峰峰礦區(qū)典型煤矸石山周邊土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

張昊然 張玉玲 張艷杰 賈哲

摘要：在對峰峰礦區(qū)某典型煤矸石山周邊表層土壤樣品采集以及室內(nèi)測定Cd、Cr、As、Pb等4種重金屬含量的基礎(chǔ)上，評估了土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：土壤中Cd、Cr、As、Pb含量均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618 - 2018）中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)，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(tài)風(fēng)險(xiǎn)的元素是Cd元素。

關(guān)鍵詞：煤矸石山;表層土壤;重金屬;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

中圖分類號：X53

文獻(xiàn)標(biāo)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(wěn)固，以煤炭為主要能源的格局難以改變。同時(shí)從煤炭的開采到利用過程中會引發(fā)很多的不利于生態(tài)環(huán)境發(fā)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(shù)量超過了50億t[l]，近年來煤矸石長期大量的堆放所導(dǎo)致其周邊土壤重金屬污染問題引起了強(qiáng)烈關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對土壤中重金屬的污染特征以及對其的風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)化過程會導(dǎo)致微量重金屬元素的富集，煤矸石所導(dǎo)致的重金屬污染環(huán)境的問題主要集中在煤矸石山的周邊[3]。峰峰礦區(qū)的矸石山隨處可見，據(jù)統(tǒng)計(jì)大型矸石山共計(jì)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(qū)矸石山對周邊土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響，對矸石山周邊土壤環(huán)境治理奠定基礎(chǔ)，并且具有一定的指導(dǎo)意義。

2 峰峰礦區(qū)概況

峰峰礦區(qū)位于河北省南部、邯鄲市西南，東西寬18km，南北長22km。峰峰礦區(qū)是全國著名的煤炭產(chǎn)區(qū)、資源儲量大、埋藏淺、品質(zhì)高，是以煤炭資源為主的傳統(tǒng)型工礦城市。現(xiàn)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(qū)的中小型煤礦基本關(guān)閉，逐步退出歷史舞臺，但是，峰峰礦區(qū)也遺留下很多環(huán)境問題，隨處可見的煤矸石山就是其中之一，目前峰峰礦區(qū)現(xiàn)有煤矸石山幾十座，堆積時(shí)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(shí)驗(yàn)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(fēng)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(shè)10個采樣點(diǎn)[4]，形成以矸石山為中心，由近及遠(yuǎn)，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(diǎn)位置采樣采用多點(diǎn)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(yuǎn)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(fēng)干，研磨，過篩。采用pH計(jì)測量土壤樣品的pH值;采用硝酸、氫氟酸和高氯酸三種強(qiáng)酸在石墨消解儀上進(jìn)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t(yī)h，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(shí)加置回流蓋，后一個小時(shí)取走回流蓋進(jìn)行趕酸的操作，當(dāng)冒出大量白煙并且酸液近乎趕完時(shí)，消解完成，給消解管里加入1 mL的1：1硝酸溶液溶解殘?jiān)?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(jià)方法

采用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的“潛在生態(tài)危害指數(shù)法”進(jìn)行重金屬污染評價(jià)[6]。公式為：

式（1）中，RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);E為單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù);Tr為重金屬的毒性系數(shù);Cj單項(xiàng)污染系數(shù);Cs為所采集的土壤樣品的實(shí)測值;Cn為背景值。

4 結(jié)果

采樣地區(qū)采集的土壤樣品pH均高于7.5，根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618 - 2018）規(guī)定，在土壤pH>7.5的標(biāo)準(zhǔn)下，四種重金屬元素均未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

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

單項(xiàng)重金屬污染系數(shù)（Cf）、單項(xiàng)重金屬生態(tài)危害指數(shù)（ Er）和重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。

依據(jù)潛在危害生態(tài)指數(shù)法中提出的評價(jià)方法和分級標(biāo)準(zhǔn)，對于峰峰礦區(qū)煤矸石山周邊土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度最高的是Cd元素，接下來是Cr元素。經(jīng)過計(jì)算所得到的結(jié)果顯示峰峰礦區(qū)煤矸石山周邊土壤重金屬污染總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI值為30. 48，該潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的數(shù)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(nèi)5個方向上土壤中的污染程度及潛在生態(tài)危害性，因?yàn)橛?jì)算得到的RI值為150，說明峰峰礦區(qū)煤矸石山周邊土壤具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度為輕微。

5 結(jié)論

（1）峰峰礦區(qū)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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（ GB15618 - 2018）中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值標(biāo)準(zhǔn)。

（2）潛在生態(tài)危害指數(shù)法所計(jì)算出的結(jié)果表明，峰峰礦區(qū)煤矸石山周邊土壤重金屬存在一定潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，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(tài)危害指數(shù)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉巍，楊建軍，汪君，等，準(zhǔn)東煤田露天礦區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價(jià)及來源分析[J].環(huán)境科學(xué).2016，37（5）：1938～1945.

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

[6]王洋洋，李方方，王笑陽，等.鉛鋅冶煉廠周邊農(nóng)田土壤重金屬污染空間分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評估[J].環(huán)境科學(xué)，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?yàn)榈V山環(huán)境工程。