銅川三里洞煤礦煤矸石風化土壤重金屬分布及污染狀況分析

時亞坤，李凱榮，閆寶環

（西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100）

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤礦在給我們帶來巨大經濟效益的同時，也帶來了許多環境問題。煤矸石是在煤炭生產過程中伴隨產生的固體廢棄物，是碳質、泥質和砂質頁巖的混合物。煤矸石的大量排放和堆存不僅破壞和占用大量的土地資源，也會帶來諸如土壤質量下降、生態系統退化、生物多樣性喪失、景觀受到破壞等一系列嚴重的環境問題[1]。目前，國內外學者對煤矸石的研究主要集中在煤矸石對周圍尾礦、土壤、地下水的污染以及重金屬化學形態等方面[2－3]，然而，由于煤矸石排量巨大，很多煤礦周圍形成的矸石山小則幾千平方米，大則數萬平方米。由于長時間的風化、淋溶等作用，矸石山表層已形成能被某些植物生長的原生風化土壤。目前，有關煤矸石風化土壤的污染狀況研究甚少。因此，本文以三里洞煤礦為例，研究大型矸石山內部表層風化土壤中重金屬的轉移、積累等分布特征，同時，對表層風化土壤進行污染狀況分析與評價，旨在為我國煤礦矸石堆積地的綜合治理及生態恢復提供科學依據。

1 研究區概況

銅川市位于陜西省中部，處于關中平原向陜北黃土高原的過渡地帶，介于東經108°34′—109°29′，北緯34°50′—35°34′，屬大陸性季風氣候。選擇三里洞煤礦區為研究區域，該礦區位于銅川市印臺區，自20世紀50年代開始采煤，1999年煤礦關閉。采煤期間，煤矸石被集中裸露堆放，目前已形成面積約為70 000m2的大型矸石堆積地。區域形狀接近四邊型，北高南低，最高點海拔高度1 017m，最低點海拔高度881m。區域內共有巨型矸石坡地2處，面積約為25 000m2；矸石臺地3處，面積約為5 000m2。由于煤矸石長期受到日曬、風雨的侵蝕和地下水的浸泡，區域內部分煤矸石表層已經嚴重風化，有原生演替發生[4]。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

在野外詳細調查的基礎上，根據排矸場的自然地形條件、排矸年限、坡度和坡向的不同，按照立地條件類型將整個排矸場劃分為5個研究區。在每個區域內對煤矸石風化的新生土壤按照平均布點法和網格布點法隨機選取9個有代表性的采樣點。各研究區基本情況見表1。

表1 各研究區基本情況

2.2 土壤樣品的處理和分析

將土壤樣品烘干后粉碎，過0.25mm孔徑篩。稱取2.00g土壤樣品，用 HCl＋HNO3＋HF＋HClO4（10ml＋5ml＋5ml＋3ml）全消解法消解，后定容至25ml，保存。火焰原子分光光度法測定Cu，Cr，Cd，Mn，Ni，Zn，Pb含量[5－6]。

2.3 重金屬污染評價方法

目前，國際上采用的沉積物或土壤重金屬污染評價方法很多，本文根據實際需要，采用地質累計指數法和潛在生態危險指數法兩種方法。

2.3.1 地質累積指數法 地質累積指數（Igeo）是由德國科學家MULLE提出的，廣泛用于研究沉積物及其它物質中重金屬污染程度的定量指標（通常又稱為Muller指數）。該方法不僅考慮到人為污染因素、環境地球化學背景值差異，還考慮到自然沉積成巖作用等地質過程造成的背景值變動因素[7]。其公式為：

式中：Ci——指樣品中元素i的含量；BEi——元素i的地球化學背景值，本文采用三里洞煤礦周圍對照土壤作為背景值，1.5為修正指數，主要用來表征沉積特征、巖石地質及其它影響[8]。地質累積指數評價標準分級見表2。

表2 地質累積指數評價標準分級

2.3.2 潛在生態危險指數法 潛在生態危險指數（RI）是由瑞典科學家Hakanso建立的一套應用沉積學原理評價土壤或沉積物中重金屬污染及生態危害的方法。該方法結合環境化學、生物毒理學和生態學等方面的內容，以定量的方法劃分出重金屬的潛在生態危害程度[9－10]。計算方法如下：

表3 重金屬污染潛在生態危險指標與分級關系

3 結果與分析

3.1 煤矸石風化土壤重金屬含量及分布

由表4可以看出，對于5個研究區而言，1區各重金屬元素含量均低于其它4個研究區（Cr除外）；2—5區重金屬元素含量較高且相對穩定。5個研究區各重金屬含量方差分析結果顯示，Zn含量存在極顯著性差異，1區和2—5區、2區和5區、3區和5區含量存在顯著性差異，1區含量最低，5區含量最高；Cd在1區和5區之間存在顯著性差異，5區含量最高；其它4種重金屬元素含量在各區之間無顯著性差異。

對于6種重金屬元素含量方差分析可知，Cu在1區和3區、Cr和Pb在1—3區、Cd在1區和2區、Ni和Zn在2區存在顯著性差異；多重比較分析結果表明，Cu在1區坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高，3區臺地內側與外側、中部存在顯著性差異，內側含量較高；Cr在1區坡上部與中、下部存在顯著性差異，上部含量最低，在2區坡上、中、下部之間均存在顯著性差異，下部含量最高，在3區坡中部與上、下部存在顯著性差異，中部含量最低；Cd在1區坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高，在2區坡上部與中部存在顯著性差異，下部含量較高；Ni和Zn在2區坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高；Pb在1區坡下部與上、中部存在顯著性差異，下部含量較高，在2區坡上部和中、下部存在顯著性差異，上部含量較低，在3區臺地內側與外側、中部存在顯著性差異，內側含量較高，在5區臺地中部和內、外側存在顯著性差異，中部含量較高。由以上分析可知，重金屬在坡地和臺地的分布存在明顯的差異，在坡地，重金屬有明顯的向坡下部積累和富集的趨勢，導致坡下部重金屬含量較高，但臺地地勢平坦，受外界影響相對較小，重金屬分布無明顯的規律。

