高砷煤礦區(qū)土壤重金屬污染及潛在的生態(tài)風(fēng)險

劉文政，李存雄，秦樊鑫，龐文品

（貴州師范大學(xué) 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001）

高砷煤礦區(qū)土壤重金屬污染及潛在的生態(tài)風(fēng)險

劉文政，李存雄，秦樊鑫＊，龐文品

（貴州師范大學(xué) 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001）

為考察黔西南煤礦區(qū)土壤重金屬的污染狀況，采集了5個典型高砷煤礦周圍土壤作為研究對象，并對其重金屬（Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni）的含量進行分析測定，分別采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對其重金屬污染狀況、生態(tài)風(fēng)險進行評價。結(jié)果表明：黔西南5個典型高砷煤礦周圍土壤重金屬的平均含量均高于貴州省土壤重金屬的平均背景值，小尖山煤礦周圍土壤重金屬污染最嚴重，其中Hg和As的平均含量分別為0.65mg/kg和431.2mg/kg。5個煤礦周圍土壤As污染突出，其中小尖山、大丫口和梨樹坪煤礦周圍土壤As的地累積指數(shù)分別為3.85、3.42和3.02，均為偏重污染水平，同時還受Pb、Cd、Hg、Cu和Ni不同程度的污染。5個煤礦周圍土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)300～600，具有“強”生態(tài)風(fēng)險。其中，Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)最高，As次之，這2種污染因子均達到“強”以上生態(tài)風(fēng)險水平，應(yīng)引起相關(guān)部門的高度重視。

高砷煤礦區(qū)；土壤；重金屬；污染特征；生態(tài)風(fēng)險；黔西南

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，同人類的生產(chǎn)、生活和健康密切相關(guān)［1］。礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)利用，促進了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，但由于采礦中的廢水、廢渣以及降塵未經(jīng)處理直接排放，導(dǎo)致大量重金屬污染物進入土壤環(huán)境，而土壤中的重金屬又是土壤環(huán)境中潛在危害極大的污染物，進而造成礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境遭到污染破壞，危害食品安全和人體健康。黔西南煤炭資源豐富，屬特大型能源基地，同時也是典型的燃煤污染型砷中毒多發(fā)地區(qū)，由于病區(qū)家庭在無排煙設(shè)施的條件下，敞灶燃用當?shù)亻_采的高砷煤，導(dǎo)致砷污染室內(nèi)空氣和食物，病區(qū)居民因過量攝入砷而中毒［2］。病區(qū)主要分布在興仁、興義、安龍和織金等市縣的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，32個行政村，暴露人口約4萬人，8 786戶，砷中毒患者2 848人，其中，興仁病區(qū)涉及3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，13個村，暴露人口2萬余人，4 599戶，患癥病人2 250人；病區(qū)因皮膚癌、肺癌、乳腺癌、肝癌及肝硬化腹水死亡的砷中毒人數(shù)已達200余人［2］。黔西南高砷煤礦區(qū)的重金屬污染問題已經(jīng)嚴重威脅著當?shù)鼐用竦慕】蛋踩?。因此，對黔西南高砷煤礦區(qū)進行重金屬污染研究具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外煤礦區(qū)土壤重金屬的各種污染問題日益突出，相關(guān)學(xué)者對此予以高度關(guān)注，并進行深入研究［1，3－9］。近年來，雖已有學(xué)者對黔西南高砷煤礦區(qū)表土及其沉積物砷污染特征進行了研究［10－12］，但資料非常有限，缺乏全面的最新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且針對該礦區(qū)周圍土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價的研究未見報道。筆者以黔西南5個典型高砷煤礦區(qū)周圍土壤為研究對象，分析土壤重金屬Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni的含量，采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別對土壤的污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價，旨在了解該礦區(qū)周圍土壤重金屬的污染特征，以期為礦區(qū)土壤污染的診斷、污染源與污染過程的分析、污染控制與修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

