宜春锂矿尾矿源表层材料重金属特征与来源解析

《Journal of Xenobiotics》：Characteristics and Sources of Heavy Metals in Tailings-Derived Surface Material in the Largest Lithium Mine in China by Reserves

　　

摘要：锂（Li）开采是全球可持续发展中最关键的战略资源之一。然而，锂矿开采过程中重金属的来源受到的关注有限。为探究锂矿尾矿源表层材料（TDSM）中重金属的特征与来源，本研究聚焦于中国储量最大的宜春锂矿。采用单因子富集指数评估重金属富集程度，并利用正定矩阵因子分解（PMF）模型进行重金属源解析。结果表明，砷（As）、铅（Pb）、铜（Cu）、镉（Cd）、锌（Zn）、镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）、铬（Cr）和钒（V）的平均浓度分别为12.95±1.94、55.79±8.93、58.35±5.42、20.16±0.48、109.81±3.67、44.25±3.26、21.01±1.25、809.60±32.33、88.29±4.27和101.97±5.41 mg kg-1。与对照样品相比，TDSM中所有重金属均表现出不同程度的富集。根据单因子富集指数，镉的富集最为严重（指数=130.55–215.55），而其他重金属的富集水平介于轻度至中度之间。重金属在0–20 cm土层内分布均匀，无显著垂直变化。PMF模型显示，重金属潜在来源可能包括混合人为源、与风化相关的地质成因源以及采矿相关源，其贡献率估计值分别为25.7%、43.8%和30.5%。这些发现为在锂矿区实施重金属富集的源头控制措施提供了理论依据。

论文解读：宜春锂矿尾矿源表层材料重金属富集特征、垂直分布与来源解析

1. 研究背景与科学问题

矿产资源开发是现代工业社会的基石，但伴随的开采与冶炼过程常导致矿区土壤重金属富集这一环境问题。重金属具有持久性、不可生物降解性和毒性，其在土壤中的积累会降低土壤质量、减少微生物多样性、抑制植物生长并破坏生态系统稳定性。人体主要通过食物链传递、粉尘吸入和皮肤接触暴露于这些金属，长期接触镉（Cd）、铅（Pb）和砷（As）可引发神经、肾脏、心血管及致癌效应。因此，矿区土壤重金属污染的调查与源解析已成为当前国际研究热点。

尽管中国已对煤矿、铜矿、锑砷矿、铅锌矿、锰矿、金矿和铁矿等多种矿山类型的土壤重金属富集开展了研究，但针对锂（Li）矿的关注相对不足。锂是可持续发展中最关键的战略资源之一，其开发利用过程中的环境保护具有特殊的社会意义。现有少数关于锂矿土壤重金属污染的研究主要集中在特定区域，无法代表其他地区众多锂矿的情况，因为地形、气候、土壤发育和采矿活动的差异可能导致重金属富集状况存在显著差异。更重要的是，相较于污染评估研究，针对锂矿土壤重金属富集的溯源导向型研究鲜有报道，其来源尚不清晰。

中国是全球最重要的锂矿产区。本研究聚焦于中国储量最大的宜春锂矿。在开采、选矿和尾矿处置过程中，重金属可能释放到周围环境中，但此前尚无研究系统调查该矿尾矿源表层材料（TDSM）中重金属的垂直分布或来源解析。为填补这一空白，本研究整合了垂直分布分析、单因子富集指数和正定矩阵因子分解（PMF）模型，旨在揭示TDSM中重金属的富集特征与来源，为确定优先污染物及其潜在来源提供基于源导向的见解。

2. 关键技术方法概述

研究人员在江西省宜春锂矿尾矿库内沿西北—东南方向布设了8个采样点，并在远离矿区影响的未扰动区域选取3个对照点。在每个采样点，按0–20 cm深度等分为4个5 cm层，每层由5个样方的样品混合成一个复合样，共获得32个TDSM复合样品。样品经风干、研磨后，采用HNO₃-HClO₄-HF消解体系处理，通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定10种重金属元素（As、Pb、Cu、Cd、Zn、Ni、Co、Mn、Cr、V）的浓度。采用单因子富集指数（P_i）评估重金属富集程度，并运用美国环保署PMF 5.0软件进行正定矩阵因子分解（PMF）模型定量解析重金属潜在来源及其贡献率。

