峰峰礦區典型煤矸石山周邊土壤重金屬污染生態風險評估

張昊然 張玉玲 張艷杰 賈哲

摘要：在對峰峰礦區某典型煤矸石山周邊表層土壤樣品采集以及室內測定Cd、Cr、As、Pb等4種重金屬含量的基礎上，評估了土壤重金屬污染潛在生態風險。結果表明：土壤中Cd、Cr、As、Pb含量均未超過國家標準（GB15618 - 2018）中農用地土壤污染風險篩選值。風險評估結果顯示，煤矸石山周邊土壤4種重金屬都存在一定潛在生態風險，其程度為輕微，其中Cr元素單個元素的污染程度為中等，最具有潛在生態風險的元素是Cd元素。

關鍵詞：煤矸石山;表層土壤;重金屬;生態風險評估

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0088-02

1 引言

中國煤炭主體地位穩固，以煤炭為主要能源的格局難以改變。同時從煤炭的開采到利用過程中會引發很多的不利于生態環境發展的問題，煤矸石的大量堆積生成矸石山就是其中非常重大問題之一。全國煤矸石累積數量超過了50億t[l]，近年來煤矸石長期大量的堆放所導致其周邊土壤重金屬污染問題引起了強烈關注，國內外學者對土壤中重金屬的污染特征以及對其的風險評估等問題開展了深入研究[2]。其中有研究表明，煤矸石的自然風化過程會導致微量重金屬元素的富集，煤矸石所導致的重金屬污染環境的問題主要集中在煤矸石山的周邊[3]。峰峰礦區的矸石山隨處可見，據統計大型矸石山共計17座，矸石堆存量約3660萬t，占地面積約105萬m2。因此研究峰峰礦區矸石山對周邊土壤生態風險影響，對矸石山周邊土壤環境治理奠定基礎，并且具有一定的指導意義。

2 峰峰礦區概況

峰峰礦區位于河北省南部、邯鄲市西南，東西寬18km，南北長22km。峰峰礦區是全國著名的煤炭產區、資源儲量大、埋藏淺、品質高，是以煤炭資源為主的傳統型工礦城市。現如今，隨著國家政策的頒布和煤礦資源的過渡開采，峰峰礦區的中小型煤礦基本關閉，逐步退出歷史舞臺，但是，峰峰礦區也遺留下很多環境問題，隨處可見的煤矸石山就是其中之一，目前峰峰礦區現有煤矸石山幾十座，堆積時間3-50年之間，總堆存量超過9855萬t，占地面積超過150萬m2。

3 實驗方法與評估方法

3.1 土壤樣品采集方案

在考慮煤矸石山周邊的自然地貌以及氣象風向的因素下，確定煤矸石山為中心，在其東北、西北、正東、東南和正南5個方向總共布置5條采樣線。每條采樣線在Om、20 m、40 m、60 m.80 m、100 m、150 m、200 m、300 m和400 m處共設10個采樣點[4]，形成以矸石山為中心，由近及遠，由密至疏的采樣布置，共采集50個表層土壤（0～20 cm）樣品。在每一個采樣點位置采樣采用多點混合取樣方式采集表層土壤，用四分法將采集的土壤樣品裝入一個樣品袋中，并在遠離矸石山的位置采集表層土壤用作檢測背景值。

3.2 樣品前處理

將土壤樣品自然風干，研磨，過篩。采用pH計測量土壤樣品的pH值;采用硝酸、氫氟酸和高氯酸三種強酸在石墨消解儀上進行消解，消解過程如下：稱取土壤樣品0.2 9加入消解管中，用少量蒸餾水濕潤并振蕩均勻，再給消解管中加入5 mL硝酸，在100℃下加熱1h;然后再加入2.5 mL氫氟酸，在120℃下加熱th，在此加熱期間全程加置回流蓋;最后加入0.5 mL高氯酸，在140℃下加熱2h，前一個小時加置回流蓋，后一個小時取走回流蓋進行趕酸的操作，當冒出大量白煙并且酸液近乎趕完時，消解完成，給消解管里加入1 mL的1：1硝酸溶液溶解殘渣;將消解液定容在25 mL容量瓶中，抽濾之后采用電感耦合等離子體光譜儀測定土樣中重金屬（Cd、Cr、As、Pb）含量[5]。

