，，， ， ，

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

神木北部礦區(qū)不同土壤類型下重金屬污染特征與評價

杜華棟，王曉晨，劉玉青，韓英，丁一，李鵬

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

通過測量神木北部礦區(qū)及其毗鄰地區(qū)2種土壤類型(風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū))下8種重金屬(As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni)元素含量，評價礦區(qū)整體土壤重金屬污染情況。結(jié)果表明：研究區(qū)2種土壤條件下除Pb和Cd外，其他6種重金屬含量較毗鄰未開采區(qū)具有顯著增加，但8種土壤重金屬含量均沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)；風(fēng)沙區(qū)土壤污染程度較黃土區(qū)大；重金屬元素污染分擔(dān)率表現(xiàn)為Hg >Zn>As>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd；Hg、Zn和Cr 3種元素在兩種土壤類型中均為重度污染，As、Cu和Ni屬于中輕度污染，Cd和Pb屬清潔安全類。

神木北部礦區(qū)；煤炭開采；土壤重金屬污染；風(fēng)險評價

煤炭資源的開采為經(jīng)濟發(fā)展提供各種材料，但同時也引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、土地資源侵占、大氣環(huán)境污染、水環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)景觀損壞、土壤質(zhì)量下降等[1～2]。而土壤環(huán)境是環(huán)境的重要組成之一，承載著約90%的環(huán)境污染物質(zhì)[3]，其中以重金屬污染和危害最為嚴(yán)重，越來越受到社會各界的廣泛關(guān)注。煤礦區(qū)周圍土壤的重金屬污染物一方面來自采煤、運煤和存儲過程中產(chǎn)生的廢水、廢渣以煤矸石的堆積導(dǎo)致重金屬的遷移匯集；二是因為煤炭開采引起生態(tài)環(huán)境破壞，水土流失量增加，風(fēng)力和水力作用下煤礦粉塵在煤礦周圍土壤運移，再通過淋溶滲濾進入到土壤中[4～6]。而這兩種效應(yīng)在處于水蝕風(fēng)蝕交錯帶的榆神府礦區(qū)更加明顯。

目前國內(nèi)外學(xué)者對礦區(qū)的重金屬累積、毒性機理及生態(tài)風(fēng)險評價等進行了大量的研究，但大多集中于煤炭開采、矸石堆積及運輸路線部位，相對而言煤炭開采對整個礦區(qū)背景下土壤重金屬累積狀況研究較為薄弱，同時處于風(fēng)蝕水蝕交錯地帶的神木北部礦區(qū)土壤類型多樣，這將直接影響到礦區(qū)重金屬污染風(fēng)險評價的客觀性和準(zhǔn)確性。因此本文以神木北部礦區(qū)2種主要土壤類型下的重金屬污染特征為例，并對其不同土壤類型下的不同重金屬元素的累積分擔(dān)率和污染指數(shù)進行分析，旨在為礦區(qū)土壤資源的污染風(fēng)險評價和可持續(xù)發(fā)展利用提供參考。

1 研究地區(qū)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木縣北部，該區(qū)屬于北方溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候；多年平均氣溫8.9℃；降水量422.70 mm；相對濕度55%；降水多集中在6-9月份，占全年降水的70%～80%；年均日照2 782.5 h；年大風(fēng)天數(shù)4～87 d，屬于風(fēng)蝕水蝕過渡地帶。

研究區(qū)擁有井田面積189.9 km2，煤炭地質(zhì)儲量23.2億 t。煤炭開采方式主要采用綜合機械化長臂式開采工藝，綜采工作面長200～400 m，工作面間留有20～30 m寬的護巷煤柱。隨著煤炭的大量開采，煤層上覆巖層發(fā)生冒落、產(chǎn)生裂隙和彎曲等不同程度的采動地質(zhì)損害。

