高砷煤矿区土壤重金属污染及潜在的生态风险

刘文政，李存雄，秦樊鑫，庞文品

（贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001）

高砷煤矿区土壤重金属污染及潜在的生态风险

刘文政，李存雄，秦樊鑫＊，庞文品

（贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001）

为考察黔西南煤矿区土壤重金属的污染状况，采集了5个典型高砷煤矿周围土壤作为研究对象，并对其重金属（Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni）的含量进行分析测定，分别采用地累积指数法和潜在生态风险指数法对其重金属污染状况、生态风险进行评价。结果表明：黔西南5个典型高砷煤矿周围土壤重金属的平均含量均高于贵州省土壤重金属的平均背景值，小尖山煤矿周围土壤重金属污染最严重，其中Hg和As的平均含量分别为0.65mg/kg和431.2mg/kg。5个煤矿周围土壤As污染突出，其中小尖山、大丫口和梨树坪煤矿周围土壤As的地累积指数分别为3.85、3.42和3.02，均为偏重污染水平，同时还受Pb、Cd、Hg、Cu和Ni不同程度的污染。5个煤矿周围土壤重金属的潜在生态风险指数300～600，具有“强”生态风险。其中，Hg的潜在生态风险参数最高，As次之，这2种污染因子均达到“强”以上生态风险水平，应引起相关部门的高度重视。

高砷煤矿区；土壤；重金属；污染特征；生态风险；黔西南

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是构成生态环境的重要组成部分，同人类的生产、生活和健康密切相关［1］。矿产资源的大量开发利用，促进了国民经济的快速发展，但由于采矿中的废水、废渣以及降尘未经处理直接排放，导致大量重金属污染物进入土壤环境，而土壤中的重金属又是土壤环境中潜在危害极大的污染物，进而造成矿区周边生态环境遭到污染破坏，危害食品安全和人体健康。黔西南煤炭资源丰富，属特大型能源基地，同时也是典型的燃煤污染型砷中毒多发地区，由于病区家庭在无排烟设施的条件下，敞灶燃用当地开采的高砷煤，导致砷污染室内空气和食物，病区居民因过量摄入砷而中毒［2］。病区主要分布在兴仁、兴义、安龙和织金等市县的9个乡镇，32个行政村，暴露人口约4万人，8 786户，砷中毒患者2 848人，其中，兴仁病区涉及3个乡镇，13个村，暴露人口2万余人，4 599户，患症病人2 250人；病区因皮肤癌、肺癌、乳腺癌、肝癌及肝硬化腹水死亡的砷中毒人数已达200余人［2］。黔西南高砷煤矿区的重金属污染问题已经严重威胁着当地居民的健康安全。因此，对黔西南高砷煤矿区进行重金属污染研究具有重要的现实意义。

国内外煤矿区土壤重金属的各种污染问题日益突出，相关学者对此予以高度关注，并进行深入研究［1，3－9］。近年来，虽已有学者对黔西南高砷煤矿区表土及其沉积物砷污染特征进行了研究［10－12］，但资料非常有限，缺乏全面的最新基础数据，且针对该矿区周围土壤重金属潜在生态风险评价的研究未见报道。笔者以黔西南5个典型高砷煤矿区周围土壤为研究对象，分析土壤重金属Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni的含量，采用地累积指数法和潜在生态危害指数法分别对土壤的污染状况和潜在生态风险进行评价，旨在了解该矿区周围土壤重金属的污染特征，以期为矿区土壤污染的诊断、污染源与污染过程的分析、污染控制与修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兴仁县地处贵州省黔西南州中部，属北亚热带湿润季风气候，该县主要有煤、金、铁、锑、汞、铊、硫磺等矿产资源，其中煤炭已探明可采量22.6亿t，远景储量超过45亿t，素有“兴仁煤田”之称［10］。该县的煤矿年开采总量在250万～300万t，大规模的采矿活动虽带动了当地经济增长，但也存在乱采滥挖、资源利用率低下、环境污染、荒弃农田和规划不合理等问题。兴仁县境内的煤矿是黔西南典型的高砷煤矿区之一，其煤层含砷量最高可达3.2×104～3.5×104mg/kg。据吴攀等［12］报道，该县高砷煤矿区表土和沉积物中的As含量范围分别为5.28～234.14mg/kg和20.68～219.14mg/kg。

1.2 样品采集与处理

土壤样品于2013年10月采自黔西南5个典型高砷煤矿周围，设置5个研究样区，即小尖山煤矿、大丫口煤矿、梨树坪煤矿、高武煤矿和李关煤矿，具体采样位置如图1所示。参照《土壤环境监测技术规范》［13］要求，在每个研究样区内随机选择有代表性的地块作为采样单元，在每个采样单元中，按照梅花形法布设5个采样点，对其表层土（0～20cm）进行取样，现场混匀后装入样品袋内，共采集土壤样品60件，运回实验室。样品经自然风干，除去砂砾、植物根系等异物，用玛瑙研磨机研磨，过100目尼龙筛，保存于塑料瓶中备用。

