神木北部矿区不同土壤类型下重金属污染特征与评价

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(西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054)

神木北部矿区不同土壤类型下重金属污染特征与评价

杜华栋，王晓晨，刘玉青，韩英，丁一，李鹏

(西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054)

通过测量神木北部矿区及其毗邻地区2种土壤类型(风沙区和黄土区)下8种重金属(As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni)元素含量，评价矿区整体土壤重金属污染情况。结果表明：研究区2种土壤条件下除Pb和Cd外，其他6种重金属含量较毗邻未开采区具有显著增加，但8种土壤重金属含量均没有超过国家土壤环境质量二级标准；风沙区土壤污染程度较黄土区大；重金属元素污染分担率表现为Hg >Zn>As>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd；Hg、Zn和Cr 3种元素在两种土壤类型中均为重度污染，As、Cu和Ni属于中轻度污染，Cd和Pb属清洁安全类。

神木北部矿区；煤炭开采；土壤重金属污染；风险评价

煤炭资源的开采为经济发展提供各种材料，但同时也引发了一系列的生态环境问题，如矿区地质灾害、土地资源侵占、大气环境污染、水环境污染、生态系统退化、生态景观损坏、土壤质量下降等[1～2]。而土壤环境是环境的重要组成之一，承载着约90%的环境污染物质[3]，其中以重金属污染和危害最为严重，越来越受到社会各界的广泛关注。煤矿区周围土壤的重金属污染物一方面来自采煤、运煤和存储过程中产生的废水、废渣以煤矸石的堆积导致重金属的迁移汇集；二是因为煤炭开采引起生态环境破坏，水土流失量增加，风力和水力作用下煤矿粉尘在煤矿周围土壤运移，再通过淋溶渗滤进入到土壤中[4～6]。而这两种效应在处于水蚀风蚀交错带的榆神府矿区更加明显。

目前国内外学者对矿区的重金属累积、毒性机理及生态风险评价等进行了大量的研究，但大多集中于煤炭开采、矸石堆积及运输路线部位，相对而言煤炭开采对整个矿区背景下土壤重金属累积状况研究较为薄弱，同时处于风蚀水蚀交错地带的神木北部矿区土壤类型多样，这将直接影响到矿区重金属污染风险评价的客观性和准确性。因此本文以神木北部矿区2种主要土壤类型下的重金属污染特征为例，并对其不同土壤类型下的不同重金属元素的累积分担率和污染指数进行分析，旨在为矿区土壤资源的污染风险评价和可持续发展利用提供参考。

1 研究地区和方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市神木县北部，该区属于北方温带半干旱大陆性季风气候；多年平均气温8.9℃；降水量422.70 mm；相对湿度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；年大风天数4～87 d，属于风蚀水蚀过渡地带。

研究区拥有井田面积189.9 km2，煤炭地质储量23.2亿 t。煤炭开采方式主要采用综合机械化长臂式开采工艺，综采工作面长200～400 m，工作面间留有20～30 m宽的护巷煤柱。随着煤炭的大量开采，煤层上覆岩层发生冒落、产生裂隙和弯曲等不同程度的采动地质损害。

1.2 样品采集与处理

研究区土壤类型主要以黄土和风沙土为主，因此针对研究区不同土壤类型分风沙区和黄土区分别进行调查取样，采集0～30 cm土壤表层样品。每个样区20个样地重复，每个样地选择3个样点取样。同时采集与研究区毗邻但并未进行煤炭开采的区域作为对照，共20点。将采集的样品在室温下自然风干[7]，除杂碾碎用尼龙网过筛待测。测试的重金属元素有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计测定； Hg、As含量利用原子荧光法测定[8]。

1.3 评价方法

由于神木北部矿区仍有农牧业生产活动，因此采用“为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值”的国家土壤环境质量标准二级标准中pH>7.5类为评价依据(GB15618-1995)(研究区土壤pH范围为7.5～8.5)，对研究区两种不同土壤类型的8种重金属元素Hg、Pb、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Ni采用单项污染指数、累积污染指数、综合累积污染指数、累积分担率和综合污染指数(见表1)进行分析评价。

表1 土壤重金属元素综合污染指数

土壤单项污染指数计算公式：

Pi=Ci/C0

(1)

Pz=∑Pi

(2)