1.2 樣品采集與處理

研究區(qū)土壤類型主要以黃土和風(fēng)沙土為主，因此針對研究區(qū)不同土壤類型分風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū)分別進行調(diào)查取樣，采集0～30 cm土壤表層樣品。每個樣區(qū)20個樣地重復(fù)，每個樣地選擇3個樣點取樣。同時采集與研究區(qū)毗鄰但并未進行煤炭開采的區(qū)域作為對照，共20點。將采集的樣品在室溫下自然風(fēng)干[7]，除雜碾碎用尼龍網(wǎng)過篩待測。測試的重金屬元素有Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、Cd、Hg、As，其中Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、Cd含量利用火焰原子吸收分光光度計測定； Hg、As含量利用原子熒光法測定[8]。

1.3 評價方法

由于神木北部礦區(qū)仍有農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)活動，因此采用“為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護人體健康的土壤限制值”的國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)中pH>7.5類為評價依據(jù)(GB15618-1995)(研究區(qū)土壤pH范圍為7.5～8.5)，對研究區(qū)兩種不同土壤類型的8種重金屬元素Hg、Pb、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Ni采用單項污染指數(shù)、累積污染指數(shù)、綜合累積污染指數(shù)、累積分擔(dān)率和綜合污染指數(shù)(見表1)進行分析評價。

表1 土壤重金屬元素綜合污染指數(shù)

土壤單項污染指數(shù)計算公式：

Pi=Ci/C0

(1)

Pz=∑Pi

(2)

土壤累積污染指數(shù)計算公式：

P1i=Ci/Cib

(3)

P1z=∑P1i

(4)

土壤重金屬累積分擔(dān)率計算公式：

(5)

土壤綜合污染評價模型——N.L.Nemerow指數(shù)法。計算公式：

(6)

式中：Pi：為第i 種重金屬的單項污染指數(shù)；Ci為第i 種重金屬的實測值，mg/kg；C0為該種重金屬的評價標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg; P1i為第i 種重金屬的累積污染指數(shù)；Cib為該種重金屬的毗鄰區(qū)比較值，mg/kg；P1z為綜合累積污染指數(shù)；η為第i種重金屬的污染累積分擔(dān)率；P1i為第i種重金屬的累積污染指數(shù)，mg/kg；Pn為綜合污染指數(shù)；n：樣品個數(shù)；Pimax為所有重金屬單項污染指數(shù)中的最大值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

重金屬測定結(jié)果數(shù)據(jù)采用SPSS20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計檢驗，剔除異常值，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示；用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同地貌條件下土壤重金屬含量和污染指數(shù)的差異顯著性，差異顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤類型下土壤重金屬含量污染變化特征

表2列出神木北部礦區(qū)2種土壤類型和毗鄰區(qū)域各種重金屬元素的綜合富集情況，同時列出了國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(pH>7.5)。由表2可得，研究區(qū)土壤樣品所有測定重金屬均沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。采煤的風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū)8種土壤重金屬含量較毗鄰未開采區(qū)具有顯著增加(P>0.05)，其中風(fēng)沙區(qū)Hg相對于毗鄰地區(qū)土壤背景值提高了1100%；Zn、As、Cu含量分別顯著增加了88%、82%、58%；Pb、Cr、Ni變化增加不明顯(P<0.05)，而Cd低于毗鄰區(qū)土壤背景值，說明研究區(qū)周圍土壤基本沒有受到以上幾種重金屬污染；在黃土區(qū)Hg相對土壤背景值顯著上升了600%，Zn、As、Cu、Cr、Ni含量分別上升了69%、46%、44%、30%、18%, Cd、Pb變化不明顯；Hg元素在風(fēng)沙區(qū)含量較大，但除Hg元素外其他測試重金屬含量在風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū)并無顯著性差異(P<0.05)。

由表3知風(fēng)沙地As(0.2)的單項污染指數(shù)最高，黃土區(qū)Ni(0.17)的單項污染指數(shù)最高。結(jié)合表1可以得出，兩種土壤類型的重金屬元素單項污染指數(shù)均小于0.7，說明研究區(qū)2種土壤環(huán)境下8種土壤重金屬污染水平均處于清潔狀態(tài)，不對農(nóng)作物和人體健康造成危害。

