安徽大矾山废弃矾矿区土壤重金属污染特征与健康风险评价.pdf

第45卷第4期2023年7 月周德华，周蓓蓓，陈晓鹏，等.安徽大矾山废弃矾矿区土壤重金属污染特征与健康风险评价J.地球科学与环境学报，2 0 2 3，45（4）：966-977.ZHOU De-hua,ZHOU Bei-bei,CHEN Xiao-peng,et al.Soil Heavy Metal Pollution Characteristics and Health Risk Assessment inDafanshan Abandoned Alum Mining Area of Anhui,ChinaJJ.Journal of Earth Sciences and Environment,2023,45(4):966-977.D0I:10.19814/j.jese.2022.03055地球科学与环境学报Journal of Earth Sciences and Environment安徽大矾山废弃矾矿区土壤重金属污染特征与健康风险评价Vol.45No.4July2023环境与可持续发展专刊周德华1，周蓓蓓1*，陈晓鹏，杨（1西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安2.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安7 10 0 6 5)摘要：废弃矿区环境恢复和生态治理对于生态文明建设意义重大。其中，针对矿区开采引起的土壤重金属污染问题，开展重金属污染特征调查分析与健康风险评价，对于矿区治理方案设计和施工尤为重要。以安徽省庐江县大矾山废弃矾矿区为研究区域，对矿区土壤重金属（As、C d、C u、M n 和Ni)污染特征展开分析，并结合地累积指数法、潜在生态风险指数法和美国环境保护署（USEPA)公布的健康风险评价模型进行污染评价与人体健康风险评估。结果表明：研究区土壤中的As和Cd含量显著超标，相较于农用地土壤污染风险筛选值，其超标率分别为7 7%和10 0%；土壤中Cu属轻度污染，超标率为16%；Mn、Ni含量均未超标；此外，这5种重金属元素含量的变异系数从大到小依次为Ni、M n、C u、C d、A s；研究区土壤重金属具有潜在生态风险，其潜在生态风险指数显示As、C d 为主要风险元素，土壤以较强和很强潜在生态风险等级为主；健康风险评价模型表明土壤超标重金属间接经口摄入为非致癌和致癌风险的主要途径，其中As、C d 对于成人和儿童经口摄入的非致癌风险和致癌风险均在可接受范围内，对于成人和儿童呼吸摄入和皮肤接触均不存在致癌风险。关键词：重金属；土壤；健康风险评价；污染特征；废弃矿区；矾矿；安徽中图分类号：X82；X53Soil Heavy Metal Pollution Characteristics and Health Risk Assessmentin Dafanshan Abandoned Alum Mining Area of Anhui,ChinaZHOU De-hua,ZHOU Bei-beil*,CHEN Xiao-peng,YANG Qiang,LI Xiao-qing,(l.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China,Xian University ofTechnology,Xian 710048,Shaanxi,China;2.PowerChina Northwest Engineering Corporation Ltd.,Abstract:The environmental restoration and ecological treatment of abandoned mining areas areof great significance for the construction of ecological civilization.In view of the heavy metal收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 6；修回日期：2 0 2 2-0 9-2 2基金项目：国家自然科学基金项目（4197 7 0 0 7，418 30 7 54，418 0 7 131）；西北旱区生态水利国家重点实验室青年创新团队支持计划项目（2 0 19KJCXTD-4，Q JNY-2 0 19-0 11)作者简介：周德华（1999-），男，甘肃白银人，工学硕士研究生，E-mail：z d h 6 8 8 16 8 16 3.c o m。*通讯作者：周蓓蓓（198 2-），女，江苏徐州人，教授，博士研究生导师，理学博士，E-mail:。强,李晓晴1,郭江,杨扬1710048;文献标志码：A文章编号：16 7 2-6 56 1(2 0 2 3)0 4-0 9 6 6-12GUO Jiang,YANG YangXian 710065,Shaanxi,China)投稿网址:http：/j e s e.c h d.e d u.c n/第4期pollution in soil caused by mining,it is particularly important to carry out the investigation ofheavy metal pollution characteristics and health risk assessment for the design and construction ofmining treatment schemes.The pollution characteristics of soil heavy metals(As,Cd,Cu,Mnand Ni)of Dafanshan abandoned alum mining area in Lujiang county of Anhui province