煤矿城市表层土壤As和Cd空间分布与污染评价

王长垒 邢雅珍

摘要 以安徽省淮南市为研究对象，共采集99个土壤样品，分析土壤中As、Cd这2种重金属的含量，运用克里金插值法分析其空间分布情况，采用地累积指数法及潜在生态风险指数评价该地区重金属累积程度和生态危害程度，采用PMF5.0分析污染源。结果表明，该地区不同土地利用方式表层土壤中As、Cd超过淮南市土壤背景值的采样点占比分别为非矿区农田（As 0）、矿区农田（As 10.42%）、林地（As 12.50%）、城市土壤（As 15.38%）和城市土壤（Cd 7.69%）、非矿区农田（Cd 10.00%）、矿区农田（Cd 12.77%）、林地（Cd 31.25%）;重金属As和Cd的污染区为凤台县矿区农田（煤矸石堆放点）、八公山林区和上窑林区;重金属地积累指数Igeo数据集中在0以下，属于无污染;As的潜在生态风险指数Eir最大值<40，属于轻微污染。除八公山区的Cd的Eir最大值>80，属于强污染外，其他部分属于轻度污染到中度污染。总的来说，淮南地区土壤重金属富集区域少，并没有因为采煤活动给土壤环境造成重大影响。

关键词 土壤;重金属;空间分布;污染评价

中图分类号 X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）12-0094-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.026

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract Huainan City in Anhui Province was selected as research area，99 soil samples were sampled to analyze the content of heavy metals arsenic and cadmium，their spatial distribution situation were analyzed by Kriging interpolation method，the degree of heavy metals accumulation and ecological hazard in this area were evaluated by the geoaccumulation index and the potential ecological risk index，and the source of pollution was analyzed by PMF 5.0 method.The result showed the percentage respectively of sampling points which arsenic or cadmium content was higher than the background value in Huainan City in surface soil from different landuse option was nonmining area farmland （As 0%），mining area farmland（As 10.42%），wood land （As 12.50%），urban soil（As 15.38%） and urban soil （Cd 7.69%），nonmining area farmland （Cd 10.00%），mining area farmland （Cd 12.77%），wood land （Cd 31.25%）; Fengtai mining area farmland （Coal gangue pile point），Bagongshan wood land and Shangyao wood land were pollution areas polluted by heavy metals arsenic and cadmium; the Igeo index concentrated below 0，which means nonpollution; the maximum Eir value of As<40，which means lightly pollution.Except the maximum Eir value of Cd in Bagongshan area> 80，which belongs to high pollution，all other areas belong to light to medium pollution.In general，the enrichment area of heavy metals in Huainan area was less，the activities of coal mining did not have a significant impact on the soil environment.

Key words Soil;Heavy metals;Spatial distribution;Pollution evaluation

隨着城市化和工业化发展，土壤重金属已引起人们的高度重视。因为重金属的毒性和难降解性，已使其成为世界环境污染问题的重大问题之一[1-4]。重金属会在土壤中随着时间富集，当富集到一定程度时，会对土壤中的动植物造成影响，进而对人体健康产生危害[5-8]。重金属的来源分为自然来源和人为活动。自然来源主要是由于成土母质的影响，人为来源包含农业、工业、交通和采矿等人为活动[9-10]。

