黔西北典型煤礦周邊土壤重金屬生態風險評價

任 維， 胡德勇， 崔云祥， 馮 娟， 孫柏榆， 牟遠望

(貴州省地質礦產勘查開發局一0五地質大隊， 貴州 貴陽 550000)

0 引言

【研究意義】煤礦是我國的重要資源，在我國一次性能源消耗結構中，燃煤占60%左右。煤礦行業在推動工業和經濟發展的同時，開采和利用所引起的重金屬污染問題也日益突出[1-2]。陳俊清等[3-5]研究認為，每生產1 t原煤會產生0.15～0.2 t的煤矸石及2～4 m3的礦井廢水，礦井廢水中含有大量的煤粉、巖粉等懸浮物以及重金屬等有害元素，如果處置不合理，會對礦山環境造成污染。另外，煤矸石在露天環境中通過淋溶、風力侵蝕等作用將重金屬元素轉移到土壤及淺層水中，造成土壤及地下水污染[6]。因此，有必要對煤礦周邊農用地土壤重金屬污染特征進行研究，并提出針對性的修復措施。【前人研究進展】近年來，眾多研究者采用多種評價方法對土壤重金屬的含量特征、污染水平及健康風險等進行研究。張雅茹等[1]以安徽淮北煤田宿南礦區作為研究對象，采用單因子指數法、地累積指數法對煤礦影響區土壤重金屬污染水平進行評價，并運用暴露風險評價模型評估重金屬對人體健康的風險，結果表明，Cr、Cu、As、Cd和Pb的均值含量均超過安徽省表層土壤背景值，但土壤生態環境的風險低。張永文等[7]以西南某煤礦作為研究對象，利用單因子污染指數法、地累積指數法和潛在生態風險評價對該煤礦周邊土壤8種重金屬元素進行污染評價表明，研究區土壤重金屬含量均高于渝西地區背景值，Cd污染較明顯，從潛在生態危害風險評價看，Hg、Cd是主要生態危害元素。【研究切入點】黔西北地區有大型煤田織納煤田、黔北煤田等，煤礦資源豐富，但目前尚未有學者對該區域煤礦周邊農用地土壤重金屬污染進行研究。【擬解決的關鍵問題】以黔西北典型煤礦山周圍農用地作為研究對象，對土壤重金屬污染特征進行分析評價，為煤礦山的綠色發展和礦區及周邊農用地土壤污染修復治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣礦山

以黔西北地區4座開采時間較長的礦山作為研究對象，分別為金沙縣煤礦2座(煤礦1和煤礦2)、黔西縣煤礦1座(煤礦3)和納雍縣煤礦1座(煤礦4)。煤礦1、煤礦2開采時間約為2010年，至今仍在開采中；煤礦3開采時間較早，2005年左右開始，至2017年停止開采；煤礦4開采時間約為2012年，2018年停止開采。

1.2 樣品采集與重金含量測定

2020年11月中旬對4個研究礦山進行野外調查并采集土壤樣品。樣品采集方法：根據礦山周邊農用地分布情況，以250 m×250 m為采樣網格，網格中心為中心樣點，在中心樣點20～50 m內向四周輻射確定4個取樣點，共5個取樣點，5個樣點等份組合成1個混合樣。煤礦1采集農用地土壤樣品1件，煤礦2采集3件；煤礦3采集4件，煤礦4采集2件，總樣品數10件，各礦山采樣信息見表1。采樣工具為竹鏟，采樣土壤均為旱地，采集深度0～20 cm。樣品采集運回實驗室后經自然風干、研磨、過篩后裝入土壤樣品袋并貼好標簽待測。樣品經濕法消解后，利用電感耦合等離子體質譜儀和原子熒光儀測定重金屬As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

表1 礦山周邊土壤樣品采集信息

1.3 土壤污染狀況評價

為能定量反映應黔西北區域礦山周圍農用地土壤重金屬污染情況，采用單因子污染指數法、綜合污染指數法(內梅羅污染指數法)進行評價[8-9]。

1.3.1 單因子污染指數法 計算公式如下：

式中，Pi表示重金屬i的單項污染指數，具體反映污染物i的超標倍數和程度；Ci表示重金屬i含量的實際測量值，單位mg/kg；Si表示重金屬i的標準值，以《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[10]中土壤污染篩選值作為參照標準。Pi值越大，說明樣品受污染越嚴重。Pi分為4個等級，Pi<1表示清潔，1≤Pi<2輕污染，2≤Pi<3中污染，Pi≥3重污染。

