煤矿不同功能区农田土壤重金属污染分布特征及生态风险评价

高 杨, 许东升, 李 琦, 袁新田

(宿州学院 环境与测绘工程学院, 安徽 宿州 234000)

煤炭资源的大规模开发利用,在提供丰富能源资源的同时,也造成了一系列如环境污染、生态破坏、地表沉陷等不良后果[1-3].煤炭资源开发引起的矿区土壤重金属污染受到国内外学者越来越多的关注[4-6].煤矿区土壤重金属污染主要来源于矿业活动产生的大量固体废物,在堆放和填埋矿业固体废物的过程中,由于风力、沉降及淋溶等作用,重金属迁移到矿区及周边的土壤中富集,煤矿区周边农田土壤质量直接关系到各种农产品的食品安全,煤矿区生产对周边农田土壤的污染尤为受到重视.煤矿区农田土壤重金属污染研究已从重金属污染特征、来源和途径等多方面开展[7-9],更多研究集中在煤矿区农田土壤重金属空间分布特征及评价分析,此类研究主要是通过不同的采样布点方式来分析煤矿区农田土壤重金属的空间分布特征,其主要包括两种方式:一是以矿区为中心进行等距布点[10-12]、蛇形采样布点[13-14]或随机布点[15];二是选择煤矿区内的煤矸石堆[16-17]、塌陷区[18-19]等特殊功能区域为中心进行周边布点.但针对煤矿区内不同功能区周围农田进行土壤重金属空间比较分析的研究较少.

该研究以安徽省宿州市朱仙庄煤矿区为研究区,通过对矿区不同功能区的农田土壤进行采样测定,分析了矿区农田土壤重金属的空间分布特征,并利用综合污染指数法和潜在生态风险评价法对不同功能区农田土壤重金属污染状况进行评价,为矿区农田土壤重金属污染的防治和修复提供科学参考和依据.

1 研究区概况

宿州市地处安徽省北部,位于东经116°9′～118°10′、北纬33°18′～34°38′之间,现辖砀山县、萧县、灵璧县、泗县、埇桥区四县一区,总面积9 786 km2,农业用地面积7 695 km2.宿州市地下煤炭资源储量大,已经探明的资源储存量为26.8×108t,煤炭储存面积占宿州的20%.朱仙庄煤矿位于宿州市城区东郊的朱仙庄镇,距市区约10 km,303省道东西穿境而过,宿褚公路纵贯南北,交通便利,区位优势明显,全镇总面积148 km2,耕地面积114 km2,除朱仙庄煤矿外,镇内还建设有宿东煤矸石发电厂.朱仙庄煤矿是淮北煤矿区的重要组成部分,同时也是国家大型统配煤矿,1983年建成投产,设计年生产能力120×104t.

2 材料与方法

2.1 样品的采集

样品采集区主要分布在朱仙庄煤矿区附近的农田,根据矿区中不同的功能部门单元划分,选择了5类区域进行采样,分别为砖窑厂附近、塌陷塘附近、外围农田(距煤矿厂区约400 m)、矸石堆积场附近、出煤口周围农田土壤,采样时间为2016年10月份.在选择的每类区域内设置10个采样点,每个采样点采取梅花布点法,使用不锈钢铲采集表层土壤(0～20 cm),采集5处土样混合均匀,作为该样点的代表样品,每个代表样品重约500 g,同时使用手持GPS对样品采集的经纬度坐标进行记录.

2.2 样品实验测试

用自封袋封装采集的土壤样品带回实验室后,在通风避光的环境条件下自然风干1～2周,剔除杂物及石块后,经玛瑙碾磨充分碾细,并过100目土壤筛.过筛后的土样分成2份,其中1份称取4.0 g样品,经30 t压力机压片成型,使用X-RF荧光光谱仪(Explorer 9000SDD,Innov-X System)对样品中Cr、Cu、Zn、As和Pb的含量进行测定,另一份土壤样品用HCl、HNO3、HF、HClO44酸消解,使用石墨炉原子吸收分光光度法(TAS-990FG,普析通用,北京)进行Cd含量测定.利用国家标准样品(GBW07307)在样品测试过程中进行校准,以保证测试相对标准偏差(RSD)在10%以内.

2.3 评价方法

(1) 综合污染指数法.综合污染指数法[20]是在计算单项因子污染指数的基础上,综合计算评估土壤中各污染物的整体污染水平,同时凸显了污染最严重的单项因子给环境带来的影响,计算公式为

式中:Pi和P综分别表示单项因子污染指数和综合污染指数;Ci和Si分别表示第i种重金属元素的实测值和环境背景值;Pmax和Pavg分别表示各单项因子污染指数的最大值和平均值.土壤重金属污染等级划分标准[21]如表1所示.

