永城某煤礦區(qū)周圍土壤重金屬污染評價

張壯+王利君+任夢洋+趙婉婷+閆明濤+張成麗

摘要：為了解永城煤礦區(qū)周圍土壤重金屬污染狀況，于2016年6月14日布點采集永城某礦區(qū)周圍土壤，進行分析評價礦區(qū)周圍土壤重金屬污染特征。以河南省土壤背景值為標準，利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和地累計指數(shù)法進行評價污染特征。結(jié)果表明，土壤中Cr、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等重金屬的平均含量分別為64.47、 7.49、27.46、25.45、93.20、0.33和21.19 mg·kg-1，分別是背景值的1.16、1.20、1.12、1.27、1.27、1.65和1.22倍，表明礦區(qū)周圍土壤大多數(shù)重金屬出現(xiàn)不同程度的積累；單因子指數(shù)法評價土壤各重金屬污染狀況，Cd、Pb、Cr、Ni、As五種元素處于輕度污染水平，Cu、Zn處于清潔水平；利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價該礦區(qū)重金屬污染綜合狀況，處于中污染風險；地累計指數(shù)法評價，Cr的3.70 %樣點數(shù)處于輕污染水平，As的25.93 %樣點數(shù)處于輕污染水平，重金屬Ni和Zn的7.41 %樣點數(shù)處于輕污染水平，重金屬Cu、Pb、Cd的3.70 %樣點數(shù)處于偏中污染水平，其余其余樣點無污染。

關(guān)鍵詞：煤礦區(qū)周圍土壤；重金屬；污染特征；評價

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）03-0047-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.021

Abstract： In order to understand the soil heavy metal pollution in the surrounding area of Yongcheng Coal Mine， the soil around the mining area of ??Yongcheng was collected on June 14， 2016， and the characteristics of heavy metal pollution in the surrounding area were analyzed and evaluated. Based on the soil background value of Henan Province， the single factor index method， the Nemero comprehensive pollution index method and the cumulative index method were used to evaluate the pollution characteristics. The results showed that the average contents of heavy metals such as Cr， As， Ni， Cu， Zn， Cd and Pb in soil were 64.47， 7.49， 27.46， 25.45， 933.20， 0.33 and 21.19 mgkg-1， respectively， which were 1.16，1.20 ， 1.12， 1.27， 1.27， 1.65 and 1.22 times， which indicated that most of the heavy metals in the soil around the mining area had different degrees of accumulation. The single factor index method was used to evaluate the soil heavy metal pollution， Cd， Pb， Cr， Ni and As The concentration of Cu and Zn was at the clean level. The comprehensive pollution index was used to evaluate the comprehensive situation of heavy metal pollution in the mining area， and the risk of pollution was in the index. The cumulative index method was used to evaluate the level of 3.70% 25.93% of the samples were lightly polluted. The number of samples of heavy metals Ni and Zn was light pollution level. The number of heavy metals Cu， Pb and Cd was 3.70%. The remaining samples were polluted.

Key words： coal area around the soil； heavy metal； pollution characteristics； evaluation

采礦業(yè)在很大程度上能夠促進當?shù)亟?jīng)濟水平的發(fā)展，但也會引發(fā)一定的環(huán)境污染問題。煤和煤矸石中的重金屬可以通過淋溶、滲透、遷移等多種方式進入土壤，污染礦區(qū)周邊的土壤。重金屬在土壤中難遷移降解、易積累、毒性大，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，進而危害人體健康[1]。煤礦區(qū)土壤中的重金屬污染問題已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的高度關(guān)注。