興仁縣地處貴州省黔西南州中部，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，該縣主要有煤、金、鐵、銻、汞、鉈、硫磺等礦產(chǎn)資源，其中煤炭已探明可采量22.6億t，遠景儲量超過45億t，素有“興仁煤田”之稱［10］。該縣的煤礦年開采總量在250萬～300萬t，大規(guī)模的采礦活動雖帶動了當?shù)亟?jīng)濟增長，但也存在亂采濫挖、資源利用率低下、環(huán)境污染、荒棄農(nóng)田和規(guī)劃不合理等問題。興仁縣境內(nèi)的煤礦是黔西南典型的高砷煤礦區(qū)之一，其煤層含砷量最高可達3.2×104～3.5×104mg/kg。據(jù)吳攀等［12］報道，該縣高砷煤礦區(qū)表土和沉積物中的As含量范圍分別為5.28～234.14mg/kg和20.68～219.14mg/kg。

1.2 樣品采集與處理

土壤樣品于2013年10月采自黔西南5個典型高砷煤礦周圍，設(shè)置5個研究樣區(qū)，即小尖山煤礦、大丫口煤礦、梨樹坪煤礦、高武煤礦和李關(guān)煤礦，具體采樣位置如圖1所示。參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［13］要求，在每個研究樣區(qū)內(nèi)隨機選擇有代表性的地塊作為采樣單元，在每個采樣單元中，按照梅花形法布設(shè)5個采樣點，對其表層土（0～20cm）進行取樣，現(xiàn)場混勻后裝入樣品袋內(nèi)，共采集土壤樣品60件，運回實驗室。樣品經(jīng)自然風(fēng)干，除去砂礫、植物根系等異物，用瑪瑙研磨機研磨，過100目尼龍篩，保存于塑料瓶中備用。

圖1 研究區(qū)位置及采樣位置Fig.1 Location of study area and sampling sites

1.3 樣品分析

采用 HNO3－HF微波消解法［14］（MARS6，CEM公司，美國）消解土壤樣品，重金屬Pb和Cd采用原子 吸 收 光 譜 儀－石 墨 爐 法 （ZEEnit 700P，analytikjena，德國）測定，Cu和Ni采用原子吸收光譜儀－火焰法（ZEEnit 700P，analytikjena，德國）測定，Hg和As采用原子熒光光譜儀（AFS-933，吉天，中國）測定。所有試劑均為優(yōu)級純，分析用水均為超純水。測定過程中，每5個樣品設(shè)置一個平行樣，所有樣品均由空白樣、二次平行樣和添加土壤國家標準物質(zhì)（GBW－070010、GBW－07430）進行質(zhì)量控制，二次平行樣的相對偏差均小于5%，樣品加標回收率在96.4%～115.1%，標樣測定結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 地累積指數(shù)污染評價 地累積指數(shù)（Igeo）由德國科學(xué)家Müller教授首先提出，用于研究沉積物及其他物質(zhì)重金屬污染程度的定量指標［15－16］。計算公式如下：

式中，Ci為重金屬i的實測平均含量（mg/kg）；BEi為重金屬i的參比值（mg/kg），該研究以貴州省土壤重金屬平均背景值［17－18］作為參比值，土壤重金屬平均背景值及其標準差如表1所示；K為修正指數(shù)，為考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變化而取的系數(shù)（一般取值為1.5）。

該指數(shù)分為7個級別［16］：Igeo＜0，為無污染；0＜Igeo＜1，為輕污染；1≤Igeo＜2，為偏中度污染；2≤Igeo＜3，為中度污染；3≤Igeo＜4，為偏重污染；4≤Igeo＜5，為重污染；Igeo≥5，為嚴重污染。

表1 貴州土壤重金屬的平均背景值及其標準差Table 1 Average background values and standard deviation of heavy metals in Guizhou soils

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價 依據(jù)瑞典學(xué)者H?kanson［19］提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對礦區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)危害程度進行評價。該指數(shù)不僅反映了某一特定環(huán)境中每種重金屬污染物的影響，也反映了多種重金屬污染物的綜合影響。礦區(qū)污染土壤重金屬潛在風(fēng)險參數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)按如下計算公式表示：

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)的分級標準Table 2 Classification criteria of the potential ecological risk index

式中，Cif為污染系數(shù)，Ci為重金屬i的實測平均含量（mg/kg），Cin為重金屬i的參比值（mg/kg）（該研究采用貴州土壤重金屬平均背景值［17－18］作為參比值），Eir為潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)，Tir為重金屬i的毒性系數(shù)，RI為潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

