黔西北典型煤矿周边土壤重金属生态风险评价

任 维， 胡德勇， 崔云祥， 冯 娟， 孙柏榆， 牟远望

(贵州省地质矿产勘查开发局一0五地质大队， 贵州 贵阳 550000)

0 引言

【研究意义】煤矿是我国的重要资源，在我国一次性能源消耗结构中，燃煤占60%左右。煤矿行业在推动工业和经济发展的同时，开采和利用所引起的重金属污染问题也日益突出[1-2]。陈俊清等[3-5]研究认为，每生产1 t原煤会产生0.15～0.2 t的煤矸石及2～4 m3的矿井废水，矿井废水中含有大量的煤粉、岩粉等悬浮物以及重金属等有害元素，如果处置不合理，会对矿山环境造成污染。另外，煤矸石在露天环境中通过淋溶、风力侵蚀等作用将重金属元素转移到土壤及浅层水中，造成土壤及地下水污染[6]。因此，有必要对煤矿周边农用地土壤重金属污染特征进行研究，并提出针对性的修复措施。【前人研究进展】近年来，众多研究者采用多种评价方法对土壤重金属的含量特征、污染水平及健康风险等进行研究。张雅茹等[1]以安徽淮北煤田宿南矿区作为研究对象，采用单因子指数法、地累积指数法对煤矿影响区土壤重金属污染水平进行评价，并运用暴露风险评价模型评估重金属对人体健康的风险，结果表明，Cr、Cu、As、Cd和Pb的均值含量均超过安徽省表层土壤背景值，但土壤生态环境的风险低。张永文等[7]以西南某煤矿作为研究对象，利用单因子污染指数法、地累积指数法和潜在生态风险评价对该煤矿周边土壤8种重金属元素进行污染评价表明，研究区土壤重金属含量均高于渝西地区背景值，Cd污染较明显，从潜在生态危害风险评价看，Hg、Cd是主要生态危害元素。【研究切入点】黔西北地区有大型煤田织纳煤田、黔北煤田等，煤矿资源丰富，但目前尚未有学者对该区域煤矿周边农用地土壤重金属污染进行研究。【拟解决的关键问题】以黔西北典型煤矿山周围农用地作为研究对象，对土壤重金属污染特征进行分析评价，为煤矿山的绿色发展和矿区及周边农用地土壤污染修复治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样矿山

以黔西北地区4座开采时间较长的矿山作为研究对象，分别为金沙县煤矿2座(煤矿1和煤矿2)、黔西县煤矿1座(煤矿3)和纳雍县煤矿1座(煤矿4)。煤矿1、煤矿2开采时间约为2010年，至今仍在开采中；煤矿3开采时间较早，2005年左右开始，至2017年停止开采；煤矿4开采时间约为2012年，2018年停止开采。

1.2 样品采集与重金含量测定

2020年11月中旬对4个研究矿山进行野外调查并采集土壤样品。样品采集方法：根据矿山周边农用地分布情况，以250 m×250 m为采样网格，网格中心为中心样点，在中心样点20～50 m内向四周辐射确定4个取样点，共5个取样点，5个样点等份组合成1个混合样。煤矿1采集农用地土壤样品1件，煤矿2采集3件；煤矿3采集4件，煤矿4采集2件，总样品数10件，各矿山采样信息见表1。采样工具为竹铲，采样土壤均为旱地，采集深度0～20 cm。样品采集运回实验室后经自然风干、研磨、过筛后装入土壤样品袋并贴好标签待测。样品经湿法消解后，利用电感耦合等离子体质谱仪和原子荧光仪测定重金属As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

表1 矿山周边土壤样品采集信息

1.3 土壤污染状况评价

为能定量反映应黔西北区域矿山周围农用地土壤重金属污染情况，采用单因子污染指数法、综合污染指数法(内梅罗污染指数法)进行评价[8-9]。

1.3.1 单因子污染指数法 计算公式如下：

式中，Pi表示重金属i的单项污染指数，具体反映污染物i的超标倍数和程度；Ci表示重金属i含量的实际测量值，单位mg/kg；Si表示重金属i的标准值，以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[10]中土壤污染筛选值作为参照标准。Pi值越大，说明样品受污染越严重。Pi分为4个等级，Pi<1表示清洁，1≤Pi<2轻污染，2≤Pi<3中污染，Pi≥3重污染。

