煤礦周邊土壤重金屬空間分布及污染水平評價

張雅茹　桂和榮　黃伊恒

摘 要：為了研究煤礦及燃煤電廠周邊農田土壤重金屬含量特征，測試了土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As和Cd 6種重金屬的含量，用克里金插值法分析了土壤重金屬的空間分布特征，用污染負荷指數(shù)法對土壤重金屬進行了污染評價。結果顯示，研究區(qū)6種重金屬中，Cr、Cu、As和Cd的平均含量超過了安徽省表層土壤背景值，已經(jīng)產生了不同程度的污染累積;研究區(qū)域內，Cr的高值區(qū)域出現(xiàn)在北部，Ni的高值區(qū)域出現(xiàn)在南部煤矸石山附近和東北部，Cu和Zn的高值區(qū)域出現(xiàn)在東南部煤矸石山和燃煤電廠之間，As和Cd的高值區(qū)域分別出現(xiàn)在西北部和東部農田區(qū);6種重金屬的含量均小于土壤污染風險篩選值，土壤生態(tài)環(huán)境的風險低，21個采樣點的PLI值均小于1，處于無污染水平。

關鍵詞：土壤;重金屬;克里金插值法;污染負荷指數(shù)法

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）13-0127-04

Abstract： In order to study the content characteristics of heavy metals in the farmland soil around coal mines and coal-fired power plants， the content of Cr， Ni， Cu， Zn， As and Cd in the soil was tested， and the spatial distribution characteristics of soil heavy metals were analyzed using Kriging interpolation method. And use the pollution load index method to evaluate the pollution of heavy metals in the soil. The results show that the average content of Cr， Cu， As and Cd in the six heavy metals in the study area exceeded the surface soil background value of Anhui Province， and pollution accumulation has occurred in varying degrees; within the study area， areas with high value of Cr appear in the north ， the high value areas of Ni appear near the coal gangue mountains in the south and north-east， the high value areas of Cu and Zn appear between the coal gangue mountains in the southeast and coal-fired power plants， and the high value areas of As and Cd appear in the northwest， respectively And the eastern farmland area; the contents of the six heavy metals are less than the soil pollution risk screening value， the risk of soil ecological environment is low， and the PLI values of 21 sampling points are all less than 1， which is at a pollution-free level.

Key words： Soil; Heavy metal; Kriging interpolation method; Pollution load index method

煤礦的開采、儲存、運輸和冶煉等過程，會產生大量的廢棄物，如煤矸石、煤渣、礦井水等[1-5]。煤矸石長期堆放在露天環(huán)境中，其中的微量重金屬元素可通過淋溶作用、風力侵蝕等，轉移到土壤中并不斷累積[6-7]。礦井廢水中也存在大量的重金屬元素[8-9]，若處置不當，排入土壤，也會造成土壤中重金屬元素的累積。煤礦電廠在燃煤過程中更會釋放出有毒有害物質，特別是重金屬元素[10]，對礦區(qū)周邊土壤造成污染。重金屬在土壤中隱蔽性強、潛伏周期長、毒副作用強烈、降解能力低[11-12]，土壤一旦受到污染，其修復代價巨大。因此，對于礦區(qū)周邊土壤重金屬空間分布特征和污染水平的分析顯得尤為重要。

熊佳[13]等對貴州省獨山縣某銻礦冶煉廠周邊土壤重金屬進行了空間分布特征分析，得出新廠區(qū)附近300m范圍內土壤中Sb含量較高，呈現(xiàn)出隨距離增加而降低的分布特征;方志青[14]等利用地累積指數(shù)評價得出汝溪河整體呈現(xiàn)Cd和Zn的輕度至偏中度污染;黃中杰[15]等對湖南省錫礦山銻礦區(qū)土壤重金屬含量進行分析，發(fā)現(xiàn)長期的銻礦采冶活動對當?shù)赝寥涝斐闪艘許b和Cd為主的重金屬復合污染，環(huán)境風險極高;樊志穎[16]分析了色季拉山森林土壤重金屬含量的空間分布特征，得出重金屬含量在空間分布上受坡向海拔與土壤深度的影響，影響最大的是坡向。