图1 研究区位置及采样位置Fig.1 Location of study area and sampling sites

1.3 样品分析

采用 HNO3－HF微波消解法［14］（MARS6，CEM公司，美国）消解土壤样品，重金属Pb和Cd采用原子 吸 收 光 谱 仪－石 墨 炉 法 （ZEEnit 700P，analytikjena，德国）测定，Cu和Ni采用原子吸收光谱仪－火焰法（ZEEnit 700P，analytikjena，德国）测定，Hg和As采用原子荧光光谱仪（AFS-933，吉天，中国）测定。所有试剂均为优级纯，分析用水均为超纯水。测定过程中，每5个样品设置一个平行样，所有样品均由空白样、二次平行样和添加土壤国家标准物质（GBW－070010、GBW－07430）进行质量控制，二次平行样的相对偏差均小于5%，样品加标回收率在96.4%～115.1%，标样测定结果均在允许误差范围内。

1.4 数据分析

1.4.1 地累积指数污染评价 地累积指数（Igeo）由德国科学家Müller教授首先提出，用于研究沉积物及其他物质重金属污染程度的定量指标［15－16］。计算公式如下：

式中，Ci为重金属i的实测平均含量（mg/kg）；BEi为重金属i的参比值（mg/kg），该研究以贵州省土壤重金属平均背景值［17－18］作为参比值，土壤重金属平均背景值及其标准差如表1所示；K为修正指数，为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变化而取的系数（一般取值为1.5）。

该指数分为7个级别［16］：Igeo＜0，为无污染；0＜Igeo＜1，为轻污染；1≤Igeo＜2，为偏中度污染；2≤Igeo＜3，为中度污染；3≤Igeo＜4，为偏重污染；4≤Igeo＜5，为重污染；Igeo≥5，为严重污染。

表1 贵州土壤重金属的平均背景值及其标准差Table 1 Average background values and standard deviation of heavy metals in Guizhou soils

1.4.2 潜在生态风险评价 依据瑞典学者Häkanson［19］提出的潜在生态危害指数法，对矿区土壤重金属的潜在生态危害程度进行评价。该指数不仅反映了某一特定环境中每种重金属污染物的影响，也反映了多种重金属污染物的综合影响。矿区污染土壤重金属潜在风险参数和潜在生态风险指数按如下计算公式表示：

表2 潜在生态风险评价指数的分级标准Table 2 Classification criteria of the potential ecological risk index

式中，Cif为污染系数，Ci为重金属i的实测平均含量（mg/kg），Cin为重金属i的参比值（mg/kg）（该研究采用贵州土壤重金属平均背景值［17－18］作为参比值），Eir为潜在生态风险参数，Tir为重金属i的毒性系数，RI为潜在生态风险指数。

重金属Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni的毒性系数（Tir）分别为5、30、40、10、5和5［19］，潜在生态风险评价指数的分级标准［19］如表2所示。

1.4.3 数据处理 采用 MapInfo 8.5绘制样点分布图，采用SPSS 19.0进行数据统计分析，采用Origin 8.6检验数据频数分布状况（Shapiro-Wilk法）并作图。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属的含量与分布

矿区周围土壤重金属含量及其变异系数如表3所示，矿区周围土壤铅平均值含量为184.6～228.3mg/kg，超出贵州省土壤平均背景值4.24～5.49倍；镉平均值含量为0.72～1.15mg/kg，超出土壤平均背景值0.09～0.75倍；汞平均值含量为0.34～0.65mg/kg，超 出 土 壤 平 均 背 景 值2.09～4.91倍；砷 平 均 值 含 量 为 201.4 ～431.2mg/kg，超出土壤平均背景值9.07～20.6倍；铜平均值含量为113.4～152.2mg/kg，超出土壤平均背景值2.54～3.76倍；镍平均值含量为64.7～75.3mg/kg，超 出 土 壤 平 均 背 景 值0.65～0.93倍。就不同矿点而言，大丫口和小尖山煤矿周围土壤重金属含量总体较高，其他煤矿周围土壤重金属含量相对较低，但均超过贵州省土壤重金属的平均背景值，这可能是由于长期的矿山开采活动而导致重金属在矿区及周边土壤中不断积累的结果。

表3 黔西南高砷煤矿区周围土壤重金属的含量与变异系数Table 3 Contents and variation coefficients of heavy metals in soils around high-arsenic coal mine area from southwest Guizhou mg/kg，%

