黃河中游重要生產(chǎn)煤礦山土壤重金屬特征分析與評價(jià)

王春光，彭景頌，李婉瑩，李 健，張雙騰，余 洋

(1.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101；2.自然資源部礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100083；3.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510075；4.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；5.自然資源部礦山生態(tài)效應(yīng)與系統(tǒng)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

作為黃河中游重要的礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)[1]，西北干旱半干旱煤礦區(qū)不僅肩負(fù)著礦產(chǎn)資源開發(fā)、戰(zhàn)略能源輸送的重大使命[2]，還擔(dān)負(fù)著采掘技術(shù)創(chuàng)新、生態(tài)保護(hù)監(jiān)測的關(guān)鍵職責(zé)[3-5]。近年來，為科學(xué)推進(jìn)礦山生態(tài)保護(hù)、持續(xù)加強(qiáng)“綠色礦山”建設(shè)[6]，相關(guān)研究業(yè)已逐步展開[7]，廣泛涉及重要政策解讀[8]、基礎(chǔ)理論探索[9-10]、科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新[11]、工程實(shí)踐應(yīng)用[12-13]，有效覆蓋在建、生產(chǎn)、關(guān)閉等不同類型煤礦山的土壤環(huán)境調(diào)查[14-18]、監(jiān)測[19]、評價(jià)[20-25]及修復(fù)[26-27]等領(lǐng)域。因此，適時(shí)開展黃河中游地區(qū)神木市重要生產(chǎn)煤礦山土壤環(huán)境調(diào)查，借助富集因子法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行礦山土壤重金屬特征評價(jià)，實(shí)現(xiàn)典型資源城市重要生產(chǎn)煤礦山土壤環(huán)境長期監(jiān)測，進(jìn)而為從實(shí)踐應(yīng)用層面貫徹落實(shí)生產(chǎn)和在建礦山生態(tài)的保護(hù)修復(fù)工作、支撐黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供有效參考[28]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市北部，地處黃河中游陜北黃土高原北部與毛烏素沙漠東南緣接壤地帶，地勢總體呈中東部高、西部低，地形起伏較大，海拔1 084～1 349 m；屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，主要盛行西北風(fēng)，干旱少雨，蒸發(fā)量大，降雨量少而集中。區(qū)域內(nèi)沙丘連綿，丘間洼地與沙地交錯(cuò)分布；土壤以黃綿土和風(fēng)沙土為主，顆粒大小以粉細(xì)沙為主，土壤結(jié)構(gòu)疏松，抗蝕性差，水土流失嚴(yán)重[29]。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

土壤樣品采集時(shí)間2020年9月，按每平方千米1個(gè)的平均密度進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)，同時(shí)在研究區(qū)域外側(cè)未受煤礦影響區(qū)域布設(shè)對照樣采樣點(diǎn)，采樣深度均為0～20 cm。本次共采集18個(gè)表層樣品(含對照樣品2個(gè))，采樣點(diǎn)分布情況見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

使用鍬、采樣鏟及竹片等工具采集樣品，避免在采樣過程中樣品被二次污染；采樣時(shí)去除表面雜物，垂直采集地表至20 cm深的土壤，保證上下均勻采集；在采樣點(diǎn)周邊3～5處多點(diǎn)組合采集并混合均勻，取1 kg裝入塑封袋。

2.2 測試方法

將樣品中的雜物去除，在室內(nèi)自然風(fēng)干后用瑪瑙缽研磨，過網(wǎng)格尺寸為149 μm尼龍篩，待測。采用鹽酸—硝酸—?dú)浞帷呗人崛纸獾姆椒ㄏ馔寥罉悠?。土壤中的Cd、Cu、Pb、Zn、Ni和Cr等元素用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，儀器為NEXION 350X ICP-MS；土壤中的As和Hg用原子熒光法測定，儀器為AFS-230E原子熒光光度計(jì)。在測定過程中，所有樣品均由空白樣、平行樣和加標(biāo)回收率進(jìn)行質(zhì)量控制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬含量特征

