西南铅锌冶炼企业周边土壤重金属污染风险评估及源解析.pdf

第42 卷第4期2023年8 月土壤与重金属西南铅锌冶炼企业周边土壤重金属污染风险评估及源解析张爱民，蒋盈盈，轧宗杰，杨秋林，赵栗笠，侯梦3（1.四川发展环境科学技术研究院有限公司，成都6 10 0 41；2.绵阳市机动车污染监控及固体废物管理中心，四川绵阳6 2 10 0 0；3宜宾三江新区城乡融合发展局，四川宜宾6 440 0 2）摘要：西南地区铅锌矿资源集中且储量丰富，为研究西南地区典型铅锌冶炼企业周边土壤重金属污染程度、风险及来源，选取铅锌冶炼企业周边土壤为研究对象，测定Cd、Pb、Z n、C u、Ni、H g、A s 7 种重金属，运用地累积指数评价、潜在生态风险指数评价进行风险评估，并通过多种分析模型对重金属来源进行解析。结果表明：七种重金属含量均超过区域土壤背景值；Igeo表现为Ni、Cu、A s 处无污染水平，Zn和Cd分别处中到强污染和极强污染水平；Zn、Cu、Ni、A s 的Ei均值小于40 呈轻微生态风险水平，Pb、H g、C d 则处于强、很强、极强风险水平，RI值为10 6 6 5.7 4处极强生态风险水平。源解析结果表明，Cd、Pb、Z n、C u、H g、A s 同源，为人为工业源（6 7.47%），Ni为自然源（32.53%）。铅锌企业冶炼生产过程中产生的重金属已对周边土壤造成污染并呈现较高风险水平，今后需加大相关企业生产过程中各环节的监管力度。关键词：西南地区；土壤重金属；污染特征；风险评估；源解析中图分类号：X53Risk Assessment and Source Analysis of Heavy Metal Pollution inSoils around Lead and Zinc Smelters in Southwest ChinaZHANG Ai-min,JIANG Ying-ying,YA Zong-jie,YANG Qiu-lin,ZHAO Li-li,HOU Meng(1.Sichuan Development Environmental Science&Technology Research Institute Co.,Chengdu 610041,China;2.The Motor Vehicle Pollution Monitoring&Solid Waste Management Center of Mianyang,Mianyang,Sichuan 621000,China;3.Yibin Sanjiang New Area Urban-Rural Integration Development Bureau,Yibin,Sichuan 644002,China)Abstract:In southwest China,lead and zinc mineral resources are concentrated and abundant.In order to study the degree,risk and sources of heavy metal pollution in soils around typical Pb-Zn smelting enterprises in southwest China,this paperselectedthe soil around Pb-Zn smelting enterprises as the research object,determined seven heavy metals,Cd,Pb,Zn,Cu,Ni,Hg and As,using the geo-accumulation index and potential ecological risk index methods for risk assessment,analyzed thesources of heavy metals through various analysis models.The results showed that the contents of the seven heavy metals exceededthe regional soil background values;Igeo showed that Ni,Cu and As were at no pollution level,Zn and Cd were at moderate tostrong pollution and very strong pollution levels,respectively;The average Ei values of Zn,Cu,Ni and As were less than 40,indicating a slight ecological risk level,while Pb,Hg and Cd were at a strong,very strong and extremely strong risk levels,andRI values were 10665.74 at the very strong ecological risk level.The source analysis results showed that