1.3.2 綜合污染指數法 又稱內梅羅污染指數法，能夠反映多種污染物對土壤的污染，計算公式如下：

式中，PN為綜合污染指數PI均和PI最大分別是平均單項污染指數和最大單項污染指數。PN分為5個等級，當PN≤0.7表示安全，0.73重污染。

1.4 生態風險水平評價

土壤重金屬生態風險水平評價目前國內沒有統一評價標準，為更全面地分析黔西北地區典型煤礦礦山周圍土壤生態風險水平，采用地累積法和潛在生態風險評價雙標準對礦區土壤進行綜合評價。

1.4.1 地累積指數法 地累積指數法[11]由德國科學家Muller在1969年提出，被廣泛應用于研究沉積物和其他物質重金屬污染程度，采用地累積指數法能夠綜合考慮到人為因素和自然因素影響，能更全面分析土壤重金屬生態風險。計算公式如下：

Igeo=log(Ci/1.5Bi)

式中，Ci為污染物的實測濃度，Bi為土壤環境對照值，1.5用于校正區域背景值差異。

根據Igeo數值大小，可將重金屬污染劃分為7個等級，Igeo≤0為清潔，05極重度污染。

1.4.2 潛在生態風險法 潛在生態風險[12]是瑞典科學家Hakanson根據重金屬性質及環境行為特點，對土壤或沉積物中重金屬污染風險進行評價的方法。該方法不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，能從多因素、多角度說明重金屬污染對生態環境的綜合潛在影響。潛在生態風險計算公式如下：

Cri=Ci實測/Cni

Eri分為5個等級，Eri<40表示低風險，40≤Eri<80中等風險，80≤Eri<160重度風險，160≤Eri<320較重度風險，320≤Eri嚴重度風險；RI分為4個等級，RI<150表示低生態危害，150≤RI<300中等生態危害，300≤RI<600重生態危害，600≤RI嚴重生態危害。

1.5 統計分析

利用Microsoft Excel 2019對試驗數據進行整理，采用SPSS 17.0的Pearson相關性分析方法分析礦區土壤重金屬元素之間相關性，利用主成分分析方法分析土壤重金屬污染的關鍵因子。

2 結果與分析

2.1 黔西北典型煤礦礦山土壤重金屬含量特征

從表2看出，在黔西北地區4個典型煤礦礦山中，煤礦1周圍農用地土壤Cr、Cu、Cd含量超過土壤環境質量農用地土壤污染篩選值(GB 15618—2018)，存在污染風險。煤礦2周圍農用地土壤主要超標元素為Cr、Cu、Cd，其中，2-1號采樣點重金屬Cd含量超過土壤污染篩選值，未超過風險管控值；2-2號采樣點重金屬Cr、Cu、Cd含量超過土壤污染篩選值，其中，重金屬Cd含量超過風險管控值；2-3號采樣點重金屬Cr、Cu、Cd含量超過土壤污染篩選值，未超過風險管控值。煤礦3周圍農用地Cr、Cu、Cd含量超過土壤環境質量農用地土壤污染篩選值，其中，3-1號采樣點重金屬Cr、Cu含量超過土壤污染篩選值；3-2號采樣點重金屬Cu含量超過土壤污染篩選值；3-3號采樣點Cu、Cd含量超過土壤污染篩選值；3-4號采樣點土壤重金屬Cr、Cu含量超過土壤污染篩選值，4個采樣點土壤重金屬含量均未超過風險管控值。煤礦4周圍農用地土壤Cr、Cu、Cd、Ni超過土壤污染篩選值，其中，4-1號采樣點重金屬Cu、Cd超過土壤污染篩選值；4-2號采樣點重金屬Cr、Ni、Cu、Cd含量均超過土壤污染篩選值。

