基于文獻研究的淮南煤礦區(qū)土壤重金屬空間分布與污染評價

邢雅珍 陳孝楊 許正剛 胡智勇 張凌霄

摘要[目的]探究淮南礦區(qū)重金屬污染整體情況，為礦區(qū)土壤修復(fù)提供參考依據(jù)。[方法]查閱國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫中關(guān)于淮南煤礦區(qū)近10年土壤重金屬文獻，分析了新莊孜礦、顧橋礦、潘一礦和大通礦Hg、Cd、Pb、Cr、As、Zn、Cu、Ni的空間分布，并運用地累積指數(shù)法評價其重金屬污染狀況。[結(jié)果]淮南土壤中Cd和As的含量均超過土壤背景值，分別為0.124～2.060和18.57～71.69 mg/kg；開采時間對礦區(qū)土壤重金屬含量影響較大，潘一礦和新莊孜礦土壤中重金屬含量均高于顧橋礦（除了Hg）；同一礦區(qū)內(nèi)農(nóng)田中Zn、Pb、Cu、Cd含量低于生態(tài)修復(fù)區(qū)；土壤 Cd、As的地累積指數(shù)表明：Cd屬于中度污染至極強污染，As屬于輕度污染至強度污染。[結(jié)論]重金屬As和Cd對淮南礦區(qū)土壤修復(fù)有重要影響。

關(guān)鍵詞煤礦區(qū)；土壤重金屬；文獻研究；空間分布；污染評價

中圖分類號S183.3文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2018）05-0077-04

Abstract[Objective]To analyze overall situation of Huainan mining area， which provides the reference for the soil restoration. [Method]In the domestic and foreign databases， 351 published papers about soil heavy metal were screened from 2007 to 2017 using key words. Based on these papers， the spatial distribution of heavy metals were analyzed at coal mining areas of Xinzhuangzi， Guqiao， Panyi and Datong， including Hg， Cd， Pb， Cr， As， Zn， Cu， Ni. Soil contamination level of the heavy metals were assessed using the geoaccumulation index. [Result]The average contents of Cd， As in the soil were 0.124-2.060 mg/kg and 18.57-71.69 mg/kg， which were all above the soil background value of Huainan. The concentration of soil heavy metals at coal mining areas of Panyi and Xinzhuangzi was higher than that of Guqiao mining area （except for Hg）， which showed that coal mining time has great influence on the content of heavy metals in soil in mining area. In the same mining area， The content of Zn， Pb and Cu and Cd were lower than that of ecological restoration. The geoaccumulation index value of Cd and As indicated that the Cd was moderately polluted to highly polluted and As was mild pollution to strength pollution. [Conclusion]Heavy metals As and Cd have important effects on soil remediation in Huainan mining area.

Key wordsCoal mining area；Soil heavy metals；Literature research；Spatial distribution；Pollution assessment

兩淮礦區(qū)作為我國14個大型煤炭基地之一，其在滿足構(gòu)建國家能源安全體系、區(qū)域經(jīng)濟和國家經(jīng)濟健康發(fā)展需要的同時也帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題，其中最突出的環(huán)境問題是土壤重金屬污染。據(jù)大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，淮南礦區(qū)存在不同程度的污染。李洪偉等[1]研究發(fā)現(xiàn)，新集礦區(qū)土壤重金屬Co、Cr、Cu、Pb、Zn均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)國家二級標(biāo)準(zhǔn)。黃靜等[2]研究表明，土壤受到Hg、Pb、Cr、Ni、Zn、Cu、Cd不同程度的污染，其中Cd污染最嚴(yán)重。各文獻所研究礦區(qū)和重金屬均有所異同，且均未對淮南礦區(qū)整體情況進行分析和評估。該研究基于文獻研究，對淮南礦區(qū)整體情況進行分析，初步探討淮南礦區(qū)土壤重金屬Hg、Cd、Pb、Cr、As、Zn、Cu、Ni的空間分布與污染評價，以期為礦區(qū)土壤修復(fù)提供參考。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

淮南礦區(qū)位于淮河中游（116°21′21″～117°11′59″ E，32°32′45″～33°0′24″ N），自1903年開礦，含有潘集、新集、定遠等七大礦區(qū)，擁有大、中型礦井不少于40座，是安徽省重要煤電一體化基地和國家煤炭資源開采與利用的重大工程建設(shè)區(qū)[3]。該研究所選取的4個礦區(qū)分別為新莊孜礦、顧橋礦、潘一礦、大通礦。新莊孜礦位于淮南礦區(qū)的東南部，淮河兩側(cè)，地勢平坦，建于1947 年；潘一礦位于淮南礦區(qū)的北部，建于1983年；顧橋礦位于淮南礦區(qū)的中西部，建于2007年；大通礦煤礦廢棄地位于淮南市南部大通區(qū)的九龍崗與洞山之間，開采于1911年，閉坑于1978年[4]。

