随着矿产资源的开发与利用，重金属通过各种途径进入环境，造成土壤污染^[1]。我国70个矿区的1 672个土壤点位中，超标点位占33.4%^[2]。目前我国95%的能源和80%的原材料均依靠开采矿产资源。由于开矿、冶矿的废弃矿址的废渣中会含有大量Cd、Pb、Zn等重金属，这些重金属进入土壤环境后，因不能被微生物分解而易于在土壤中积累，并在农作物中积累，有可能通过食物链进入人体，从而对人体健康构成严重威胁，这已经引起了国内外学者的广泛关注^[3]。意大利北部Vigonzano区铜矿区研究发现尾矿区有较高含量的Cr、Ni、Cu、Co等元素富集^[4]。内蒙古包头铁矿区土壤受到Pb、Cu、Zn和Mn不同程度的污染，综合污染指数分别达到1.9、1.6、10.2和2.4^[5]。贵州万山汞矿区土壤中Cr、Cu、Cd、Pb和Hg含量超过贵州省土壤背景值，大多数土壤处于中重度污染水平^[6]。西部矿业城市土壤重金属总体污染程度为Ni＞Co＞Cu＞Cd＞As，而不同土壤利用类型的综合污染程度存在明显差异，其中水域、绿地、工业用地、道路广场用地和居住用地均达到重污染^[7]。南京栖霞山铅锌矿区菜园土壤中Pb、As、Cd和Zn等重金属污染严重，部分土壤存在Cu的轻度污染^[8]。可见，矿区重金属污染不可忽视。

奴拉赛铜矿区位于新疆尼勒克县，距今有2 500多年的开采历史，是国内典型的铜矿开采区。长期的开采是否对周围土壤环境造成影响是大家关注的热点；通过对尼勒克县奴拉赛铜矿矿区、尾矿、农田的土壤进行调查与取样分析，研究不同土地利用方式下土壤重金属Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr含量的分布特征，通过单因子污染指数、综合污染指数法和潜在生态风险法对土壤重金属污染及生态风险进行评价，为该区域土壤安全及矿产资源合理开发提供理论参考。

奴拉赛铜矿遗址位于新疆尼勒克县城南约3km，于20世纪50年代被地质勘探所发现，并于80年代由考古与地质部门合作先后进行了调查和发掘^[9]，是新疆维吾尔自治区和国务院重点文物保护单位。其地理位置为43°76′76.1″N，82°47′45.5″E，海拔1 256 m，属大陆性温带气候，较温和湿润，年平均气温为5.6 ℃，无霜期110 d左右，5—8月平均气温为13.9~17.93 ℃，年平均积温达2 820.8 ℃。降水量较为充沛，年平均为345.1 mm。冬季积雪较多，覆雪稳定。

在奴拉赛铜矿及周边不同土地利用方式（矿区、尾矿、农田）进行布点，共采集土壤剖面21个，其中矿区9个、尾矿4个、农田8个（图 1），各采样点均用GPS准确定位，采样深度为70 cm，采样层次为0~5、5~10、10~20、20~30、30~50 cm和50~70 cm，按照土壤环境质量标准进行土壤样品采集。采集的土壤经自然风干，去除石头和植物残体等杂物后磨碎，过16、60目（1、0.25 mm孔径）尼龙筛后分别进行土壤理化性质和重金属含量测定。

图 1 研究区域及采样点分布示意 Figure 1　Study area and sampling point distribution diagram

图选项

重铬酸钾-外加热法^[10]测定土壤有机质含量；碱解扩散法测定土壤速效氮含量；碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量^[11]；浸提法（土水比1:5）测定土壤电导率及pH值，残渣烘干-质量法测定总盐；Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr 6种重金属全量用王水（HCl与HNO₃为3:1）-HClO₄和过氧化氢消煮，石墨炉原子吸收光谱法（TAS-990）测定。

根据不同采样点位和不同区段的整体调查，分别采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区域土壤重金属污染状况进行综合评价。土壤环境背景值参考新疆土壤背景值^[12-14]。

单因子指数法是国内外普遍采用的方法之一，可用于监测某单个重金属元素对区域的污染程度。是对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价，其计算公式为^[15]：

(1)

式中：P_i表示污染因子单因子指数；C_i表示实际测得土壤浓度，mg·kg^-1；S_i表示土壤环境质量标准，mg·kg^-1。单因子污染指数分级见表 1。

表 1　土壤重金属污染分级标准^[15] Table 1　Criteria for classification of soil heavy metal pollution^[15]

表选项

内梅罗综合污染指数法能够较为综合地反映土壤中不同污染物的污染程度，兼顾污染物的平均值和最大值，是当前被广泛使用的综合评价方法之一^[15]。其计算公式为：

(2)

式中：I为综合污染指数，P_max为各单因子环境质量指数中最大的指数，P_ave表示各单因子环境质量指数的平均值。重金属污染越严重则数值越大。内梅罗污染指数分级见表 1。依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5个等级，如表 1所示。

