煤礦城市表層土壤As和Cd空間分布與污染評價

王長壘 邢雅珍

摘要 以安徽省淮南市為研究對象，共采集99個土壤樣品，分析土壤中As、Cd這2種重金屬的含量，運用克里金插值法分析其空間分布情況，采用地累積指數法及潛在生態風險指數評價該地區重金屬累積程度和生態危害程度，采用PMF5.0分析污染源。結果表明，該地區不同土地利用方式表層土壤中As、Cd超過淮南市土壤背景值的采樣點占比分別為非礦區農田（As 0）、礦區農田（As 10.42%）、林地（As 12.50%）、城市土壤（As 15.38%）和城市土壤（Cd 7.69%）、非礦區農田（Cd 10.00%）、礦區農田（Cd 12.77%）、林地（Cd 31.25%）;重金屬As和Cd的污染區為鳳臺縣礦區農田（煤矸石堆放點）、八公山林區和上窯林區;重金屬地積累指數Igeo數據集中在0以下，屬于無污染;As的潛在生態風險指數Eir最大值<40，屬于輕微污染。除八公山區的Cd的Eir最大值>80，屬于強污染外，其他部分屬于輕度污染到中度污染?？偟膩碚f，淮南地區土壤重金屬富集區域少，并沒有因為采煤活動給土壤環境造成重大影響。

關鍵詞 土壤;重金屬;空間分布;污染評價

中圖分類號 X 53 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）12-0094-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.026

開放科學（資源服務）標識碼（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

隨著城市化和工業化發展，土壤重金屬已引起人們的高度重視。因為重金屬的毒性和難降解性，已使其成為世界環境污染問題的重大問題之一[1-4]。重金屬會在土壤中隨著時間富集，當富集到一定程度時，會對土壤中的動植物造成影響，進而對人體健康產生危害[5-8]。重金屬的來源分為自然來源和人為活動。自然來源主要是由于成土母質的影響，人為來源包含農業、工業、交通和采礦等人為活動[9-10]。

淮南作為一個典型的煤炭資源型城市，煤炭工業尤其是煤炭采選業占據重要地位[11]，近100年來的采煤活動不僅帶來了經濟效益，也對環境產生了重大影響。如煤炭開采時的堆放、運輸和副產品的處理，以及采煤后形成的塌陷區和煤矸石充填復墾區，都對環境造成破壞[12]。因此，有大量的研究人員對淮南煤矸石堆放區和煤矸石充填復墾區周邊小范圍環境進行了研究和調查。如李洪偉等[13]研究發現新集煤矸石堆放礦區5～500 m表層土壤重金屬Co、Cr、Cu、Pb、Zn均未超過土壤環境質量標準國家二級標準;鄭永紅等[14]發現潘一礦復墾區采樣點范圍不超過2 000 m，Cu、Ni、Pb、Cd 和 Hg 這 5 種重金屬元素含量均高于淮南市土壤背景值，并且 Cu、Ni、Pb、Cd、Hg元素達到了輕微污染水平，Cd 元素達到了顯著污染水平;盧嵐嵐等[15]研究表明顧橋煤矸石堆0～1 200 m除Cd外，Zn、Pb、Ni、Cr、Cu均未造成潛在污染。查閱相關文獻，前人的研究結果皆表明在煤礦區小范圍內存在重金屬富集現象，但進行大區域調查時，結果是否與小范圍調查結果情況相同目前沒有確切答案。對淮南有關煤礦區的試驗結果進行整理和總結，結果表明淮南礦區As、Cd超標。針對這一現象，筆者測量淮南地區不同土地利用方式的土壤表層的土壤重金屬含量（As、Cd），通過ArcGIS的克里金插值法對重金屬（As、Cd）的空間分布進行分析，并用地累積指數法和潛在生態風險指數評價該地區重金屬累積程度和生態危害程度，探討煤礦開采活動是否對土壤重金屬As、Cd造成重大影響，為淮南整體區域研究提供有效信息。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

淮南（32°32′45″～33°00′24″N，116°21′21″～117°11′59″E）地處安徽省中部偏北，淮河中游。以淮河為界形成2種不同的地貌類型，淮河以南為丘陵，淮河以北為地勢平坦的淮北平原。此外，淮南屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，氣候特征顯著，年平均氣溫為15.3 ℃，年平均降水量926 mm?；茨厦禾抠Y源豐富，是典型的煤礦城市。

淮南煤田遠景儲量444億t，探明儲量180億t，占安徽省的70%，占華東地區的32%。到2010年底煤炭產量達1億t左右，是中國13個億噸煤炭基地之一。自1903年開礦，含有潘集、新集、定遠等7大礦區，擁有大、中型礦井不少于40座，是安徽省重要煤電一體化基地和國家煤炭資源開采與利用的重大工程建設區。前人對新莊孜礦、顧橋礦、潘一礦、大通礦這4個礦區研究較多。新莊孜礦位于淮南礦區的東南部，淮河兩側，地形比較平坦，建于1947 年;潘一礦位于淮南礦區的北部，建于1983年;顧橋礦位于淮南礦區的中西部，建于2007年;大通礦煤礦廢棄地位于淮南市南部大通區的九龍崗與洞山之間，開采于1911年，閉坑于1978年。

