采煤塌陷地土壤重金属空间分布及潜在风险评价

刘喜坤，庄　旭，梁　峙*，马　捷，孙晓虎（. 徐州市水利局，江苏徐州08；. 徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州08；. 中国矿业大学，江苏徐州008）



采煤塌陷地土壤重金属空间分布及潜在风险评价

刘喜坤1，庄旭2，梁峙2*，马捷3，孙晓虎1
（1. 徐州市水利局，江苏徐州221018；2. 徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221018；3. 中国矿业大学，江苏徐州221008）

摘要：为全面了解徐州某采煤塌陷地土壤重金属含量及其潜在生态危害程度，在研究区内共采集了12个土壤样品，测试了Mn，Cu，Ni，Fe，Cd，Zn共6种重金属元素的含量，并采用单因子指数法对土壤重金属污染进行了分析和评价。结果表明，徐州某采煤塌陷地土壤环境总体污染程度处于轻度污染，潜在生态危害处于中等危害程度，属于D级，相对而言，各种重金属污染程度由强至弱依次为：Mn>Fe>Zn>Cd>Cu>Ni，各种重金属污染的潜在生态危害由强至弱依次为：Cd>Mn>Cu>Ni>Fe>Zn，其中，Cd的影响占绝对主导地位。徐州某采煤塌陷地区域土壤重金属潜在生态危害中等，周边耕地区域次之。徐州某采煤塌陷地土壤中6种重金属的超标部分主要来自矿井水排放。

关键词：土壤重金属污染；单因子指数法；潜在生态危害；采煤塌陷地

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.02.16

土壤是人类赖以生存的自然资源，具备较好的生态功能、环境功能以及经济功能，同时，土壤污染问题也是当今环境污染中的焦点问题。伴随着科技的快速发展和人类消费水平的提高，随之而来的是土壤资源在城市中的大幅度减少。因此，人类应该积极地减少土地资源的浪费，并对已受污染的土壤进行治理并循环使用。科技的迅猛发展及以人为本的观念在科学发展观中的提出，使人们赖以生存的环境得到越来越多的关注，同时对环境质量提出了更高的要求。矿区采煤塌陷地的生态环境质量与矿区群众的健康息息相关，因此详细调查采煤塌陷地的环境并作出环境影响评价，特别是对重金属污染塌陷地的土壤进行生态评价，对提高矿区群众生活质量具有积极作用[1-3]。

1　试验

1.1试验器材

ZYA-QY汽油动力土壤采样器，天津；AA6300原子吸收光谱仪，岛津；手持式全球定位仪（GARMIN GPS72），美国；便携式多参数水质检测仪（HI9143 Hanna Instruments），美国；5141AW型采泥器，日本。

1.2标准样

Mn、Cu、Ni、Fe、Cd、Zn标准样（100μg/ml）。

1.3土壤采样

结合采煤塌陷地的地形地貌，采集了12个表层沉积物样品，采样点分布情况及其特征如表1所示：

表1　采煤塌陷地各采样点位置及其特征

同一采样点分别采样2～3次，在除去贝壳、碎石、动植物等杂物后混合均匀，取1 kg左右样品装入聚乙烯密封袋内，运回实验室并在4℃以下保存，备用。

2　试验结果处理与分析

2.1分析采样点数据

采用湿法消解（硝酸-氢氟酸-高氯酸），精确称取经过粒径为0.15 mm木筛后的土壤样品0.5 g置于四氟坩埚中，滴取硝酸7.5 ml、高氯酸2.5 ml、氢氟酸10 ml后加盖，隔夜放存，然后置于电热板上，调至355℃高温加热120 min，揭去顶盖继续加热到样品几乎不含水分，冷却至25℃左右，再滴入硝酸3 ml、高氯酸1 ml、氢氟酸4 ml，仪器调至高温档加热样品直至液体中不含有任何酸，当高氯酸不再产生白烟时，滴加硝酸镧5 ml，将其全部转移到容量为50 ml的容量瓶用水定容[4-5]。土壤重金属（Mn、Cu、Ni、Fe、Cd、Zn）含量，采用AA6300原子吸收光谱仪测定。