由不同土壤類型下土壤重金屬累積污染指數(shù)可以看出(見表4)，結(jié)合表1可以得出，風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū)Hg元素的平均綜合污染指數(shù)最高，為重度污染；Zn、As、Cu、Cr、Ni在兩種土壤類型的累積污染指數(shù)均值有相同的變化趨勢，表現(xiàn)為輕度污染；Pb為尚清潔；Cd為清潔。同時風(fēng)沙區(qū)的綜合累積污染指數(shù)為22.21，黃土區(qū)綜合累積污染指數(shù)為16.51，說明風(fēng)沙區(qū)土壤污染程度較黃土區(qū)大。

表2 不同土壤類型下土壤重金屬元素含量 mg/kg

注：不同小寫字母表示不同土壤類型下差異顯著(0.05水平). 下同, The same below.

表3 不同土壤類型下土壤重金屬單項污染指數(shù)

表4 不同土壤類型下土壤重金屬累積污染指數(shù)平均值

圖1 不同土壤類型下土壤中重金屬累積分擔(dān)率

2.2 不同土壤類型下重金屬累積分擔(dān)率特征

圖1顯示風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū)8種土壤重金屬累分擔(dān)率，兩種土壤類型下重金屬元素的分擔(dān)率均表現(xiàn)為Hg >Zn>As>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd；除Hg外，黃土區(qū)的其他7種重金屬累積分擔(dān)率均比風(fēng)沙灘地大。兩種土壤類型下Hg元素的累積分擔(dān)率為其他元素的7～8倍，說明Hg元素本身累積程度較大，且在風(fēng)沙區(qū)累計程度更高。

2.3 不同土壤類型下重金屬綜合污染評價

根據(jù)土壤綜合污染評價模型和國家土壤污染二級標(biāo)準(zhǔn)，神木北部礦區(qū)土壤重金屬綜合污染評價均為Ⅱ級，土壤清潔(安全)。但在毗鄰區(qū)土壤重金屬背景值基礎(chǔ)上進行土壤重金屬綜合污染評價，結(jié)果表明研究區(qū)Hg、Zn、Cr元素在兩種土壤類型中均為重度污染；Ni在兩種土壤類型中均為輕度污染；Cd、 Pb在兩種土壤類型中均清潔(安全)。As在黃土區(qū)為輕度污染，而在風(fēng)沙區(qū)為中度污染；與之相反Cu在風(fēng)沙區(qū)表現(xiàn)為輕度污染，在黃土區(qū)為中度污染；Zn在黃土區(qū)為重度污染，在風(fēng)沙區(qū)為中度污染(見表5)。

表5 不同土壤類型下土壤8種重金屬綜合污染指數(shù)評價等級

3 結(jié)語

(1)不同土壤類型下重金屬污染特征分析。相對于與研究區(qū)毗鄰未進行煤炭資源開發(fā)的區(qū)域，黃土區(qū)和風(fēng)沙區(qū)土壤Hg、Zn、As、Cu、Cr、Ni重金屬元素均呈現(xiàn)出不同程度的累積，其中Hg、Zn的累積情況最為明顯，達(dá)到了重度污染。姚多喜[9]等研究表明表面煤中含有大量的微量元素、礦物、單質(zhì)、螯合物等。而在煤炭資源開發(fā)、運輸、矸石堆積等活動中，這些污染物必然向周圍土壤轉(zhuǎn)移匯聚，同時研究區(qū)處于我國風(fēng)蝕水蝕交錯地帶，水蝕作用導(dǎo)致煤炭表面重金屬產(chǎn)生溶淋，風(fēng)蝕作用可使重金屬污染物以粉塵形式遷移，從而造成重金屬元素的在研究區(qū)不同土壤類型下的累積狀況。Hg元素是煤轉(zhuǎn)化過程中的主要污染物之一[10]，研究區(qū)重金屬污染過程中Hg累積效應(yīng)最為明顯，因為Hg元素蒸汽壓較低且具有高毒性，主要以大氣 Hg 的形式擴散，在風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)的神木北部煤礦開采過程中極易產(chǎn)生易散性降塵而遷移轉(zhuǎn)化[11]。且研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙區(qū)Hg的積累量大于黃土區(qū)，這一現(xiàn)象可能是風(fēng)沙區(qū)土壤砂粒(0.05～1 mm)組分較多引起的，研究表明土壤質(zhì)地越輕，土壤中元素淋溶程度越高，同時質(zhì)地較輕的土壤膠體吸附性能力弱，因此黃土區(qū)土壤重金屬元素較低[12]。不同土壤類型條件下8種土壤重金屬元素均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)[13]，此結(jié)果與徐友寧等[14]研究的結(jié)果一致，且從單向污染指數(shù)分析各種重金屬的Pi<0.7說明研究區(qū)土壤雖然已經(jīng)表現(xiàn)出一定程度的累積，但依照國家標(biāo)準(zhǔn)尚處于清潔狀態(tài)。但研究區(qū)土壤相對毗鄰區(qū)域重金屬元素在土壤表層累積量大大增加，這種累積必然導(dǎo)致地上生物對重金屬的吸收量增加，引起生物代謝失調(diào)、生長發(fā)育受阻或遺傳變異，并通過食物鏈威脅人類的健康與安全[15]。