各采樣點(diǎn)土壤樣品重金屬含量、中國土壤重金屬元素背景值[30](以下簡稱“中國土壤背景值”)、陜西土壤重金屬元素背景值[30](以下簡稱“陜西土壤背景值”)及標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 土壤樣品重金屬含量特征

由表1可以看出：

1)研究區(qū)Ni變異系數(shù)為81.37%，含量變化較大，數(shù)據(jù)較為分散；其他各元素變異系數(shù)均在50%及以下，含量變化較小，具有相對集中性；研究區(qū)Cd、Pb，Hg、Ni和Zn含量值均超過對照區(qū)2～5倍，As、Cr、Cu含量與對照區(qū)相比均在2倍以下。

2)研究區(qū)Cd、Hg、Ni等3種元素含量的平均值均高于中國土壤背景值；As和Cu含量均低于中國土壤背景值。其中：Cd含量超過中國土壤背景值個(gè)數(shù)為13，占比81.25%；Cr含量超過中國土壤背景值個(gè)數(shù)為1，占比6.25%；Pb含量超過中國土壤背景值個(gè)數(shù)為1，占比6.25%；Hg含量超過中國土壤背景值個(gè)數(shù)為13，占比81.25%；Ni含量超過中國土壤背景值個(gè)數(shù)為8，占比50%；Zn含量超過中國土壤背景值個(gè)數(shù)為2，占比12.5%。

3)研究區(qū)Cd、Hg、Ni等3種元素的平均值均高于陜西土壤背景值。其中：As和Cu含量均低于陜西土壤背景值；Cd含量超過陜西土壤背景值個(gè)數(shù)為13，占比81.25%；Cr含量超過陜西土壤背景值個(gè)數(shù)為1，占比6.25%；Pb含量超過陜西土壤背景值個(gè)數(shù)為2，占比12.5%；Hg含量超過陜西土壤背景值個(gè)數(shù)為15，占比93.75%；Ni含量超過陜西土壤背景值個(gè)數(shù)為8，占比50%；Zn含量超過陜西土壤背景值個(gè)數(shù)為2，占比12.5%。

4)研究區(qū)土壤樣品As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni和Zn含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 土壤重金屬空間分布特征

通過MapGIS 6.7軟件繪制出8種重金屬元素空間分布(見圖2)，得出研究區(qū)土壤中各重金屬空間分布特征。

圖2 土壤重金屬空間分布圖

As含量為1.50～3.19 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)西北部和最南端；Cr含量為24～67 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)北東部；Cd含量為0.14～0.34 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)北部；Ni含量為14～43 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)的南西部；Cu含量為8.5～10.0 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)的北部；Pb含量為17～38 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)中西部；Hg含量為0.06～0.08 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)北部偏西；Zn含量為37～54 mg/kg，高值區(qū)分布于研究區(qū)北部偏西。

分析表明，Hg、Cd、Cu、Pb、Cr、Zn元素分布基本呈現(xiàn)北高南低的特征。據(jù)調(diào)查，生產(chǎn)煤礦山主工業(yè)廠區(qū)與排矸場位于研究區(qū)上風(fēng)向位置，煤礦山生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、灰塵在西北風(fēng)作用下可能會(huì)對區(qū)域重金屬分布產(chǎn)生累計(jì)影響。

3.3 土壤中重金屬富集因子法評價(jià)

1979年Kemp提出了“沉積物富集因子法(Sediment Enrichment Factor)”。富集因子是評價(jià)人類活動(dòng)對土壤中重金屬富集程度影響的參數(shù)[31]。為了減少采樣和制樣過程中人為影響,以及保證各指標(biāo)間的可比性與等效性，以參比元素為參考標(biāo)準(zhǔn)[32]。

總而言之，中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、國內(nèi)外消費(fèi)者對高質(zhì)量產(chǎn)品需求的不斷增多，促使力嘉不斷調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升印刷技術(shù)和企業(yè)管理水平，以使產(chǎn)品及市場競爭力持續(xù)提高，向世界級標(biāo)準(zhǔn)接軌。

