土壤作为重要的地理要素之一，是自然界各种生物生存和发展的基础^[1]。重金属存在于自然界中，由于金属矿石开采、加工和运输等人为活动，使得土壤和水体中重金属生物有效性提高，引发了一系列矿区土壤重金属污染，导致矿区土壤环境质量和生态系统功能下降^[2-4]。此外，被污染的土壤和水体会不断释放、富集、迁移和累积重金属元素，有毒重金属与其他有害物质通过食物链最终危害人和动物健康^[5-7]。

作为土壤修复和污染防治的重要内容，土壤环境质量评价方法和标准多样，不同评价方法对同一地区土壤环境评估具有重要影响^[8-10]。此前郭伟等^[11]也对白云鄂博铁矿开采区土壤重金属进行了评价，使用国家土壤环境质量标准GB 15618—1995进行污染评价，评价认为矿区土壤受到了重金属Pb、Cu、Zn和Mn不同程度的污染。我国土壤环境质量评价多采用GB 15618—1995或者各省土壤背景值进行评价，但该标准距离现在已有10年，我国土壤类型多样，矿区重金属污染依然严重，局部污染加剧，该标准存在重金属形态选用单一、铅限量趋于宽松、镍限量不科学和有机污染物种类不足等问题，无法合理精确评价当前矿区土壤环境的需求^[12]。笔者选择内蒙古包头市白云鄂博矿区为研究区，通过不同矿区类型土壤点位采集与样品测试分析，使用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法和污染负荷指数法，结合生态环境部颁发最新的评价标准GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》对白云鄂博矿区进行污染评价，确定该矿区主要的污染物，比较不同评价方法的区别，以期为当地矿区土壤重金属污染治理和矿山生态修复提供合理准确的科学依据。

白云鄂博矿区位于我国内蒙古包头市，地理坐标为E 110°50′、N 41°50′，矿产资源丰富，作为世界著名的稀土-铌-铁等多金属共生矿床，金属品味复杂，主要由板岩和白云岩组成^[13-14]。矿区气候环境恶劣，常年干旱、多风，平均年降水量为238.3 mm，平均蒸发量为2 743.50 mm^[15]。白云鄂博矿也属于伴生矿，在矿区开采、冶炼、加工、运输等过程，容易引起矿区及周边土壤重金属等环境污染，尤其是采矿区、尾矿库、排土场等污染富集地方，人为活动导致矿区土地退化，植被破坏，水土流失严重等生态环境问题^[16-17]。测试土壤分别采集于白云鄂博矿区的矿坑(东矿和主矿)、排土场、尾矿库、矿区工业场地和运输道路6个区域的0~20 cm深度土壤(多为矿渣、母质、土壤等的混合物)，这些区域的土壤可能存在不同程度重金属污染，可以反映矿区不同类型及整体污染水平，并在远离矿区17 km的无污染缓坡上采集土样作为对照土样CK，每个区域采集3个土样混匀作为1个混合样，试验共采集土壤样品11个(含对照CK)，采样点如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 采样点位置示意图 Fig. 1 Sampling point position diagram

将采集的土壤样品置于自封袋中密封保存，标记好每个混合样的编号和时间。样品带回实验室按照国家标准规范进行自然风干，去除石块，研磨，称取过0.15 mm尼龙筛的土壤样品2.0 g风干、待测，使用硝酸-氢氟酸-高氯酸三酸消解法^[18]，然后使用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪，安捷伦，美国)测定土壤样品Pb、Cu、Zn、Cr、Ni和As共6种重金属的质量分数，实验中每个土样平行测量3次，试验结果用各重金属质量分数的平均值表示。

土壤重金属污染评价方法涉及一般指数法(单因子污染指数法、富集因子法、内梅罗污染指数法、地累积指数法、污染负荷指数法等)，模型指数法(模糊数学法、灰色聚类法、物元分析法等)和人体健康风险评价等其他评价方法^[19]。本文基于国家相关标准和当地土壤背景值计算角度，选择常见单因子指数法和内梅罗综合污染指数法及污染负荷指数法分别对采样区土壤重金属进行污染评价。