淮南作为一个典型的煤炭资源型城市，煤炭工业尤其是煤炭采选业占据重要地位[11]，近100年来的采煤活动不仅带来了经济效益，也对环境产生了重大影响。如煤炭开采时的堆放、运输和副产品的处理，以及采煤后形成的塌陷区和煤矸石充填复垦区，都对环境造成破坏[12]。因此，有大量的研究人员对淮南煤矸石堆放区和煤矸石充填复垦区周边小范围环境进行了研究和调查。如李洪伟等[13]研究发现新集煤矸石堆放矿区5～500 m表层土壤重金属Co、Cr、Cu、Pb、Zn均未超过土壤环境质量标准国家二级标准;郑永红等[14]发现潘一矿复垦区采样点范围不超过2 000 m，Cu、Ni、Pb、Cd 和 Hg 这 5 种重金属元素含量均高于淮南市土壤背景值，并且 Cu、Ni、Pb、Cd、Hg元素达到了轻微污染水平，Cd 元素达到了显著污染水平;卢岚岚等[15]研究表明顾桥煤矸石堆0～1 200 m除Cd外，Zn、Pb、Ni、Cr、Cu均未造成潜在污染。查阅相关文献，前人的研究结果皆表明在煤矿区小范围内存在重金属富集现象，但进行大区域调查时，结果是否与小范围调查结果情况相同目前没有确切答案。对淮南有关煤矿区的试验结果进行整理和总结，结果表明淮南矿区As、Cd超标。针对这一现象，笔者测量淮南地区不同土地利用方式的土壤表层的土壤重金属含量（As、Cd），通过ArcGIS的克里金插值法对重金属（As、Cd）的空间分布进行分析，并用地累积指数法和潜在生态风险指数评价该地区重金属累积程度和生态危害程度，探讨煤矿开采活动是否对土壤重金属As、Cd造成重大影响，为淮南整体区域研究提供有效信息。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

淮南（32°32′45″～33°00′24″N，116°21′21″～117°11′59″E）地处安徽省中部偏北，淮河中游。以淮河为界形成2种不同的地貌类型，淮河以南为丘陵，淮河以北为地势平坦的淮北平原。此外，淮南属于暖温带半湿润季风气候，气候特征显著，年平均气温为15.3 ℃，年平均降水量926 mm。淮南煤炭资源丰富，是典型的煤矿城市。

淮南煤田远景储量444亿t，探明储量180亿t，占安徽省的70%，占华东地区的32%。到2010年底煤炭产量达1亿t左右，是中国13个亿吨煤炭基地之一。自1903年开矿，含有潘集、新集、定远等7大矿区，拥有大、中型矿井不少于40座，是安徽省重要煤电一体化基地和国家煤炭资源开采与利用的重大工程建设区。前人对新庄孜矿、顾桥矿、潘一矿、大通矿这4个矿区研究较多。新庄孜矿位于淮南矿区的东南部，淮河两侧，地形比较平坦，建于1947 年;潘一矿位于淮南矿区的北部，建于1983年;顾桥矿位于淮南矿区的中西部，建于2007年;大通矿煤矿废弃地位于淮南市南部大通区的九龙岗与洞山之间，开采于1911年，闭坑于1978年。

1.2 样品采集与处理

参照《土壤环境监测技术规范》进行网格布点法，采表土0～20 cm，该研究在淮南地区共布设99个采样点，如图1。结合淮南的实际情况，利用ArcGIS对采样点位在电子地图上布点，用手持GPS进行定点采样，实际误差与布点不超过200 m，特殊情况除外（采样点落在淮河中间）。在99个采样点中有16个点位为林地，26个点位为城市用地，48个点位为矿区农田，9个点位为非矿区农田。每个样品采用梅花形采样法采样，混合均匀后用聚氯乙烯塑料袋包装作为样品。自然风干后，将其中的石块、植物残根和杂物剔除干净，用玛瑙研钵研磨，过100目尼龙筛，装袋密封备用。用火焰原子吸光光度法测量Cd和原子荧光光度法测量As。As和Cd的检测线分别为1和0.02  mg/kg。

1.3 数据统计分析

采用SPSS 19.0和Excel对重金属进行统计分析。运用ArcGIS 10.1中的普通克里金插值法进行空间分析。

1.4 评价方法

1.4.1 地积累指数法。地积累指数法多用于对沉积物或土壤中的重金属污染，其公式如下：

Igeo= log2[Ci /（k×Bi）]（1）

式中，Ci为土壤中重金属的实测含量（mg/kg）;k为修正造岩运动引起的背景波动而设定的系数，此处k=1.5;Bi为i元素的地球化学背景值（mg/kg），该研究采用淮南市土壤重金属背景值。根据Igeo把土壤重金属污染程度划分为7个等级，见表1。

