永城某煤矿区周围土壤重金属污染评价

张壮+王利君+任梦洋+赵婉婷+闫明涛+张成丽

摘要：为了解永城煤矿区周围土壤重金属污染状况，于2016年6月14日布点采集永城某矿区周围土壤，进行分析评价矿区周围土壤重金属污染特征。以河南省土壤背景值为标准，利用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法和地累计指数法进行评价污染特征。结果表明，土壤中Cr、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等重金属的平均含量分别为64.47、 7.49、27.46、25.45、93.20、0.33和21.19 mg·kg-1，分别是背景值的1.16、1.20、1.12、1.27、1.27、1.65和1.22倍，表明矿区周围土壤大多数重金属出现不同程度的积累；单因子指数法评价土壤各重金属污染状况，Cd、Pb、Cr、Ni、As五种元素处于轻度污染水平，Cu、Zn处于清洁水平；利用内梅罗综合污染指数评价该矿区重金属污染综合状况，处于中污染风险；地累计指数法评价，Cr的3.70 %样点数处于轻污染水平，As的25.93 %样点数处于轻污染水平，重金属Ni和Zn的7.41 %样点数处于轻污染水平，重金属Cu、Pb、Cd的3.70 %样点数处于偏中污染水平，其余其余样点无污染。

关键词：煤矿区周围土壤；重金属；污染特征；评价

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0047-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.021

Abstract： In order to understand the soil heavy metal pollution in the surrounding area of Yongcheng Coal Mine， the soil around the mining area of ??Yongcheng was collected on June 14， 2016， and the characteristics of heavy metal pollution in the surrounding area were analyzed and evaluated. Based on the soil background value of Henan Province， the single factor index method， the Nemero comprehensive pollution index method and the cumulative index method were used to evaluate the pollution characteristics. The results showed that the average contents of heavy metals such as Cr， As， Ni， Cu， Zn， Cd and Pb in soil were 64.47， 7.49， 27.46， 25.45， 933.20， 0.33 and 21.19 mgkg-1， respectively， which were 1.16，1.20 ， 1.12， 1.27， 1.27， 1.65 and 1.22 times， which indicated that most of the heavy metals in the soil around the mining area had different degrees of accumulation. The single factor index method was used to evaluate the soil heavy metal pollution， Cd， Pb， Cr， Ni and As The concentration of Cu and Zn was at the clean level. The comprehensive pollution index was used to evaluate the comprehensive situation of heavy metal pollution in the mining area， and the risk of pollution was in the index. The cumulative index method was used to evaluate the level of 3.70% 25.93% of the samples were lightly polluted. The number of samples of heavy metals Ni and Zn was light pollution level. The number of heavy metals Cu， Pb and Cd was 3.70%. The remaining samples were polluted.

Key words： coal area around the soil； heavy metal； pollution characteristics； evaluation

采矿业在很大程度上能够促进当地经济水平的发展，但也会引发一定的环境污染问题。煤和煤矸石中的重金属可以通过淋溶、渗透、迁移等多种方式进入土壤，污染矿区周边的土壤。重金属在土壤中难迁移降解、易积累、毒性大，直接影响农业生产，进而危害人体健康[1]。煤矿区土壤中的重金属污染问题已经引起了国内外学者的高度关注。

Bhuiyan等[2]通过研究孟加拉国北部受煤矿污染的农耕地中的重金属，发现该地区土壤明显受到Mn、Zn、Pb、Ti重金属的污染。Clark 等[3]对澳大利亚德克矿区地表水中重金属含量进行测定，表明该矿区地表水受到 Cd、Cu、Zn 的严重污染。Bhanup等[4]对印度Jharia煤矿区周边土壤样品研究，发现该区出现明显的Pb、Cd、Cu、Zn和Ni等重金属的富集。吕建树等[5]利用多元统计与地统计分析技术，对日照市土壤重金属来源及环境风险进行了分析评价。戴彬等[6]发现莱芜市钢城区土壤重金属整体处于中度与高度生态风险的临界水平。王丽等[7]对比分析了神府煤田3个煤矿区的周邊土壤，发现土壤重金属含量受到煤矿开采年限、土壤质地、风向等多种因素的影响。董霁红等[8]通过调查徐州矿区周边的区域，发现该区土壤受到Cd的污染严重，且在土壤剖面上存在随深度增加而逐渐含量升高的趋势。