1) 单因子指数法。单因子法对环境中单一污染物进行评价的一种基础方法^[20]，公式为

式中：P_i为i污染物的污染指数；C_i为i重金属污染物实测值，mg/kg；S_i为污染物环境标准风险筛选值，mg/kg，本文采用最新评价标准GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》。单因子评价分级见表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 单因子评价土壤环境质量评价分级 Tab. 1 Grading of single factor assessment of soil environmental quality 等级 Rank Pi值 Pi Value 污染等级 Pollution level Ⅰ Pi≤1.0 无污染Non-pollution Ⅱ 1.0＜Pi≤2.0 轻微污染Slight pollution Ⅲ 2.0＜Pi≤3.0 轻度污染Mild pollution Ⅳ 3.0＜Pi≤5.0 中度污染Moderate pollution Ⅴ Pi＞5.0 重度污染Heavy pollution

表 1 单因子评价土壤环境质量评价分级 Tab. 1 Grading of single factor assessment of soil environmental quality

2) 内梅罗综合污染指数法。内梅罗综合污染指数是在单因子污染指数基础上计算出的综合污染指数，能够全面地反映污染土壤中各污染物的平均污染水平，评价各种研究区土壤的重金属污染水平^{[7, 21]}。公式为

式中：P_综合为内梅罗综合污染指数，P_ave是单污染指数平均值，P_imax为最大单项污染指数，内梅罗综合污染指数评价分级如表 2所示。

表 2(Tab. 2)

表 2 内梅罗综合污染指数法评价土壤环境质量评价分级 Tab. 2 Assessment and classification of soil environmental quality by Nemerow comprehensive pollution index method 等级 Rank 综合污染指数(P综合) Comprehensive pollution index 污染等级 Pollution level Ⅰ P综合≤0.7 清洁Clean Ⅱ 0.7＜P综合≤1.0 尚清洁Still clean Ⅲ 1.0＜P综合≤2.0 轻度污染Mild pollution Ⅳ 2.0＜P综合≤3.0 中度污染Moderate pollution Ⅴ P综合＞3.0 重度污染Heavy pollution

表 2 内梅罗综合污染指数法评价土壤环境质量评价分级 Tab. 2 Assessment and classification of soil environmental quality by Nemerow comprehensive pollution index method

3) 污染负荷指数法。污染负荷指数法是基于当地土壤背景值评价的一种方法，可以弥补内梅罗综合污染指数可能过高或过低评价某些污染点对环境质量影响的缺点^[22]。公式为

式中：C_f为元素i的最高污染系数；C_i为i重金属质量分数，mg/kg；C_ib为当地i种重金属背景值，mg/kg；本文选择对照组CK作为当地土壤金属背景值，mg/kg；污染水平分级为：0=不受污染；1=不受污染与中等污染之间；2=中等污染；3=中等污染到高污染之间；4=高污染；5=高污染到非常污染之间；6=非常污染^[23]。污染负荷指数PLI评价整体污染水平，公式为

PLI评价分级如表 3所示。

表 3(Tab. 3)

表 3 污染负荷指数法评价土壤环境质量评价分级 Tab. 3 Assessment and classification of soil environmental quality by pollution load index method 等级 Rank 污染负荷指数 Pollution load index (PLI) 污染等级 Pollution level Ⅰ PLI≤1.0 不受污染Non-pollution Ⅱ 1.0＜PLI≤2.0 中度污染Moderate pollution Ⅲ 2.0＜PLI≤3.0 重度污染Heavy pollution Ⅳ PLI＞3.0 极重度污染Extremely heavy pollution

表 3 污染负荷指数法评价土壤环境质量评价分级 Tab. 3 Assessment and classification of soil environmental quality by pollution load index method

GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》和对照组CK(背景值)如表 4所示。另外，表 5为根据该标准中的土壤污染风险筛选值和管制值进行的土壤环境质量初步分级。

表 4(Tab. 4)

表 4 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》和对照组CK(背景值) Tab. 4 Soil Environmental Quality Risk Control Standard for Soil Contamination of Agricultural Land (Trial Implementation) and control group (background value)  mg/kg 污染物项目 Pollutant item 风险筛选值 Risk screening value 风险管制值 Risk control value 对照组CK Control group Pb 170 1 000 153.80 Cu 100 NA 121.24 Zn 300 NA 508.20 Cr 250 1 300 107.40 Ni 190 NA 116.00 As 25 100 13.91 注：pH＞7.5，矿区土壤pH测定结果为7.99；对照CK值作为土壤背景值；NA代表缺失值或空白值.下同。Notes: pH>7.5, the result of soil pH measurement in mining area is 7.99, and the background value of soil is CK value. NA represents missing or blank values. The same below.