测定不同采样点重金属含量，试验土壤重金属Mn、Cu、Ni、Fe、Cd、Zn含量，得出数据如表2所示：

表2　采煤塌陷地重金属含量　mg/kg

由表2可知，每千克的沉积物中重金属总含量变化幅度较高。其数值在13.05～83.20 mg/kg之间，总平均含量44.75 mg/kg，其中，Cu在S12取样点最高，达到66.94 mg/kg；Ni在S4取样点最高，达到53.06 mg/kg；Cd在S2取样点最高，达到76.08 mg/kg；Mn在S2和S10取样点最高，分别达到83.20 mg/kg和80.77 mg/kg；Fe在S2和S10取样点最高，分别达到79.87 mg/kg和77.54 mg/kg；Zn在S2取样点最高，达到76.08 mg/kg。由此可以明显看出，采煤塌陷地的重金属污染较严重。

2.2不同区域重金属含量评估

依据不同采样点的所代表区域，确定采煤塌陷地不同区域的重金属含量，得出数据如表3所示：

表3 采煤塌陷地样品重金属分布情况　mg/kg

由表3可知，S2、S3以及S10所代表区域几乎被确定为采煤塌陷地的主要污染地。其样品土壤重金属总含量分别达到了391.28 mg/kg、292.28 mg/kg、288.75 mg/kg。其中S2、S3、S10三者重金属含量占总含量的30.2%，被确定为高浓度污染场地，重金属Fe、Mn、Cd为三区域的主要污染物。由表3可知，S8所代表区域属于污染最小区域，该区域重金属含量较高的为Zn，含量数值为42.50 mg/kg；其次为S4代表区域，重金属含量较高的为Ni，含量数值为53.06 mg/kg；S12代表区域金属含量较高的为Cu，含量数值为66.94 mg/kg。因此，在环境评估和治理污染地土壤时，应加大对S2、S3以及S10所代表区域中Mn和Fe的治理。剩余区域可选择性抽样分析。

随着雨水的淋溶以及河道的冲刷，该污染地及其四周土壤中Mn和Fe会产生迁移及含量变化，随时对上述重金属的变化情况进行跟踪，一旦发现金属Mn和Fe的含量增高，应积极采取相应措施进行治理。

2.3采煤塌陷地重金属变异系数分析

为了进一步了解采煤塌陷地区域不同重金属的数值变化情况，将数值处理分析后得出数值变异系数图（见图1）。

重金属图1　重金属数值变异系数

由图1可知，采煤塌陷地区域重金属数值变异系数最大为Mn，数值高达0.422，显而易见土壤Mn含量在采煤塌陷地各区域间浮动的幅度最大，其潜在的生态危害是无穷的。这说明Mn具有易于扩散性和普遍迁移性，这主要表现在采煤塌陷地Mn扩散与迁移，造成区域间污染的相互传播，最终形成大面积污染，因此为防止大面积区域污染，应及时提出控制措施与治理方案。Cu、Cd、Zn和Fe同样也存在较大幅度的数值浮动，同时也具有易于扩散性和普遍迁移性。金属Ni在采煤塌陷地区域数值的变化幅度较小，数值仅为0.016，表3显示采煤塌陷地区域S2、S3、S4等区域的Ni含量较多且较集中，可见Ni的污染源位于上述区域中，并对其进行实时监测，出现异常应采取相应措施治理。

3　采煤塌陷地土壤重金属生态风险评价

环境生态风险评价的定义为：通过环境中的物理、化学以及生物过程而对人群生态系统造成不利影响的概率的大小，可接受风险的范围，从而确定进入环境生态系统污染物的可见或期望效应的性质、数量和变化的过程。单因子指数法和潜在生态风险指数法是两类常用的重金属污染环境生态风险评价方法。以下用两种方法对采煤塌陷地环境进行综合评价。