Cd,Pb,Zn,Cu,Hgand As were homogenous and were from anthropogenic industrial sources(67.47%),while Ni was from natural source(32.53%).The heavy metals generated during the smelting and production of Pb and Zn enterprises have caused pollution tothe surrounding soil and presented a high risk level,therefore,it is necessary to strengthen the supervision of all links in theproduction process of related enterprises in the future.Keywords:Southwest region;soil heavy metals;pollution characteristics;risk evaluation;source analysis四川环境SICHUAN ENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.04.031文献标识码：A文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 4-0 2 2 9-10Vol.42,No.4August 2023收稿日期：2 0 2 2-0 6-14作者简介：张爱民（198 1），男，四川仪陇人，清华大学资源与环境专业在读博士，工程师，主要从事生态环境工作。通讯作者：蒋盈盈，2 2 6 2 10 57 43 。230前言近几十年来，随着我国经济的快速发展，由工业生产带来的环境问题逐渐受到关注，其中土壤污染正逐步呈现出区域化及流域性的特征 ，对我国人居环境、农产品及生态环境等安全带来了较为严重的影响。因此，系统全面的掌握我国土壤污染区域化特征并探究污染原因，针对各污染分区提出有效的修复治理或风险管控方法，已成为今后土壤工作开展的主要方向 2 。全国土壤污染状况调查公报（2 0 14）显示，全国土壤状况不佳，整体点位超标率为16.1%，中、重度污染点位占比分别为1.5%和1.1%，工矿业废弃地土壤环境问题突出、耕地土壤环境质量堪忧，镉、汞、砷、铅的含量分布从西北到东南、从东北到西南呈增高态势 3。重金属有多种途径可以进人到土壤之中，如矿山开发开采冶炼、化石燃料燃烧、运输及固废堆放等，其中重金属冶炼是对土壤中重金属积累贡献最多的过程之一，诸如像冶炼过程产生的烟尘排放沉降、废渣废水不规范处置等过程都会造成相关企业周边土壤重金属的积累和污染。西南地区作为我国矿产资源最丰富的区域之一，其矿产资源储量大，分布较多铅锌矿 4，虽然我国西南地区的土壤重金属含量背景值较其他地区高，但矿产资源开发过程中人为因素造成的土壤重金属污染不可忽视 5，粗放的监督管理，废渣和废水不规范处置，加之西南山区频繁的降雨，造成矿区及相关企业周边出现不同程度的土壤重金属污染 6 ，并呈现出由点状向流域状的线、面污染转变的趋势 7 ，因此对西南地区典型铅锌企业周边开展土壤污染状况调查显得尤为重要。本文选择西南某地区41家典型铅锌冶炼企业周边土壤作为研究对象，通过地累积指数法、潜在生态风险指数法对研究区域土壤重金属污染状况、生态风险状况进行评估，利用相关性、主成分分析法及正定矩阵因子分析模型源解析方法对重金属来源进行解析。通过对多个典型铅锌冶炼企业周边土壤进行多点位调查，明确企业周边重金属污染现状特征及风险状况，并厘清污染成因及源头，为现阶段污染源头“截源”，阻控重金属污染由点转面，及后续针对西南地区涉铅锌企业腾退后，污染状况详查及污染分区划分，实现为不同污染特征分区提出针对性的修复治理技术提供数据支持。四川环境1材料与方法1.1区区域概况研究区位于我国西南某地区，该地区矿产储量丰富，地质类型繁多，是我国矿产资源最丰富的区域之一 8 1.2样品的采集以研究区内41家典型铅锌冶炼企业为研究对象，以企业为采样单元，在企业厂界红线外2 km内采集裸露土壤表层样品（0 2 0 cm），每个采样单元设置采样点位34个，以梅花点法采集5个土壤样品，现场进行混合并使用四分法取1kg左右的土壤进行样品留存，总计采集12 7 个土壤样品，放置自然风干后，经研磨过筛等制备流程，放人自封袋中密封保存。1.3样品的测定土壤中Cd（镉）、Pb（铅）、Zn（锌）、Cu（铜）、Ni（镍）采用原子吸收光谱法进行测定（H J8 0 3-2 0 16），H g（汞）和As（砷）选用原子荧光光度法进行测定（HJ680-2013），p H 值使用电极法进行测定（HJ962-2018）。1.4评价方法本文以GB156182 0 18 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准9（下称“标准”）为评价标准，选用地累积指数法和潜在生态风险指数法分别对重金属污染程度和生态风险程度进行评价。