永城市处于河南和安徽两省交界处，该地区的煤矿区是中国六大无烟煤基地之一，兴盛的煤矿采集业在带来经济利益的同时，也可能会带来土壤重金属污染的相关环境问题，此方面还未见有研究报道。本文通过对永城某煤矿区周围土壤进行采样、重金属含量测量分析，并在此基础上进行了单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理

2016年6月14日前往永城某矿区采集样品。利用手持GPS进行定位，采用梅花型布点法在矿区周边进行布点。采集0-20 cm深的土壤，每个样点以5米对角线的五个点进行采集，采用四分法取大概1Kg的土壤，放入干净的聚乙烯塑料袋中，并进行详细编号，本次共采集27个样品。把采集回的土壤样品放在室内自然风干，去除其中的砾石、树根、有机体残渣，用玛瑙研钵进行研磨，过100目尼龙筛，以作备用。

1.2 样品测定

土壤的pH值测定按2.5：1的水土比[9]，采用pH计进行测定。在土壤样品中加10 % H2O2加热使其与有机质充分反应，再加入HCl加热，静置一夜去上清液，加入浓度为0.05 mol/L六偏磷酸钠后超声振荡处理，随后上机测定土壤的粒度。土壤样品的中的有机质采用重铬酸钾容量法进行测量。土壤样品的消解采用手动消解仪，利用HNO3-HF-HCLO4三元酸消解方法进行提取土壤中的重金属元素，采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测定样品中的Cr、As、Ni、Cd、Zn、Cd、Pb等重金属元素的含量。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子指数法

单因子指数法[10]是对土壤中的一种重金属元素的污染程度进行评价，是目前比较常用的一种评价方法，其关系模式为 ： （1）

其中：Pi为土壤重金属元素的污染指数；Ci为土壤重金属元素的实测值； Si为土壤重金属元素的背景值。

评价标准依据河南省土壤重金属背景值（四十年前开封土样），如表1：

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法在不仅考虑了单项元素的污染水平，还考虑到了最大污染指数，能更综合、更科学地反映所评价区域的总体环境质量状况。因此，我们在使用单因子污染指数法的基础上，往往会结合内梅罗综合评价法进行全面、准确的评价。综合污染指数法计算公式如下：

1.3.3 地质累计指数法

地质累积指数（Igeo）通常称为Muller指数[11]，它不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响，而且也充分考虑了人为活动对重金属污染的影响。因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境影响，是判断受重金属污染程度的重要指标。计算公式如下：

其中：Cn为样品中元素n的浓度；Bn为背景浓度；k为修正指数（一般取1.5），通常用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响。

地质累计指数分级见表4。

1.4 数据统计

采用Excel2010和SPSS17.0软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 煤矿区各重金属含量分析

利用ICP-AES进行测量土壤中重金属的含量，以河南省土壤重金属背景值为评价标准，该矿重金属各含量水平见表5。由表5可知，土壤中Cr、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等重金属的平均含量分别为64.47、 7.49、27.46、25.45、93.20、0.33和21.19 mg·kg-1，分別是背景值的1.16、1.20、1.12、1.27、1.27、1.65和1.22倍，表明矿区周围土壤大多数重金属出现不同程度的积累。Cd的超标情况最为严重，超标率高达100%；Pb、Cr次之，超标率分别为85.19%、81.48%；相比较而言，Cu、Zn的超标情况较轻，超标率均为14.81%。

由表5亦知，变异系数Zn>Cu>Pb>Cd>As>Ni>Cr。变异系数大，表明各个样点含量分布差异较大，而变异系数的大小与人类活动有关，变异系数越大，表明受人类活动影响越大。因为Zn、Cu的变异系数均超过0.5，表明其受人类活动的影响较为显著。

2.2 煤矿区重金属污染指数分析

本研究以河南省土壤重金属背景值为评价标准，采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法评价该矿区的重金属污染状况见表6。由表6可知， Cd、Pb、As、Ni、Cr这5种重金属均有不同程度的污染，污染程度为Cd>Pb>As>Cr>Ni。其中以重金属Cd的污染最为严重，P均为1.64，采集的27个样品均出现重金属Cd污染现象，达到中度污染及以上水平的样品有3个，占总样品的11.1%；其次污染较为严重的重金属为Pb，P均为1.22，在所采集的样品中85.2%的样品存在着污染现象；而Cu和Zn的均值均为0.79，属于清洁水平。