重金屬Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni的毒性系數(shù)（Tir）分別為5、30、40、10、5和5［19］，潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)的分級標準［19］如表2所示。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理 采用 MapInfo 8.5繪制樣點分布圖，采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin 8.6檢驗數(shù)據(jù)頻數(shù)分布狀況（Shapiro-Wilk法）并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬的含量與分布

礦區(qū)周圍土壤重金屬含量及其變異系數(shù)如表3所示，礦區(qū)周圍土壤鉛平均值含量為184.6～228.3mg/kg，超出貴州省土壤平均背景值4.24～5.49倍；鎘平均值含量為0.72～1.15mg/kg，超出土壤平均背景值0.09～0.75倍；汞平均值含量為0.34～0.65mg/kg，超 出 土 壤 平 均 背 景 值2.09～4.91倍；砷 平 均 值 含 量 為 201.4 ～431.2mg/kg，超出土壤平均背景值9.07～20.6倍；銅平均值含量為113.4～152.2mg/kg，超出土壤平均背景值2.54～3.76倍；鎳平均值含量為64.7～75.3mg/kg，超 出 土 壤 平 均 背 景 值0.65～0.93倍。就不同礦點而言，大丫口和小尖山煤礦周圍土壤重金屬含量總體較高，其他煤礦周圍土壤重金屬含量相對較低，但均超過貴州省土壤重金屬的平均背景值，這可能是由于長期的礦山開采活動而導(dǎo)致重金屬在礦區(qū)及周邊土壤中不斷積累的結(jié)果。

表3 黔西南高砷煤礦區(qū)周圍土壤重金屬的含量與變異系數(shù)Table 3 Contents and variation coefficients of heavy metals in soils around high-arsenic coal mine area from southwest Guizhou mg/kg，%

由表3還可知，礦區(qū)周圍土壤重金屬Hg和As的變異系數(shù)最大，Cd次之，表明這3種重金屬可能存在點源污染，受人為活動影響較顯著；Ni、Cu和Pb的變異系數(shù)較小，表明這3種重金屬可能存在面源污染，受人為活動影響較小。本研究區(qū)地處黔西南典型高砷煤礦區(qū)內(nèi)，As污染表現(xiàn)突出。黔西南高砷煤礦區(qū)土壤重金屬Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni含量均符合正態(tài)分布（圖2）。

2.2 土壤重金屬的污染評價

根據(jù)公式（1），礦區(qū)周圍土壤重金屬的地累積指數(shù)污染評價的計算結(jié)果（表4）可知，As污染較為突出，小尖山、大丫口和梨樹坪煤礦周圍土壤As均為偏重污染，其他煤礦周圍土壤As均為中度污染。除大丫口煤礦周圍土壤Pb為中度污染外，其他煤礦周圍土壤Pb均為偏中度污染。礦區(qū)周圍土壤Cu、Hg均為偏中度污染，土壤Ni均為輕污染，除大丫口煤礦周圍土壤Cd為輕污染外，其他煤礦周圍土壤Cd均為無污染。小尖山、大丫口煤礦周圍土壤受重金屬污染的程度最大，小尖山和大丫口煤礦周圍土壤重金屬的污染程度分別表現(xiàn)為As＞Hg＞Pb＞Cu＞Ni＞Cd和As＞Pb＞Hg＞Cu＞Ni＞Cd。總的來說，As是5個高砷煤礦周圍土壤重金屬污染的主要因子。

表4 黔西南高砷煤礦區(qū)周圍土壤重金屬的地累積指數(shù)污染評價結(jié)果Table 4 Geo-accumulation index of heavy metals in soils around high-arsenic coal mine area from southwest Guizhou