1.2 樣品采集與處理

參照《土壤環境監測技術規范》進行網格布點法，采表土0～20 cm，該研究在淮南地區共布設99個采樣點，如圖1。結合淮南的實際情況，利用ArcGIS對采樣點位在電子地圖上布點，用手持GPS進行定點采樣，實際誤差與布點不超過200 m，特殊情況除外（采樣點落在淮河中間）。在99個采樣點中有16個點位為林地，26個點位為城市用地，48個點位為礦區農田，9個點位為非礦區農田。每個樣品采用梅花形采樣法采樣，混合均勻后用聚氯乙烯塑料袋包裝作為樣品。自然風干后，將其中的石塊、植物殘根和雜物剔除干凈，用瑪瑙研缽研磨，過100目尼龍篩，裝袋密封備用。用火焰原子吸光光度法測量Cd和原子熒光光度法測量As。As和Cd的檢測線分別為1和0.02 ?mg/kg。

1.3 數據統計分析

采用SPSS 19.0和Excel對重金屬進行統計分析。運用ArcGIS 10.1中的普通克里金插值法進行空間分析。

1.4 評價方法

1.4.1 地積累指數法。地積累指數法多用于對沉積物或土壤中的重金屬污染，其公式如下：

Igeo= log2[Ci /（k×Bi）]（1）

式中，Ci為土壤中重金屬的實測含量（mg/kg）;k為修正造巖運動引起的背景波動而設定的系數，此處k=1.5;Bi為i元素的地球化學背景值（mg/kg），該研究采用淮南市土壤重金屬背景值。根據Igeo把土壤重金屬污染程度劃分為7個等級，見表1。

1.4.2 潛在生態危害指數法。

潛在生態危害指數法是目前一種較為常用的評價重金屬污染程度的評價方法，其計算公式如下：

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

式中，RI為多種重金屬綜合潛在生態風險指數;Eir為重金屬i的單項潛在風險系數;Ti為采樣點重金屬i的毒性響應系數，該研究所用的重金屬毒性響應系數為As=10、Cd=30;Cir為重金屬i的污染指數;Cis為重金屬i的實測含量（mg/kg）;Cin為重金屬i的參比值，該研究采用了淮南市土壤重金屬背景值（ mg/kg）。土壤潛在生態風險指數和生態危害分級如表2。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤重金屬含量

根據不同的土地利用方式，將淮南地區土壤分為城市、林地、非礦區農田、礦區農田，對這4種土壤進行描述性統計分析，見表3。城市、林地、非礦區農田、礦區農田的As的算術平均值分別為8.88、10.30、7.91、7.32 mg/kg，4種土壤中的As平均含量皆沒有超過淮南市背景值（10.50 mg/kg）[16]。城市、林地、非礦區農田、礦區農田的Cd的算術平均值分別為0.04、0.05、0.04、0.04 ?mg/kg;這4種土壤的Cd平均含量皆低于淮南土壤重金屬背景值。此外，林地的As和Cd的算術平均值高于城市、非礦區農田和礦區農田。城市、林地、非礦區農田、礦區農田的As的最大值分別為背景值的1.79、3.01、0.99、3.76倍，城市、林地、非礦區農田、礦區農田的Cd的最大值分別為背景值的3.17、1.50、1.33、1.33倍。

參考標準偏差和變異系數（CV），城市、林地、非礦區農田、礦區農田的土壤重金屬含量變異較大。按照標準，CV<20%為低變異性，21%≤CV≤50%為中等變異性，51%≤CV≤100%為高等變異性，CV>100%為極高變異性。由表3可知，非礦區農田As的CV為18.14%，是低變異性;城市As，林地、非礦區農田和礦區農田Cd的CV分別為31.67%、47.75%、48.42%和39.02%，皆為中等變異性;林地和礦區農田的As，以及城市的Cd的CV分別為71.87%、70.43%和93.35%，屬于高等變異性。環境中的高變異性意味著人為來源的干擾。由此推測，除礦區農田和城市外，淮南的林地也受到了人為活動的影響。

2.2 土壤重金屬的空間分布 從圖2可看出，林地Cd的采樣點超過淮南市背景值占比最高，為31.25%，非礦區農田的最低，為0。對重金屬As而言，樣品超標占比依次為非礦區農田（0）<礦區農田（10.42%）<林地（12.50%）<城市土壤（15.38%）;對重金屬Cd而言，樣品超超標占比依次為城市（7.69%）<非礦區農田（10.00%）<礦區農田（12.77%）<林地（31.25%）。此外，除城市土壤外，As和Cd的超標占比趨勢相同，皆為非礦區農田<礦區農田<林地。根據土壤重金屬的平均值、最大值以及超標占比可以推測，淮南大部分地區土壤中重金屬受污染程度低，并沒有因為采礦等活動對土壤造成嚴重的重金屬污染，這與鄭永紅等[14]的研究結果有所出入。

