 73.3102.9 45.3 99.2 90 1.9

13 T4-18 29.6111.6 25.9 87.9 61.9 2.3 14 T4-19 15.836.4 14.8 37.5 32.80.3 15 T4-20 49.7105.5 43.1 102.4 89.5 2.1 16 T4-21 39.9

96.8 34.3 112.5 76.5

1

表2 江西土壤元素背景值

Table 2 The background value of heavy metals elements

in Jiangxi Province soils mg·kg -1

元素 Cu Zn Ni Pb Cr Cd 背景值

20.3 69.4 20.0 32.3 45.9 0.108