3.1单因子指数分析

单因子指数法适用于评价单一元素的污染状况，在环境生态风险评价的过程中，不同重金属元素的累积、浓缩与富集等作用被纳入考虑范围内；而针对多元素的协同与相加作用则应该采用潜在生态风险方法，同时不同重金属元素的毒性效应同样应该被纳入考虑范围。

单因子指数法计算公式如下：

Pi为采煤塌陷地污染物i的环境质量指数；Ci为采煤塌陷地污染物i的实测质量分数（mg/kg）；Si为采煤塌陷地污染物i的评价标准（mg/kg），一般取二类标准（pH：6.5～7.5）[6-7]。

经计算，可以得出各样点单因子污染指数表，如表4所示。

表4　各采样点单因子污染指数

根据国家土壤环境质量等级划分标准，采样点土壤环境等级划分如表5所示。

表5　土壤环境质量等级划分

通过表4与表5的对比，可得出每个区域的环境质量等级，如表6所示。

表6　采煤塌陷地各区域重金属污染指数

由表6可知，由单一元素分析获知，金属Cd在不同区域的污染程度均较高，污染指数明显超标，风险评价为重度污染，但金属Mn、Fe、Cu、Ni和Zn的污染程度均较低，风险评价均为清洁。所以，金属Cd在不同区域内的检测效率以及精确度均需要提高，以此来随时确定其含量变化程度与范围。最短时间内将表面污染物迁移，同时提出和实施更多的治理与修复措施。

尽管金属Mn、Cu、Fe、Ni和Zn污染程度较低，污染指数较小，这些重金属的总量在该区域较高，重金属污染也同样存在，所以在发展以及利用土地的过程中，也应该适度监测和控制这些重金属的含量，防止污染物扩散，使得污染指数升高。

3.2重金属污染潜在生态风险指数法

1980年瑞典科学家HAKANSON提出“潜在生态风险指数法”，它是评价重金属潜在生态风险的一种快捷的方法，能够综合考虑多种重金属元素的叠加作用与协同作用，考虑污染物浓度、毒性效应对环境生态敏感性等方面的因素[8]。其计算公式如下：

潜在生态风险指数法分级标准如表7所示：

表7　潜在生态风险指数法分级标准

重金属元素Cu、Fe、Cd、Ni、Zn和Mn的毒性系数分别为5，2，30，5，1和5，潜在生态风险程度评价结果如表8所示。

由表8可知，采煤塌陷地重金属污染有一定的潜在生态风险，隶属于D级，是一类危害程度极强的级别。按照潜在生态危害程度，各重金属元素的排序为：Cd危险程度最高，Mn危险程度其次，Cu危险程度较高，Ni危险程度居中，Fe危险浓度较低，Zn危险程度最低。

表8　各采样点重金属潜在生态风险评价

由单一元素分析获知：潜在生态危害重金属为Cd，在12个采样点中Cd的潜在生态风险级别均表现为较高的D级水平，是一类生态危害物质。除Cd以外的重金属元素潜在生态危害程度较轻，且均隶属于A级，是一些轻微危害程度的金属元素。

由多种元素分析获知：每个采样点中Cd的潜在生态危害都为D级，危害程度极强，采煤塌陷地全区对重金属污染的重视程度均应提高。对各重金属的治理与修复措施应该积极提出和实施。

4　结论

（1）由试验数据分析可知，采煤塌陷地Cu、Ni、Cd、Mn、Fe、Zn重金属含量最大值，均超出国家环境质量二级标准范围，其中Mn最大含量是其二级标准的6.07倍，Fe最大含量是其二级标准的1.46倍。

（2）借助水利动力学的作用以及重金属含量浮动程度分析可知，Mn和Cd含量浮动程度最大，可知金属Cd和Mn的传播距离较远，迁移范围较广，它的潜在生态危害性是极大的。

（3）由试验获得结论得出，高浓度污染场地分布区域主要包含S2、S3以及S10所代表区域，且重金属Fe、Mn、Cd为三区域的主要污染物。

（4）经测定采煤塌陷地重金属污染潜在生态风险等级为D级，按照生态危害风险程度排序，认为Cd元素生态危害程度最高。

（5）重金属污染具有长期存在性和富集性等特征，在未来的研究中，针对重金属污染场地重金属含量变化的检测与分析的重视程度应该提高，以确保对重金属污染控制的及时性与准确性，此外对采煤塌陷地风险评价研究应确保周期性和准确性。

参考文献

[1]郭平，谢忠雷，李军，等.长春市土壤重金属污染特征及其潜在生态风险评价[J].地理科学，2005，25（1）：108-112.