1.4.1地累积指数法地累积指数法 10 将测量的重金属含量与土壤的背景值进行比对，充分考虑自然地质作用和人为活动引起的元素背景值变动，通过综合土壤母质、人为因素对土壤重金属含量的影响，对影响程度定量化，判断影响重金属变化的主要因素，计算方法如下：C,Igo=log21.5 B;式中：Igeo代表地累积指数；C.代表样品中重金属i的实测值；1.5为修正系数，B；代表样品中重金属i的参比值（当地土壤重金属背景值，选自中国土壤元素背景值），地累积指数分级分为7级，分级标准如表1所示。1.4.2潜在生态风险指数法生态风险评估作为一种可以评价人类活动对生态系统中生物可能构成危害效应的方法，可以用来确定生态效应同风险源之间的关系、判断危害物质对生态系统产生明显危害的概率 1，本文选用潜42卷(1)4期在生态风险指数评价方法，该方法作为国际上土壤重金属研究中常用的方法，同时考量土壤背景值及实测数值间的区别，评估包括重金属性质、含量水平、环境行为特点、生态效应等可能引起的生态环境风险 12 ，能同时反映单指标及多重金属的综合生态效应风险，可弥补地累积指数评价在反映样品整体污染情况上的不足。计算方法如下：RI=Z1-0E,=Z10(T,C)=Zi=0(T,%)C(2)式中：Ci代表样品中重金属i的实测值；Ci表1研究区评价方法分级标准Tab.1 Study area evaluation method grading criteria地累积指数分级标准污染程度等级无污染0级轻度污染1级中度污染2级中度污染到强污染3级强污染4级强污染到极强污染5级极强污染6级张爱民等：西南铅锌冶炼企业周边土壤重金属污染风险评估及源解析EiIgo0轻微0Igeo1中等1Ig.o2强2Igeo3很强3Igeo4极强4Igco5Igeo5231代表样品中重金属i的参比值（当地土壤重金属元素背景值，选自中国土壤元素背景值）；T,代表样品中重金属i的毒性效应系数，各重金属毒性效应参数采用Hakanson制定的标准作为评价依据，即:Cd=30、Pb =Cu =Ni =5、Z n =1、H g =40、As=10；代表样品中单项土壤重金属i的污染系数；代表样品中重金属i的潜在生态危害风险系C数；代表多个重金属潜在生态危害风险指数。潜在生态危害风险分级选用Hakanson标准 13。如表1所示。潜在生态风险指数分级标准生态风险程度Ei4040Ei8080Ei160160Ei320Ei320RIRI150150RI300300RI600600RIMDL572.62、32 8 6.0 3、6 0.39、34.49、0.47、2 6.2 0 mg/k g,(5)均超过背景值，Cd、Pb、Z n 尤为突出，分别是背景值的339.31、18.53、37.9 9 倍，其中全部样品Cd元素，96.0 6%的样品Pb元素及95.2 8%的样品中Zn元素超过背景值；与标准筛选值进行比较，Cd、Pb、Z n 超标较为严重，分别是筛选值的45.24、3.37 和10.9 5倍，对应样品超标率分别为88.19%、47.2 4%、7 3.2 3%；各土壤重金属偏度均大于0，峰度均远大于3，各重金属均表征为非正态分布的厚尾、右偏态属性；变异系数以CV23210%为弱变异性、10%CV Z n （2.8 9）Pb （1.94）H g(1.24）A s （-0.14）C u（-0.40）Ni（-0.8 2），C d、Pb、Z n、H g 累积情况突出，Cd、Pb、Z n、H g 在中度及以上污染水平样品分别占比14121086张爱民等：西南铅锌冶炼企业周边土壤重金属污染风险评估及源解析25%75%最小 最大：中位线均值23397.64%、6 6.9 3%、8 0.31%、51.9 7%；Z n 元素，19.69%处于轻度污染及以下，其在中度及以上污染分级中分布较为均匀，各占比15%左右；Cu、Ni、A s 的Igeo均值在O以下，中度及以上污染水平样品分别占比11.0 2%、3.15%和14.96%，其中Ni元素污染情况最轻，8 2.6 8%的样品无污染。6级5级4级3 级2 级1级0 级10080(%）早6020-2-44020-62.2.2重金属潜在生态风险评价如图3所示，Ei均值从大到小为Cd(10179.30）Hg(315.60）Pb（9 2.6 6）Z n（37.9 9）A s(19.00)Cu(9.71）Ni(5.2 9)。Z n、C u、Ni、A s的Ei均值小于40,整体呈现为轻微风险级别，其中所有样品Ni元素的Ei值均处于轻微生态风险级别下，其风险程度及对整体RI值的贡献最低；其次为Cu，有96.8 5%的样品处于轻微生态风险，仅4个样品处于中度及以上风险；Cd、H g、Pb 生态风险较为严重，Cd元素Ei均值为10 17 9.30，远超0CdPhZnCuNi重金属类别图2 研究区土壤重金属地累积指数情况Fig.2 Soil heavy metal land geo-accumulation index in the study area极强水平32 0 的界值，仅1个样品为中等风险水平，在强、很强、极强风险水平上样品占比分别为7.87%、7.0 9%、8 4.2 5%；Pb 元素均值处于强风险状态，但6 5.35%的样品Pb处于轻微生态风险水平，仅18.90%处于强风险及以上水平；Hg主要处于强及以上风险水平，从轻微到极强生态风险分别为11.8 1%、18.11%31.50%、17.32%、2 1.2 6%。