摘要
本文以承德市隆化县韩麻营镇钒钛磁铁矿矿集区所在的微小流域地表浅层土壤为研究对象，采集194件土壤样品，测试 Cu、Ni、Cd、Cr、Pb、Zn、Hg、As共 8种重金属元素含量，通过内梅罗污染指数法和地累积指数法评估了矿集区周边地表浅层土壤重金属的污染程度，并结合潜在生态危害指数法对矿集区矿区周边地表浅层土壤生态环境风险进行了系统评价。结果显示，研究区地表浅层土壤中 Zn、Cu、Cd元素重金属的含量均明显高于河北省土壤重金属元素含量的背景值，而地表浅层土壤中 Cr、Ni、Pb、As、Hg元素重金属的平均含量略低于河北省土壤重金属元素含量背景值，地表浅层土壤重金属元素的空间分布特征表现为均匀分布。大部分区域土壤重金属污染程度为轻度，少数区域达到中度污染，仅在极个别局部地区出现 Cr、Ni、Zn、Cu、Cd、Pb、Hg的重度污染特征，整体上研究区土壤环境较为清洁。高浓度重金属元素主要集中在矿区及人类活动频繁的区域，表明钒钛磁铁矿及伴生矿物的开采活动以及人类生产活动对土壤重金属的空间分布产生了显著影响。
Abstract
Taking the shallow surface soil of a small watershed where the vanadium-titanium magnetite ore concentration area is located in Hanmaying Town, Longhua County, Chengde City As the research object, a total of 194 soil samples were collected to test the concentrations of eight heavy metal elements, including Cu, Ni, Cd, Cr, Pb, Zn, Hg, and As. The degree of heavy metal pollution in the surface shallow soils surrounding the mining area was assessed using both the geoaccumulation index method and the Nemero pollution index method. Additionally, a systematic evaluation of the ecological environmental risks associated with heavy metals in these surface shallow soils was conducted by employing the potential ecological risk index method. The results indicate that the concentrations of heavy metals Zn, Cu, and Cd in the surface shallow soil of the study area are significantly higher than the background values for heavy metal elements in Hebei Province. In contrast, the average concentrations of Cr, Ni, Pb, As, and Hg are slightly lower than the background values. The spatial distribution characteristics of heavy metal elements in the surface shallow soil exhibit a uniform distribution pattern. The majority of the regions exhibit a mild level of soil heavy metal contamination, while in a few areas it reaches moderate pollution. The severe pollution characteristics of Cr, Ni, Zn, Cu, Cd, Pb, and Hg are observed only in a few localized areas. Overall, the soil environment within the study area is relatively clean. High concentrations of heavy metal elements are primarily concentrated in mining regions and areas with frequent human activities. This indicates that the extraction activities of vanadium-titanium magnetite and its associated minerals, along with human production activities, have significantly influenced the spatial distribution of heavy metals in the soil.
