渝西某煤矿区土壤重金属污染程度及其特征分析

任艳霞 周俊杰 毕捷 王瑜 卢姣姣 沈渭寿 谢宇琴 刘菊梅 司万童

摘要：【目的】研究渝西煤礦开采导致该区域土壤重金属污染的程度并进行特征分析，为当地煤矿区环境污染防控和生态修复提供科学依据。【方法】利用国家标准方法对渝西某废弃煤矿区土壤中碳氮磷和主要重金属含量进行测定，采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法及土壤污染负荷指数法评估该煤矿区土壤重金属的污染程度。【结果】渝西某煤矿区的土壤总氮、总磷和有机质含量分别在8.400～126.000 g/kg、1.508～6.033 g/kg和18.006～216.070 g/kg，其中总氮和有机质含量在煤矿中心区域（运煤干线两侧、煤矿进口、矿山山坡和矸石场）含量较高，在煤矿周围区域（农田、居民区、公园和学校）含量较低，总磷含量则表现为煤矿中心区域低于煤矿周围区域。渝西煤矿的开采使该区域土壤重金属[镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）]出现不同程度超标，各样地Cd和Cu含量均已超过重庆土壤背景值和国家土壤背景值，其中Cd的最小值已达农用地土壤污染风险筛选值的6.37倍。运煤干线两侧土壤中的Cr和Cu以及矸石场土壤中的Pb含量最高。污染程度评价结果显示，该煤矿区土壤Cd污染达严重污染水平，其单因子污染指数范围在25.811～60.023;内梅罗综合污染指数和土壤污染负荷指数均显示该煤矿区土壤为重度污染。【结论】渝西某煤矿区土壤已受到煤矿开采引起的多种重金属复合污染，其中Cd和Cu是威胁当地土壤生态环境健康的主要重金属元素。相比内梅罗综合污染指数法，土壤污染负荷指数法能更好地反映该煤矿区的污染特征。

关键词： 煤矿;土壤污染;重金属;污染特征;渝西地区

中图分类号： S19;S151.93                          文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）07-1905-07

Pollution degree and characteristics of heavy metals in soil of a coal mine area in western Chongqing

REN Yan-xia1， ZHOU Jun-jie1， BI Jie2， WANG Yu1， LU Jiao-jiao3，

SHEN Wei-shou4， XIE Yu-qin5， Liu Ju-mei1，4*， SI Wan-tong1*

（1College of Chemistry and Environmental Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences/Chongqing Key Laboratory of Environmental Materials and Remediation Technology，Chongqing  402160， China; 2School of Life Science and Technology，Inner Mongolia University of Science & Technology Baotou， Baotou， Inner Mongolia

014010， China; 3Xiamen Haishi Ecological Environment Co.，Ltd.，Xiamen， Fujian  361023， China; 4Nanjing

Institute of Environmental Science， Ministry of Ecology and Environment， Nanjing  210042， China;

5College of Geographic Science，Fujian Normal University， Fuzhou  350117， China）

Abstract：【Objective】To study the degree of soil heavy metal pollution caused by coal mining in western Chongqing，and analyze its characteristics so as to provide scientific basis for environmental pollution prevention and control and ecological restoration in the local coal mining area. 【Method】The content of carbon，nitrogen，phosphorus and major heavy metals in the soil of an abandoned coal mine area in western Chongqing was determined by national standard method. The single factor pollution index method，Nemero comprehensive index method and soil pollution load index method were used to evaluate the pollution degree of heavy metals in the soil of the coal mine area. 【Result】The contents of total nitrogen，total phosphorus and organic matter in the soil in the coal mine area in western Chongqing ranged from 8.400 to 126.000 g/kg，1.508 to 6.033 g/kg and 18.006 to 216.070 g/kg， respectively. The contents of total nitrogen and organic matter were higher in the central area of the coal mine（both sides of main coal transport lines，coal mine entrance，hillside of mine，and waste dump） and lower in the area around the coal mine（farmland，residential areas，parks，and schools），and the contents of total phosphorus were lower in the central area of the coal mine than in the area around the coal mine. The mining of coal mine in western Chongqing has resulted in the excessive of heavy metals[cadmium（Cd），chromium（Cr），copper（Cu）， nickel （Ni），lead（Pb），zinc（Zn）] in the soil in this region to varying degrees. The content of Cd and Cu in various places has exceeded the Chongqing soil background value and the national soil background value，among which the minimum value of Cd has reached 6.37 times of the screening value of soil pollution risk in agricultural land. The content of Cr and Cu in soil on both sides of coal trunk line and Pb in soil of waste dump were the highest. The evaluation of pollution degree showed that soil Cd pollution in Yuxi coal mine area reached the serious pollution level，and the single factor pollution index ranged from 25.811 to 60.023. Both Nemerow composite pollution index and soil pollution load index showed heavy pollution in the coal mine. 【Conclusion】The soil in a coal mine area in western Chongqing has been polluted by multiple heavy metals caused by coal mining，among which Cd and Cu are the main heavy metal elements that threaten the health of local soil ecological environment.Compared with Nemerow index method，soil pollution load index method can better reflect the pollution characteristics of coal mine area in this study.