3. 研究结果

3.1 表层TDSM理化性质

TDSM总体呈弱酸性，平均pH为5.76±0.10。水分含量、容重和有机质含量的平均值分别为18.09±0.44%、1.57±0.02 g cm^-3和14.89±1.12 g kg^-1。方差分析表明，这些理化性质随深度无显著差异。

3.2 表层TDSM重金属富集评估

TDSM中As、Zn、Cu、Ni、Co、Mn、Cr、V、Pb和Cd的平均浓度分别为12.95±1.94、109.81±3.67、58.35±5.42、44.25±3.26、21.01±1.25、809.60±32.33、88.29±4.27、101.97±5.41、55.79±8.93和20.16±0.48 mg kg^-1。其中Pb和As的变异系数分别高达90.57%和84.54%，表明空间变异性强。单因子富集指数结果显示，As富集程度最低（平均P_i=1.11），属于轻度富集；V、Zn、Co、Cr和Pb处于轻度富集水平；Ni、Mn和Cu处于中度富集水平；Cd的富集最为严重，P_i-Cd值范围为130.55–215.55，属于重度富集。与中国风险管控标准（GB15618-2018）对比，Cu含量略微超标，Cd含量大幅超标，而As、Ni、Zn、Cr和Pb未超标。

3.3 表层TDSM重金属垂直分布

方差分析显示，所有测定的重金属元素含量在TDSM不同深度（0–20 cm）间无显著差异。研究人员认为这可能与取样深度较浅（仅0–20 cm）有关，同时自然来源重金属（如Ni、Co、V、Cr、Cu）比例较高也可能导致分布更均匀。

3.4 TDSM重金属浓度与理化性质的关系

Pearson相关分析表明，多数重金属之间存在显著正相关，例如V与Ni、Co、Cr之间。容重与Co、Cr、V浓度呈显著负相关，表明这些元素富集在与黏土矿物相关的细颗粒组分中。pH与Cu和Mn呈显著正相关，可能因为较高的pH有利于这些元素的吸附。

3.5 TDSM重金属潜在来源

PMF模型识别出三个潜在来源：

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  源1（混合人为源，贡献率25.7%）：以高载荷的Pb（76.4%）和As（61.51%）为特征。Pb和As的空间变异性最强，表明受人类活动影响显著，可能来自燃烧、交通和工业粉尘的混合排放。
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  源2（地质成因源，贡献率43.8%）：以高载荷的Ni（67.03%）、Co（64.33%）、V（58.83%）、Cr（56.64%）和Cu（49.94%）为特征。这些元素富集程度仅为轻度至中度，相互间强正相关，并与容重呈负相关，表明其来源于当地花岗岩母质的风化作用及次生风化产物。
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  源3（采矿相关源，贡献率30.5%）：以高载荷的Cd（53.99%）、Zn（47.61%）和Mn（47.60%）为特征。Cd的富集程度极为严重，结合矿区农业和工业活动有限的背景，研究人员认为其主要来源于矿石开采、选矿和冶炼过程的副产品释放。

4. 讨论与结论

局限性讨论：

研究人员指出，本研究存在若干方法学局限：每个采样点将5个样方复合为一个样品可能平滑了小尺度空间异质性；仅沿单一方向（西北—东南）布设采样断面，未能完全表征二维空间分布；缺乏直接的矿物学证据（如XRD、SEM-EDS等）来验证Cd的赋存形态和均质化机制；PMF模型的结果应视为统计假设，需通过独立方法（如Pb同位素指纹分析、排放源直接测量）进一步验证。

研究结论：

锂尾矿库TDSM中存在明显的重金属富集。在所测重金属中，Cd富集最为严重，其他金属的富集水平为轻度或中度。在0–20 cm层内，TDSM中重金属浓度无显著垂直变化，这很可能反映了水力沉积和采矿扰动造成的尾矿混合与均质化，表明表层普遍受到人为活动影响。PMF模型提供的统计指示表明，TDSM重金属可能关联于混合人为源（25.7%）、与风化相关的地质成因源（43.8%）和采矿相关源（30.5%）。