0 引言
矿产资源具有不可替代的经济价值、战略意义和工业支撑作用，是能源供应、技术发展和基础设施建设的重要物质基础，其开采过程不可避免地导致生态环境被损坏。现如今在矿产资源的急剧紧缺和人们对生态环境保护的背景下，推动绿色开采已成为矿产资源开发利用的必然方向。对于矿集区而言，随着开采过程中的物质转运、粉尘飘移会导致重金属污染物发生扩散，使得周围浅层土壤重金属污染问题较为突出，因其具有隐蔽性强、滞后显现、易于积累且治理难度大等特点（Feng et al.，2017；谢配红等，2024），使得对矿区及周边区域土壤重金属生态环境问题的监测与评估显得至关重要。
本文通过对承德市隆化县韩麻营镇钒钛磁铁矿矿集区所在的微小流域进行研究，主要从重金属土壤污染特征及土壤潜在生态风险评价2个方面对矿山周边区域土壤环境特征进行分析。当前，绝大多数有色金属矿山在进行土壤重金属污染评价时，通常采用大范围的区域如中国或各省市的土壤重金属含量作为背景值。然而，由于有色金属矿区周边地表浅层土壤天然重金属含量相对较高，采用大范围区域的土壤重金属元素含量背景值进行对比评价，可能导致评估结果不够准确（毛香菊等， 2016；周艳等，2018）。为此，本研究选取了 Cu、Ni、 Cd、Cr、Pb、Zn、Hg、As 共 8 种重金属元素进行测试，并运用 ArcGIS 空间插值分析法探究其空间分布规律。研究以河北省承德市伊逊河流域土壤重金属基性值作为背景值，结合地累积指数法和内梅罗污染指数法准确评估矿区周边地表浅层土壤重金属污染水平，同时采用Hakanson潜在生态危害指数法分析其生态环境风险，旨在为矿山周边生态环境保护提供科学的理论支撑和技术指导。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于河北省承德市隆化县韩麻营镇，位于燕山山脉褶皱带与内蒙古高原地轴交汇处，属于伊逊河流域，是一个正在以露天开采的形式开发的钒钛磁铁矿床小流域。该区域地势整体呈现东南高、西北低的特点，海拔范围为 421～1370 m，总面积约 210.5 km2（图1），气候类型为中温带大陆性季风气候，年平均降雨量为500 mm（薛玉敏等，2018）。区域内主要地层岩性包括韩三沟门片麻岩、新太古界白庙组黑云斜长片麻岩、中元古代角闪石英二长岩和中生界张家口组流纹岩（江少卿等，2013）。该地区铁矿资源储量丰富，是中国重要的钒钛磁铁矿资源基地（Zhang et al.，2015）。
图1研究区地表浅层土壤样品采集分布图
1.2 样品采集与检测
本研究土壤样品采集以矿区所在的小流域为评价单元，按照《土壤环境监测技术规范》共采集地表浅层土壤样品194件，采样过程中使用DGSS系统进行定位及野外实地记录，综合考虑农作物类型、地层岩性、土地利用方式、受人类活动影响的可能性，采用五点法或梅花法进行采样，采样深度依据土壤有效土层厚度进行判定，有效土层厚度大于20 cm 的，采样深度为 0~20 cm，有效土层厚度不足 20 cm 的，采样深度以实际有效土层厚度为准，从上至下均匀采集每个深度土壤样品，每个土壤样品混样后采集的土壤湿重样品不少于3 kg。采集后的样品集中放在样品制备实验室进行自然风干，初步通过20 目筛进行过筛，去除土壤样品中的大颗粒动植物残体和石块，最终通过研磨，保存研磨后的样品不低于 500 g进行检测。采样时避开了明显的点状污染区、表土破坏区域及人为活动影响区域。通过密码样、监控样等质量控制措施，确保了样品的典型性、代表性以及数据的准确性和精密度。
土壤样品检测工作由华北地勘生态资源监测中心（河北）有限公司负责，主要分析了铬、铜、镍、镉、铅、锌、砷和汞等重金属元素。其中，砷元素的含量通过微波消解/原子荧光法（HJ 680-2013）测定，其余元素则采用火焰原子吸收分光光度法（HJ 491-2019）进行检测。检测过程严格遵循相关规范，并加入10%的空白样品和平行样品以确保数据质量。
1.3 生态风险评价方法
本研究选用内梅罗污染指数法、地累积指数法和潜在生态风险评价法来评估地表浅层土壤重金属的污染程度及其潜在生态风险（张东和张楚儿， 2015；王志杰等，2019；陈自然等，2021；李多杰等， 2021）。