表4 各研究區風化土壤重金屬含量分布及分析 mg／kg

3.2 煤矸石風化土壤污染分析與評價

3.2.1 地質累積指數法 利用公式（1）對5個研究區的重金屬含量進行計算分析（表5），Cd平均含量為0.99mg／kg，Igeo值為2.77，達到3級中度污染，其中1—3區Igeo值在2.38～2.60之間，達到3級中度污染，4區和5區Igeo值分別為3.01和3.14，達到4級偏重度污染；Ni污染次之，5個研究區Igeo值均為0.27～0.73，為1級輕度污染；Zn污染較輕，平均含量為104.88mg／kg，Igeo值為0.45，達到1級輕度污染，其中除1區為0級無污染外，其余4個區均為1級輕度污染；Cu污染輕微，5個研究區均為1級輕度污染；Cr平均含量較低，未形成污染，但是3區和5區含量較高，達到1級輕度污染，其它3個區無污染；Pb含量最低，除2區剛形成1級輕度污染外，其它4個區均無污染；6種重金屬元素的平均污染強弱順序為Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

表5 應用地質累計指數數法進行污染狀況分析

3.2.2 潛在生態危險指數法 由表6可知，從單個重金屬的潛在生態危險指數看，Cd在1區、2區和3區的Eir值分別為235.05，269.07，272.16，達到重度潛在生態危險水平，4區和5區Eir值分別為361.86和395.88，為極重潛在生態危險水平；Cu，Cr，Ni，Zn和Pb在5個研究區的Eir值均小于40，為輕度潛在生態危險水平；6種重金屬的潛在生態危險程度強弱順序為Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。

表6 應用潛在生態危險指數法進行污染狀況分析

對于5個研究區而言，1—3區的RI值分別為253.92，297.27，299.79，達到中度潛在生態危險水平，4區和5區的RI值分別為388.34和423.65，達到偏重潛在生態危險水平；5個研究區的潛在生態危險程度強弱順序為5區＞4區＞3區＞2區＞1區，5區的潛在生態危險水平最高，1區最低。

4 結論

（1）該矸石堆積地形成的風化土壤中，隨著排矸年限的增加，重金屬元素含量逐漸增加并趨于穩定；在坡地，不同坡位重金屬含量差異性較大，一般坡下部高于坡上部和坡中部；臺地地形較平坦，重金屬含量分布無明顯規律。分析其可能原因為排矸年限越長，矸石風化越充分，重金屬含量越高；地形越陡峭，雨水沖刷作用越強烈，坡上部和坡中部重金屬流失越嚴重，導致坡下部重金屬的富集與積累；植被對重金屬有較強的固持作用，植被覆蓋率越高，重金屬含量越穩定，因此矸石風化較好、植被覆蓋度較大的4區和5區重金屬含量較高且相對較穩定。

（2）地質累積指數法結果表明：5個研究區受到不同重金屬污染的程度不同，Cd污染最嚴重，為主要污染物，1—3區達到中度污染，4—5區達到偏重度污染；Ni在5個研究區均為輕度污染；對于Zn，1區排矸年限短、坡度大、植被覆蓋率低，元素流失嚴重未形成污染外，其它4個區均為輕度污染；Cu分布較均勻，5個區均為輕度污染；Cr和Pb在該矸石堆積地的平均含量較低，整體未形成污染，但由于排矸年限、地形、植被覆蓋等因素影響，污染分布不均勻，Cr在3區和5區為輕度污染，Pb在2區為輕度污染。根據地質累積指數值（即Igeo值）可知6種重金屬的污染強弱順序為Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

（3）潛在生態危險指數法結果表明，三里洞煤礦矸石堆積地的主要污染物為Cd，Eir范圍在235.05～395.88之間，在5個研究區均達到了重度或極重潛在生態危險水平，其它5種重金屬均為輕度潛在生態危險水平；對于5個研究區而言，綜合6種重金屬元素的污染可知，5區污染最嚴重，1區污染最輕，5個研究區受污染強弱程度順序為5區＞4區＞3區＞2區＞1區。可見，排矸年限越長、地形越平坦、植被覆蓋率越高，重金屬污染越嚴重。

（4）分別應用地質累積指數法和潛在生態危險指數法兩種污染評價方法對該矸石堆積地進行了污染分析與評價，地質累積指數法側重于對某一研究區域內單一重金屬的污染級別劃分，但是不能明確給出在研究區受到多種重金屬復合污染情況下的污染強度。潛在生態危險指數法中重金屬毒性響應系數Tir的引入具有重要的實際意義，Tir是美國國家環保局根據對生物體的大量毒性試驗和“三致”效應的研究成果，它結合了重金屬的生態效應、環境效應和毒理學原理，在重金屬對人體健康、生物生長等方面表現的差異性充分表示出來，能夠客觀評價重金屬排放區對周圍環境的現實和潛在危害程度。

本文應用這兩種方法進行污染分析與評價，結果基本一致。該研究區的主要污染物為Cd，對環境的污染最為嚴重，該地應加強對Cd污染的預防和治理；Cu和Pb雖然含量較低，但因為它們的毒性響應系數較高，對周圍環境仍存在一定的污染；Ni和Zn含量較高，但因其毒性響應系數較低，對周圍環境的污染較輕；Cr除了個別區域外，基本不形成污染。

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