Bhuiyan等[2]通過研究孟加拉國北部受煤礦污染的農(nóng)耕地中的重金屬，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土壤明顯受到Mn、Zn、Pb、Ti重金屬的污染。Clark 等[3]對澳大利亞德克礦區(qū)地表水中重金屬含量進行測定，表明該礦區(qū)地表水受到 Cd、Cu、Zn 的嚴重污染。Bhanup等[4]對印度Jharia煤礦區(qū)周邊土壤樣品研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)出現(xiàn)明顯的Pb、Cd、Cu、Zn和Ni等重金屬的富集。呂建樹等[5]利用多元統(tǒng)計與地統(tǒng)計分析技術(shù)，對日照市土壤重金屬來源及環(huán)境風險進行了分析評價。戴彬等[6]發(fā)現(xiàn)萊蕪市鋼城區(qū)土壤重金屬整體處于中度與高度生態(tài)風險的臨界水平。王麗等[7]對比分析了神府煤田3個煤礦區(qū)的周邊土壤，發(fā)現(xiàn)土壤重金屬含量受到煤礦開采年限、土壤質(zhì)地、風向等多種因素的影響。董霽紅等[8]通過調(diào)查徐州礦區(qū)周邊的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤受到Cd的污染嚴重，且在土壤剖面上存在隨深度增加而逐漸含量升高的趨勢。

永城市處于河南和安徽兩省交界處，該地區(qū)的煤礦區(qū)是中國六大無煙煤基地之一，興盛的煤礦采集業(yè)在帶來經(jīng)濟利益的同時，也可能會帶來土壤重金屬污染的相關(guān)環(huán)境問題，此方面還未見有研究報道。本文通過對永城某煤礦區(qū)周圍土壤進行采樣、重金屬含量測量分析，并在此基礎(chǔ)上進行了單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

2016年6月14日前往永城某礦區(qū)采集樣品。利用手持GPS進行定位，采用梅花型布點法在礦區(qū)周邊進行布點。采集0-20 cm深的土壤，每個樣點以5米對角線的五個點進行采集，采用四分法取大概1Kg的土壤，放入干凈的聚乙烯塑料袋中，并進行詳細編號，本次共采集27個樣品。把采集回的土壤樣品放在室內(nèi)自然風干，去除其中的礫石、樹根、有機體殘渣，用瑪瑙研缽進行研磨，過100目尼龍篩，以作備用。

1.2 樣品測定

土壤的pH值測定按2.5：1的水土比[9]，采用pH計進行測定。在土壤樣品中加10 % H2O2加熱使其與有機質(zhì)充分反應，再加入HCl加熱，靜置一夜去上清液，加入濃度為0.05 mol/L六偏磷酸鈉后超聲振蕩處理，隨后上機測定土壤的粒度。土壤樣品的中的有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法進行測量。土壤樣品的消解采用手動消解儀，利用HNO3-HF-HCLO4三元酸消解方法進行提取土壤中的重金屬元素，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）測定樣品中的Cr、As、Ni、Cd、Zn、Cd、Pb等重金屬元素的含量。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法[10]是對土壤中的一種重金屬元素的污染程度進行評價，是目前比較常用的一種評價方法，其關(guān)系模式為 ： （1）

其中：Pi為土壤重金屬元素的污染指數(shù)；Ci為土壤重金屬元素的實測值； Si為土壤重金屬元素的背景值。

評價標準依據(jù)河南省土壤重金屬背景值（四十年前開封土樣），如表1：

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法在不僅考慮了單項元素的污染水平，還考慮到了最大污染指數(shù)，能更綜合、更科學地反映所評價區(qū)域的總體環(huán)境質(zhì)量狀況。因此，我們在使用單因子污染指數(shù)法的基礎(chǔ)上，往往會結(jié)合內(nèi)梅羅綜合評價法進行全面、準確的評價。綜合污染指數(shù)法計算公式如下：

1.3.3 地質(zhì)累計指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）通常稱為Muller指數(shù)[11]，它不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值的影響，而且也充分考慮了人為活動對重金屬污染的影響。因此，該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境影響，是判斷受重金屬污染程度的重要指標。計算公式如下：

其中：Cn為樣品中元素n的濃度；Bn為背景濃度；k為修正指數(shù)（一般取1.5），通常用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響。

地質(zhì)累計指數(shù)分級見表4。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel2010和SPSS17.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤礦區(qū)各重金屬含量分析

利用ICP-AES進行測量土壤中重金屬的含量，以河南省土壤重金屬背景值為評價標準，該礦重金屬各含量水平見表5。由表5可知，土壤中Cr、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等重金屬的平均含量分別為64.47、 7.49、27.46、25.45、93.20、0.33和21.19 mg·kg-1，分別是背景值的1.16、1.20、1.12、1.27、1.27、1.65和1.22倍，表明礦區(qū)周圍土壤大多數(shù)重金屬出現(xiàn)不同程度的積累。Cd的超標情況最為嚴重，超標率高達100%；Pb、Cr次之，超標率分別為85.19%、81.48%；相比較而言，Cu、Zn的超標情況較輕，超標率均為14.81%。