（1）内梅罗综合污染指数
(1)
式（1）中：Ci为样品实际检测值；Bi为评估参考值，评估参考值采用河北省承德市伊逊河流域土壤重金属元素基性值（孙厚云等，2019a，2021）；Pi为单因子污染指数；Pmax为单因子污染指数最大值，P综合为综合污染指数，根据计算结果，重金属的污染程度可分为5级（表1）。
表1重金属污染等级划分标准
（2）地累积指数
Müller（1969）提出了地累积指数法，该方法旨在定量评估沉积物中重金属的污染程度。地累积指数（Igeo）不仅体现了土壤中重金属元素的污染水平，同时兼顾了自然环境过程背景值的影响和社会及人类活动导致的污染（李娟娟等，2006；熊秋林等，2017；鲁斐耀等，2024）。计算公式如下：
(2)
式（2）中：Igeo为地积累指数；Cn为样品实际检测值（mg/kg）；Bn是重金属背景值，根据 Igeo的计算统计结果，将重金属的污染累积程度共分为7级（表2）。
表2地累积指数分级
（3）潜在生态危害指数
本研究还运用了潜在生态危害指数法来评估地表浅层土壤重金属污染的环境风险。该方法充分考虑了不同重金属元素的生物毒性及其对生态环境的影响差异，通过量化单一重金属的潜在生态危害程度并加以综合，来表征多种重金属的复合效应。该方法在矿区土壤重金属污染研究中应用广泛，能够全面反映重金属对生态环境的潜在影响（Hakanson，1980； 陈江军等，2018；张军等，2018；鲍丽然等，2020；邬光海等，2020；刘涛等，2024）。其计算公式为：
(3)
式（3）中：E（i）为单一潜在生态风险系数；Ti为单一毒性响应系数，各金属的毒性系数分别为 Cu= Ni =Pb=5、Cr=2、As=10、Cd=30、Zn=1、Hg=40（徐争启等，2008）；Ci 表示土壤重金属元素的实测值；Co 为土壤中重金属元素的评价标准值，本文采用河北省土壤重金属基性值作为评价标准，各元素潜在生态风险系数 E（i）之和为该地区潜在生态风险指数（RI）。根据计算结果，潜在生态风险评价可分为 5 级（表3），计算公式为：
(4)
表3潜在生态风险评价分级
2 结果与讨论
2.1 重金属总体分布特征
本研究利用 Excel、SPSS 等统计软件对研究区表层土壤中重金属元素的各项指标进行了统计，结合 K-S 检验，对土壤样品中各元素的变异系数、偏度和峰度等统计学参数进行了描述，以揭示研究区表层浅层土壤重金属元素的含量范围及分布特征。由统计结果（表4）可知，所有重金属元素均被检出，且平均值与中位数接近，表明土壤元素含量呈正态分布特征（安永龙等，2020）。从平均值来看，地表浅层土壤重金属元素含量从高到低依次为 Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd>Hg。将研究区地表浅层土壤重金属元素平均值与河北省土壤重金属元素背景值对比发现，Zn、Cu、Cd等3种元素的平均含量高于河北省土壤重金属元素背景值，而Cr、Ni、Pb、As、Hg等 5种元素的平均含量则略低于河北省土壤重金属元素背景值。
通过分析土壤重金属含量的离散性和变异性，可以揭示钒钛磁铁矿矿集区内8种重金属的分布及污染状况。当变异系数小于 1 时，表明元素的空间分布较为均匀，变异性和离散性较低；而当变异系数大于1时，则说明元素的空间分布不均匀，易受外界因素影响（Li et al.，2017）。根据表4数据，除 Cu 和Hg外，其他重金属元素的变异系数均小于1.0，范围为 0.27~0.90，表明其空间分布差异较小。而 Cu 和Hg的变异系数分别为1.07和1.51，显示出较大的空间分布差异，可能受到交通运输、矿业扬尘等局部人为污染源的影响（钟巧等，2016；孙厚云等， 2019b）。
2.2 重金属空间分布特征
借助空间分布分析可以有效识别污染区域，本研究采用 ArcGIS 中的克里金空间插值法进行插值分析，该方法在重金属空间分布研究中应用广泛。根据插值结果（图2）显示，As 元素在整个研究区土壤中的含量普遍较低，处于较清洁状态；Cr、Ni、Zn、 Pb元素的高值点较少，其中高值点个数从高至低依次为Cr>Ni>Zn>Pb，并且Cr、Ni、Zn、Pb等4种元素高值点多在山脊上呈零星分布，而 Cu、Cd、Hg 元素的高值点相对较多，主要集中在矿山及尾矿库周边区域。
表4地表浅层土壤重金属含量分析统计
图2研究区地表浅层土壤重金属含量分布图
2.3 重金属污染累积程度评价
2.3.1 内梅罗污染指数评价结果