(2)不同土壤類型下重金屬綜合污染評價。在兩種土壤類型中，Hg、Zn、As重金屬累積分擔(dān)率較大，這與劉玥等[16]研究基本一致。由于Hg在土壤中極不容易分解轉(zhuǎn)化，很容易累積在土壤中，累積污染程度很嚴(yán)重，綜合污染指數(shù)為重度污染，因此Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它元素。Cr、Zn重金屬污染是由于其在煤礦石中溶出率較大，因此污染遷移轉(zhuǎn)化能力較強[17]，極易進入生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，兩種元素在神木北部礦區(qū)亦屬于重度污染元素。而Cu、Cr、Ni、Cd元素的化學(xué)形態(tài)較穩(wěn)定，不易被分解所以分擔(dān)率占比要小[18]，因此這幾種重金屬污染屬中輕度。與以往研究表明礦區(qū)Cd的污染程度均較高的結(jié)果不同[4,14,16]。此原因是由于Cd化學(xué)形態(tài)穩(wěn)定不易在外力作用下遷移，前人研究采樣位點基本處于煤礦開采和矸石堆積區(qū)使得Cd的污染程度均較高，而本研究采樣地點為整個礦區(qū)土壤環(huán)境，因而遷移率小的Cd污染分擔(dān)率小。雖然研究區(qū)不同土壤類型條件下8種土壤重金屬元素均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)[13]，但與毗鄰區(qū)相比，神木北部礦區(qū)2種土壤類型下8種土壤重金屬除溶出率較小的Pb、Cd外，其他測試重金屬元素均有顯著升高，而這些重金屬元素毒性強，對土壤環(huán)境危害大，因而對研究區(qū)動植物及生態(tài)系統(tǒng)潛在生態(tài)危害程度增加，因此神木北部礦區(qū)需要采取局部措施防止重金屬元素向礦區(qū)周邊土壤擴散。

[1]Bhuiyan MAH, Parvez L, Islam MA, et al. Heavy metal pollution of coal mine-affected agricultural soils in the northern part of Bangladesh[J]. Journal of Hazardous Materials.2010.173(1-3): 384-392.

[2]Li Z, Ma Z, van der Kuijp TJ, et al. A review of soil heavy metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment [J]. Science of The Total Environment.2014.468-469:843-853.

[3]周東美，王慎強. 土壤中有機污染物-重金屬復(fù)合污染的交叉作用[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報.2000.9(2):143-145.

[4]Eijsackersa H, Swartjes FA, van Rensburg L, et al. The need for attuned soil quality risk assessment for non-Western humans and ecosystems, exemplified by mining areas in South Africa[J]. Environmental Science & Policy.2014.44: 174-180.