对于重金属的生态危害评价，瑞典学者Hakanson于1980年提出了潜在生态风险指数法，该方法兼顾了环境中各项污染物影响和多种污染物综合影响，并定量地划分出潜在危害程度^[16]，是目前科学评价土壤重金属污染的先进方法。潜在生态风险指数RI的计算方法如下：

(3)

式中：C_i为重金属i的实测值；S_i为评价参照值，参比值和评价标准为新疆土壤元素背景值^[12-14]。E_i为重金属单项潜在生态危害指数。T_i为重金属i的毒性系数，此值反映了该种重金属的毒性水平及水体对其污染敏感性。分级标准见表 2。

表 2　重金属潜在生态危害水平和毒性系数^[16] Table 2　The level of potential ecological hazard and toxicity coefficients of heavy metals^[16]

表选项

试验数据使用Excel 2010、Origin 9.0和SPSS19.0进行统计与绘图。

表 3为奴拉赛铜矿周边土壤基本理化性质。从表中可以看出，奴拉赛铜矿区、尾矿和农田土壤偏碱性，pH值变化范围不大，其中0~30cm表层土壤中pH值为6.5~7.5，30~70 cm土层中土壤pH值为6.7~7.8。0~30 cm土壤中，矿区的电导率最高，其次为农田和尾矿；而在30~70 cm土壤中电导率大小为：矿区＞尾矿＞农田。随着矿石的开采，废渣暴露地表后，土壤酸化明显，土壤电导率增高。研究发现，矿区土壤表层以下50 cm范围，酸化明显，土壤总酸和交换性酸高于周边农田土壤，分别达到2.9~4.1倍和2.4~2.5倍，且显著高于土壤背景值^[17]。不同土地利用类型表层（0~30 cm）土壤中有机质含量高于深层（30~70 cm）土壤，且矿区＜尾矿＜农田。矿区、尾矿和农田在表层（0~30 cm）土壤速效氮含量分别为2.0±1.0、12.0±0.1、15.0±2.0 mg·kg^-1，土壤速效钾含量分别为78.0±2.0、191.0±2.0、311.0±3.0 mg·kg^-1；深层（30~70 cm）土壤，矿区、尾矿和农田在土壤速效氮含量分别为2.0±0.2、12.0±0.5、14.5±3.0 mg·kg^-1，速效钾含量分别为104.0±3.0、153.0±1.9、265.0±4.0 mg·kg^-1，不同土地利用类型土壤速效氮和速效钾含量均表现为：农田>尾矿>矿区。矿区土壤有机质含量较低，速效氮、有效磷和速效钾含量特征基本一致，土壤氮素主要来自土壤有机质的生物降解，因而与有机质含量存在一定的正相关性^[18]。裸露岩矿加速风化过程，堆置于土壤上的采矿碎石和尾砂的雨水淋洗过程，导致大量Ca、Al、Fe等元素释放，通过固定、沉淀作用使土壤有效磷含量明显降低^[19-20]。而在酸性条件下，土壤中钾离子可溶性增加，流失量加大，使得土壤速效钾含量降低。

表 3　土壤样品基本理化性质 Table 3　Basic physical and chemical properties of tested soil samples

表选项

不同土地利用类型重金属含量如表 4所示，矿区土壤Cr、Cd、Cu、Ni、Zn、Pb含量分别为3.17、0.14、17.86、0.66、0.64、0.91mg·kg^-1，均未超过新疆土壤自然背景值，处于安全水平。尾矿土壤Cr、Cd、Cu、Ni、Zn、Pb含量分别为2.07、0.06、106.21、1.06、0.67、2.5 mg·kg^-1，土壤中仅Cu含量超过新疆土壤自然背景值（28.8 mg·kg^-1）^[12-14]；农田土壤中Cr、Cd、Cu、Ni、Zn、Pb含量为2.14、0.06、19.96、0.91、0.47、1.13 mg·kg^-1，均未超过新疆土壤背景值，处于安全水平。不同土地利用方式的6种重金属元素的变异系数最大的是矿区Cu，高达59.63%，变异系数最小是农田区Cd，只有11.11%。整体上，重金属元素矿区变异系数由小到大的顺序为：Zn＜Cr＜Pb＜Cd＜Ni＜Cu。除了Cu以外，其他5种重金属的变异系数都小于50%。Cu的变异性较强，空间分布差异显著，受人类工业生产、交通、商业等活动的干扰较为强烈，而其他元素受人类活动的干扰则较小。尾矿区变异系数由小到大的顺序为：Cr＜Pb＜Ni＜Zn＜Cd＜Cu，变异系数都小于50 %，受人类活动的干扰则较小。农田区变异系数由小到大的顺序为：Cd＜Pb＜Cr＜Ni＜Cu＜Zn，除Zn（50.84%）外其他5种重金属的变异系数都小于50%。由此看来，人为活动对奴拉赛矿区周边土壤环境的影响不大。

表 4　奴拉赛矿区周边土壤重金属含量特征 Table 4　The contents of heavy metals in the soils of Nulasai mining areas