蘆嶺煤礦是宿南礦區(qū)開采歷史最長、開發(fā)規(guī)模最大的煤礦，且建有燃煤電廠，采煤活動及煤炭利用所形成的廢棄物如煤矸石、粉煤灰等，對周邊土壤環(huán)境造成影響。為此，本研究選取蘆嶺煤礦及燃煤電廠周邊農田土壤為研究對象，分析土壤中的Cr、Ni、Cu、Zn、As和Cd的含量特征、空間分布特征，在此基礎上進行污染評價，以期為研究煤礦周邊土壤的污染問題和修復治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 蘆嶺煤礦位于安徽省宿州市東南30km處，地理坐標為東經(jīng)117°10′～117°12′，北緯33°32′～33°33′，面積23km 2，于1969年12月建成投產，有著50多年的開采歷史，煤炭產量220萬t/a。2015年7月，該礦電廠裝機30000kW，日均發(fā)電46000kWh。煤炭經(jīng)過多年的開采與利用，產生了大量的煤矸石，堆放在露天環(huán)境中，對礦區(qū)周邊土壤造成了污染。根據(jù)CST土壤分類，判斷該研究區(qū)土壤主要為砂姜黑土;沱河為季節(jié)性河流;地勢平坦，海拔在24m左右;主要農作物為玉米、小麥;礦區(qū)處于暖溫帶半濕潤季風性氣候地帶，夏季暖熱多雨，主導風向為東南風，冬季寒冷干燥，主導風向為東北風;多年平均氣溫14.4℃，多年平均降水量890.10mm。

1.2 樣品采集與測定 2019年7月，在考慮了研究區(qū)的主導風向和污染源后，分別以煤矸石山和燃煤電廠為中心，沿東南順風方向，采用扇形布點法共采集了21個農田土壤樣品。采集深度0～10cm，樣品裝入干凈的密封袋中，貼好標簽，并用GPS對采樣點進行定位，同時記錄采樣點周邊環(huán)境情況。原樣品運回實驗室后，經(jīng)過自然風干—研磨—過200目篩，過篩的土壤樣品裝入密封袋并貼好標簽。土壤樣品用熒光專用硼酸磨具和手動粉末壓片機壓片，之后用X射線熒光光譜儀對樣品的Cr、Ni、Cu、Zn、As和Cd元素進行含量測定，所用標準物為GBW07430（GSS-16）。

1.3 污染評價方法 污染負荷指數(shù)法是由研究區(qū)域內的多種重金屬共同表征，其不僅可以反映土壤中的單一重金屬污染程度，也可以對土壤中多種重金屬進行綜合污染評價[17-18]。計算公式如下：

式（1）中，CFi為元素i的最高污染系數(shù);Ci為元素i的實際測量值（mg/kg）;Si為元素i的評價標準（mg/kg），本文以《土壤環(huán)境質量-農用地土壤污染風險管控標準GB15618—2018》[19]中的污染風險篩選值作為評價標準;式（2）中，PLI為某采樣點的污染負荷指數(shù);n為評價元素的個數(shù);式（3）中，PLIzone為評價區(qū)域的污染負荷指數(shù);m為采樣點的個數(shù)。PLI的分級標準列于表1。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征 將研究區(qū)土壤重金屬的含量測試結果與安徽省土壤重金屬含量背景值進行對比，其統(tǒng)計特征如表2所示。由表2可知，土壤中重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr>Zn>Cu>Ni>As>Cd。除Ni的均值含量低于背景值、Zn的均值含量基本接近背景值外，其余4種重金屬Cr、Cu、As、Cd的均值含量為77.32、24.23、17.97、0.22mg/kg，分別是安徽省表層土壤背景值的1.16、1.19、2.00、2.27倍，說明該研究區(qū)內土壤中4種重金屬已經(jīng)產生了不同程度的污染累積。變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)的離散程度，從而間接反映出外源因素對重金屬含量的影響[20]。一般認為，CV<10%為弱變異，10%～100%為中等強度變異，CV≥100%為強變異[21]?？芍?，Ni、Zn、Cu、As、Cd（38%、16%、29%、21%、11%）屬于中等強度變異，Cr（8%）屬于弱變異，其中Ni、Cu的變異系數(shù)最高，離散程度最大，可能存在外源因素的干擾。