Key words： coal mine; soil pollution; heavy metals; pollution characteristics; western Chongqing

Foundation item： Chongqing Natural Science Foundation（cstc2019jcyj-msxmX0808，cstc2020jcyj-msxmX1011）; Science and Technology Research Project of Chongqing Education Commission（KJQN202001320，KJQN202001326）

0 引言

【研究意义】煤矿资源是我国重要的自然资源，采矿活动使得煤矸石大量堆积，占用大片土地资源，不仅使地形地貌发生改变，还导致土壤重金属积累和植被受破坏，影响生态平衡（叶晟和赵静，2020）。因此，加强煤矿周边土壤重金属污染监测，以及研究重金属积累对煤矿区土壤环境的影响具有重要意义。【前人研究进展】已有较多研究表明煤矿开发对当地生态破坏和环境污染严重。姚世厅等（2016）运用内梅罗综合污染指数法对北京大台煤矿区土壤重金属污染程度进行评价，结果显示土壤中锌（Zn）、铅（Pb）、汞（Hg）、铜（Cu）、铬（Cr）、镉（Cd）和砷（As）的综合污染程度已达中度污染;仝双梅等（2018）研究发现贵州典型煤矿区土壤Cu和Hg的单项污染指数较大，潜在生态风险危害也较高，对潜在生态危害综合指数RI贡献较大;吴先亮等（2018）探究黔西煤矿区土壤重金属来源时发现As主要来源于矿区堆放的煤矸石及其粉尘沉降;周川等（2018）研究发现重庆丘陵山区煤矿的开采引起土壤Cd的积累，超标率达63.33%。诸多研究显示，煤矿开采使大量煤矸石长期堆积于地表，在物理风化和化学风化的作用条件下，固体废物中的重金属元素不断向周边土壤释放、迁移和转化（张行等，2019）;雨水淋溶作用等对煤矸石周边土壤中Pb的溶出率较高，使得Pb在煤矿区土壤中易发生转移，对生态系统造成严重破坏（刘玥等，2015）;这些微量有害重金属元素进入土壤后不断积累，对土壤养分和酶活性均有不同程度的影响（代静等，2017）;重金属污染会抑制土壤微生物活性，影响土壤理化性质，被农作物吸收通过食物链富集危害人体健康（黄森，2018）。孙立强等（2019）運用体外胃肠模拟方法计算煤矿区土壤重金属的生物可给性，发现矿区土壤Cr污染对人群有一定的致癌风险。【本研究切入点】目前国内关于煤矿土壤重金属的积累、分布、迁移、污染程度和风险评估等研究较多，但大多集中在某一特定区域内，从宏观层面上综合评估煤矿区中心区域和周围区域土壤重金属污染程度及分布特征的研究较少，对于渝西地区煤矿区土壤重金属污染和生态风险评价的研究也鲜见报道。【拟解决的关键问题】选择渝西某煤矿区作为研究对象，评价该煤矿区土壤重金属污染程度并分析其污染特征，以期为当地煤矿区环境污染防控和生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况与样品采集

研究区位于重庆市永川区西部英山山脉北西翼的浅丘地带，一年中以西北风和东风为主，矿产资源丰富，储量大，研究区域内、水系上游及上风向无其他工业园区或企业分布。以渝西地区某煤矿区及其周围区域为研究对象，共设8个采样地（图1），分别为运煤干线两侧（S1）、煤矿进口（S2）、矿山山坡（S3）、矸石场（S4）、农田（S5）、居民区（S6）、公园（S7）和学校（S8），所有样地用地类型均为旱地。其中S1～S4位于煤矿中心区域，S5～S8位于煤矿周围区域。每个样地均布设3个平行采样点，每个平行采样点均采集3份表层土壤（0～20 cm）充分混合，以四分法取1份土壤样品，装入自封袋内编号，共采集24份土壤样品。