1.2文獻研究與統(tǒng)計方法

文獻檢索在中國知網(wǎng)及維普期刊網(wǎng)中進行，以“淮南”和“重金屬”為主題詞（中英文），檢索時間為2007年1—7月，根據(jù)標(biāo)題和摘要篩選后將文獻歸類為試驗研究和綜述2類，待文獻收集完成后運用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析。根據(jù)文獻統(tǒng)計結(jié)果，并針對不同開采年份，將礦區(qū)設(shè)置A（已閉坑的大通礦）、B（開采15年以上的潘一礦和新莊孜礦）、C（開采15年以下的顧橋礦）3個分組。文獻數(shù)據(jù)整理見表1[4-14]。

1.3評價方法

評價方法利用地累積指數(shù)法，其污染級別可以劃分7個等級（表2），該方法只適用于分析某研究對象中單獨的重金屬元素污染程度，不能評價多種重金屬元素的綜合污染指數(shù)或某一種重金屬元素的綜合污染指數(shù)[15]。其表達公式如下：

Igeo= log2[Cn/（ 1.5×BEn）]（1）

式中，Cn為樣品中元素n的平均濃度；BEn為淮南土壤環(huán)境背景值；1.5為常數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1礦區(qū)開采時間對土壤重金屬含量的影響知，已閉坑的大通煤礦區(qū)（A組）土壤中的Ni、As、Cd、Hg、Mn的平均含量均超過淮南土壤背景值，其中Cd嚴(yán)重超標(biāo)。開采15年以上的潘一礦和新莊孜礦（B組）土壤中Cr、Cu、Ni、Cd、As、Hg、Mn的平均含量均超過淮南土壤背景值。開采15年以下的顧橋礦（C組）土壤中僅Cd、As平均含量超過淮南土壤背景值。開采15年以上的潘一礦和新莊孜礦區(qū)B組土壤中Zn、Pb、Cu、Ni、Cr、Cd、As的平均含量明顯超過開采15年以下的顧橋礦（C組）。已閉坑的大通煤礦區(qū)（A組）土壤中Cd、Hg、Mn的含量最大，Cu、As、Cr的含量最小?？傮w來看，礦區(qū)開采時間越早土壤重金屬污染越嚴(yán)重。

2.2礦區(qū)農(nóng)田和生態(tài)修復(fù)區(qū)的差異

從圖2可以看出，新莊孜礦區(qū)農(nóng)田土壤中Zn、Pb、Cu含量均低于淮南土壤背景值，新莊孜復(fù)墾區(qū)中Pb、Cu含量低于淮南土壤背景值，僅Zn的含量高于淮南土壤背景值。總體來看，新莊孜礦區(qū)農(nóng)田土壤中Zn、Pb含量均低于其生態(tài)修復(fù)區(qū)；潘一礦和新莊孜礦農(nóng)田土壤中Cd含量均小于其在生態(tài)修復(fù)區(qū)中的含量，此外，這2種礦區(qū)農(nóng)田土壤中Cd含量均超過淮南土壤背景值。

同一研究區(qū)生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤中重金屬Zn、Pb和Cd含量均高于周邊礦區(qū)農(nóng)田，分別高出10.9、3.4和35.8倍。這可能是由于生態(tài)修復(fù)區(qū)中煤矸石堆通過水、大氣等途徑進入土壤，也可能是修復(fù)區(qū)填充基質(zhì)（煤矸石或粉煤灰）釋放所致。

2.3礦業(yè)及非礦業(yè)城市土壤重金屬比較

對比徐州（礦業(yè)城市）、淮南（礦業(yè)城市）、合肥（非礦業(yè)城市）的As與Cd污染程度（表3）可知，3個城市的Cd含量均遠高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?，表明Cd污染不僅受礦業(yè)活動的影響，也會由其他影響因素導(dǎo)致，其中合肥Cd的變化范圍最小，徐州和淮南Cd的變化范圍較大。相對來說，礦業(yè)城市對As富集較明顯。徐州、淮南As含量明顯高于當(dāng)?shù)乇尘爸担戏蔄s含量略高于土壤背景值，說明金屬As污染受礦業(yè)活動影響較大。此外，徐州As含量的變化范圍最小，淮南和合肥As含量的變化范圍較大，由此可見，重金屬As污染程度并不隨著是否開采礦區(qū)呈明顯的示范規(guī)律性。

2.4土壤重金屬風(fēng)險評價

根據(jù)地累積指數(shù)法污染級別標(biāo)準(zhǔn)（表4），淮南煤礦各復(fù)墾區(qū)域土壤中均未受到Zn、Pb、Cu、Cr、Ni等重金屬的污染（Igeo<0），所調(diào)研區(qū)域僅大通閉坑區(qū)受3級Hg金屬污染，其地累積指數(shù)為2.970?？傮w上看，所有研究區(qū)域土壤均受到不同程度的Cd和As污染，其中Cd的地質(zhì)累積指數(shù)變化范圍為0.462～4.517，污染級別為1～5級；As的地質(zhì)累積指數(shù)變化范圍為0300～2250，污染級別為1～3級。Cd污染在新莊孜復(fù)墾區(qū)及大通閉坑區(qū)較為嚴(yán)重，其他地區(qū)均處于中度Cd污染；新莊孜礦和潘一礦區(qū)As污染較嚴(yán)重，其他礦區(qū)屬中度As污染。