由表3还可知，矿区周围土壤重金属Hg和As的变异系数最大，Cd次之，表明这3种重金属可能存在点源污染，受人为活动影响较显著；Ni、Cu和Pb的变异系数较小，表明这3种重金属可能存在面源污染，受人为活动影响较小。本研究区地处黔西南典型高砷煤矿区内，As污染表现突出。黔西南高砷煤矿区土壤重金属Pb、Cd、Hg、As、Cu和Ni含量均符合正态分布（图2）。

2.2 土壤重金属的污染评价

根据公式（1），矿区周围土壤重金属的地累积指数污染评价的计算结果（表4）可知，As污染较为突出，小尖山、大丫口和梨树坪煤矿周围土壤As均为偏重污染，其他煤矿周围土壤As均为中度污染。除大丫口煤矿周围土壤Pb为中度污染外，其他煤矿周围土壤Pb均为偏中度污染。矿区周围土壤Cu、Hg均为偏中度污染，土壤Ni均为轻污染，除大丫口煤矿周围土壤Cd为轻污染外，其他煤矿周围土壤Cd均为无污染。小尖山、大丫口煤矿周围土壤受重金属污染的程度最大，小尖山和大丫口煤矿周围土壤重金属的污染程度分别表现为As＞Hg＞Pb＞Cu＞Ni＞Cd和As＞Pb＞Hg＞Cu＞Ni＞Cd。总的来说，As是5个高砷煤矿周围土壤重金属污染的主要因子。

表4 黔西南高砷煤矿区周围土壤重金属的地累积指数污染评价结果Table 4 Geo-accumulation index of heavy metals in soils around high-arsenic coal mine area from southwest Guizhou

2.3 土壤重金属的潜在生态风险评价

根据公式（2）、（3）和（4），由矿区周围土壤重金属的潜在生态风险参数和潜在生态风险指数的计算结果（表5）可知，5个煤矿周围土壤Hg的潜在生态风险参数最高，这与其毒性系数较高有关，As其次。对单个重金属而言，矿区周围土壤重金属Pb、Cu和Ni的潜在生态风险参数均小于40，表现为“轻微”生态风险；除大丫口和梨树坪煤矿周围土壤Cd的潜在生态风险参数介于40～80，表现为“中等”生态风险外，土壤Cd在其他煤矿均表现为“轻微”生态风险；除小尖山和大丫口煤矿周围土壤As的潜在生态风险参数介于160～320，表现为“很强”生态风险外，其他煤矿周围土壤As的潜在生态风险参数均介于80～160，表现为“强”生态风险；土壤Hg除在梨树坪和高武煤矿表现为“强”生态风险外，在其他煤矿均表现为“很强”生态风险。5个高砷煤矿周围土壤重金属的潜在生态风险参数均表现为Hg＞As＞Cd＞Pb＞Cu＞Ni。

根据重金属的潜在生态风险指数评价结果可知，5个煤矿周围土壤的RI值均介于300～600，处于“强”生态风险水平。矿区周围土壤重金属潜在生态风险大小表现为小尖山＞大丫口＞梨树坪＞李关＞高武。

3 结论与讨论

1）重金属含量调查结果表明，黔西南5个典型高砷煤矿周围土壤重金属的平均含量均高于贵州省土壤重金属的平均背景值，矿区周围土壤均受到重金属不同程度的污染，其中小尖山煤矿周围土壤重金属污染最严重，Hg、As的平均含量分别为0.65mg/kg和431.2mg/kg。据吴攀等［12］于2005年4月对兴仁县高砷煤矿区表土采样分析的研究结果显示：矿区表土 As的含量为5.28～234.14mg/kg，显然低于本研究结果，表明本研究区土壤中重金属As有不断累积富集的趋势。

表5 土壤重金属的潜在生态风险评价结果Table 5 Assessment on potential ecological risk of heavy metals in soils around five collieries from southwest Guizhou

张俊等［20］对安徽宿州芦岭煤矿开采区土壤中的重金属进行的研究结果表明：该矿区受到Cu、Pb、Cr、Zn等8种重金属的污染，其中Cu和Pb的平均含量分别为20.6mg/kg、19.9mg/kg。魏忠义等［21］对抚顺西露天煤矿大型煤矸石山周边土壤重金属污染的研究表明：该区存在很高的Cd、Cr、Cu、Pb和Ni等重金属的累积，相应重金属的平均含 量 分 别 为 1.89mg/kg、113.51mg/kg、38.14mg/kg、56.55mg/kg和66.98mg/kg。石占飞等［22］对神木矿区土壤重金属的污染状况和空间分布的研究结果显示：该矿区土壤均受重金属Cr、Pb、Cd、Cu和Zn不同程度的污染，凉水井煤矿土壤中5种重金属的平均含量分别为22.55mg/kg、15.83mg/kg、0.40mg/kg、22.56mg/kg 和82.75mg/kg，四道沟煤矿土壤中5种重金属的平均含 量 分 别 为 32.61mg/kg、17.11mg/kg、0.47mg/kg、19.16mg/kg和93.29mg/kg。以上3个煤矿区土壤中重金属的含量均低于本研究结果，表明本研究区土壤重金属受矿山活动的影响深远。