1. 2 测定项目及方法

土壤样品的采集与制备参照GB 15618—1995《土壤环境质量标准》、HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》和HJ 25.1—2014《场地环境调查技术导则》进行。采集的土壤样品置于室内自然阴干，去除土壤样品中的植物残渣和碎屑后用研钵研磨，过20目（孔径为0.841 mm）土壤筛用于测定土壤肥力，过100目（孔径为0.147 mm）土壤筛用于测定重金属含量。总氮采用凯氏定氮仪测定，总磷采用钼锑抗比色法测定，有机质采用重铬酸钾加热法测定;土壤重金属包括Cd、Cr、Cu、镍（Ni）、Pb和Zn，使用火焰原子吸收分光光度计测定，并使用元素标准液（钢研纳克）制作标准曲线，上机测定时每隔10个样品使用标液矫正1次，标液矫正回收率在（100±10）%以内时继续测定，否则重新测定。

1. 3 选用标准及评价方法

依据我国环境土壤背景值进行土壤重金属污染程度评价，选用GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》风险筛选值、GB 36600—2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》第一类用地风险筛选值及第二类用地风险筛选值和重庆市土壤背景值对土壤污染程度进行分析。

采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法及土壤污染负荷指数法对渝西某煤矿区土壤重金属污染进行生态风险评估。

单因子污染指数（C[ir]）计算公式为：

C[ir]=C[is]/C[if]                 （1）

式中，C[is]为元素i的实测含量，C[if]为元素i的中国土壤环境背景值。污染等级划分：<1表示无污染;1～2表示无污染—中度污染;2～3表示中度污染;3～4表示中度污染—重度污染;4～5表示重度污染;5～6表示重度污染—严重污染;>6表示严重污染。

内梅罗综合污染指数（F）计算公式为：

F=[（F2max+F2）/2] F=（1/n）[Cir]       （2）

式中，Fmax为最大的单一污染物污染指数，F为各元素污染指数的算术平均值，n表示单一污染物指数个数。污染等级划分：<0.7表示安全;0.7～1.0表示警戒线;1.0～2.0表示轻度污染;2.0～3.0表示中度污染;≥3.0表示重度污染。

土壤污染负荷指数（PLI）计算公式为：

PLI=[（C1r×C2r×C3r×…×Cnr）n]     （3）

污染等级划分：<1表示无污染;1～2表示中度污染;2～3表示重度污染;≥3表示严重污染。

1. 4 统计分析

利用Excel 2016和SPSS 19.0对试验数据进行统计分析和差异显著性比较。

2 结果与分析

2. 1 渝西某煤矿区土壤养分状况

由表1可知，渝西某煤矿区土壤有机质和总氮含量分别为18.066～216.070 g/kg和8.400～126.000 g/kg，最大值均出现在运煤干线两侧（S1）。整体而言，煤矿中心区域有机质含量高于煤矿周围区域，其中运煤干线两侧和煤矿进口（S2）显著高于其他样地（P<0.05，下同）。研究区土壤总氮含量的变化趋势与有机质一致，二者相关性显著（r=0.882，P<0.05）。土壤总磷含量为1.508～6.033 g/kg，在农田（S5）和公园（S7）样点上显著高于煤矿中心区域，在煤矿进口和矿山山坡（S3）样点上含量较低。

2. 2 渝西某煤矿区土壤重金属含量水平

由表2可知，运煤干线两侧土壤中的Cr和Cu含量最高，其中Cu含量显著高于其他样地;Pb在矸石场（S4）含量最高，在煤矿周围区域土壤含量较低（S5除外）;Ni（S3除外）和Zn含量在各样地超过了重庆土壤背景值和国家土壤背景值，但均在农用地土壤污染风险筛选值的管控范围之内。重金属Cd含量在煤矿周围区域土壤中的含量高，在煤矿中心区域土壤中的含量低。重金属Cd和Cu在各样地超标最严重，其最小值均已超过重庆土壤背景值和国家土壤背景值。Cu在运煤干线两侧、煤矿进口、矸石场和农田样地上超过了农用地土壤污染风险筛选值，Cd在各样地均超过农用地土壤污染風险筛选值，其中Cd的最小值已达农用地土壤污染风险筛选值的6.37倍，表明渝西某煤矿区土壤Cd污染对当地土壤质量和农作物的安全生产造成威胁。

2. 3 渝西某煤矿区土壤重金属污染评价结果

单因子污染指数评价显示，Cd在该煤矿区各样地土壤中均已达严重污染水平，Cu在运煤干线两侧达重度污染—严重污染水平，在煤矿进口处达中度污染—重度污染水平，Pb在矸石场达中度污染水平;内梅罗综合污染指数评价结果显示，渝西某煤矿区各样地的污染指数均大于3.0，表现为重度污染;土壤污染负荷指数评价结果显示，各样地土壤污染负荷指数在2～3，达重度污染水平（表3）。