表1 土壤重金属污染指数分级标准Table 1 Soil grading standard for heavy metal pollution index

(2) 潜在生态风险评价法.潜在生态风险评价法[22]是由Hakanson提出的用于评价土壤或沉积物重金属污染危害程度的方法,该方法在进行评价分级时不仅考虑到消除环境背景差异带来的影响,还考虑了不同重金属在环境中迁移转化特点和毒性水平,评价指标包含了反映单一重金属元素的潜在生态风险系数和评估综合污染状况的潜在生态风险指数,计算公式如下:

式中,Eri表示第i种重金属的潜在生态风险系数,RI表示潜在生态风险指数,Ci和Si仍分别表示第i种重金属元素的实测值和环境背景值,Tri分别表示第i种重金属元素的毒性响应系数,根据潜在生态风险评价法中已制定的标准化毒性响应系数,Cr、Cu、Zn、As、Pb和Cd的毒性响应系数分别为2、5、1、10、5和30,生态风险等级[23-24]如表2所示.

表2 潜在生态风险等级划分

3 结果与分析

3.1 农田土壤重金属含量分析

研究区农田土壤重金属质量分数如表3所示,可知朱仙庄煤矿区农田土壤重金属Cr、Cu、Zn、As、Pb和Cd的质量分数范围分别是45～89、10～37、34～99、7～22、16～39和0.233～0.707 mg·kg-1,平均质量分数分别为66.12、16.08、58.42、12.48、23.04和0.373 mg·kg-1,与安徽省土壤重金属质量分数背景值[25]比较,除As和Cd外的其他4种重金属含量的平均值均低于安徽省土壤重金属质量分数背景值,但各种元素都存在部分样点的含量值明显高于土壤背景值.从重金属的变异系数分析,Cr、Zn、As、Pb和Cd5种重金属的变异系数在10%～30%之间,属中等强度变异,Cu的变异系数最大,为30.36%,为超过30%的强变异,说明矿区农田土壤重金属分布都一定程度上受到非自然因素的干扰.

表3 煤矿区农田土壤重金属指标Table 3 Heavy metal contents in agricultural soil around coal mining area

3.2 不同功能区农田土壤重金属含量对比及来源分析

煤矿不同功能区农田土壤重金属质量分数如图1所示,图中A～F区域分别代表砖窑厂附近、塌陷塘附近、外围农田、矸石堆积场附近、出煤口周围农田和安徽省环境背景,可知不同区域农田土壤重金属质量分数差异明显.Cr最高质量分数出现在砖窑厂附近,为69.6 mg·kg-1,超过安徽省土壤重金属质量分数背景值,塌陷塘附近和外围农田土壤Cr质量分数较低,分别为63.5和62.9

图1 煤矿不同功能区农田土壤重金属含量Fig.1 Heavy metal contents in agricultural soil around different functional areas of coal mine

mg·kg-1;Cu在各区的含量都低于安徽省土壤重金属质量分数背景值,但在塌陷塘附近、砖窑厂附近和矸石堆积场附近,其质量分数明显高于出煤口周围和外围农田;Zn在矸石堆积场附近、塌陷塘附近和砖窑厂附近的质量分数高于安徽省土壤重金属质量分数背景值,分别为63.1、62.4、62.2 mg·kg-1,在外围农田质量分数明显偏低,仅为48.4 mg·kg-1;As和Cd在各区的质量分数都高于安徽省土壤重金属质量分数背景值,且都是外围农田质量分数最低,最大值分别出现在矸石堆积场附近和塌陷塘附近农田,分别为14.3和0.459 mg·kg-1;Pb在外围农田和出煤口周围质量分数较低,分别为20.2和21 mg·kg-1,在其他3个区域的质量分数较高,在24～25 mg·kg-1之间,但都低于安徽省土壤重金属质量分数背景值.