表选项

单因子评价法和内梅罗（Nemerow N L）综合污染指数法是常用来评估土壤重金属污染程度关键指标^[21-22]。不同深度土壤重金属含量分析有助于判断土壤重金属的来源，表层0~30cm一般是农业利用主要层次，即农业土壤的耕作层，若深层（30~70 cm）土壤重金属含量高于表层，表明土壤重金属有可能来自于土壤自然成土过程。对奴拉赛矿区不同土地利用类型土壤重金属污染现状进行分析，见表 5。结果表明，单因子污染指数和综合污染指数均较低，分别为P_i≤ 0.7和I≤0.7，因此不同土地利用类型土壤均处于安全范围之内。从表层（0~30 cm）土壤来看，3种不同土地利用方式土壤都未受到6种重金属污染；深层（30~70 cm）土壤来看，矿区、尾矿和农田土壤6种重金属的单因子污染指数和综合污染指数均为P_i≤0.7和I≤0.7，在安全范围之内。

表 5　奴拉赛矿区不同土地利用类型土壤重金属污染评价指数及生态风险指数 Table 5　Evaluation and potential ecological risk indexes of heavy metal pollution in soils of different land use types in Nulasai mining areas

表选项

潜在生态风险指数（Potential ecological risk index，RI）根据重金属毒性来评价土壤中重金属污染程度^[22-23]。为了进一步研究矿区周边土壤潜在生态风险污染级别，计算并统计该区域6种重金属的潜在风险指数，结果见表 5。从表 5可知，总体上来看，不同土层土壤重金属的潜在生态环境风险均较低，矿区、尾矿、农田的E_Cr、E_Cd、E_Cu、E_Ni、E_Zn、E_Pb均小于40。从不同土层来看，0~30 cm土层土壤的重金属潜在风险高于30~70 cm的土壤。评价结果表明（图 2），从3种土地利用方式来看，在0~30 cm和30~70 cm土层中，RI大小顺序为R_尾矿＞R_矿区＞R_农田，但是3种土地利用方式土壤的生态风险指数都小于150，其生态风险程度较低，不同土地利用类型土壤中，表层土壤0~30 cm重金属含量高于深层土壤30~70 cm重金属含量，说明矿产资源开发对周边土壤有一定潜在影响。对于农业土壤来说，0~30 cm耕作层土壤重金属含量偏高还可能与化肥和农药的使用有关；总体看，不同土地利用类型土壤中重金属含量都较低，未受到污染。

图 2 不同土地利用类型土壤重金属生态危害综合指数 Figure 2　Ecological index of heavy metals in soil of different land use types

图选项

一般认为，矿产资源开发会对周边环境造成不良的影响，而金属矿区周边土壤重金属含量较高，土壤污染较为严重^[24-25]。土壤中的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr等重金属，其中Cu和Cd是导致矿区土壤重金属污染的主要因素，导致很强的生态危害^[26]。尾矿的堆积造成了矿区周边土壤中重金属不同程度的富集，严重影响周边的生态环境。硫化铜矿矿区上游和下游农田Cu、Zn和Pb均未超过土壤环境质量的二级标准，而污染区则超过了土壤环境质量的二级标准，因此存在一定的污染^[16]。大兴安岭森林土壤Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、Hg、As 8种重金属含量均超过二级标准限值，其中Cu、Zn、As的最大值超过一级标准^[27]。但也有研究表明，一个未开采的铅锌矿周边土壤也存在一定的重金属污染^[28]，可能与成土环境有关。部分矿区周边土壤、蔬菜、玉米样品中，As、Pb、Cd超标率很大^[29]。矿区土壤重金属污染对周边环境是否存在危害取决于人为活动的影响。奴拉赛铜矿开发对周边土壤环境未造成不良影响，这与该矿区矿产开发强度、规模、保护措施得当密切相关。因此在合理利用矿产资源的同时，要重视成矿元素和伴生元素的复合污染，实行清洁生产制度，加强管理，规范开采、选冶和运输方式，最大程度地防止尾矿、废水、矿渣等对当地生态环境及居民、牲畜等造成危害，并选择合理的生态恢复措施，避免矿区重金属污染^[5]。

（1）与周边农田土壤相比，奴拉赛矿区和尾矿区土壤酸化明显，电导率和盐分含量增加，土壤肥力下降，表现为土壤有机质、速效氮、速效钾、有效磷含量均有所降低。

（2）奴拉赛铜矿区周边土壤重金属Cr、Cd、Pb、Cu、Ni和Zn含量总体较低，仅Cu超过新疆土壤自然背景值，处于安全水平。总体上矿区重金属含量较高，农田土壤重金属含量较低。

（3）单一因子、内梅罗综合和潜在生态风险评估发现，在0~30 cm土层和30~70 cm土层，3种不同土地利用类型土壤重金属风险为尾矿＞矿区＞农田，各土地利用类型土壤生态风险指数较低。

（4）总体来看，虽然矿产资源开发历史悠久，但由于受开采规模及强度的制约，新疆奴拉赛矿区矿产资源开发未对周边土壤环境造成显著不良影响。