銅川三里洞煤礦煤矸石風(fēng)化土壤重金屬分布及污染狀況分析

時亞坤，李凱榮，閆寶環(huán)

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100）

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤礦在給我們帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也帶來了許多環(huán)境問題。煤矸石是在煤炭生產(chǎn)過程中伴隨產(chǎn)生的固體廢棄物，是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)頁巖的混合物。煤矸石的大量排放和堆存不僅破壞和占用大量的土地資源，也會帶來諸如土壤質(zhì)量下降、生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性喪失、景觀受到破壞等一系列嚴重的環(huán)境問題[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對煤矸石的研究主要集中在煤矸石對周圍尾礦、土壤、地下水的污染以及重金屬化學(xué)形態(tài)等方面[2－3]，然而，由于煤矸石排量巨大，很多煤礦周圍形成的矸石山小則幾千平方米，大則數(shù)萬平方米。由于長時間的風(fēng)化、淋溶等作用，矸石山表層已形成能被某些植物生長的原生風(fēng)化土壤。目前，有關(guān)煤矸石風(fēng)化土壤的污染狀況研究甚少。因此，本文以三里洞煤礦為例，研究大型矸石山內(nèi)部表層風(fēng)化土壤中重金屬的轉(zhuǎn)移、積累等分布特征，同時，對表層風(fēng)化土壤進行污染狀況分析與評價，旨在為我國煤礦矸石堆積地的綜合治理及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

銅川市位于陜西省中部，處于關(guān)中平原向陜北黃土高原的過渡地帶，介于東經(jīng)108°34′—109°29′，北緯34°50′—35°34′，屬大陸性季風(fēng)氣候。選擇三里洞煤礦區(qū)為研究區(qū)域，該礦區(qū)位于銅川市印臺區(qū)，自20世紀50年代開始采煤，1999年煤礦關(guān)閉。采煤期間，煤矸石被集中裸露堆放，目前已形成面積約為70 000m2的大型矸石堆積地。區(qū)域形狀接近四邊型，北高南低，最高點海拔高度1 017m，最低點海拔高度881m。區(qū)域內(nèi)共有巨型矸石坡地2處，面積約為25 000m2；矸石臺地3處，面積約為5 000m2。由于煤矸石長期受到日曬、風(fēng)雨的侵蝕和地下水的浸泡，區(qū)域內(nèi)部分煤矸石表層已經(jīng)嚴重風(fēng)化，有原生演替發(fā)生[4]。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

在野外詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)排矸場的自然地形條件、排矸年限、坡度和坡向的不同，按照立地條件類型將整個排矸場劃分為5個研究區(qū)。在每個區(qū)域內(nèi)對煤矸石風(fēng)化的新生土壤按照平均布點法和網(wǎng)格布點法隨機選取9個有代表性的采樣點。各研究區(qū)基本情況見表1。

表1 各研究區(qū)基本情況

2.2 土壤樣品的處理和分析

將土壤樣品烘干后粉碎，過0.25mm孔徑篩。稱取2.00g土壤樣品，用 HCl＋HNO3＋HF＋HClO4（10ml＋5ml＋5ml＋3ml）全消解法消解，后定容至25ml，保存?；鹧嬖臃止夤舛确y定Cu，Cr，Cd，Mn，Ni，Zn，Pb含量[5－6]。

2.3 重金屬污染評價方法

目前，國際上采用的沉積物或土壤重金屬污染評價方法很多，本文根據(jù)實際需要，采用地質(zhì)累計指數(shù)法和潛在生態(tài)危險指數(shù)法兩種方法。

2.3.1 地質(zhì)累積指數(shù)法 地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）是由德國科學(xué)家MULLE提出的，廣泛用于研究沉積物及其它物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標（通常又稱為Muller指數(shù)）。該方法不僅考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值差異，還考慮到自然沉積成巖作用等地質(zhì)過程造成的背景值變動因素[7]。其公式為：

式中：Ci——指樣品中元素i的含量；BEi——元素i的地球化學(xué)背景值，本文采用三里洞煤礦周圍對照土壤作為背景值，1.5為修正指數(shù)，主要用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響[8]。地質(zhì)累積指數(shù)評價標準分級見表2。

表2 地質(zhì)累積指數(shù)評價標準分級

2.3.2 潛在生態(tài)危險指數(shù)法 潛在生態(tài)危險指數(shù)（RI）是由瑞典科學(xué)家Hakanso建立的一套應(yīng)用沉積學(xué)原理評價土壤或沉積物中重金屬污染及生態(tài)危害的方法。該方法結(jié)合環(huán)境化學(xué)、生物毒理學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面的內(nèi)容，以定量的方法劃分出重金屬的潛在生態(tài)危害程度[9－10]。計算方法如下：