1.3.2 综合污染指数法 又称内梅罗污染指数法，能够反映多种污染物对土壤的污染，计算公式如下：

式中，PN为综合污染指数PI均和PI最大分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。PN分为5个等级，当PN≤0.7表示安全，0.73重污染。

1.4 生态风险水平评价

土壤重金属生态风险水平评价目前国内没有统一评价标准，为更全面地分析黔西北地区典型煤矿矿山周围土壤生态风险水平，采用地累积法和潜在生态风险评价双标准对矿区土壤进行综合评价。

1.4.1 地累积指数法 地累积指数法[11]由德国科学家Muller在1969年提出，被广泛应用于研究沉积物和其他物质重金属污染程度，采用地累积指数法能够综合考虑到人为因素和自然因素影响，能更全面分析土壤重金属生态风险。计算公式如下：

Igeo=log(Ci/1.5Bi)

式中，Ci为污染物的实测浓度，Bi为土壤环境对照值，1.5用于校正区域背景值差异。

根据Igeo数值大小，可将重金属污染划分为7个等级，Igeo≤0为清洁，05极重度污染。

1.4.2 潜在生态风险法 潜在生态风险[12]是瑞典科学家Hakanson根据重金属性质及环境行为特点，对土壤或沉积物中重金属污染风险进行评价的方法。该方法不仅考虑土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，能从多因素、多角度说明重金属污染对生态环境的综合潜在影响。潜在生态风险计算公式如下：

Cri=Ci实测/Cni

Eri分为5个等级，Eri<40表示低风险，40≤Eri<80中等风险，80≤Eri<160重度风险，160≤Eri<320较重度风险，320≤Eri严重度风险；RI分为4个等级，RI<150表示低生态危害，150≤RI<300中等生态危害，300≤RI<600重生态危害，600≤RI严重生态危害。

1.5 统计分析

利用Microsoft Excel 2019对试验数据进行整理，采用SPSS 17.0的Pearson相关性分析方法分析矿区土壤重金属元素之间相关性，利用主成分分析方法分析土壤重金属污染的关键因子。

2 结果与分析

2.1 黔西北典型煤矿矿山土壤重金属含量特征

从表2看出，在黔西北地区4个典型煤矿矿山中，煤矿1周围农用地土壤Cr、Cu、Cd含量超过土壤环境质量农用地土壤污染筛选值(GB 15618—2018)，存在污染风险。煤矿2周围农用地土壤主要超标元素为Cr、Cu、Cd，其中，2-1号采样点重金属Cd含量超过土壤污染筛选值，未超过风险管控值；2-2号采样点重金属Cr、Cu、Cd含量超过土壤污染筛选值，其中，重金属Cd含量超过风险管控值；2-3号采样点重金属Cr、Cu、Cd含量超过土壤污染筛选值，未超过风险管控值。煤矿3周围农用地Cr、Cu、Cd含量超过土壤环境质量农用地土壤污染筛选值，其中，3-1号采样点重金属Cr、Cu含量超过土壤污染筛选值；3-2号采样点重金属Cu含量超过土壤污染筛选值；3-3号采样点Cu、Cd含量超过土壤污染筛选值；3-4号采样点土壤重金属Cr、Cu含量超过土壤污染筛选值，4个采样点土壤重金属含量均未超过风险管控值。煤矿4周围农用地土壤Cr、Cu、Cd、Ni超过土壤污染筛选值，其中，4-1号采样点重金属Cu、Cd超过土壤污染筛选值；4-2号采样点重金属Cr、Ni、Cu、Cd含量均超过土壤污染筛选值。