3結(jié)論

（1）除了Zn和Pb外，開采15年以上的潘一礦和新莊孜礦的土壤重金屬含量均超過土壤背景值，已閉坑的大通煤礦

區(qū)、開采15年以上的潘一礦和新莊孜礦的部分重金屬含量超過背景值。重金屬As、Cd的含量在已閉坑的大通煤礦區(qū)、開采15年以上的潘一礦和新莊孜礦和開采15年以下的顧橋礦均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。這說明區(qū)開采時間對區(qū)域土壤重金屬含量影響較大。

（2）同一研究區(qū)生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤中重金屬Zn、Pb和Cd含量均高于周邊礦區(qū)農(nóng)田，分別高出10.9、3.4和35.8倍。這可能是由于生態(tài)修復(fù)區(qū)中煤矸石堆通過水、大氣、土壤等途徑進入土壤，也可能是修復(fù)區(qū)填充基質(zhì)（煤矸石或粉煤灰）釋放所致。

（3）礦業(yè)城市（徐州和淮南）和非礦業(yè)城市（合肥）相比，礦業(yè)城市As富集較明顯，受污染影響嚴(yán)重。而Cd在礦業(yè)城市和非礦業(yè)城市中均出現(xiàn)較明顯污染，其含量均超過土壤背景值。說明礦區(qū)土壤中As含量部分是由于煤炭開采和加工，而Cd的含量大部分來源于交通、生活垃圾和污水等人類活動。

（4）地累積指數(shù)法研究表明，Pb、Cu、Cr、Ni在該研究區(qū)域?qū)儆跓o污染級別。所有研究區(qū)域均受到不同程度的Cd、As污染。Cd屬于中度污染至極強污染，As屬輕度污染至強度污染。此外，大通閉坑的Hg受到中度污染至強度污染。

參考文獻

[1] 李洪偉，顏事龍，崔龍鵬.淮南新集礦區(qū)土壤重金屬污染評價[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（1）：36-37.

[2] 黃靜，高良敏，馮娜娜，等.煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬分布特征與質(zhì)量評價[J].環(huán)境污染與防治，2012，34（2）：68-71.

[3] 劉本樂，陳孝楊，陳敏，等.煤炭資源型城市碳足跡與碳承載力的動態(tài)變化研究[J].煤炭工程，2017，49（2）：124-127.

[4] 孫賢斌，李玉成.淮南大通煤礦廢棄地土壤重金屬空間分布及變異特征[J].地理科學(xué)，2013，33（10）：1238-1244.

[5] 王興明，董眾兵，劉桂建，等.Zn，Pb，Cd，Cu在淮南新莊孜煤礦矸石山附近土壤和作物中分布特征[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2012，42（1）：17-25.

[6] 盧嵐嵐，劉桂建，王興明，等.淮南顧橋礦土壤環(huán)境中微量元素的分布及其生態(tài)風(fēng)險評價[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2014，44（2）：119-127.

[7] 熊鴻斌，胡海文，王振祥，等.淮南煤礦區(qū)土壤重金屬污染分布特征及污染溯源研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（5）：686-693.

[8] 鄭劉根，李超，程樺，等.采煤沉陷復(fù)墾區(qū)重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險評價[J].水土保持學(xué)報，2014，28（4）：247-251.

[9] 江培龍，方鳳滿，張杰瓊，等.淮南煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量分布及潛在生態(tài)風(fēng)險評價[J].水土保持通報，2013，33（6）：161-165.

[10] 黃肖萌，劉詩敏，楊茗，等.淮南謝橋塌陷區(qū)表層土壤重金屬污染分布特征與現(xiàn)狀評價研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（2）：133-134.

[11] 江培龍，方鳳滿，張杰瓊，等.淮南煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬形態(tài)分布及污染評價[J].水土保持學(xué)報，2013，27（5）：178-182.

[12] 王曉輝，楊晨.基于GIS和地統(tǒng)計學(xué)的淮南礦區(qū)土壤重金屬含量與空間分布研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2014，23（S1）：60-65.

[13] 黃靜，高良敏，馮娜娜，等.煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬分布特征與質(zhì)量評價[J].環(huán)境污染與防治，2012，34（2）：68-71.

[14] 鄭永紅，張治國，姚多喜，等.煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量時空分布及富集特征研究[J].煤炭學(xué)報，2013，38（8）：1476-1483.

[15] PAN H Y，LU X W，LEI K.A comprehensive analysis of heavy metals in urban road dust of Xian，China：Contamination，source apportionment and spatial distribution[J].Science of the total environment，2017，609：1361-1369.

[16] 王瑩，董霽紅.徐州礦區(qū)充填復(fù)墾地重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險評價[J].煤炭學(xué)報，2009（5）：650-655.

[17] 李湘凌，張穎慧，楊善謀，等.合肥大興地區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征[J].土壤通報，2011，42（1）：179-184.