表2 黔西北典型煤礦山周圍農用地土壤重金屬含量

2.2 黔西北典型煤礦礦山土壤重金屬污染評價

2.2.1 基于單因子污染指數法的土壤重金屬污染等級 從表3看出，煤礦1礦山周圍農用地土壤存在Cr元素輕污染，Cd元素重污染。煤礦2的2-1號采樣點Cd元素污染水平為重污染；2-2號采樣點土壤Cr、Cu輕污染，Cd重污染；2-3號采樣點土壤Cr、Cu中污染，Cd輕污染。煤礦3的土壤3-1號采樣點Cr元素輕污染，Cu中污染；3-2號采樣點Cu輕污染，3-3號采樣點Cu、Cd輕污染；3-4號采樣點Cr輕污染，Cu中污染。煤礦4的4-1號采樣點土壤Cr、Cu輕污染；4-2號采樣點土壤Cr、Ni輕污染，Cu、Cd重污染，需引起重視。

表3 基于單因子污染指數法的土壤重金屬污染指數及污染等級

2.2.2 基于綜合污染指數法的土壤重金屬污染等級 從表4看出，煤礦1礦區周圍農用地土壤重金屬元素綜合評價為中污染水平。煤礦2的3個采樣點存在不同程度的重金屬污染，2-1號采樣點中污染，2-2號采樣點重污染，2-3號采樣點輕污染。煤礦3礦山周

表4 基于綜合污染指數法的土壤重金屬污染指數及污染等級

圍土壤環境整體輕污染。煤礦4礦山周圍農用地存在重金屬污染，其中，4-1號采樣點屬于警戒級， 4-2號采樣點屬于中污染。總體看，每個礦山周圍農用地均存在不同程度的重金屬污染，且污染存在不均勻性。

2.3 黔西北典型煤礦礦山土壤生態風險評價

2.3.1 基于地累積指數法的土壤生態風險等級 地累積指數常用于評價沉積物中重金屬的污染情況，同時也用于評價土壤重金屬污染程度。從表5看出，As、Hg、Ni、Zn、Pb元素在4個礦山土壤中的地累積指數(Igeo值)均小于0，為清潔水平；Cr元素在煤礦2農田土壤中Igeo大于0，為輕度污染；Cu元素在4個煤礦礦山周圍農用地土壤中為輕度污染；Cd在煤礦1、煤礦4土壤中為輕度污染，在煤礦2土壤中為偏中度污染，煤礦3土壤無污染。

表5 基于地累積指數法的土壤生態風險等級

2.3.2 基于潛在生態風險指數法的土壤生態風險等級 從表6看出，Cd在煤礦1樣點、煤礦2的2-1號采樣點和煤礦4的4-2號采樣點呈重度風險；煤礦2的2-2號采樣點Cd生態危害指數Eri為482.0，呈嚴重度風險；其余各重金屬在各礦山樣點的生態風險指數均小于40(Eri<40)，表現為低風險。

表6 基于潛在生態風險指數法的土壤潛在生態危害指數與風險等級

僅煤礦2的2-2號采樣點的潛在生態危害指數RI大于300，表現為重生態危害；其余各礦山樣點的潛在生態危害指數RI均小于150，表現為低生態危害。

2.4 黔西北典型煤礦礦山土壤重金屬的相關性

對黔西北典型煤礦周圍農用地土壤重金屬元素之間相關性分析結果(表7)顯示，As與Cu呈顯著負相關，表明As和Cu元素來源不同。Hg與Cr、Pb、Cd呈極顯著或顯著正相關，表明Hg與Cr、Pb、Cd具有同源性。Cr與Pb呈顯著正相關，Ni與Cd、Pb、Zn呈顯著或極顯著正相關，Cd與Pb呈極顯著正相關，說明土壤中Cr、Pb、Ni、Zn具有相同來源。

表7 重金屬元素之間的相關系數

2.5 土壤重金屬主成分分析

對黔西北4個典型煤礦礦山土壤8大重金屬元素(As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、Zn)的含量水平進行主成分分析，結果(表8)顯示，所有土壤樣品中8種重金屬的全部信息可以由3個主成分反映，3個主成分的累積貢獻率達84.637%，表示這3個主成分能夠反映土壤重金屬含量的大部分信息。主成分1(PC1)的方差貢獻率為46.578%，其中，Hg、Cr、Ni、Cd、Pb有較大載荷；主成分2(PC2)的方差貢獻率為20.153%，其中，Cu在PC2上有較大載荷；主成分3(PC3)的方差貢獻率為17.905%，其中，Cu、Zn在PC3上有較大正載荷。