1.4.2 潜在生态危害指数法。

潜在生态危害指数法是目前一种较为常用的评价重金属污染程度的评价方法，其计算公式如下：

RI=ni=1Er=ni=1（Ti×Cir）=ni=1（Ti×CisCin） （2）

式中，RI为多种重金属综合潜在生态风险指数;Eir为重金属i的单项潜在风险系数;Ti为采样点重金属i的毒性响应系数，该研究所用的重金属毒性响应系数为As=10、Cd=30;Cir为重金属i的污染指数;Cis为重金属i的实测含量（mg/kg）;Cin为重金属i的参比值，该研究采用了淮南市土壤重金属背景值（ mg/kg）。土壤潜在生态风险指数和生态危害分级如表2。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤重金属含量

根据不同的土地利用方式，将淮南地区土壤分为城市、林地、非矿区农田、矿区农田，对这4种土壤进行描述性统计分析，见表3。城市、林地、非矿区农田、矿区农田的As的算术平均值分别为8.88、10.30、7.91、7.32 mg/kg，4种土壤中的As平均含量皆没有超过淮南市背景值（10.50 mg/kg）[16]。城市、林地、非矿区农田、矿区农田的Cd的算术平均值分别为0.04、0.05、0.04、0.04  mg/kg;这4种土壤的Cd平均含量皆低于淮南土壤重金属背景值。此外，林地的As和Cd的算術平均值高于城市、非矿区农田和矿区农田。城市、林地、非矿区农田、矿区农田的As的最大值分别为背景值的1.79、3.01、0.99、3.76倍，城市、林地、非矿区农田、矿区农田的Cd的最大值分别为背景值的3.17、1.50、1.33、1.33倍。

参考标准偏差和变异系数（CV），城市、林地、非矿区农田、矿区农田的土壤重金属含量变异较大。按照标准，CV<20%为低变异性，21%≤CV≤50%为中等变异性，51%≤CV≤100%为高等变异性，CV>100%为极高变异性。由表3可知，非矿区农田As的CV为18.14%，是低变异性;城市As，林地、非矿区农田和矿区农田Cd的CV分别为31.67%、47.75%、48.42%和39.02%，皆为中等变异性;林地和矿区农田的As，以及城市的Cd的CV分别为71.87%、70.43%和93.35%，属于高等变异性。环境中的高变异性意味着人为来源的干扰。由此推测，除矿区农田和城市外，淮南的林地也受到了人为活动的影响。

2.2 土壤重金属的空间分布 从图2可看出，林地Cd的采样点超过淮南市背景值占比最高，为31.25%，非矿区农田的最低，为0。对重金属As而言，样品超标占比依次为非矿区农田（0）<矿区农田（10.42%）<林地（12.50%）<城市土壤（15.38%）;对重金属Cd而言，样品超超标占比依次为城市（7.69%）<非矿区农田（10.00%）<矿区农田（12.77%）<林地（31.25%）。此外，除城市土壤外，As和Cd的超标占比趋势相同，皆为非矿区农田<矿区农田<林地。根据土壤重金属的平均值、最大值以及超标占比可以推测，淮南大部分地区土壤中重金属受污染程度低，并没有因为采矿等活动对土壤造成严重的重金属污染，这与郑永红等[14]的研究结果有所出入。

2.3 土壤重金属的污染评价

2.3.1 基于地累积指数的土壤重金属污染评价。淮南地区土壤重金属As和Cd的Igeo值如图3。重金属Igeo的中位数As（-1.01）>Cd（-0.40）。根据地累积指数标准，As和Cd绝