2.3 土壤重金屬的污染評價

2.3.1 基于地累積指數的土壤重金屬污染評價?；茨系貐^土壤重金屬As和Cd的Igeo值如圖3。重金屬Igeo的中位數As（-1.01）>Cd（-0.40）。根據地累積指數標準，As和Cd絕

大部分都處于無污染狀態。As（1.39）和Cd（1.08）最大值采樣點處于中污染。As、Cd的Igeo值集中在上下四分位之間，這些點為有效值，可以代表說明淮南市整體情況。比較城市、林地、非礦區農田、礦區農田，說明淮南地區土壤整體情況良好，并沒有因為采礦活動給土壤環境造成重大影響。

2.3.2 基于潛在生態危害指數的土壤重金屬污染評價。

對土壤重金屬進行空間方面的分析有利于評估潛在的污染源。該試驗采用ArcGIS 10.1版本中的普通克里金插值法，制作淮南地區土壤重金屬As、Cd的潛在生態指數空間分布如圖4。As的Eir最大值<40，屬于輕微污染;除八公山區的Cd的Eir最大值>80，屬于強污染外，其他部分屬于輕度污染到中度污染。其中中度污染地區多集中在煤礦開采區，非煤礦開采區包括上窯林區和八公山地區及其擴散地區。

重金屬As和Cd的污染區煤礦開采區和非煤礦開采區皆有，且3處污染區相同，分別為鳳臺縣礦區農田、八公山區和上窯林區。其中As的最嚴重污染區在鳳臺縣的礦區農田，該采樣點落在煤矸石堆放點，矸石山邊的農田土壤與煤矸石顆粒物混合。Cd的最嚴重污染區在八公山林區，該林地采樣點的土壤厚度<10 cm，基本上為紫紅色泥質頁巖和紫紅色泥質頁巖風化后的土壤。上窯林區采樣點的土壤為紫紅色泥質頁巖風化后的土壤，且周圍有生活垃圾的堆放。

鳳臺縣礦區農田的重金屬As、Cd含量超過淮南市土壤背景。該采樣點西、東的采樣點比該點的重金屬As含量低，重金屬含量距離煤矸石山越遠，含量越高，與王興明等[17]表層土壤中Zn、Pb含量在距離矸石山一定距離后達峰值相吻合。非采礦區中超過土壤背景值的地區為八公山區和上窯林地。因為土壤中紫紅色泥質頁巖，而紫紅色泥質頁巖的Fe離子含量較高，并且表層土壤化學組成表現出既對深層土壤具有一定的繼承性，又在表生作用下發生某些變化[18]。所以八公山區和上窯林區的As、Cd含量高于淮南市土壤重金屬背景值。由此推測，除煤矸石堆放點屬于人類活動對土壤造成重金屬影響外，淮南地區土壤重金屬超標來源主要是由于成土母質的風化過程對土壤重金屬本底含量的影響。

3 結論

（1）淮南地區城市、林地、非礦區農田、礦區農田這4種土壤中的As平均含量皆沒有超過淮南市背景值（10.50 mg/kg），并且這4種土壤中的Cd平均含量也沒有超過淮南市背景值（0.06 mg/kg）。As樣品超過淮南土壤重金屬背景值數量占比依次為非礦區農田<礦區農田<林地<城市土壤，Cd樣品超標占比依次為城市<非礦區農田<礦區農田<林地。其中，林地Cd的超標占比最高，為31.25%。

（2）重金屬As和Cd的污染區為鳳臺縣礦區農田、八公山區和上窯林區。鳳臺縣礦區農田的重金屬As、Cd含量超過淮南市土壤背景可能因為該采樣點落在煤矸石堆放點，矸石山邊的農田土壤與煤矸石顆粒物混合。八公山區和上窯林區是因為土壤中含有紫紅色泥質頁巖，從而對重金屬吸附造成影響。由此推測，除煤矸石堆放點屬于人類活動對土壤造成重金屬影響外，淮南地區土壤重金屬超標來源主要是由于成土母質的風化過程對土壤重金屬本底含量的影響。

（3）重金屬Igeo的中位數As>Cd，數據集中在0以下，說明淮南地區土壤整體情況良好，并沒有因為采礦等人類活動給土壤環境造成重大影響。As的Eir最大值<40，屬于輕微污染;除八公山區的Cd的Eir最大值>80，屬于強污染外，其他部分屬于輕度污染到中度污染。說明淮南地區土壤重金屬As、Cd污染程度較低。因為煤炭開采等人為活動引起的重金屬污染對生態和人體健康的影響較低。

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