表3 重金屬污染潛在生態(tài)危險指標與分級關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 煤矸石風(fēng)化土壤重金屬含量及分布

由表4可以看出，對于5個研究區(qū)而言，1區(qū)各重金屬元素含量均低于其它4個研究區(qū)（Cr除外）；2—5區(qū)重金屬元素含量較高且相對穩(wěn)定。5個研究區(qū)各重金屬含量方差分析結(jié)果顯示，Zn含量存在極顯著性差異，1區(qū)和2—5區(qū)、2區(qū)和5區(qū)、3區(qū)和5區(qū)含量存在顯著性差異，1區(qū)含量最低，5區(qū)含量最高；Cd在1區(qū)和5區(qū)之間存在顯著性差異，5區(qū)含量最高；其它4種重金屬元素含量在各區(qū)之間無顯著性差異。

對于6種重金屬元素含量方差分析可知，Cu在1區(qū)和3區(qū)、Cr和Pb在1—3區(qū)、Cd在1區(qū)和2區(qū)、Ni和Zn在2區(qū)存在顯著性差異；多重比較分析結(jié)果表明，Cu在1區(qū)坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高，3區(qū)臺地內(nèi)側(cè)與外側(cè)、中部存在顯著性差異，內(nèi)側(cè)含量較高；Cr在1區(qū)坡上部與中、下部存在顯著性差異，上部含量最低，在2區(qū)坡上、中、下部之間均存在顯著性差異，下部含量最高，在3區(qū)坡中部與上、下部存在顯著性差異，中部含量最低；Cd在1區(qū)坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高，在2區(qū)坡上部與中部存在顯著性差異，下部含量較高；Ni和Zn在2區(qū)坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高；Pb在1區(qū)坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高，在2區(qū)坡上部和中、下部存在顯著性差異，上部含量較低，在3區(qū)臺地內(nèi)側(cè)與外側(cè)、中部存在顯著性差異，內(nèi)側(cè)含量較高，在5區(qū)臺地中部和內(nèi)、外側(cè)存在顯著性差異，中部含量較高。由以上分析可知，重金屬在坡地和臺地的分布存在明顯的差異，在坡地，重金屬有明顯的向坡下部積累和富集的趨勢，導(dǎo)致坡下部重金屬含量較高，但臺地地勢平坦，受外界影響相對較小，重金屬分布無明顯的規(guī)律。

表4 各研究區(qū)風(fēng)化土壤重金屬含量分布及分析 mg／kg

3.2 煤矸石風(fēng)化土壤污染分析與評價

3.2.1 地質(zhì)累積指數(shù)法 利用公式（1）對5個研究區(qū)的重金屬含量進行計算分析（表5），Cd平均含量為0.99mg／kg，Igeo值為2.77，達到3級中度污染，其中1—3區(qū)Igeo值在2.38～2.60之間，達到3級中度污染，4區(qū)和5區(qū)Igeo值分別為3.01和3.14，達到4級偏重度污染；Ni污染次之，5個研究區(qū)Igeo值均為0.27～0.73，為1級輕度污染；Zn污染較輕，平均含量為104.88mg／kg，Igeo值為0.45，達到1級輕度污染，其中除1區(qū)為0級無污染外，其余4個區(qū)均為1級輕度污染；Cu污染輕微，5個研究區(qū)均為1級輕度污染；Cr平均含量較低，未形成污染，但是3區(qū)和5區(qū)含量較高，達到1級輕度污染，其它3個區(qū)無污染；Pb含量最低，除2區(qū)剛形成1級輕度污染外，其它4個區(qū)均無污染；6種重金屬元素的平均污染強弱順序為Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

表5 應(yīng)用地質(zhì)累計指數(shù)數(shù)法進行污染狀況分析

3.2.2 潛在生態(tài)危險指數(shù)法 由表6可知，從單個重金屬的潛在生態(tài)危險指數(shù)看，Cd在1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)的Eir值分別為235.05，269.07，272.16，達到重度潛在生態(tài)危險水平，4區(qū)和5區(qū)Eir值分別為361.86和395.88，為極重潛在生態(tài)危險水平；Cu，Cr，Ni，Zn和Pb在5個研究區(qū)的Eir值均小于40，為輕度潛在生態(tài)危險水平；6種重金屬的潛在生態(tài)危險程度強弱順序為Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。