2.3 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價

根據(jù)公式（2）、（3）和（4），由礦區(qū)周圍土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的計算結(jié)果（表5）可知，5個煤礦周圍土壤Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)最高，這與其毒性系數(shù)較高有關(guān)，As其次。對單個重金屬而言，礦區(qū)周圍土壤重金屬Pb、Cu和Ni的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)均小于40，表現(xiàn)為“輕微”生態(tài)風(fēng)險；除大丫口和梨樹坪煤礦周圍土壤Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)介于40～80，表現(xiàn)為“中等”生態(tài)風(fēng)險外，土壤Cd在其他煤礦均表現(xiàn)為“輕微”生態(tài)風(fēng)險；除小尖山和大丫口煤礦周圍土壤As的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)介于160～320，表現(xiàn)為“很強”生態(tài)風(fēng)險外，其他煤礦周圍土壤As的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)均介于80～160，表現(xiàn)為“強”生態(tài)風(fēng)險；土壤Hg除在梨樹坪和高武煤礦表現(xiàn)為“強”生態(tài)風(fēng)險外，在其他煤礦均表現(xiàn)為“很強”生態(tài)風(fēng)險。5個高砷煤礦周圍土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)均表現(xiàn)為Hg＞As＞Cd＞Pb＞Cu＞Ni。

根據(jù)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果可知，5個煤礦周圍土壤的RI值均介于300～600，處于“強”生態(tài)風(fēng)險水平。礦區(qū)周圍土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險大小表現(xiàn)為小尖山＞大丫口＞梨樹坪＞李關(guān)＞高武。

3 結(jié)論與討論

1）重金屬含量調(diào)查結(jié)果表明，黔西南5個典型高砷煤礦周圍土壤重金屬的平均含量均高于貴州省土壤重金屬的平均背景值，礦區(qū)周圍土壤均受到重金屬不同程度的污染，其中小尖山煤礦周圍土壤重金屬污染最嚴重，Hg、As的平均含量分別為0.65mg/kg和431.2mg/kg。據(jù)吳攀等［12］于2005年4月對興仁縣高砷煤礦區(qū)表土采樣分析的研究結(jié)果顯示：礦區(qū)表土 As的含量為5.28～234.14mg/kg，顯然低于本研究結(jié)果，表明本研究區(qū)土壤中重金屬As有不斷累積富集的趨勢。

表5 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果Table 5 Assessment on potential ecological risk of heavy metals in soils around five collieries from southwest Guizhou

張俊等［20］對安徽宿州蘆嶺煤礦開采區(qū)土壤中的重金屬進行的研究結(jié)果表明：該礦區(qū)受到Cu、Pb、Cr、Zn等8種重金屬的污染，其中Cu和Pb的平均含量分別為20.6mg/kg、19.9mg/kg。魏忠義等［21］對撫順西露天煤礦大型煤矸石山周邊土壤重金屬污染的研究表明：該區(qū)存在很高的Cd、Cr、Cu、Pb和Ni等重金屬的累積，相應(yīng)重金屬的平均含 量 分 別 為 1.89mg/kg、113.51mg/kg、38.14mg/kg、56.55mg/kg和66.98mg/kg。石占飛等［22］對神木礦區(qū)土壤重金屬的污染狀況和空間分布的研究結(jié)果顯示：該礦區(qū)土壤均受重金屬Cr、Pb、Cd、Cu和Zn不同程度的污染，涼水井煤礦土壤中5種重金屬的平均含量分別為22.55mg/kg、15.83mg/kg、0.40mg/kg、22.56mg/kg 和82.75mg/kg，四道溝煤礦土壤中5種重金屬的平均含 量 分 別 為 32.61mg/kg、17.11mg/kg、0.47mg/kg、19.16mg/kg和93.29mg/kg。以上3個煤礦區(qū)土壤中重金屬的含量均低于本研究結(jié)果，表明本研究區(qū)土壤重金屬受礦山活動的影響深遠。

2）地累積指數(shù)法評價結(jié)果顯示，5個煤礦周圍土壤As污染突出，其中小尖山、大丫口和梨樹坪煤礦周圍土壤As的地累積指數(shù)分別為3.85、3.42和3.02，均為偏重污染水平。Pb達到偏中度以上污染水平，Cu和Hg達到偏中度污染水平。