2）地累积指数法评价结果显示，5个煤矿周围土壤As污染突出，其中小尖山、大丫口和梨树坪煤矿周围土壤As的地累积指数分别为3.85、3.42和3.02，均为偏重污染水平。Pb达到偏中度以上污染水平，Cu和Hg达到偏中度污染水平。

姚峰等［1］采用地累积指数法对新疆准东煤田土壤重金属进行研究得出，煤田土壤重金属污染程度表现为Cr＞Ni＞Cu＝Zn，其中Cr的污染程度最高，达到中度污染水平。准东煤田土壤Ni为轻污染水平，这与本研究结果相似。表明，黔西南高砷煤矿区周围土壤Ni的来源可能与准东煤田土壤相似，即本研究区土壤Ni污染可能来自土壤母质。准东煤田土壤Cu为无污染，同本研究结果有差异，可能与当地煤炭资源开采和土地利用方式的差异有关，具体原因需待进一步研究发现。

3）由潜在生态风险评价结果可知，该高砷煤矿区周围土壤重金属处于“强”生态风险水平，其中小尖山煤矿周围土壤重金属的潜在生态风险最高，且Hg、As对土壤重金属潜在生态风险的贡献最大，这2种重金属均达到“强”以上生态风险水平，应引起相关部门的高度重视。除Hg和As外，其他4种重金属的潜在生态风险参数均处于“轻微”潜在生态风险水平。

李玲等［23］采用同种方法对某典型煤矿工业园区土壤重金属的潜在生态风险进行研究发现，其潜在生态危害程度为Hg＞Cd＞Zn＞As＞Pb＞Cr，该矿区土壤的潜在重金属威胁主要表现为Hg，这点与本研究结果相似。石占飞等［22］对神木矿区土壤重金属的潜在生态风险进行评价结果显示，该矿区土壤重金属的潜在生态风险表现为Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr，其中Cd为该矿区土壤环境的最主要污染因素，这与本研究的结果略有差异，可能是由于2个矿区的土壤类型及其利用方式存在差异所致。

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Heavy Metal Pollution and Potential Ecological Risk in the Soils Around a High-arsenic Coal Mine Area

LIU Wenzheng，LI Cunxiong，QIN Fanxin＊，PANG Wenpin
（Guizhou Provincial Key Laboratory for Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment，Guizhou Normal University，Guiyang，Guizhou550001，China）

To evaluate the contamination status of soil heavy metal in a coal mine area from Southwest Guizhou，in this case study，the concentrations of heavy metals（Pb，Cd，Hg，As，Cu，Ni）in soils around five typical high-arsenic collieries in a coal mine area from southwest Guizhou were analyzed，and the contamination status and potential ecological risks of heavy metals in soils were investigated by using the geo-accumulation index and the potential ecological risk index，respectively.The results indicated that the average contents of heavy metals in soils surrounding the five collieries were higher than Guizhou soil average background values.The soils collected from the Xiaojianshan colliery had the most serious heavy metal contamination.The average content of Hg in soils was 0.65mg/kg around Xiaojianshan colliery.The average content of As in soils was 431.2mg/kg around Xiaojianshan colliery.According to the geoaccumulation index，the soil samples collected from the five high-arsenic collieries were severely contaminated with As，the geo-accumulation index of As in soils around three collieries were 3.85in Xiaojianshan colliery，3.42in Dayakou colliery and 3.02in Lishuping colliery，indicating As pollution was relatively serious in soils of three collieries.Moreover，other heavy metals，such as Pb，Cd，Hg，Cu and Ni were found in soils at various elevated concentrations.According to potential ecological risk index，the results indicated that the potential ecological risk index of heavy metals in soils around five high-arsenic collieries were between 300～600，and reached strong ecological risk level.The potential ecological risk factors for Hg were the highest，followed by As.These two kinds of heavy metal achieved strong ecological risk above，which should cause the administration department’s enough attention.

high-arsenic coal mine area；soil；heavy metal；contamination characteristic；ecological risk；southwest Guizhou

S151.9

A

1001-3601（2015）07-0392-0181-05

2015-03- 14；2015-07-11修回

国家自然科学基金项目“黔西南高砷煤矿区环境重金属污染特征”（21467005）

刘文政（1988－），男，在读硕士，专业方向：环境分析化学。E-mail：lwzjyq1988＠163.com

＊通讯作者：秦樊鑫（1978－），男，副教授，在读博士，从事环境污染控制与修复研究。E-mail：qinfanxin＠126.com

（责任编辑：杨晓容）