土壤累积污染指数计算公式：

P1i=Ci/Cib

(3)

P1z=∑P1i

(4)

土壤重金属累积分担率计算公式：

(5)

土壤综合污染评价模型——N.L.Nemerow指数法。计算公式：

(6)

式中：Pi：为第i 种重金属的单项污染指数；Ci为第i 种重金属的实测值，mg/kg；C0为该种重金属的评价标准，mg/kg; P1i为第i 种重金属的累积污染指数；Cib为该种重金属的毗邻区比较值，mg/kg；P1z为综合累积污染指数；η为第i种重金属的污染累积分担率；P1i为第i种重金属的累积污染指数，mg/kg；Pn为综合污染指数；n：样品个数；Pimax为所有重金属单项污染指数中的最大值。

1.4 数据处理

重金属测定结果数据采用SPSS20.0软件对数据进行统计检验，剔除异常值，结果用平均值±标准偏差(SD)表示；用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同地貌条件下土壤重金属含量和污染指数的差异显著性，差异显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型下土壤重金属含量污染变化特征

表2列出神木北部矿区2种土壤类型和毗邻区域各种重金属元素的综合富集情况，同时列出了国家土壤环境质量二级标准(pH>7.5)。由表2可得，研究区土壤样品所有测定重金属均没有超过国家土壤环境质量二级标准。采煤的风沙区和黄土区8种土壤重金属含量较毗邻未开采区具有显著增加(P>0.05)，其中风沙区Hg相对于毗邻地区土壤背景值提高了1100%；Zn、As、Cu含量分别显著增加了88%、82%、58%；Pb、Cr、Ni变化增加不明显(P<0.05)，而Cd低于毗邻区土壤背景值，说明研究区周围土壤基本没有受到以上几种重金属污染；在黄土区Hg相对土壤背景值显著上升了600%，Zn、As、Cu、Cr、Ni含量分别上升了69%、46%、44%、30%、18%, Cd、Pb变化不明显；Hg元素在风沙区含量较大，但除Hg元素外其他测试重金属含量在风沙区和黄土区并无显著性差异(P<0.05)。

由表3知风沙地As(0.2)的单项污染指数最高，黄土区Ni(0.17)的单项污染指数最高。结合表1可以得出，两种土壤类型的重金属元素单项污染指数均小于0.7，说明研究区2种土壤环境下8种土壤重金属污染水平均处于清洁状态，不对农作物和人体健康造成危害。

由不同土壤类型下土壤重金属累积污染指数可以看出(见表4)，结合表1可以得出，风沙区和黄土区Hg元素的平均综合污染指数最高，为重度污染；Zn、As、Cu、Cr、Ni在两种土壤类型的累积污染指数均值有相同的变化趋势，表现为轻度污染；Pb为尚清洁；Cd为清洁。同时风沙区的综合累积污染指数为22.21，黄土区综合累积污染指数为16.51，说明风沙区土壤污染程度较黄土区大。

表2 不同土壤类型下土壤重金属元素含量 mg/kg

注：不同小写字母表示不同土壤类型下差异显著(0.05水平). 下同, The same below.

表3 不同土壤类型下土壤重金属单项污染指数

表4 不同土壤类型下土壤重金属累积污染指数平均值

图1 不同土壤类型下土壤中重金属累积分担率

2.2 不同土壤类型下重金属累积分担率特征

图1显示风沙区和黄土区8种土壤重金属累分担率，两种土壤类型下重金属元素的分担率均表现为Hg >Zn>As>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd；除Hg外，黄土区的其他7种重金属累积分担率均比风沙滩地大。两种土壤类型下Hg元素的累积分担率为其他元素的7～8倍，说明Hg元素本身累积程度较大，且在风沙区累计程度更高。

2.3 不同土壤类型下重金属综合污染评价

根据土壤综合污染评价模型和国家土壤污染二级标准，神木北部矿区土壤重金属综合污染评价均为Ⅱ级，土壤清洁(安全)。但在毗邻区土壤重金属背景值基础上进行土壤重金属综合污染评价，结果表明研究区Hg、Zn、Cr元素在两种土壤类型中均为重度污染；Ni在两种土壤类型中均为轻度污染；Cd、 Pb在两种土壤类型中均清洁(安全)。As在黄土区为轻度污染，而在风沙区为中度污染；与之相反Cu在风沙区表现为轻度污染，在黄土区为中度污染；Zn在黄土区为重度污染，在风沙区为中度污染(见表5)。