表8 黔西北典型煤礦礦山土壤重金屬主成分分析的特征值與貢獻率

3 討論

研究黔西北地區4個典型煤礦礦山周圍農用地土壤重金屬污染情況，對比《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染篩選值，存在不同程度超標，超標重金屬元素主要為Cr、Ni、Cu、Cd。對土壤重金屬進行污染評價，需用多種方法進行比較評價，才能保證結果的準確性與科學性[13-14]。單一的評價方法均有其局限性，如綜合污染指數法雖然能夠全面反映各重金屬對土壤的作用，但可能會夸大高濃度因子的作用或者忽視低濃度因子的影響，可能造成偏離客觀現實的結果[15-17]。地累積指數法能夠較好地考慮地質背景帶來的影響，但該方法只能給出采樣點中單個重金屬的污染特征，不能反映采樣點的綜合污染特征[18]。本研究中采用單因子指數法、綜合污染指數法、地積累指數法及潛在生態風險指數法系統評價黔西北典型煤礦礦山周圍農用地土壤中重金屬的污染特征，發現4個煤礦山周圍農用地土壤重金屬元素表現出不同程度的超標，其中，Cd的單因子污染指數最大，地累積指數最高，對潛在生態危害綜合指數貢獻最大，污染最嚴重。

從土壤重金屬相關性分析結果看，黔西北典型煤礦礦山土壤重金屬As、Cu與其他重金屬均不存在顯著相關性，而As與Cu之間呈顯著負相關，說明As、Cu與其他重金屬來源不同，且As與Cu來源也不同，因此推測黔西北地區典型煤礦礦山周圍農用地As與Cu主要受人為影響；另外6種重金屬互相之間存在一定相關性，具有同源性，推測黔西北地區典型煤礦礦山周圍農用地Hg、Cr、Ni、Cd、Pb、Zn等6種重金屬受自然地質背景影響。馮學仕[19]研究發現，Hg與Pb等元素的地球化學性質相似，且在成礦過程中共消共長，密切伴生。

利用主成分分析，共提取3個主成分，主成分1(PC1)的方差貢獻率為46.578%，其中，Hg、Cr、Ni、Cd、Pb有較大載荷，且相關性顯著，而BORUVKA等[20-21]研究發現Hg、Cr、Ni、Cd、Pb元素受地質背景的控制，因此把PC1作為“自然源因子”，可能與當地土壤本底值有關系。主成分2(PC2)的方差貢獻率為20.153%，Cu在PC2上有較大載荷，且Cu與其他元素相關性不足，因此PC2主要受人類活動控制，被認為是“外源性因子”。主成分3(PC3)的方差貢獻率為17.905%，Cu、Zn在PC3上有較大正載荷。因此推測黔西北典型煤礦山周圍農用地土壤中Hg、Cr、Ni、Cd、Pb、Zn很可能是在煤礦開采過程中伴生而來，與前人研究結論相似[19]。

4 結論

對黔西北地區4個典型煤礦礦山周圍農用地土壤重金屬污染特征進行分析評價，結果顯示，對比《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染篩選值，4個典型煤礦礦山周圍農用地土壤重金屬存在不同程度超標，超標重金屬元素主要是Cr、Ni、Cu和Cd。每個礦山周圍農用地土壤污染水平也不同，煤礦1為中污染水平，煤礦2則重污染、中污染和輕污染均存在，尤其是煤礦2的2-2采樣點，重金屬Cd已超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染風險管控值，應進行風險管控。煤礦3礦區周圍土壤整體污染水平表現為輕度污染，可通過農藝調控、替代種植達到安全利用。煤礦4礦區周圍農用地土壤為警戒級和中污染。礦山開采對周圍農用地造成的污染表現出不均勻性，同一礦山周圍輕、重污染均存在。為保障農產品安全，建議對礦山周圍農用地展開系統調查，并采取治理措施防治污染。