表2 黔西北典型煤矿山周围农用地土壤重金属含量

2.2 黔西北典型煤矿矿山土壤重金属污染评价

2.2.1 基于单因子污染指数法的土壤重金属污染等级 从表3看出，煤矿1矿山周围农用地土壤存在Cr元素轻污染，Cd元素重污染。煤矿2的2-1号采样点Cd元素污染水平为重污染；2-2号采样点土壤Cr、Cu轻污染，Cd重污染；2-3号采样点土壤Cr、Cu中污染，Cd轻污染。煤矿3的土壤3-1号采样点Cr元素轻污染，Cu中污染；3-2号采样点Cu轻污染，3-3号采样点Cu、Cd轻污染；3-4号采样点Cr轻污染，Cu中污染。煤矿4的4-1号采样点土壤Cr、Cu轻污染；4-2号采样点土壤Cr、Ni轻污染，Cu、Cd重污染，需引起重视。

表3 基于单因子污染指数法的土壤重金属污染指数及污染等级

2.2.2 基于综合污染指数法的土壤重金属污染等级 从表4看出，煤矿1矿区周围农用地土壤重金属元素综合评价为中污染水平。煤矿2的3个采样点存在不同程度的重金属污染，2-1号采样点中污染，2-2号采样点重污染，2-3号采样点轻污染。煤矿3矿山周

表4 基于综合污染指数法的土壤重金属污染指数及污染等级

围土壤环境整体轻污染。煤矿4矿山周围农用地存在重金属污染，其中，4-1号采样点属于警戒级， 4-2号采样点属于中污染。总体看，每个矿山周围农用地均存在不同程度的重金属污染，且污染存在不均匀性。

2.3 黔西北典型煤矿矿山土壤生态风险评价

2.3.1 基于地累积指数法的土壤生态风险等级 地累积指数常用于评价沉积物中重金属的污染情况，同时也用于评价土壤重金属污染程度。从表5看出，As、Hg、Ni、Zn、Pb元素在4个矿山土壤中的地累积指数(Igeo值)均小于0，为清洁水平；Cr元素在煤矿2农田土壤中Igeo大于0，为轻度污染；Cu元素在4个煤矿矿山周围农用地土壤中为轻度污染；Cd在煤矿1、煤矿4土壤中为轻度污染，在煤矿2土壤中为偏中度污染，煤矿3土壤无污染。

表5 基于地累积指数法的土壤生态风险等级

2.3.2 基于潜在生态风险指数法的土壤生态风险等级 从表6看出，Cd在煤矿1样点、煤矿2的2-1号采样点和煤矿4的4-2号采样点呈重度风险；煤矿2的2-2号采样点Cd生态危害指数Eri为482.0，呈严重度风险；其余各重金属在各矿山样点的生态风险指数均小于40(Eri<40)，表现为低风险。

表6 基于潜在生态风险指数法的土壤潜在生态危害指数与风险等级

仅煤矿2的2-2号采样点的潜在生态危害指数RI大于300，表现为重生态危害；其余各矿山样点的潜在生态危害指数RI均小于150，表现为低生态危害。

2.4 黔西北典型煤矿矿山土壤重金属的相关性

对黔西北典型煤矿周围农用地土壤重金属元素之间相关性分析结果(表7)显示，As与Cu呈显著负相关，表明As和Cu元素来源不同。Hg与Cr、Pb、Cd呈极显著或显著正相关，表明Hg与Cr、Pb、Cd具有同源性。Cr与Pb呈显著正相关，Ni与Cd、Pb、Zn呈显著或极显著正相关，Cd与Pb呈极显著正相关，说明土壤中Cr、Pb、Ni、Zn具有相同来源。

表7 重金属元素之间的相关系数

2.5 土壤重金属主成分分析

对黔西北4个典型煤矿矿山土壤8大重金属元素(As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、Zn)的含量水平进行主成分分析，结果(表8)显示，所有土壤样品中8种重金属的全部信息可以由3个主成分反映，3个主成分的累积贡献率达84.637%，表示这3个主成分能够反映土壤重金属含量的大部分信息。主成分1(PC1)的方差贡献率为46.578%，其中，Hg、Cr、Ni、Cd、Pb有较大载荷；主成分2(PC2)的方差贡献率为20.153%，其中，Cu在PC2上有较大载荷；主成分3(PC3)的方差贡献率为17.905%，其中，Cu、Zn在PC3上有较大正载荷。

