煤矸石充填复垦区土壤重金属污染程度评价

＊郑恒 郭方磊 黄裕涛 胡紫燕 刘少敏

（安徽理工大学 地球与环境学院 安徽 232001）

引言

煤矸石中含有多种有害或潜在有害的微量元素，在天然雨水淋溶下会析出多种重金属元素[1]，煤矸石山中析出的重金属通过矸石孔隙下渗进入土壤，通过地表径流进入周围环境[2]，造成周边土壤累积性污染[3]，重金属通过土壤进入周边植物体内，最终危害人类健康[4-5]，所以需要采用科学的方法对矸石山附近土壤进行污染等级划分，辨别出关键的污染因子，进而对污染区域土壤进行检测、修复。

1.材料与方法

(1)研究区域概况

创大生态园位于淮南潘集区潘集镇和田集街道之间，在其修复之前，由于30年煤炭高强度开采，该区域由曾经的良田演变成一片采煤塌陷塘，土壤理化性质较差，土壤养分流失严重，失去了土壤的耕性，自2007年开始，淮南市政府开始对该塌陷区域进行土地治理，通过煤矸石回填后进行覆土恢复生产。复垦区年平均降水量926mm，常年主导风向为东风，年平均气温为15.3℃。

(2)样品采集与处理

如图1，于创大生态园复垦区山顶、山腰和山脚设置采样点共16个，样点间隔10m，每个采样点按照对角线采样法采集五个样品，土样采集0～20cm土层的土壤，然后充分混合。

图1 采样点布置图Fig.1 Layout sampling point

土壤带回实验室后，去除杂草、石块，用四分法去除多余土壤，保留约500g，风干后碾碎，分别过100目、200目筛网。

2.重金属风险评价

(1)单因子指数法[6]

其计算公式为：I=Ci/C0

式中，I为土壤中单项污染指数；Ci为某项因子的实测含量；C0为某项因子标准值。

(2)内梅罗污染指数法[6-7]

式中，Pn为单点土壤重金属综合污染指数；I为同一样品中各单项I的平均值；Imax为同一样品中单项I的最大值。

(3)区域综合污染负荷指数

该指数由评价区域所包含的多种重金属成分共同构成，能直观地反映各个取样点对区域总污染的贡献程度。其评价公式为[2]：

式中：Pzone为流域污染负荷指数；n为评价点的个数。

3.结果分析

(1)土壤重金属含量及分担率

实验检测所有样品均检测出Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg八种重金属元素，检出率为100%。

土壤污染物分担率是指土壤单项指标的污染指数占土壤各项指标污染指数和的百分数，可以确定研究区域土壤的主要污染物。由表1可以看出，创大生态园复垦区土壤重金属污染主次顺序为：Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr＞As＞Ni＞Hg，其主要重金属污染物是Cd、Cu、Pb。

表1 单因子指数法污染程度分级标准Tab.1 Pollution degree classification by single factor index

表2 内梅罗污染指数分级标准Tab.2 Pollution degree classification by Nemero

表3 创大生态园复垦区土壤重金属含量及分担率Tab.3 Heavy metal content and share rate of Chuangda reclamation area

(2)生态园山顶土壤污染评价

对生态园山顶土壤各重金属进行单项污染指数评价，根据计算结果作出相应的箱线图，由图2可以看出各重金属单项污染指数均值都小于1，未对土壤造成污染。其中Pb、Zn、As在个别样点处单项污染指数大于1，属于轻度污染。根据Nemerow公式计算出山顶各点重金属综合污染指数取平均值0.7＜0.865＜1，可知山顶区域重金属污染为尚清洁水平。

图2 山顶土壤重金属单项污染指数箱线图Fig.2 Individual pollution index of soil heavy metals at hilltop

(3)生态园山腰鸭场附近土壤污染评价

对生态园山腰鸭场附近土壤各重金属进行单项污染指数评价，根据计算结果作出相应的箱线图，由图3可以看出该区域Cd、Pb污染相对较高，其单项污染指数集中在1～2，Pb个别样品污染指数＜1，属于轻度污染；Cu、Zn、Cr、Ni、As、Hg单项污染指数集中在0～1，未对该区域土壤造成污染。根据Nemerow公式计算出山顶各点重金属综合污染指数并取平均值为1＜1.188＜2，说明该区域土壤重金属为轻度污染。

图3 山腰土壤重金属单项污染指数箱线图Fig.3 Individual pollution index of soil heavy metals at hillside

(4)生态园山脚田地土壤污染评价

对生态园山腰鸭场附近土壤进行各重金属单项污染指数评价，根据计算结果作出相应的箱线图，由图4可以看出该区域Cu、Pb、Cd、Zn、As污染相对较高，其单项污染指数集中在1～2，个别样品＜1，属于轻度污染；Cr、Ni、Hg相对污染指数集中在0～1，个别样品＞1，对该区域土壤几乎没有污染。根据Nemerow公式计算出山顶各点重金属综合污染指数并取平均值为1＜1.476＜2，说明该区域土壤重金属为轻度污染。

图4 山脚土壤重金属单项污染指数箱线图Fig.4 Individual pollution index of soil heavy metals at the foot hill

(5)创大生态园复垦区土壤重金属污染空间特征

单因子指数法和内梅罗指数法是对一个采样点中单一金属污染程度和多种金属污染程度进行评价和划分，综合污染指数法可以计算整个采样区域土壤重金属污染的综合指数，通过每个区域的综合污染指数进而描绘创大生态园复垦区的重金属污染空间特征。

表4 点污染评价指数Pn和区域综合污染负荷指数PzoneTab.4 Point pollution evaluation index Pn and Regional comprehensive pollution load index Pzone

通过计算山顶、山腰和山底三个区域各采样点的点污染评价指数，可以看出各区域所有采样点的点污染评价指数以及均值大小都为山顶＜山腰＜山脚；对三个区域进行综合污染评价，可以看出各区域综合污染负荷指数Pzone大小为山顶＜山腰＜山脚，说明创大生态园复垦区土壤重金属污染从山顶到山底逐渐加重，这是因为堆积的煤矸石在雨水淋溶下析出重金属，并通过横向扩散至外层覆土，且同时在重力作用下向下迁移，不断下渗并在山脚逐渐累积[8]。

4.结论

创大生态园复垦区土壤重金属污染总体较轻，其中山顶和山腰区域重金属污染水平为尚清洁，在警戒线以下，山脚污染程度为轻度污染；

用单因子指数法对土壤单项重金属污染程度进行评价，可知创大生态园复垦区土壤主要重金属污染元素为Cd、Cu、Pb，所以需要重点监测这三种重金属，并做好修复工作。

通过计算创大生态园复垦区三个区域综合污染负荷指数并比较其空间污染特征，可知复垦区土壤重金属污染状况从山顶到山脚依次加重，所以需要加强对煤矸石山底土壤重金属的监测，防止重金属在山脚土壤累积，通过土壤转移到植物体内，最终危害人类身体健康。