[2]刘喜坤，梁峙，肖扬，等.曝气生物滤柱处理生活污水工艺研究[J].徐州工程学院学报：自然科学版，2015，30（4）：66-70.

[3]孟昭虹，高玉娟.黑龙江生态省土壤重金属分布特征及其生态风险评价[J].安徽农业科学，2008，36（31）：13819-13821，13830.

[4]刘勇，岳玲玲，李晋昌.太原市土壤重金属污染及其潜在生态风险评价[J].环境科学学报，2011，31（6）：1285-1293.

[5]余辉，张文斌，余建平.洪泽湖表层沉积物重金属分布特征及其风险评价[J].环境科学，2011，32（2）：437-444.

[6]赵沁娜，徐启新，杨凯.潜在生态危害指数法在典型污染行业土壤污染评价中的应用[J].华东师范大学学报：自然科学版，2005（1）：111-116.

[7]范拴喜，甘卓亭，李美娟，等.土壤重金属污染评价方法进展[J].中国农学通报，2010，26（17）：310-315.

[8]任改娟，杨立顺，任旭光，等.Visual Modflow在地下水环境影响评价中的应用[J].中国环境管理干部学院学报，2015，25（3）：83-86.

Spatial Distribution and Potential Ecological Risk Analysis on Soil Heavy Metal in Coal Mine Subsidence Area

Liu Xikun1, Zhuang Xu2, Liang Zhi2*, Ma Jie3, Sun Xiaohu1

（1. Water Affairs Bureau of Xuzhou, Xuzhou Jiangsu 221018, China; 2. College of Environment Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou Jiangsu 221018, China; 3. China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221008, China）

Abstract：The investigative work was carried out on studying the contents and the potential ecological impact of soil heavy metals in coal mine subsidence area of Xuzhou, Jiangsu province. In the research, 12 soil samples were collected from the research area for testing the contents of 6 heavy metals, i.e. Mn, Cu, Ni, Fe, Cd, Zn and subsequently conducted an evaluation on the heavy metal contamination through single factor index method. Statistics indicated that the contaminationbook=59,ebook=64of overall coal mine subsidence lands in Xuzhou was light and potential ecological risk was moderate, i.e. D level. The order of pollution degree among these metals was Mn>Fe>Zn>Cd>Cu> Ni and the order of potential ecological risk was Cd>Mn>Cu>Ni>Fe>Zn, which means Cd has a significant impact on the environment. In general, the potential ecological risk level of coal mine subsidence lands in Xuzhou was middle, which was little higher than surrounding farmland and the pollution of the 6 heavy metal mainly derived from mine water discharge.

*通讯作者：梁峙（1961-），男，广东中山人，毕业于中国矿业大学环境工程专业，博士，教授，主要从事水处理教学与研究工作。

作者简介：刘喜坤（1973-），男，安徽涡阳人，毕业于中国矿业大学环境工程专业，博士，教授级高级工程师，硕士生导师，主要从事水处理工程研究。

基金项目：水利部科技推广计划项目《徐州矿井废水综合生态治理示范技术》（TG1517）；江苏水利科技重点项目《徐州矿井水综合生态治理技术及开发利用模式》（2014052）；住建部项目《太阳能驱动一体化反应器处理分散型农村污水模块化研究》（2015-K6-018）；江苏省住建厅项目《农村生活垃圾高效处理技术研究》（2015JH07）；徐州市计划项目《典型企业周边土壤铅锌污染修复关键技术及综合治理示范》（KC15SM032）

收稿日期：2016-03-03

中图分类号：X825

文献标识码：A

文章编号：1008-813X（2016）02-0058-06