表6 應(yīng)用潛在生態(tài)危險指數(shù)法進行污染狀況分析

對于5個研究區(qū)而言，1—3區(qū)的RI值分別為253.92，297.27，299.79，達到中度潛在生態(tài)危險水平，4區(qū)和5區(qū)的RI值分別為388.34和423.65，達到偏重潛在生態(tài)危險水平；5個研究區(qū)的潛在生態(tài)危險程度強弱順序為5區(qū)＞4區(qū)＞3區(qū)＞2區(qū)＞1區(qū)，5區(qū)的潛在生態(tài)危險水平最高，1區(qū)最低。

4 結(jié)論

（1）該矸石堆積地形成的風(fēng)化土壤中，隨著排矸年限的增加，重金屬元素含量逐漸增加并趨于穩(wěn)定；在坡地，不同坡位重金屬含量差異性較大，一般坡下部高于坡上部和坡中部；臺地地形較平坦，重金屬含量分布無明顯規(guī)律。分析其可能原因為排矸年限越長，矸石風(fēng)化越充分，重金屬含量越高；地形越陡峭，雨水沖刷作用越強烈，坡上部和坡中部重金屬流失越嚴重，導(dǎo)致坡下部重金屬的富集與積累；植被對重金屬有較強的固持作用，植被覆蓋率越高，重金屬含量越穩(wěn)定，因此矸石風(fēng)化較好、植被覆蓋度較大的4區(qū)和5區(qū)重金屬含量較高且相對較穩(wěn)定。

（2）地質(zhì)累積指數(shù)法結(jié)果表明：5個研究區(qū)受到不同重金屬污染的程度不同，Cd污染最嚴重，為主要污染物，1—3區(qū)達到中度污染，4—5區(qū)達到偏重度污染；Ni在5個研究區(qū)均為輕度污染；對于Zn，1區(qū)排矸年限短、坡度大、植被覆蓋率低，元素流失嚴重未形成污染外，其它4個區(qū)均為輕度污染；Cu分布較均勻，5個區(qū)均為輕度污染；Cr和Pb在該矸石堆積地的平均含量較低，整體未形成污染，但由于排矸年限、地形、植被覆蓋等因素影響，污染分布不均勻，Cr在3區(qū)和5區(qū)為輕度污染，Pb在2區(qū)為輕度污染。根據(jù)地質(zhì)累積指數(shù)值（即Igeo值）可知6種重金屬的污染強弱順序為Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

（3）潛在生態(tài)危險指數(shù)法結(jié)果表明，三里洞煤礦矸石堆積地的主要污染物為Cd，Eir范圍在235.05～395.88之間，在5個研究區(qū)均達到了重度或極重潛在生態(tài)危險水平，其它5種重金屬均為輕度潛在生態(tài)危險水平；對于5個研究區(qū)而言，綜合6種重金屬元素的污染可知，5區(qū)污染最嚴重，1區(qū)污染最輕，5個研究區(qū)受污染強弱程度順序為5區(qū)＞4區(qū)＞3區(qū)＞2區(qū)＞1區(qū)?？梢?，排矸年限越長、地形越平坦、植被覆蓋率越高，重金屬污染越嚴重。

（4）分別應(yīng)用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危險指數(shù)法兩種污染評價方法對該矸石堆積地進行了污染分析與評價，地質(zhì)累積指數(shù)法側(cè)重于對某一研究區(qū)域內(nèi)單一重金屬的污染級別劃分，但是不能明確給出在研究區(qū)受到多種重金屬復(fù)合污染情況下的污染強度。潛在生態(tài)危險指數(shù)法中重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)Tir的引入具有重要的實際意義，Tir是美國國家環(huán)保局根據(jù)對生物體的大量毒性試驗和“三致”效應(yīng)的研究成果，它結(jié)合了重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)原理，在重金屬對人體健康、生物生長等方面表現(xiàn)的差異性充分表示出來，能夠客觀評價重金屬排放區(qū)對周圍環(huán)境的現(xiàn)實和潛在危害程度。

本文應(yīng)用這兩種方法進行污染分析與評價，結(jié)果基本一致。該研究區(qū)的主要污染物為Cd，對環(huán)境的污染最為嚴重，該地應(yīng)加強對Cd污染的預(yù)防和治理；Cu和Pb雖然含量較低，但因為它們的毒性響應(yīng)系數(shù)較高，對周圍環(huán)境仍存在一定的污染；Ni和Zn含量較高，但因其毒性響應(yīng)系數(shù)較低，對周圍環(huán)境的污染較輕；Cr除了個別區(qū)域外，基本不形成污染。

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