2.2 土壤重金屬的空間分布特征 研究區(qū)域內土壤中重金屬Cr的含量在62.80～88.70mg/kg，Zn的含量在52.97～93.98mg/kg，Ni的含量在11.05～35.54mg/kg，Cu的含量在12.06～39.34mg/kg，As的含量在11.20～25.21mg/kg，Cd的含量在0.16～0.27mg/kg。利用克里金插值分析方法，所得出的重金屬的空間分布如圖1所示。

Cr（圖1a）的高值區(qū)域出現(xiàn)在北部，此處多為居民區(qū)，可能與居民生活污水排放有關[22]。重金屬的擴散受到盛行風向的影響，含量隨距離的增加而逐漸下降[23]。以燃煤電廠為起點，在研究區(qū)主導風向（夏季東南風）影響區(qū)域內，土壤中Cr含量呈現(xiàn)出隨距離增加逐漸降低的趨勢。

Ni（圖1b）的高值區(qū)域出現(xiàn)在南部煤矸石山附近，位于下風向處的Ni含量要明顯高于上風向，且在順風方向上Ni的含量隨著距離的增加有逐漸降低的趨勢。另外，Ni的高值區(qū)域還出現(xiàn)在東北部，可能與此處居民區(qū)[22]和農田的分布有關，受人為干擾較大。

Cu（圖1c）和Zn（圖1d）的高值區(qū)域出現(xiàn)在東南部煤矸石山和燃煤電廠之間，此處分布有煤礦以及礦區(qū)主干道路，過往車輛頻繁，可能與道路揚塵以及汽車尾氣排放有關[24];Cu含量在一定程度上呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸遞減的趨勢，而Zn含量的分布除高值區(qū)域外，整體分布比較均勻。

As（圖1e）的高值區(qū)域出現(xiàn)在西北部農田區(qū)，Cd（圖1f）的高值區(qū)域出現(xiàn)在東部農田區(qū)，可能與農業(yè)活動有關[25];Cd的含量整體呈現(xiàn)出由東向西逐漸遞減的趨勢。

2.3 土壤重金屬的污染評價 研究區(qū)土壤重金屬的CF均值結果如圖2（a）所示，由圖2（a）可知，各重金屬的污染順序為Cd>As>Cr>Zn>Cu>Ni，6種重金屬的CF值均小于1，說明這6種重金屬的含量均小于土壤污染風險篩選值，即該研究區(qū)土壤中的重金屬污染物對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風險低，一般情況下可以忽略。研究區(qū)各采樣點的PLI值如圖2（b）所示，由圖2（b）可知，8～13號采樣點的PLI值要明顯的小于其他采樣點，分析原因可能是1～7號采樣點處于煤矸石山和電廠之間，以及居民區(qū)附近，14～21號采樣點處于燃煤電廠下風向，以及居民區(qū)附近，污染源明顯較多，受到人為因素的干擾較大。21個采樣點的PLI值均小于1，處于無污染水平。經(jīng)式（3）計算得出，該區(qū)域的PLIzone值為0.35，屬于無污染水平。

3 結論

（1）研究區(qū)土壤6種重金屬，除Ni和Zn外，其余4種重金屬（Cr、Cu、As、Cd）的平均含量均超過了安徽省表層土壤背景值，已經(jīng)產生了不同程度的污染累積。