RI均值为10 6 6 5.7 4,处潜在极强生态风险水平,呈现极强生态风险水平的样品占6 6.93%，从各重金属对RI贡献来看，Cd、H g 是主要贡献重金属。HgAsCdPbZn重金属类别CuNiHgAs234340000300000600005000040000四川环境25%75%工10%90%一中位线均值异常值3221505AHHHH10.170工8 040T4.3902.4802.4402.4002.360元42卷极强很强强中等轻微1008060(%）早号T20300002000010000F1RI2.3土壤重金属来源解析2.3.1相关性分析土壤重金属的来源途径众多，本研究使用相关性分析作为初步源解析方法 18 ，土壤重金属之间对应的相关系数越高，代表不同重金属来自同一污染源的可能性就越高，相反则说明可能存在多条污染源 19。本研究采用皮尔逊相关系数法进行分析，Tab.3Correlation coefficient matrix of soil heavy metal content in the study area检测项目CdCd1Pb0.803*Zn0.853*Cu0.853*Ni0.028Hg0.715*As0.938*注：*表示在0.0 1（双尾）水平上显著相关；*表示在0.0 5（双尾）水平上显著相关2.3.2PCA模型来源解析通过主成分分析法（PCA）对研究区内土壤重金属来源做进一步分析，通过KMO和Bartletts球体检验显示，KMO=0.7840.5，Ba r t l e t t s 球体检验P=0 Z n（2.8 9）Pb（1.9 4)Hg（1.2 4）A s （-0.14）C u（-0.40）Ni（-0.8 2），C d 最严重处于极强污染水平，Ni污染情况最轻，8 2.6 8%的样品Ni表现为无污染水平；因地累积指数只表征每个采样点位单指标的累积情况，为全面表现土壤整体潜风险情况，运用重金属潜在生态风险评价表明各重金属潜在生态危害风险系数，结果表明：Cd（10 17 9.3 0）H g(315.60）Pb （9 2.6 6）Z n （3 7.9 9）A s(19.00）C u （9.7 1）Ni（5.2 9)，C d、H g、Pb生态风险较为严重，分别处于极强、很强、强风险级别，RI均值表现综合潜在生态风险为极强生态风险水平。（3）西南某地区典型铅锌冶炼企业周边土壤重金属源解析结果表明：主成分分析法和正定矩阵因子分析模型法分析结果吻合，表现为以Cd、Pb、Zn、C u、H g、A s 同源的人为工业源和Ni元素的自然源两类，贡献率分别为6 7.47%和3 2.53%。（4）通过研究，探明西南某地区铅锌企业周边土壤重金属污染状况严重风险较高并已厘清各重金属污染源头，本文对后续涉铅锌冶炼相关企业管控重点目标及方向起到了一定的指导作用。参考文献：1周建民，党志，蔡美芳，等.大宝山矿区污染水体中重金属的形态分布及迁移转化 J.环境科学研究,2 0 0 5，（3）5-10.2骆永明，滕应.我国土壤污染的区域差异与分区治理修复策略 J.中国科学院院刊,2 0 18,3 3（2）：145-152.3庄国泰.我国土壤污染现状与防控策略 J.中国科学院院刊,2 0 15,3 0(4):47 7-48 3.4邓代莉重金属污染对土壤酶活性和微生物群落结构的影响研究 D.成都：成都理工大学.2 0 19.5陈运惟，王文杰，师华定，等.区域土壤重金属空间分布驱动因子影响力比较案例分析 J.环境科学研究,2 0 19,3 2（7)：1213-1223.6黄楚珊，胡国成，陈棉彪，等.矿区家庭谷物和豆类重金属含量特征及风险评价J.中国环境科学,2 0 17,3 7（3）：117 1-1178.【7 余涛,蒋天宇,刘旭，等.土壤重金属污染现状及检测分析技术研究进展 J.中国地质,2 0 2 1,48（2）：46 0-47 6.8张健琳基于Meta分析的西南矿区土壤重金属污染特征及风险评价 D.武汉：湖北大学,2 0 2 1.9生态环境部，国家市场监督管理总局.中华人民共和国国家标准：土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准CB156182018S.北京：中国标准出版社，2 0 18.10MULLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the RhineRiverJ.Geojournal,1969,2:108-118.11张义烽，黄强，霍婷婷，等.典型企业场地周边土壤重金属污染水平及风险评价 J.四川环境，2 0 2 2,41（2）：18 0-18 5.12陈丹丹，谭璐，聂紫萌，等.湖南典型金属冶炼与采选行业企业周边土壤重金属污染评价及源解析J.环境化学，2021,40(9):2667-2679.13HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollutioncontrol.A sedimentological approach J.Water 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