表8 黔西北典型煤矿矿山土壤重金属主成分分析的特征值与贡献率

3 讨论

研究黔西北地区4个典型煤矿矿山周围农用地土壤重金属污染情况，对比《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中土壤污染筛选值，存在不同程度超标，超标重金属元素主要为Cr、Ni、Cu、Cd。对土壤重金属进行污染评价，需用多种方法进行比较评价，才能保证结果的准确性与科学性[13-14]。单一的评价方法均有其局限性，如综合污染指数法虽然能够全面反映各重金属对土壤的作用，但可能会夸大高浓度因子的作用或者忽视低浓度因子的影响，可能造成偏离客观现实的结果[15-17]。地累积指数法能够较好地考虑地质背景带来的影响，但该方法只能给出采样点中单个重金属的污染特征，不能反映采样点的综合污染特征[18]。本研究中采用单因子指数法、综合污染指数法、地积累指数法及潜在生态风险指数法系统评价黔西北典型煤矿矿山周围农用地土壤中重金属的污染特征，发现4个煤矿山周围农用地土壤重金属元素表现出不同程度的超标，其中，Cd的单因子污染指数最大，地累积指数最高，对潜在生态危害综合指数贡献最大，污染最严重。

从土壤重金属相关性分析结果看，黔西北典型煤矿矿山土壤重金属As、Cu与其他重金属均不存在显著相关性，而As与Cu之间呈显著负相关，说明As、Cu与其他重金属来源不同，且As与Cu来源也不同，因此推测黔西北地区典型煤矿矿山周围农用地As与Cu主要受人为影响；另外6种重金属互相之间存在一定相关性，具有同源性，推测黔西北地区典型煤矿矿山周围农用地Hg、Cr、Ni、Cd、Pb、Zn等6种重金属受自然地质背景影响。冯学仕[19]研究发现，Hg与Pb等元素的地球化学性质相似，且在成矿过程中共消共长，密切伴生。

利用主成分分析，共提取3个主成分，主成分1(PC1)的方差贡献率为46.578%，其中，Hg、Cr、Ni、Cd、Pb有较大载荷，且相关性显著，而BORUVKA等[20-21]研究发现Hg、Cr、Ni、Cd、Pb元素受地质背景的控制，因此把PC1作为“自然源因子”，可能与当地土壤本底值有关系。主成分2(PC2)的方差贡献率为20.153%，Cu在PC2上有较大载荷，且Cu与其他元素相关性不足，因此PC2主要受人类活动控制，被认为是“外源性因子”。主成分3(PC3)的方差贡献率为17.905%，Cu、Zn在PC3上有较大正载荷。因此推测黔西北典型煤矿山周围农用地土壤中Hg、Cr、Ni、Cd、Pb、Zn很可能是在煤矿开采过程中伴生而来，与前人研究结论相似[19]。

4 结论

对黔西北地区4个典型煤矿矿山周围农用地土壤重金属污染特征进行分析评价，结果显示，对比《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中土壤污染筛选值，4个典型煤矿矿山周围农用地土壤重金属存在不同程度超标，超标重金属元素主要是Cr、Ni、Cu和Cd。每个矿山周围农用地土壤污染水平也不同，煤矿1为中污染水平，煤矿2则重污染、中污染和轻污染均存在，尤其是煤矿2的2-2采样点，重金属Cd已超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中土壤污染风险管控值，应进行风险管控。煤矿3矿区周围土壤整体污染水平表现为轻度污染，可通过农艺调控、替代种植达到安全利用。煤矿4矿区周围农用地土壤为警戒级和中污染。矿山开采对周围农用地造成的污染表现出不均匀性，同一矿山周围轻、重污染均存在。为保障农产品安全，建议对矿山周围农用地展开系统调查，并采取治理措施防治污染。