为更清晰地评估土壤重金属污染对农产品安全、农作物生长及生态环境的潜在影响，本研究以河北省土壤重金属基准值为标准，计算了研究区铬 （Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷 （As）和汞（Hg）8种重金属的单项污染指数。通过评价结果（图3），可以判断出研究区大部分样点均表现为无污染或轻度污染，仅有极少数样点的 Cr、Ni、 Zn、Cu、Cd、Pb 和 Hg 表现出严重污染特征。其中， Hg 的重度污染点占比为 3.94%，Cu 为 2.74%，Cr 为 1.31%，其他元素的重度污染点占比均低于 1%，这些元素与钒钛磁铁矿矿山存在较强的关联性（孙厚云等，2021）。综合污染指数显示，几乎所有样点表现为无污染或轻度污染，仅 0.11% 的点位达到中度污染水平，表明研究区重金属污染状况总体良好，环境质量较为清洁。
图3研究区不同污染级别样点数占总数百分比
2.3.2 重金属地累积程度
通过地累积指数的计算，可以反映研究区重金属元素的富集程度，该方法在土壤重金属生态风险评估中应用广泛，本研究以河北省承德市伊逊河流域土壤重金属基准值为参考，对194件样品的8种重金属元素进行了地累积指数分析，研究区地表浅层重金属的污染累积程度从高到低依次表现为：Cu>Cr>Zn>Ni>As>Hg>Cd>Pb。其中，Cu 元素无积累或无 — 中度积累的样品占比为 97.26%，Cr 元素为 98.69%，Zn 元素为 99.78%，Ni 元素为 99.67%，As 元素为100%，Hg元素为96.06%，Cd元素为99.67%，Pb 元素为 99.89%。除 Ni、Pb和 As元素外，其他 5种重金属元素的部分样品地累积指数超过 2，表现为土壤重金属元素累计程度达到中强积累以上，说明研究区地表浅层土壤已受到不同程度的污染（图4）。特别是个别样品点的 Cu 和 Hg 元素累积程度极高，分别有 2个和 3个样品点达到强积累—极强积累水平，说明这些元素在局部区域已达到严重污染程度。
2.4 土壤重金属潜在生态风险评价
本研究采用潜在生态风险指数法对区域内铬 （Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷 （As）和汞（Hg）8 种重金属元素的生态风险进行评价。该方法综合考虑了环境影响及土壤中重金属总量等因素，能够有效体现单一元素对生态系统的潜在危害。通过分别计算各元素的潜在生态风险系数E（i）值和综合潜在生态风险指数RI值。得出各元素的 E（i）值范围如下：Cr 为 0.36～12，Ni 为 0.84～23.5，Zn 为 0.6～9.1，Cu 为 2.4～160.3，Cd 为 10～765.5，Pb 为 0.6～28.3，As 为 1.2～22.6，Hg 为 6.6～1392；RI 值范围为 44.4～2259.05。分析结果显示， Cr、Ni、Zn、Pb、As共5种元素的E（i）值均≤40；Cu、Cd、 Hg 共 3 种元素的 E（i）值在 40～80 的占比分别为 0.5%、8.2%、30%，表明这些元素的 E（i）值较低；而 Cu、Cd、Hg共 3种元素的 E（i）值在 80～160占比分别为0.1%、0.2%、5%，表明其E（i）值上升幅度较小。Hg元素的 E（i）值在 40～80、80～160、160～320 及 320 以上的占比分别为 30%、5%、1.6% 和 0.4%，显示出 Hg的E（i）值随数值上升而快速增加的趋势。RI值在 44.4～2259.05，其中 RI 值 <150 的占比为 91.7%， 150～300的占比为 7.4%，300～600的占比为 0.6%，大于600的占比为0.3%。通过E（i）值和RI值的分析可知，研究区大部分区域处于轻度污染，少数矿区及尾矿库周围区域为中度污染，极少数区域为严重生态污染，表明研究区土壤环境总体良好，但需对个别中度污染区域采取改良措施（图5）。
图4研究区土壤重金属累积程度占比
图5重金属综合潜在生态风险分布图
3 结论
通过对矿集区周围地表浅层194份土壤样品中的重金属元素进行污染及生态风险评价，取得以下认识：
（1）对重金属元素总体分布进行统计分析发现，研究区地表浅层土壤中重金属元素 Zn、Cu、Cd 共3种重金属元素的平均含量均高于河北省土壤重金属元素背景值，而Cr、Ni、Pb、As、Hg共5种重金属元素的平均含量均略低于河北省土壤重金属背景值，重金属元素 Zn、Cd、Cr、Ni、Pb、As 共 6 种元素的变异系数较小，空间分布相对均匀，而重金属Cu、Hg 元素的变异系数相对较大，空间分布有较大差异，表面局部可能存在如交通运输、矿业采掘扬尘等人为影响因素产生的点状污染源。
（2）通过内梅罗污染指数和地积累指数评价可以看出，土壤重金属元素中 Cr、Ni、Zn、Cu、Cd、Pb、 Hg元素在极少数特定区域表现出严重污染的特征，其中元素Hg、Cu和Cr污染面积占比相对较高。
（3）通过对重金属潜在风险的评估，研究区域的大部分污染程度属于轻微污染，少部分为中等污染，极少数区域表现出较强的生态污染。这表明，研究区的土壤环境总体状况良好，整体维持在一个较为清洁的水平。