本次選擇Cu作為參比元素，主要考慮其在中性和堿性環(huán)境中溶解度低，不易淋溶遷移，生物利用度也低，性質(zhì)較為穩(wěn)定。富集因子法的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：E為重金屬在土壤中的富集系數(shù)；Cs(x)、Cb(x)分別為某元素x的樣品測定值和背景值,mg/kg；Cs(Cu)、Cb(Cu)分別為參比元素Cu的樣品測定值和背景值,mg/kg。

取陜西省土壤背景值作為背景值。根據(jù)富集因子的大小，Sutherland將元素的富集程度分為6個(gè)級別,見表2。

表2 富集系數(shù)分級

通過公式(1)計(jì)算獲得研究區(qū)土壤中重金屬的富集系數(shù)，見表3。

表3 土壤重金屬富集系數(shù)

由表3可知：Ni的富集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，表明該元素未受到人類活動(dòng)影響；As的富集系數(shù)均小于2，為無富集—輕微富集；其余元素的富集系數(shù)均有大于2的情況，最大值10.66，說明富集程度受到不同程度的人類活動(dòng)的影響。

重富集的元素為Cd和Hg，分別占37.5%和81.25%；中富集的元素為Cd、Cr、Pb、Hg、Zn，分別占50%、18.75%、50%、12.5%、12.5%；除Ni和Hg外，各元素均有輕微富集，As、Cd、Cr、Pb、Zn分別占25%、6.25%、75%、50%、87.5%；無富集的元素主要為As和Ni，占比分別達(dá)到75%和100%。

綜上所述，各元素富集程度依次為Hg>Cd>Pb>Cr>Zn>As>Ni，其中Hg和Cd元素的富集程度受人類活動(dòng)的影響最大。

3.4 土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

瑞典科學(xué)家Hakanson提出的“潛在生態(tài)危害指數(shù)法”主要以土壤、沉積物中重金屬元素的背景值為基礎(chǔ)，并結(jié)合重金屬的生物毒性系數(shù)[33]、生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，計(jì)算重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(Ri)。其計(jì)算公式如下：

(2)

重金屬元素的背景值采用對照樣品檢測值的平均值[34]。土壤中重金屬元素背景值和毒性系數(shù)見表4，潛在生態(tài)危害分級見表5，研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)見表6。

表4 土壤中重金屬元素背景值和毒性系數(shù)

表5 潛在生態(tài)危害分級

表6 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)

4 結(jié)論與建議

1)研究區(qū)僅Ni元素變異系數(shù)在50%以上；Cd、Hg、Ni元素平均值分別高于中國土壤背景值與陜西土壤背景值；土壤中各重金屬元素含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)值。研究區(qū)Hg、Cd、Cu、Pb、Cr、Zn元素分布基本呈現(xiàn)北高南低的特征，高值區(qū)主要分布在北部。調(diào)查推測：研究區(qū)上風(fēng)向地區(qū)的生產(chǎn)煤礦山主工業(yè)廠區(qū)與排矸場，可能會(huì)對區(qū)域重金屬累計(jì)產(chǎn)生影響。

2)研究區(qū)重金屬元素富集程度依次為Hg>Cd>Pb>Cr>Zn>As>Ni，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小順序?yàn)镠g(104.83)>Cd(80.29)>As(6.79)>Cu(6.15)>Pb(6.09)>Ni(3.38)>Cr(1.77)>Zn(1.04)；綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中等危害，除Hg、Cd外，其余6種重金屬元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害較低。

3)建議有序構(gòu)筑生產(chǎn)煤礦山土壤環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系，逐步推進(jìn)生產(chǎn)煤礦山土壤環(huán)境定期監(jiān)測工作，適當(dāng)提升Cd、Cr、Pb、Hg、Zn元素監(jiān)測頻次、強(qiáng)度，及時(shí)掌握煤礦山生產(chǎn)過程中可能對土壤造成的不良影響，提高生產(chǎn)煤礦山土壤環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力。進(jìn)一步提高生產(chǎn)煤礦山工業(yè)廠區(qū)、排矸場揚(yáng)塵防治技術(shù)要求，借助定期噴灑清水、種植防護(hù)林帶等方式，有效降低矸石揚(yáng)塵可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。