2. 4 研究样地与西南地区其他煤矿区的对比结果

与西南地区其他煤矿区土壤重金属含量进行比较，结果（表4）显示，渝西某煤矿区土壤Cd平均含量（2.97 mg/kg）明显高于其他煤矿区，是其他煤矿区的3.03～8.03倍。该煤矿区土壤Cd和Cu含量均高于农用地土壤污染风险筛选值，因此不能作为农用地开发利用。整体来看，西南地区各煤矿区土壤Cd、Cu、Ni和Zn的平均含量均严重超过重庆土壤背景值和国家土壤背景值，表明煤矿开采对各地土壤重金属的富集贡献明显。

3 讨论

土壤碳、氮和磷是作物生长必需的营养物质，本研究中，土壤养分有机质和总氮含量的最大值均出现在运煤干线两侧，二者均表现为煤矿中心区域（运煤干线两侧、煤矿进口、矿山山坡和矸石场）含量偏高，而煤矿周围区域（农田、居民区、公园和学校）含量较低。究其原因：（1）在煤矿运输及自然风力作用下，煤矸石和煤粉煤灰的洒落与飘散可能是导致运煤干线两侧总氮和有机质含量偏高的原因，与姚世厅等（2016）的研究结果一致;（2）该煤矿区中心区域土壤废弃已久，植物无人收割，枯枝落叶和根系残体等年复一年腐烂沉积，使得土壤有机质逐年积累;（3）有机质分解可促进氮素释放，碳的固定也能引起氮的固定（陶玉华等，2020）;（4）农田、居民区、公园和学校的土壤由于景观环境的需要，动植物残体被及时清除，人为干预活动较大，使得这些样地的有机质和总氮含量低于其他样地。与氮碳不同的是，总磷含量表现为在煤矿中心区域含量偏低，在煤矿周围区域含量偏高。这是由于煤矿的开采和废弃煤矸石的堆积等使得封闭的土壤磷循环过程被破坏，加剧了磷在地表径流中的流失，加之煤矿开采引起土壤重金属的积累，导致土壤微生物活性降低，引起土壤磷活化受限（雷冬梅等，2007），因此煤矿中心区域土壤磷含量较其他样地低。此外，农田、居民区、公园和学校区域的土壤磷含量较高还可能与农作物施肥、景观植物栽培及其他农业和园林活动等因素有一定关系。

本研究结果表明，渝西某煤矿区的开采已使矿区土壤重金属含量有不同程度超标，整体污染程度表现为煤矿区中心区域>煤矿周围区域。其中重金属Cr和Cu在运煤干线两侧土壤中含量最高，单因子污染指数法显示Cu在运煤干线两侧达重度污染—严重污染水平，在煤矿进口处达中度污染—重度污染水平。Pb在矸石场为中度污染，其污染来源主要是矿区大量堆积的煤矸石及其粉尘。某煤矿区周围区域土壤也受到不同程度污染，虽然农田、居民区、公园和学校区域的土壤重金属含量低于煤矿中心区域土壤，但Cd、Cu、Ni（S3除外）和Zn含量均超过国家土壤背景值和重庆土壤背景值。与重庆煤矿区土壤重金属相关研究（袁建梅等，2019）比较发现，Cd元素均为主要的污染因子，渝西煤矿区的污染因子还包含Cu元素。整体而言，西南地区煤矿区土壤重金属污染的主要元素为Cd、Cu、Ni和Zn，渝西某煤矿区的土壤Cd污染最为严重。

内梅罗综合污染指数法和土壤污染负荷指数法评价结果对比分析显示，学校样地的内梅罗综合指数表现为最大，而土壤污染负荷指数较小。这主要是因为内梅罗综合指数法侧重污染指数较大、污染最严重的关键污染因子，而土壤污染负荷指数法是一种利用各个重金属元素的单因子指数求积的统计方法，消除了加和算術引起评价结果的异常现象，更加强调各种污染因子的综合影响。从两种方法的分析结果可看出，土壤污染负荷指数法能更好地反映本研究煤矿区的污染特征。

4 结论

渝西某煤矿区土壤已受到煤矿开采引起的多种重金属复合污染，其中Cd和Cu是威胁当地土壤生态环境健康的主要重金属元素。相比内梅罗综合污染指数法，土壤污染负荷指数法能更好地反映该煤矿区的污染特征。

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（责任编辑 罗 丽）