wereanalyzed,and the pollution assessment and human health risk assessment were established bycombining the site accumulation index method,potential ecological risk index method and healthrisk assessment model(USEPA).The results show that the contents of As and Cd in the soil ofthe abandoned alum mining area significantly exceed the standard,and compared with the riskscreening value of agricultural land,the exceeding rates are 77%and 100%,respectively;Cu insoil is slightly polluted,and the exceeding rate is 16%;the contents of Mn and Ni do not exceedthe standard;in addition,the above five heavy metal elements in the descending order of thecoefficients of variation are Ni,Mn,Cu,Cd and As;the study area has strong potentialecological risk,and the potential ecological risk index shows that As and Cd are the main riskelements,and the soil is mainly in quite-strong and very-strong potential ecological risks.Thehealth risk assessment model shows that the indirect oral intake of excessive heavy metals in soilis the main route of non-carcinogenic and carcinogenic risks;As and Cd are within the acceptableranges of non-carcinogenic and carcinogenic risks for adults and children through oral ingestion,and there is no carcinogenic risk for adults and children through respiratory ingestion and skincontact.Key words:heavy metal;soil;health risk assessment;pollution characteristic;abandoned miningarea;alunite deposit;Anhui0引 言矿产资源是人类发展的重要基础，矿产资源的开发利用推动了国家和地方的经济发展，但大量的矿产资源开采造成了矿区周边土壤污染、生态环境破坏等问题1-2 1。研究表明：矿区土壤中重金属分布具有含量高、影响范围广、累积周期长且降解难等特点3-4；长期暴露在重金属富集的环境中，特别是矿山和工业区，不仅可以导致耕地土壤退化，影响农产品质量及产量，而且可通过多种途径进入人体，危害人体健康5-7 。据统计，全世界有超过510 6 个重金属污染区域8 。其中，中国土壤重金属污染情况亦十分严峻，目前全国土壤总点位超标率为16.1%，受重金属污染的耕地约为0.2 10 hm，占全国耕地面积的2 0%9-10 1。前人围绕矿区重金属污染已开展了大量工作。例如，王世玉等探讨了国内外典型污灌区的重金属在土壤及作物中的污染状况，将重金属对人体健康造成的风险进行了评价11陈航等对矿区周边农田土壤进行了重金属调查与研究，并开展了重金属污染来源解析与污染评价12 。因此，将人体健康与环境土壤污染有机联系起来，定量分周德华，等：安徽大矾山废弃矾矿区土壤重金属污染特征与健康风险评价征以及健康风险评估情况也不清。基于此，本文以安徽省庐江县大矾山矾矿区为研究区域，通过分析土壤As、C d、C u、M n 和Ni含量分布特征，拟通过地累积指数法和潜在生态风险指数法来科学评价土壤重金属的污染程度及风险水平，同时评估重金属经不同暴露途径对研究区周围成人及儿童造成的潜在健康风险，以期为矿区土壤重金属污染防治、土壤修复治理、生态环境保护及居967析描述环境污染程度、空间分布，并对人体健康危害进行评价，对于矿山治理方案设计和施工尤为必要。安徽省庐江县大矾山矾矿自唐朝时开采，到北宋时期，庐江矾业达到最盛13。1956 年起转为地下开采，19 9 1年因特大洪水造成大矾山的运输通道塌。野外调查发现，东、西山十8 5m中段超过2 0 0 0m巷道揭露，常发生冒顶、片帮、底鼓以及支架折断沉陷现象14。随着降水淋溶、空气以及微生物作用，矿区内随意堆积的废弃矿渣与降雨、空气发生一系列反应，形成的污染物流人水体，产生大量酸性废水，使地表水、潜水及矿区周边土壤遭受不同程度的污染15。但迄今为止，鲜有针对大矾山矾矿区土壤生态风险的综合研究，矿区重金属污染程度、污染特968民健康安全提供科学依据。1研究区概况大矾山矾矿区位于安徽省庐江县矾山镇（图1)，地处庐江县东南2 7 km处，纬度范围为315 48 N31585N，经度范围为117 2 4 41 E1172475E，属北亚热带湿润季风气候，阳光充沛，无霜期长，梅雨特征显著，多年平均气温为15.8，多年平均降水量为118 8.1mm。大