由表5亦知，變異系數(shù)Zn>Cu>Pb>Cd>As>Ni>Cr。變異系數(shù)大，表明各個樣點含量分布差異較大，而變異系數(shù)的大小與人類活動有關(guān)，變異系數(shù)越大，表明受人類活動影響越大。因為Zn、Cu的變異系數(shù)均超過0.5，表明其受人類活動的影響較為顯著。

2.2 煤礦區(qū)重金屬污染指數(shù)分析

本研究以河南省土壤重金屬背景值為評價標準，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價該礦區(qū)的重金屬污染狀況見表6。由表6可知， Cd、Pb、As、Ni、Cr這5種重金屬均有不同程度的污染，污染程度為Cd>Pb>As>Cr>Ni。其中以重金屬Cd的污染最為嚴重，P均為1.64，采集的27個樣品均出現(xiàn)重金屬Cd污染現(xiàn)象，達到中度污染及以上水平的樣品有3個，占總樣品的11.1%；其次污染較為嚴重的重金屬為Pb，P均為1.22，在所采集的樣品中85.2%的樣品存在著污染現(xiàn)象；而Cu和Zn的均值均為0.79，屬于清潔水平。

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價各個樣點的綜合污染情況，表明各個樣點均存在重金屬污染現(xiàn)象。其中A8樣點的污染程度最大，P綜為3.42，處于重度污染水平；另外還有兩個樣點處于中度污染水平，其余樣點均處于輕度污染水平。綜合評價該礦區(qū)的重金屬污染狀況，其P綜為1.45，表明該礦區(qū)屬于輕度污染水平。

2.3 煤礦區(qū)土壤重金屬地累計指數(shù)分析

結(jié)合公式3，對數(shù)據(jù)進行處理分析，得到結(jié)果見表7。由表7可見，Cr的1個樣點輕污染水平，占樣點總數(shù)的3.70 %，其余樣點無污染；As的7個樣點處于輕污染水平，占樣點總數(shù)的25.93 %，其余樣點無污染；重金屬Ni和Zn都是有2個樣點處于輕污染水平，分別占樣點總數(shù)的7.41 %，其余樣點也都是無污染；重金屬Cu、Pb、Cd的在同1個樣點（A8）處于偏中污染水平，分別占樣點總數(shù)的3.70 %，其余樣點無污染。

總體從結(jié)果來看，地累計指數(shù)基本與單因子污染指數(shù)結(jié)果大致一致，但其污染評價等級較單因子污染指數(shù)偏低。

3 結(jié)論

（1）該煤礦周圍土壤中Cr、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等重金屬的平均含量分別為64.47、 7.49、27.46、25.45、93.20、0.33和21.19 mg·kg-1，分別是背景值的1.16、1.20、1.12、1.27、1.27、1.65和1.22倍，表明了礦區(qū)周圍土壤大多數(shù)重金屬出現(xiàn)不同程度的積累。

（2）單因子指數(shù)法評價，Cd、Pb、Cr、Ni、As五種元素處于輕度污染水平，Cu、Zn處于清潔水平；梅羅綜合污染指數(shù)法評價，處于中污染風險；地累計指數(shù)法評價，Cr的3.70 %樣點數(shù)處于輕污染水平，As的25.93 %樣點數(shù)處于輕污染水平，重金屬Ni和Zn的7.41 %樣點數(shù)處于輕污染水平，重金屬Cu、Pb、Cd的3.70 %樣點數(shù)處于偏中污染水平，其余樣點無污染。

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收稿日期：2017-05-02

基金項目：國家自然科學青年基金項目（41601522）；中國博士后科學基金項目（165913）； 河南大學本科生科研創(chuàng)新計劃項目（16NB009）

作者簡介：張壯（1993-），本科生，環(huán)境科學專業(yè)。

通訊聯(lián)系人：張成麗（1978-），博士，講師，環(huán)境與規(guī)劃學院，研究方向為土壤重金屬污染防治。