表 4 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》和对照组CK(背景值) Tab. 4 Soil Environmental Quality Risk Control Standard for Soil Contamination of Agricultural Land (Trial Implementation) and control group (background value)  mg/kg

表 5(Tab. 5)

表 5 土壤环境质量初步分级标准 Tab. 5 Preliminary classification standard of soil environmental quality 镉、汞、砷、铅、铬 Cadmium, mercury, arsenic, lead and chromium 其他污染物 Other pollutants 污染物含量 Contaminant content 分类 Classification 风险 Risk 污染物含量 Contaminant content 分类 Classification 风险 Risk 总量≤筛选值Total ≤Screening value 优先保护类Priority protection category 无风险或低风险No risk or low risk 总量≤筛选值Total < Screening value 优先保护类Priority protection category 无风险或低风险No risk or low risk 筛选值＜总量≤管制值Screening value < Total ≤ Control value 安全利用类Security utilization class 污染风险可控Controllable contamination risk 总量＞筛选值Total > Screening value 安全利用类Security utilization class 有污染风险Contamination risk 总量＞管制值Total >Control value 严格管制类Strict control category 污染风险大High risk of contamination 注：表 5来源于GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》，Notes: Table 5 is derived from GB 15618-2018 Soil Environmental Quality Risk Control Standard for Soil Contamination of Agricultural Land (Trial Implementation).

表 5 土壤环境质量初步分级标准 Tab. 5 Preliminary classification standard of soil environmental quality

从表 6可知，Pb、Cu、Zn、Ni和As平均值分别超标5.54、2.37、5.28、1.69和1.10倍，Cr平均值不超标，表明研究区的Pb、Zn、Cu超标严重，原因可能是该伴生矿属于大型综合性的多金属共生矿床，不同的矿体主要矿物成分由方铅矿、闪锌矿、锰铌铁矿、钡铁锰矿、黄铜矿等组成，容易导致矿区土壤受多种金属复合污染。Pb有10个点位超标，超标率为90.91%，其中1号、2号、5号和8号点位Pb质量分数分别超过风险管制值的1.14、1.38、1.10和1.32倍；所有采样点Cu均超标，超标率为100%，3号、5号和6号点位土壤Cu质量分数较高，均超过250 mg/kg；Zn污染整体较重，超标率为100%，1~11号样点土壤Zn质量分数为风险筛选值的1.69~9.46倍，1号、5号和8号点位土壤Zn质量分数较高，污染较重；所有样点的Cr质量分数均低于风险筛选值250 mg/kg，说明研究土壤点位中Cr污染较轻或无污染；Ni有9个点位超标，超标率为81.82%，5号和7号点位土壤Ni质量分数明显较高分别为风险筛选值的2.40倍和2.83倍；As有7个点位超标，超标率相对较低，为63.64%，2号、7号和10号点均大于30 mg/kg。

表 6(Tab. 6)