姚峰等［1］采用地累積指數(shù)法對新疆準東煤田土壤重金屬進行研究得出，煤田土壤重金屬污染程度表現(xiàn)為Cr＞Ni＞Cu＝Zn，其中Cr的污染程度最高，達到中度污染水平。準東煤田土壤Ni為輕污染水平，這與本研究結(jié)果相似。表明，黔西南高砷煤礦區(qū)周圍土壤Ni的來源可能與準東煤田土壤相似，即本研究區(qū)土壤Ni污染可能來自土壤母質(zhì)。準東煤田土壤Cu為無污染，同本研究結(jié)果有差異，可能與當?shù)孛禾抠Y源開采和土地利用方式的差異有關(guān)，具體原因需待進一步研究發(fā)現(xiàn)。

3）由潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果可知，該高砷煤礦區(qū)周圍土壤重金屬處于“強”生態(tài)風(fēng)險水平，其中小尖山煤礦周圍土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險最高，且Hg、As對土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險的貢獻最大，這2種重金屬均達到“強”以上生態(tài)風(fēng)險水平，應(yīng)引起相關(guān)部門的高度重視。除Hg和As外，其他4種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)均處于“輕微”潛在生態(tài)風(fēng)險水平。

李玲等［23］采用同種方法對某典型煤礦工業(yè)園區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進行研究發(fā)現(xiàn)，其潛在生態(tài)危害程度為Hg＞Cd＞Zn＞As＞Pb＞Cr，該礦區(qū)土壤的潛在重金屬威脅主要表現(xiàn)為Hg，這點與本研究結(jié)果相似。石占飛等［22］對神木礦區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價結(jié)果顯示，該礦區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險表現(xiàn)為Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr，其中Cd為該礦區(qū)土壤環(huán)境的最主要污染因素，這與本研究的結(jié)果略有差異，可能是由于2個礦區(qū)的土壤類型及其利用方式存在差異所致。

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Heavy Metal Pollution and Potential Ecological Risk in the Soils Around a High-arsenic Coal Mine Area

LIU Wenzheng，LI Cunxiong，QIN Fanxin＊，PANG Wenpin
（Guizhou Provincial Key Laboratory for Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment，Guizhou Normal University，Guiyang，Guizhou550001，China）

To evaluate the contamination status of soil heavy metal in a coal mine area from Southwest Guizhou，in this case study，the concentrations of heavy metals（Pb，Cd，Hg，As，Cu，Ni）in soils around five typical high-arsenic collieries in a coal mine area from southwest Guizhou were analyzed，and the contamination status and potential ecological risks of heavy metals in soils were investigated by using the geo-accumulation index and the potential ecological risk index，respectively.The results indicated that the average contents of heavy metals in soils surrounding the five collieries were higher than Guizhou soil average background values.The soils collected from the Xiaojianshan colliery had the most serious heavy metal contamination.The average content of Hg in soils was 0.65mg/kg around Xiaojianshan colliery.The average content of As in soils was 431.2mg/kg around Xiaojianshan colliery.According to the geoaccumulation index，the soil samples collected from the five high-arsenic collieries were severely contaminated with As，the geo-accumulation index of As in soils around three collieries were 3.85in Xiaojianshan colliery，3.42in Dayakou colliery and 3.02in Lishuping colliery，indicating As pollution was relatively serious in soils of three collieries.Moreover，other heavy metals，such as Pb，Cd，Hg，Cu and Ni were found in soils at various elevated concentrations.According to potential ecological risk index，the results indicated that the potential ecological risk index of heavy metals in soils around five high-arsenic collieries were between 300～600，and reached strong ecological risk level.The potential ecological risk factors for Hg were the highest，followed by As.These two kinds of heavy metal achieved strong ecological risk above，which should cause the administration department’s enough attention.

high-arsenic coal mine area；soil；heavy metal；contamination characteristic；ecological risk；southwest Guizhou

S151.9

A

1001-3601（2015）07-0392-0181-05

2015-03- 14；2015-07-11修回

國家自然科學(xué)基金項目“黔西南高砷煤礦區(qū)環(huán)境重金屬污染特征”（21467005）

劉文政（1988－），男，在讀碩士，專業(yè)方向：環(huán)境分析化學(xué)。E-mail：lwzjyq1988＠163.com

＊通訊作者：秦樊鑫（1978－），男，副教授，在讀博士，從事環(huán)境污染控制與修復(fù)研究。E-mail：qinfanxin＠126.com

（責(zé)任編輯：楊曉容）