表5 不同土壤类型下土壤8种重金属综合污染指数评价等级

3 结语

(1)不同土壤类型下重金属污染特征分析。相对于与研究区毗邻未进行煤炭资源开发的区域，黄土区和风沙区土壤Hg、Zn、As、Cu、Cr、Ni重金属元素均呈现出不同程度的累积，其中Hg、Zn的累积情况最为明显，达到了重度污染。姚多喜[9]等研究表明表面煤中含有大量的微量元素、矿物、单质、螯合物等。而在煤炭资源开发、运输、矸石堆积等活动中，这些污染物必然向周围土壤转移汇聚，同时研究区处于我国风蚀水蚀交错地带，水蚀作用导致煤炭表面重金属产生溶淋，风蚀作用可使重金属污染物以粉尘形式迁移，从而造成重金属元素的在研究区不同土壤类型下的累积状况。Hg元素是煤转化过程中的主要污染物之一[10]，研究区重金属污染过程中Hg累积效应最为明显，因为Hg元素蒸汽压较低且具有高毒性，主要以大气 Hg 的形式扩散，在风蚀水蚀交错区的神木北部煤矿开采过程中极易产生易散性降尘而迁移转化[11]。且研究发现风沙区Hg的积累量大于黄土区，这一现象可能是风沙区土壤砂粒(0.05～1 mm)组分较多引起的，研究表明土壤质地越轻，土壤中元素淋溶程度越高，同时质地较轻的土壤胶体吸附性能力弱，因此黄土区土壤重金属元素较低[12]。不同土壤类型条件下8种土壤重金属元素均未超过国家土壤环境质量二级标准[13]，此结果与徐友宁等[14]研究的结果一致，且从单向污染指数分析各种重金属的Pi<0.7说明研究区土壤虽然已经表现出一定程度的累积，但依照国家标准尚处于清洁状态。但研究区土壤相对毗邻区域重金属元素在土壤表层累积量大大增加，这种累积必然导致地上生物对重金属的吸收量增加，引起生物代谢失调、生长发育受阻或遗传变异，并通过食物链威胁人类的健康与安全[15]。

(2)不同土壤类型下重金属综合污染评价。在两种土壤类型中，Hg、Zn、As重金属累积分担率较大，这与刘玥等[16]研究基本一致。由于Hg在土壤中极不容易分解转化，很容易累积在土壤中，累积污染程度很严重，综合污染指数为重度污染，因此Hg的潜在生态危害系数远远大于其它元素。Cr、Zn重金属污染是由于其在煤矿石中溶出率较大，因此污染迁移转化能力较强[17]，极易进入生态系统造成严重破坏，两种元素在神木北部矿区亦属于重度污染元素。而Cu、Cr、Ni、Cd元素的化学形态较稳定，不易被分解所以分担率占比要小[18]，因此这几种重金属污染属中轻度。与以往研究表明矿区Cd的污染程度均较高的结果不同[4,14,16]。此原因是由于Cd化学形态稳定不易在外力作用下迁移，前人研究采样位点基本处于煤矿开采和矸石堆积区使得Cd的污染程度均较高，而本研究采样地点为整个矿区土壤环境，因而迁移率小的Cd污染分担率小。虽然研究区不同土壤类型条件下8种土壤重金属元素均未超过国家土壤环境质量二级标准[13]，但与毗邻区相比，神木北部矿区2种土壤类型下8种土壤重金属除溶出率较小的Pb、Cd外，其他测试重金属元素均有显著升高，而这些重金属元素毒性强，对土壤环境危害大，因而对研究区动植物及生态系统潜在生态危害程度增加，因此神木北部矿区需要采取局部措施防止重金属元素向矿区周边土壤扩散。

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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

西安科技大学博士启动金资助项目(2014QDJ019)；2016年大学生创新创业训练计划(201610704060)；

陕西省教育厅科学研究基金项目(14JK1481)资助

杜华栋(1982-)，男，陕西华县人，讲师，博士，主要从事矿山环境修复和植被水土保持机理方面研究工作。