从不同功能区农田土壤重金属含量的差异分析可以看出,外围农田中不同重金属质量分数相对于煤矿区内部各类区域附近农用都是最低的,说明矿区内农田土壤重金属质量分数受矿区内生产活动的影响显著.砖窑厂、矸石堆积场和塌陷塘附近的农田重金属质量分数整体明显偏高于出煤口周围及外围农田重金属质量分数.从区域特征分析,砖窑厂作为工业生产区,和矸石堆积场共同的特征是长期大量堆放矿物材料,通过风力作用的搬运或降水的淋溶作用带来的重金属转移汇聚[26],会直接或间接导致附近农田重金属质量分数的增加,塌陷塘一般是矿区地势较低的区域,矿区内无论是矿物材料还是生产生活垃圾的堆放都会使某些重金属元素在地表产流的过程中迁移到地势较低的区域,导致塌陷塘附近农田重金属质量分数增加,特别是煤矸石中重金属元素通过淋溶过程带来周边土壤重金属富集已在相关研究[27-28]中得到印证.出煤口周围农田除Cr的质量分数较高外,其他重金属元素都明显低于砖窑厂、矸石堆积场和塌陷塘附近农田处重金属质量分数,但又略高于外围农田处.出煤口附近并不作为矿物堆积场所,土壤受外来物质淋溶侵入作用弱,但其处于矿区中心位置,受风力作用和大气沉降作用带来的矿物粉尘对农田土壤有一定影响,由此推断煤矿区农田土壤中Cr的富集主要来源于风力作用及大气沉降带来的矿物粉尘,其他重金属的富集主要依靠降水淋溶作用.

3.3 综合污染指数评价

根据重金属实测值与安徽省背景值的对比计算得到煤矿区重金属污染指数如表4所示,从单项污染指数看,Cu和Pb在各区的污染指数都小于1,等级为警戒级以下的无污染.As在各区的污染指数都处在轻污染等级.Cd的单项污染指数在各类重金属元素中最高,在各区的污染指数都超过了3,处于重污染等级.Cr和Zn的重金属污染指数等级在各区表现有一定差异,在砖窑厂附近和矸石堆积场附近农田土壤中Cr的污染指数大于1,表现为轻污染,其他各区处在警戒级.Zn在出煤口周围和外围农田的土壤污染指数小于1,其他三区处在轻污染等级.从综合污染指数看,各区农田土壤重金属的污染指数分别为:塌陷塘附近P综(3.556)>矸石堆积场附近P综(3.167)>砖窑厂附近P综(2.801)>出煤口周围P综(2.550)>外围农田P综(2.503),其中塌陷塘附近和矸石堆积场附近农田土壤重金属污染等级表现为重污染,砖窑厂附近、出煤口周围和外围农田的土壤重金属污染为中污染等级.

表4 煤矿区农田土壤重金属污染指数Table 4 Heavy metal pollution index in agricultural soil around coal mining area

3.4 潜在风险评价

根据潜在风险评价方法对煤矿不同功能区的重金属生态风险指数进行分析,计算结果如表5所示.Cr、Cu、Zn、As和Pb的潜在生态风险指数在各区都小于40,其中As的潜在生态风险指数略高,但都属轻微生态危害水平,Cd的潜在生态风险指数表现最高,在各区都超过了80,最高值出现在塌陷塘附近,达141.96,属较高生态风险等级.由于Cd的生态风险指数较高,其在各区的系数差异很大程度上也决定了潜在风险指数RI的空间分布,RI值在各功能区农田大小依次为:塌陷塘附近RI(170.70)>矸石堆积场附近RI(154.38)>砖窑厂附近RI(136.58)>出煤口周围RI(124.79)>外围农田RI(121.33),其与综合污染指数评价的顺序关系一致,其中塌陷塘附近和矸石堆积场附近农田土壤的RI值超过150,属于中等潜在生态风险,其他3区RI值小于150,表现为低潜在生态风险.

表5 煤矿区农田土壤重金属生态风险指数Table 5 Ecological risk index of heavy metal in agricultural soil around coal mining area

4 结 论

(1) 朱仙庄煤矿区农田土壤中重金属Cr、Cu、Zn、Pb的平均质量分数均低于安徽省土壤重金属质量分数背景值,As和Cd的平均质量分数高于其背景值;变异系数显示各类重金属元素属处于中等强度至强变异,说明矿区农田土壤重金属分布都在一定程度上受到非自然因素的干扰.

(2) 煤矿不同功能区农田土壤中重金属质量分数差异明显,外围农田重金属质量分数明显偏低,砖窑厂、矸石堆积场和塌陷塘附近的农田重金属质量分数整体明显偏高,说明矿区内农田土壤重金属质量分数受矿区内生产活动的影响显著,砖窑厂、矸石堆积场作为矿物材料堆放场所,塌陷塘附近地势较低,重金属通过降水淋溶和风力搬运作用富集明显.

(3) 对煤矿不同功能区的综合污染指数评价与潜在生态风险评价结果基本相一致,塌陷塘附近和矸石堆积场附近农田土壤重金属污染等级和生态风险等级表现为重污染和中等潜在生态风险,砖窑厂附近、出煤口周围和外围农田的土壤重金属污染处于中污染和低潜在生态风险等级.

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