表 6 各样点pH值和土壤重金属质量分数 Tab. 6 pH and contents of heavy metal in soil of each point 采样区域 Sampling areas 编号 No. pH Pb/ (mg·kg-1) Cu/ (mg·kg-1) Zn/ (mg·kg-1) Cr/ (mg·kg-1) Ni/ (mg·kg-1) As/ (mg·kg-1) 主矿Main mine 1 7.83 1 137.00 242.90 2 330.00 136.00 248.10 23.76 东矿East mine 2 8.24 1 382.00 228.30 1 148.67 127.80 231.11 31.26 排土场Dump 3 8.11 968.28 368.10 1 791.00 168.50 390.90 18.08 排土场Dump 4 7.54 597.50 185.19 1 377.00 159.80 340.50 23.52 排土场Dump 5 8.01 1 098.00 255.80 2 070.00 164.10 456.90 28.25 排土场Dump 6 8.17 602.50 265.74 915.47 170.57 270.38 28.98 排土场平均值Average of dumps NA 7.96 816.57 268.71 1 538.37 165.74 364.67 24.71 尾矿库Tailing pond 7 7.79 952.36 178.16 1 667.00 173.10 538.20 37.69 尾矿库Tailing pond 8 8.34 1 324.00 180.42 2 839.00 135.30 341.40 26.00 尾矿平均值Average of tailing ponds NA 8.07 1 138.18 179.29 2 253.00 154.20 439.80 31.85 矿区工业场地Industrial sites 9 8.26 882.23 248.90 1 024.30 131.36 231.20 27.76 运输道路Transport road 10 7.58 480.30 217.52 691.90 157.37 169.75 30.93 总体平均值Overall average NA 7.99 942.42 237.10 1 585.43 152.39 321.84 27.62 对照CK Soil background value 11 7.27 153.80 121.24 508.20 107.40 116.00 13.91 风险筛选值Risk screening value NA NA ≤170 ≤100 ≤300 ≤250 ≤190 ≤25 风险管制值Risk control value NA NA ≤1 000 NA NA ≤1 300 NA ≤300 Notes: NA refers to not available

表 6 各样点pH值和土壤重金属质量分数 Tab. 6 pH and contents of heavy metal in soil of each point

由表 6可知，从采样类型来看，整体上研究土壤中Pb和Zn质量分数较高，污染最为严重，Pb质量分数大小排序为：东矿＞尾矿库＞主矿＞矿区工业场地＞排土场＞运输道路，表明矿坑(东矿、主矿)和尾矿库Pb污染明显较重，东矿、主矿和尾矿库的Pb平均值分别为风险管制值的1.38、1.14和1.14倍，Zn质量分数大小排序为：主矿＞尾矿库＞排土场＞东矿＞矿区工业场地＞运输道路，表明主矿区和尾矿库Zn污染较重为风险筛选值的7.77、7.51倍。此外，与对照组CK相比，排土场采样点土壤Cu质量分数最高为268.71 mg/kg，为CK的2.22倍，尾矿库样点Cu质量分数最低为179.29 mg/kg，为CK的1.48倍。尾矿库和排土场样点土壤Ni质量分数较高分别为439.80、364.67 mg/kg，分别为CK的3.79、3.14倍。东矿区和尾矿库土壤样点中As质量分数略高分别为31.26、31.85 mg/kg。

单因子法与内梅罗综合污染指数法评价结果见表 7。总体来说，研究区土壤中Pb、Cu、Zn、Cr、Ni和As 6种重金属P_i平均值分别为5.54、2.37、5.28、0.61、1.69和1.10，单因子评价土壤环境质量评价分级分别处于Ⅴ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ级，采样区域土壤中Pb、Cu和Zn是主要污染物，表明这3种重金属元素整体污染较重，个别样点如3、5和7号土壤Ni存在轻度污染。内梅罗综合污染指数法评价土壤环境质量评价分级P_综合平均值为4.38，说明研究区土壤属于重度污染。不同样点土壤中1、2、3、4、5、7、8和9号点为Ⅴ级，说明整体上矿区土壤处于重度污染水平，可能是长期矿石开采，不合理的矿渣堆积，人为活动以及运输过程中的影响所致，6号和10号点位土壤为Ⅳ级，属于中度污染水平。

表 7(Tab. 7)