3.3 重金屬污染評價方法

采用瑞典科學家Hakanson提出的“潛在生態危害指數法”進行重金屬污染評價[6]。公式為：

式（1）中，RI為潛在生態風險指數;E為單項潛在生態危害指數;Tr為重金屬的毒性系數;Cj單項污染系數;Cs為所采集的土壤樣品的實測值;Cn為背景值。

4 結果

采樣地區采集的土壤樣品pH均高于7.5，根據土壤環境質量標準（GB15618 - 2018）規定，在土壤pH>7.5的標準下，四種重金屬元素均未超過農用地土壤污染風險篩選值。

背景值采用的所采集的遠離煤矸石山周邊的土壤樣品和各個重金屬的毒性系數值可見表1。

單項重金屬污染系數（Cf）、單項重金屬生態危害指數（ Er）和重金屬潛在生態風險指數（RI）標準值如表2所示。

依據潛在危害生態指數法中提出的評價方法和分級標準，對于峰峰礦區煤矸石山周邊土壤中重金屬潛在生態風險評估的結果可見表3。從表3中可看出，煤矸石山周邊土壤中，單個元素的污染程度從高到低的順序依次為Cr> Cd> Pb> As，其中Cr單個元素的污染程度為中等，其他幾個元素都是輕微程度。從單個污染物生態風險程度列可以看出，煤矸石山周邊土壤中各個重金屬元素對RI值的高低程度影響的情況依次為Cd>Cr>As>Pb，其中潛在生態風險程度最高的是Cd元素，接下來是Cr元素。經過計算所得到的結果顯示峰峰礦區煤矸石山周邊土壤重金屬污染總的潛在生態風險指數RI值為30. 48，該潛在生態風險指數RI的數值綜合反映了所檢測的4種重金屬元素在以煤矸石山為中心半徑400 m的范圍內5個方向上土壤中的污染程度及潛在生態危害性，因為計算得到的RI值為150，說明峰峰礦區煤矸石山周邊土壤具有潛在生態風險，其生態風險污染程度為輕微。

5 結論

（1）峰峰礦區煤矸石山周邊土壤中4種重金屬元素（Cd、Cr、As、Pb）的含量都沒有超過土壤環境質量標準（ GB15618 - 2018）中農用地土壤污染風險篩選值標準。

（2）潛在生態危害指數法所計算出的結果表明，峰峰礦區煤矸石山周邊土壤重金屬存在一定潛在生態風險，程度為輕微。單個元素的污染程度從高到低依次為Cr>Cd>Pb>As，其中Cr元素單個元素的污染程度為中等，潛在生態危害指數從高到低依次為Cd>Cr>As>Pb，其中Cd元素是最主要的潛在生態風險因子。

參考文獻：

[l]王玖玲，童文彬，陳 民，等.中國煤矸石堆存現狀的統計分析[J].煤炭加工與綜合利用，2014（1）：61—64.

[2]劉巍，楊建軍，汪君，等，準東煤田露天礦區土壤重金屬污染現狀評價及來源分析[J].環境科學.2016，37（5）：1938～1945.

[3]黨志，Fowler M，Watts S.等.煤矸石自然風化過程中微量重金屬元素的地球化學行為[J].自然科學進展，1998（3）：60-64.

[4]叢鑫，雷旭濤，付玲，等，海州煤礦矸石山周邊土壤重金屬污染特征及生態風險評價[J].地球與環境，2017，40（3）：329-335.

[5]郭興強，劉永琴.不同消解方法測定土壤中重金屬含量的研究[J].實驗室科學，2018，21（5）：31～36.

[6]王洋洋，李方方，王笑陽，等.鉛鋅冶煉廠周邊農田土壤重金屬污染空間分布特征及風險評估[J].環境科學，2019，40 （1）：437～444.

收稿日期：2019-11-18

作者簡介：張昊然（ 1994-），男，碩士研究生，研究方向為礦山環境工程。