采用内梅罗综合污染指数法评价各个样点的综合污染情况，表明各个样点均存在重金属污染现象。其中A8样点的污染程度最大，P综为3.42，处于重度污染水平；另外还有两个样点处于中度污染水平，其余样点均处于轻度污染水平。综合评价该矿区的重金属污染状况，其P综为1.45，表明该矿区属于轻度污染水平。

2.3 煤矿区土壤重金属地累计指数分析

结合公式3，对数据进行处理分析，得到结果见表7。由表7可见，Cr的1个样点轻污染水平，占样点总数的3.70 %，其余样点无污染；As的7个样点处于轻污染水平，占样点总数的25.93 %，其余样点无污染；重金属Ni和Zn都是有2个样点处于轻污染水平，分别占样点总数的7.41 %，其余样点也都是无污染；重金属Cu、Pb、Cd的在同1个样点（A8）处于偏中污染水平，分别占样点总数的3.70 %，其余样点无污染。

总体从结果来看，地累计指数基本与单因子污染指数结果大致一致，但其污染评价等级较单因子污染指数偏低。

3 结论

（1）该煤矿周围土壤中Cr、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等重金属的平均含量分别为64.47、 7.49、27.46、25.45、93.20、0.33和21.19 mg·kg-1，分别是背景值的1.16、1.20、1.12、1.27、1.27、1.65和1.22倍，表明了矿区周围土壤大多数重金属出现不同程度的积累。

（2）单因子指数法评价，Cd、Pb、Cr、Ni、As五种元素处于轻度污染水平，Cu、Zn处于清洁水平；梅罗综合污染指数法评价，处于中污染风险；地累计指数法评价，Cr的3.70 %样点数处于轻污染水平，As的25.93 %样点数处于轻污染水平，重金属Ni和Zn的7.41 %样点数处于轻污染水平，重金属Cu、Pb、Cd的3.70 %样点数处于偏中污染水平，其余样点无污染。

参考文献

[1] 孟雷， 袁新田， 张春丽， 杜尊龙， 许龙， 袁高昂. 朱仙庄和芦岭煤矿土壤重金属污染评价[J]. 井冈山大学学报， 2012， 33（5）： 39-45.

[2] 刘洋， 唐川， 冯毅. 基于 VeQA信息量法的地质灾害危险性评价地球与环境[J]. 地球与环境， 2013， 41（2）： 173-179.

[3] Clark MW， Walsh SR， Smith JV. The distribution of heavy metals in an abandoned mining area： a case study of Strauss Pit， the Drake mining area， Australia： implications for the environmental management of mine sites[J]. Environmental Gelolgy， 2011， 40（6）： 655-663.

[4] Halim MA， Majumder RI， Zaman MN. Paddy soil heavy metal contamination and uptake in rice plants from the adjacent area of Barapukuria coal mine， northwest Bangladesh[J]. Arabian Journal of Geosciences， 2015， 08： 3391-3401.

[5] 吕建树， 张祖陆， 刘洋等. 日照市土壤重金属来源解析及环境风险评价[J]. 地理學报， 2012， 67（7） ： 971-984.

[6]戴彬， 吕建树， 战金成等. 山东省典型工业城市土壤重金属来源、空间分布及潜在生态风险评价[J].环境科学， 2015， 36（2）： 507-515.

[7] 王丽， 王力， 和文祥等. 神木煤矿区土壤重金属污染特征研究[J]. 生态环境学报， 2011， 20（8-9）： 1343- 1347.

[8] 董霁红， 卞正富， 王贺封等. 徐州矿区充填复垦场地作物重金属含量研究[J]. 水土保持学报， 2017， 21（5）： 180-182.

[9] 刘春早， 黄益宗， 雷鸣 等. 湘江流域土壤重金属污染及其生态环境风险评价[J]. 环境科学， 2012（1）： 260-265.

[10] 张鹏岩， 秦明周， 陈龙等. 黄河下游滩区开封段土壤重金属分布特征及其潜在风险评价[J]. 环境科学， 2013，34（9）： 3654-3662.

[11] Muller G. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine river[J]. Geological journal， 1969， 2（3）： 108-118.

收稿日期：2017-05-02

基金项目：国家自然科学青年基金项目（41601522）；中国博士后科学基金项目（165913）； 河南大学本科生科研创新计划项目（16NB009）

作者简介：张壮（1993-），本科生，环境科学专业。

通讯联系人：张成丽（1978-），博士，讲师，环境与规划学院，研究方向为土壤重金属污染防治。