表 7 单因子法和内梅罗综合污染指数法评价结果 Tab. 7 Evaluation results of single factor method and Nemerow comprehensive pollution index method 采样区域 Sampling areas 编号 No. 单因子污染指数Single factor pollution index Pi P综合 Pb Cu Zn Cr Ni As 主矿Main mine 1 6.69 2.43 7.77 0.54 1.31 0.95 5.96 东矿East mine 2 8.13 2.28 3.83 0.51 1.22 1.25 6.10 排土场Dump 3 5.70 3.68 5.97 0.67 2.06 0.72 4.77 排土场Dump 4 3.51 1.85 4.59 0.64 1.79 0.94 3.61 排土场Dump 5 6.46 2.56 6.90 0.66 2.40 1.13 5.42 排土场Dump 6 3.54 2.66 3.05 0.68 1.42 1.16 2.91 尾矿库Tailing pond 7 5.60 1.78 5.56 0.69 2.83 1.51 4.49 尾矿库Tailing pond 8 7.79 1.80 9.46 0.54 1.80 1.04 7.19 矿区工业场地Industrial sites 9 5.19 2.49 3.41 0.53 1.22 1.11 4.02 运输道路Transport road 10 2.83 2.18 2.31 0.63 0.89 1.24 2.32 平均值Average value NA 5.54 2.37 5.28 0.61 1.69 1.10 4.38 对照CK 11 0.90 1.21 1.69 0.43 0.61 0.56 1.36

表 7 单因子法和内梅罗综合污染指数法评价结果 Tab. 7 Evaluation results of single factor method and Nemerow comprehensive pollution index method

笔者基于远离当地矿区所采集11号样点土壤作为背景值，可以更加准确反映研究区土壤污染水平，表 8为污染因子和污染负荷指数的评价结果。可以看出Pb的C_f平均值最大，属于非常污染，Zn和Ni的C_f平均值也较大，3号和7号点处土壤Cu和As分别也较高，表明这些地方几种重金属元素超过了当地背景值水平，可能人为因数是造成土壤重金属污染的重要原因^[24-26]。5号样点的污染负荷指数PLI大于3，表明该区域土壤为极重度污染，分析原因主要是与5号点位置有关，改采样点位置处于正在使用中的东矿排土场，矿渣长期堆积未进行有效人为治理而造成重金属严重污染。除10号点外，1、2、3、4、6、7、8和9号点其PLI值均在2和3之间，属于重度污染，说明研究区土壤污染状况较为严重，均不同程度受到污染，该区域受人为因素的影响很强。

表 8(Tab. 8)

表 8 污染因子和污染负荷指数评价结果 Tab. 8 Evaluation results of pollution factors and pollution load index 采样区域Sampling areas 编号No. 最高污染系数Maximal pollution coefficient Cf PLI Pb Cu Zn Cr Ni As 主矿Main mine 1 7.39 2.00 4.58 1.27 2.14 1.71 2.61 东矿East mine 2 8.99 1.88 2.26 1.19 1.99 2.25 2.43 排土场Dump 3 6.30 3.04 3.52 1.57 3.37 1.30 2.78 排土场Dump 4 3.88 1.53 2.71 1.49 2.94 1.69 2.22 排土场Dump 5 7.14 2.11 4.07 1.53 3.94 2.03 3.01 排土场Dump 6 3.92 2.19 1.80 1.59 2.33 2.08 2.22 尾矿库Tailing pond 7 6.19 1.47 3.28 1.61 4.64 2.71 2.91 尾矿库Tailing pond 8 8.61 1.49 5.59 1.26 2.94 1.87 2.81 矿区工业场地Industrial sites 9 5.74 2.05 2.02 1.22 1.99 2.00 2.21 运输道路Transport road 10 3.12 1.79 1.36 1.47 1.46 2.22 1.82 平均值Average value NA 6.13 1.96 3.12 1.42 2.77 1.99 2.58

表 8 污染因子和污染负荷指数评价结果 Tab. 8 Evaluation results of pollution factors and pollution load index

3种评价方法表明研究区土壤中Pb和Zn为主要污染物，其次是Cu和Ni也可以看作主要污染物，污染负荷指数表明一些区域中也存在As污染，研究区总体上无Cr污染，造成结果不同的原因主要是污染评价方法所依据的背景值不同，单因子法与内梅罗综合污染指数法主要是依据国家土壤环境质量标准值进行评价，本文中污染负荷指数评价主要采用研究区土壤测试值作为背景值为基础进行的污染评价，可能由于土壤采样和测试过程导致结果存在一定差异，根据评价结果可以推断造成矿区主要污染源是人为因数造成的污染。