[5]Mishra VK, Upadhyaya A R, Pandey SK, et al. Heavy metal pollution induced due to coal mining effluent on surrounding aquatic ecosystem and its management through naturally occurring aquatic macrophytes[J]. Bioresource Technology.2008.99(5): 930-936.

[6]賈惠艷, 孫美娜, 高紅江, 等. 尾礦庫重金屬污染物對地下水污染的模擬預(yù)測[J].地下水.2016.38(1): 75-79.

[7]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社.2005.

[8]徐友寧, 柯海玲, 趙阿寧, 等. 小秦嶺某金礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染評價[J].土壤通報.2007.38(4): 732-736.

[9]姚多喜, 支霞臣, 鄭寶山. 煤中微量元素及其在燃燒過程中釋放的研究現(xiàn)狀[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科版).2002.25(3): 373-378.

[10]張云鵬, 王建成, 呂學(xué)勇, 等. 煤轉(zhuǎn)化過程中汞的釋放及其脫除[J]. 煤化工.2010.38(6):18-21.

[11]鄭舒雯. 汞污染場地土壤中汞的空間分布及污染評價——以甘肅鹽鍋峽汞法制堿化工廠為例[D]. 蘭州:蘭州大學(xué).2013.

[12]孫彬彬, 周國華, 劉占元, 等. 黃河下游山東段沿岸土壤中重金屬元素異常的成因[J]. 地質(zhì)通報.2008.27(2): 265-270.

[13]國家環(huán)境保護局. HJ/T 166—2004土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范[S]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社.2005.

[14]徐友寧, 陳社斌, 陳華清, 等. 大柳塔礦區(qū)開發(fā)土壤重金屬污染相應(yīng)研究[J].中國礦業(yè).2007.16(7): 47-51.

[15]何鳳, 李瑞敏,王軼, 等. 河南省基于土壤-小麥系統(tǒng)的土壤Cr生態(tài)安全評價[J].地質(zhì)通報.2008.27(7): 1060-1064.

[16]劉玥, 韓雪峰, 牛宏, 等. 神府礦區(qū)煤矸石周邊土壤重金屬污染評價[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)報.2015.34(9): 1021-1025.

[17]趙耀東, 楊建, 張朝逢. 陜北大型現(xiàn)代化礦井周邊地下水環(huán)境特征研究[J]. 地下水.2017.39(1): 12-14.

[18]李蓮芳, 曾希柏, 李國學(xué), 等. 北京市溫榆河沉積物的重金屬污染風(fēng)險評價[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報.2007.27(2): 289-297.

ContaminationcharacteristicsandevaluationofsoilheavymetalondifferentsoiltextureinNorthernShenmucoalminingarea

DUHua-dong，WANGXiao-chen，LIUYu-qing，HANYing，DINGYi，LIPeng

(College of Geology & Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

8 heavy metal contents ( As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni ) on 2 soil texture (aeolian sandy and loess areas) in Northern Shenmu mining area and its adjacent area were measured to evaluate the overall soil heavy metal pollution in coal mining areas. The results indicated that heavy metal contents on soil of coal mining area have a significant increased comparing with adjacent areas except for Pb and Cd; all the 8 soil heavy metal contents did not exceed national soil environment quality standard (level 2); soil pollution on aeolian sandy areas were larger than loess areas; ratio of the heavy metal pollution were listed as Hg>Zn>As>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd; referring to average integrated index of 8 heavy metals, Hg, Zn, and Cr belonged to severe pollution; As, Cu, Ni belonged to moderate and slight pollution; Cd and Pb belonged to clean and safe status.

Northern Shenmu coal mining area；coal mining；soil heavy metal pollution；risk evaluation

X131.3

A

1004-1184(2017)06-0073-04

2017-08-14

西安科技大學(xué)博士啟動金資助項目(2014QDJ019)；2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(201610704060)；

陜西省教育廳科學(xué)研究基金項目(14JK1481)資助

杜華棟(1982-)，男，陜西華縣人，講師，博士，主要從事礦山環(huán)境修復(fù)和植被水土保持機理方面研究工作。