大部分都处于无污染状态。As（1.39）和Cd（1.08）最大值采樣点处于中污染。As、Cd的Igeo值集中在上下四分位之间，这些点为有效值，可以代表说明淮南市整体情况。比较城市、林地、非矿区农田、矿区农田，说明淮南地区土壤整体情况良好，并没有因为采矿活动给土壤环境造成重大影响。

2.3.2 基于潜在生态危害指数的土壤重金属污染评价。

对土壤重金属进行空间方面的分析有利于评估潜在的污染源。该试验采用ArcGIS 10.1版本中的普通克里金插值法，制作淮南地区土壤重金属As、Cd的潜在生态指数空间分布如图4。As的Eir最大值<40，属于轻微污染;除八公山区的Cd的Eir最大值>80，属于强污染外，其他部分属于轻度污染到中度污染。其中中度污染地区多集中在煤矿开采区，非煤矿开采区包括上窑林区和八公山地区及其扩散地区。

重金属As和Cd的污染区煤矿开采区和非煤矿开采区皆有，且3处污染区相同，分别为凤台县矿区农田、八公山区和上窑林区。其中As的最严重污染区在凤台县的矿区农田，该采样点落在煤矸石堆放点，矸石山边的农田土壤与煤矸石颗粒物混合。Cd的最严重污染区在八公山林区，该林地采样点的土壤厚度<10 cm，基本上为紫红色泥质页岩和紫红色泥质页岩风化后的土壤。上窑林区采样点的土壤为紫红色泥质页岩风化后的土壤，且周围有生活垃圾的堆放。

凤台县矿区农田的重金属As、Cd含量超过淮南市土壤背景。该采样点西、东的采样点比该点的重金属As含量低，重金属含量距离煤矸石山越远，含量越高，与王兴明等[17]表层土壤中Zn、Pb含量在距离矸石山一定距离后达峰值相吻合。非采矿区中超过土壤背景值的地区为八公山区和上窑林地。因为土壤中紫红色泥质页岩，而紫红色泥质页岩的Fe离子含量较高，并且表层土壤化学组成表现出既对深层土壤具有一定的继承性，又在表生作用下发生某些变化[18]。所以八公山区和上窑林区的As、Cd含量高于淮南市土壤重金属背景值。由此推测，除煤矸石堆放点属于人类活动对土壤造成重金属影响外，淮南地区土壤重金属超标来源主要是由于成土母质的风化过程对土壤重金属本底含量的影响。

3 结论

（1）淮南地区城市、林地、非矿区农田、矿区农田这4种土壤中的As平均含量皆没有超过淮南市背景值（10.50 mg/kg），并且这4种土壤中的Cd平均含量也没有超过淮南市背景值（0.06 mg/kg）。As样品超过淮南土壤重金属背景值数量占比依次为非矿区农田<矿区农田<林地<城市土壤，Cd样品超标占比依次为城市<非矿区农田<矿区农田<林地。其中，林地Cd的超标占比最高，为31.25%。

（2）重金属As和Cd的污染区为凤台县矿区农田、八公山区和上窑林区。凤台县矿区农田的重金属As、Cd含量超过淮南市土壤背景可能因为该采样点落在煤矸石堆放点，矸石山边的农田土壤与煤矸石颗粒物混合。八公山区和上窑林区是因为土壤中含有紫红色泥质页岩，从而对重金属吸附造成影响。由此推测，除煤矸石堆放点属于人类活动对土壤造成重金属影响外，淮南地区土壤重金属超标来源主要是由于成土母质的风化过程对土壤重金属本底含量的影响。

（3）重金属Igeo的中位数As>Cd，数据集中在0以下，说明淮南地区土壤整体情况良好，并没有因为采矿等人类活动给土壤环境造成重大影响。As的Eir最大值<40，属于轻微污染;除八公山区的Cd的Eir最大值>80，属于强污染外，其他部分属于轻度污染到中度污染。说明淮南地区土壤重金属As、Cd污染程度较低。因为煤炭开采等人为活动引起的重金属污染对生态和人体健康的影响较低。

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