从采样点位土壤评价来看，单因子法与内梅罗综合污染指数法评价方法土壤等级整体类似，具有一定的广泛性，污染荷指数评价结果其污染程度较高，多数结果评价相对以国家标准筛选值的评价结果表明污染严重，在一定程度上表明造成研究区土壤污染的主要因素为外源导致；因此，不同的评价方法各自具有优缺点，在实际中应该采用多种结合使用以更加合理的掌握矿区污染现状水平具有重要的意义。

使用ArcGIS 10.2软件IDW插值分析，分别绘制了综合污染指数(P_综合)值和污染负荷指数(PLI)值2种污染指数空间分布特征示意图，见图 2和图 3。结合表 7可以直观看出，综合污染指数最高分布在[5.731，7.188]区间，表明尾矿库和矿坑(主矿和东矿)及周边土壤中受复合重金属污染最严重，运输道路周边和对照区域(邻近居民区)相对污染最轻，主要集中[1.360，2.817]区间分布，主要是因为近年来当地相关部门在运输过程采取了一定的防护措施，但仍然存在矿石洒落、粉尘等经风蚀、淋洗等因素作用造成的重金属污染。污染负荷指数(PLI)基于当地无污染采样区土壤背景值为依据，从图 3可以直观看出，除运输道路采样点区域多种金属污染相对较轻外，主采矿区、排土场、尾矿库和矿区工业场地等污染严重区域几乎富集于整个矿区，污染负荷指数(PLI)主要分布在[2.007，3.010]区间。

图 2(Fig. 2)

图 2 矿区土壤重金属综合污染指数(P综合)空间分布示意图 Fig. 2 Spatial distribution diagram of comprehensive pollution index of heavy metals in soil of mining area

图 3(Fig. 3)

图 3 矿区土壤重金属污染负荷指数法(PLI)空间分布示意图 Fig. 3 Spatial distribution diagram of heavy metal pollution load index (PLI) method in mining area

因此，针对白云鄂博矿区重金属污染治理工作不能懈怠，且要针对重金属污染现状采取有效措施从采矿区、尾矿库、排土场等污染源头进行控制治理，对正在使用的排土场进行适当治理，完善运输制度，以遏制重金属元素迁移，避免其不断向周边区域扩散。

1) 矿区土壤存在一定的重金属污染，Pb、Cu、Zn、Ni和As为主要的污染元素，平均质量分数分别为942.42、237.10、1 585.43、321.84和27.62 mg/kg。所有样点中，Pb、Cu、Zn、Ni和As平均值分别超标5.54、2.37、5.28、1.69和1.10倍，超标率依次为90.91%、100%、100%、81.82%和63.64%，Pb、Zn、Cu均超标严重。Cr质量分数均低于风险筛选值，平均值不超标。

2) 总体来看，矿区土壤中Pb和Zn质量分数较高，污染最为严重。主矿区和尾矿库Pb和Zn富集均较高，污染最重，主矿和尾矿库土壤中Pb平均值分别为风险管制值的1.14和1.14倍，土壤Zn为风险筛选值的7.77和7.51倍。排土场土壤中Zn富集较高，其次是富集较多的是Cu；尾矿库和排土场土壤中Ni含量也较高。

3) 单因子法、内梅罗综合污染指数法和污染负荷指数法3种评价方法表明，矿主要污染为Pb和Zn，其次为Cu和Ni污染，污染负荷指数表明一些区域中也存在As污染，矿区总体上无Cr污染。矿区土壤中Pb、Cu、Zn、Cr、Ni和As 6种重金属P_i平均值分别为5.54、2.37、5.28、0.61、1.69和1.10，单因子评价土壤环境质量分级分别处于Ⅴ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ级，Pb、Cu和Zn为主要污染物，整体污染较重；内梅罗综合污染指数评价方法表明矿区土壤属于重度污染，土壤环境质量评价分级P_综合平均值为4.38；污染负荷指数法表明，矿区土壤Pb的C_f平均值最高，为高污染。