煤矸山下農田土壤重金屬的空間分布及生態風險評價

郭李凱 任珊珊 畢斌 于亞軍

摘要：煤矸石堆存過程中會通過雨水淋溶和揚塵等途徑造成周邊農田土壤的重金屬污染，因此研究煤矸山下農田土壤重金屬的空間分布特征并進行生態風險評價，對于指導礦區污染農田因地制宜、合理進行農業生產具有重要意義。以山西省霍州市曹村煤礦煤矸山下農田為研究對象，分析鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鋅（Zn）4種重金屬在水平方向（距煤矸山0～100 m范圍）、垂直方向（0～100 cm土層）的空間分布特征；同時，運用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法對4種重金屬元素進行生態風險評價。結果表明：煤矸山下農田中4種污染元素在垂向分布上表現為Cu、Cr在距煤矸山0～100 m范圍內的0～100 cm各土層中的含量分別約比山西省土壤背景值高1.4、1.1倍；Pb在 0～20、20～40、80～100 cm土層的含量也超出背景值；Zn在0～100 cm土層的含量均未超出背景值。在水平方向上：Cu、Cr 在0～100 m范圍內分別約比背景值高1.45、1.03倍；Pb在距煤矸山0～50 m處土壤中含量也超過背景值；Zn在0～100 m范圍均未超過背景值。單因子生態風險評價表明，距煤矸山0 m處Cr污染最嚴重，屬重度污染水平，距煤矸山20～100 m處的Cu污染最嚴重，屬中度污染水平；Pb（0 m處除外）、Zn在整體上處于清潔水平。從綜合污染指數來看，Pb、Cu、Cr、Zn 4種元素綜合污染狀況表現為距煤矸山愈遠，污染程度愈輕的趨勢，但是即使在距煤矸石 100 m 處仍基本屬于輕度污染；垂直方向上表現出較深土層（40～100 cm）的污染程度高于表層（0～40 cm）土壤。

關鍵詞：煤矸山；農田土壤；重金屬污染；空間分布；生態風險

中圖分類號：S151.9+3；X825 文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0467-03

煤炭開采和洗選過程中會排出大量煤矸石，除約有20%用作工業用途外，其余均以矸石山的形式堆存[1-3]。目前，我國累計堆存矸石約40億t，形成煤矸山1 500多座，占地面積超過1.33萬hm2，而且仍以約1億t/年的速度遞增[4-5]。煤矸石堆放不僅占用大量土地，而且堆放過程中大量重金屬元素會通過雨水淋溶和揚塵進入土壤造成重金屬污染[6]。它們大量地富集在土壤中，被作物吸收后通過食物鏈無限放大，再沿食物鏈最終進入人體，對人體造成嚴重傷害[7]。因此，查明煤矸山周邊農田土壤重金屬污染狀況并開展生態風險評價將有助于礦區因地制宜、合理進行農業生產。本研究選取煤矸山下農田土壤中鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鋅（Zn）4種重金屬，分析其空間分布狀況和污染程度，對于指導煤礦區污染農田農業生產具有一定指導意義。

山西省煤炭資源儲量大、產量高，全省煤礦企業矸石累計堆存量為8.3億t，已形成300多座煤矸山[8]，其中山西省霍州市霍煤集團堆積形成的矸石山就達10余座，以此為樣區開展煤矸山周邊農田土壤重金屬污染的研究具有典型性。本研究以山西省霍州市曹村煤礦煤矸山腳下農田為研究對象，研究農田土壤重金屬在水平空間（距煤矸山0～100 m范圍）、垂直空間（0～100 cm土層）的分布狀況，并采用單項污染指數法、內梅羅綜合污染指數法對研究區內的土壤重金屬污染進行評價，以期為農業生產實踐活動提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于山西省霍州市霍煤集團曹村礦區，該礦區距霍州市約7 km，區內山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。該區為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.1 ℃，年均降水量353.3～688.9 mm，降水年內分布不勻，主要集中在7、8、9這3個月，且常以暴雨出現，春秋季節干燥且風較大，全年盛行偏南風、偏北風，春季以偏南風為主，其次是偏北風。夏、秋、東3個季節以偏北風為主，西南風次之。

[JP3]研究樣地位于該礦南下莊矸石山（地理位置36°30′47.9″N，111°42′11.1″E），該矸石山從1959年開始使用，矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6 hm2，垂直高度約為50 cm，坡度約為40°，該樣地矸石裸露，矸石中重金屬Pb、Cu、Cr、Zn含量分別為30.40、74.06、180.52、146.33 mg/kg。樣地植被處于自然恢復狀態，植被稀疏，主要為沙棘、黃刺梅、荊條。研究所選農田位于該煤矸山下西北方向，土地平整，面積約為 2 000 m2，土壤類型為褐土，多年連續種植農作物，采樣時種植的作物為玉米（Zea mays L.）。

1.2土樣采集與分析

采樣點分別為距離矸石山0、20、50、80、100 m處，按“S”形5點采樣法進行采樣，每個采樣點用土鉆采集100 cm土層（20 cm為1個深度單位，共分5層，距矸石山下0 m處因 60 cm 以下土層均為煤矸石而無法采土，因而僅取到60 cm）。每個采樣點、每一土層均由5個子樣混合組成，混合均勻后按四分法獲取足夠的樣品裝入塑料袋，標明采樣信息后帶回實驗室，經自然風干后剔除植物的殘根、石塊等雜物，磨碎后過100目（孔徑0.150 mm）尼龍篩，保存于塑料袋待測。

測定時稱取約0.5 g風干土樣，放入聚四氟乙烯坩堝中，分別加入10 mL硝酸、8 mL氫氟酸、1mL高氯酸（3種試劑均為優級純），加蓋，置于電熱板上消解，得到樣品消解液，用nov-AA400火焰-石墨爐原子吸收光譜儀測定其含量，重復3次，取平均值。

3結論

從重金屬含量的空間分布來看，Pb、Cu、Cr、Zn 4種元素在垂直方向的規律：Cu、Cr在0～100 cm土層的含量均超出土壤背景值；Pb在部分層次距離（20～40、80～100 cm）含量較高，超出背景值比例較大；Zn在0～100 cm土層含量均未超過背景值。在水平方向上表現：Cu、Cr在距煤矸山0～100 m 含量較多，均超出了土壤背景值且超出比例較大；Pb在距煤矸山0、50 m處超出比例較大，其余各處含量較少，也未超出背景值；Zn在距煤矸山0～100 m范圍內均未超出背景值。

從單項污染指數來看，Pb、Cu、Cr、Zn這4種元素中，Cr在0 m處0～20cm土層污染最重， 處于重度污染水平；Cu在

20、50、80、100 m 處污染較重，基本處于中度污染水平；Pb（0 m 除外）、Zn整體處于未累積狀況，屬于清潔水平。

從綜合污染指數來看，Pb、Cu、Cr、Zn 4種元素綜合污染狀況表現為距煤矸山愈遠污染程度愈輕的趨勢；垂直方向上表現出深層（40～100 cm）土壤的污染程度高于表層（0～40 cm）土壤。

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