煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)

＊鄭恒 郭方磊 黃裕濤 胡紫燕 劉少敏

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院 安徽 232001）

引言

煤矸石中含有多種有害或潛在有害的微量元素，在天然雨水淋溶下會(huì)析出多種重金屬元素[1]，煤矸石山中析出的重金屬通過矸石孔隙下滲進(jìn)入土壤，通過地表徑流進(jìn)入周圍環(huán)境[2]，造成周邊土壤累積性污染[3]，重金屬通過土壤進(jìn)入周邊植物體內(nèi)，最終危害人類健康[4-5]，所以需要采用科學(xué)的方法對(duì)矸石山附近土壤進(jìn)行污染等級(jí)劃分，辨別出關(guān)鍵的污染因子，進(jìn)而對(duì)污染區(qū)域土壤進(jìn)行檢測、修復(fù)。

1.材料與方法

(1)研究區(qū)域概況

創(chuàng)大生態(tài)園位于淮南潘集區(qū)潘集鎮(zhèn)和田集街道之間，在其修復(fù)之前，由于30年煤炭高強(qiáng)度開采，該區(qū)域由曾經(jīng)的良田演變成一片采煤塌陷塘，土壤理化性質(zhì)較差，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，失去了土壤的耕性，自2007年開始，淮南市政府開始對(duì)該塌陷區(qū)域進(jìn)行土地治理，通過煤矸石回填后進(jìn)行覆土恢復(fù)生產(chǎn)。復(fù)墾區(qū)年平均降水量926mm，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，年平均氣溫為15.3℃。

(2)樣品采集與處理

如圖1，于創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)山頂、山腰和山腳設(shè)置采樣點(diǎn)共16個(gè)，樣點(diǎn)間隔10m，每個(gè)采樣點(diǎn)按照對(duì)角線采樣法采集五個(gè)樣品，土樣采集0～20cm土層的土壤，然后充分混合。

圖1 采樣點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout sampling point

土壤帶回實(shí)驗(yàn)室后，去除雜草、石塊，用四分法去除多余土壤，保留約500g，風(fēng)干后碾碎，分別過100目、200目篩網(wǎng)。

2.重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

(1)單因子指數(shù)法[6]

其計(jì)算公式為：I=Ci/C0

式中，I為土壤中單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為某項(xiàng)因子的實(shí)測含量；C0為某項(xiàng)因子標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[6-7]

式中，Pn為單點(diǎn)土壤重金屬綜合污染指數(shù)；I為同一樣品中各單項(xiàng)I的平均值；Imax為同一樣品中單項(xiàng)I的最大值。

(3)區(qū)域綜合污染負(fù)荷指數(shù)

該指數(shù)由評(píng)價(jià)區(qū)域所包含的多種重金屬成分共同構(gòu)成，能直觀地反映各個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)區(qū)域總污染的貢獻(xiàn)程度。其評(píng)價(jià)公式為[2]：

式中：Pzone為流域污染負(fù)荷指數(shù)；n為評(píng)價(jià)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3.結(jié)果分析

(1)土壤重金屬含量及分擔(dān)率

實(shí)驗(yàn)檢測所有樣品均檢測出Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg八種重金屬元素，檢出率為100%。

土壤污染物分擔(dān)率是指土壤單項(xiàng)指標(biāo)的污染指數(shù)占土壤各項(xiàng)指標(biāo)污染指數(shù)和的百分?jǐn)?shù)，可以確定研究區(qū)域土壤的主要污染物。由表1可以看出，創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染主次順序?yàn)椋篊d＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr＞As＞Ni＞Hg，其主要重金屬污染物是Cd、Cu、Pb。

表1 單因子指數(shù)法污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Pollution degree classification by single factor index

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Pollution degree classification by Nemero

表3 創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量及分擔(dān)率Tab.3 Heavy metal content and share rate of Chuangda reclamation area

(2)生態(tài)園山頂土壤污染評(píng)價(jià)

對(duì)生態(tài)園山頂土壤各重金屬進(jìn)行單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果作出相應(yīng)的箱線圖，由圖2可以看出各重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)均值都小于1，未對(duì)土壤造成污染。其中Pb、Zn、As在個(gè)別樣點(diǎn)處單項(xiàng)污染指數(shù)大于1，屬于輕度污染。根據(jù)Nemerow公式計(jì)算出山頂各點(diǎn)重金屬綜合污染指數(shù)取平均值0.7＜0.865＜1，可知山頂區(qū)域重金屬污染為尚清潔水平。

圖2 山頂土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)箱線圖Fig.2 Individual pollution index of soil heavy metals at hilltop

(3)生態(tài)園山腰鴨場附近土壤污染評(píng)價(jià)

對(duì)生態(tài)園山腰鴨場附近土壤各重金屬進(jìn)行單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果作出相應(yīng)的箱線圖，由圖3可以看出該區(qū)域Cd、Pb污染相對(duì)較高，其單項(xiàng)污染指數(shù)集中在1～2，Pb個(gè)別樣品污染指數(shù)＜1，屬于輕度污染；Cu、Zn、Cr、Ni、As、Hg單項(xiàng)污染指數(shù)集中在0～1，未對(duì)該區(qū)域土壤造成污染。根據(jù)Nemerow公式計(jì)算出山頂各點(diǎn)重金屬綜合污染指數(shù)并取平均值為1＜1.188＜2，說明該區(qū)域土壤重金屬為輕度污染。

圖3 山腰土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)箱線圖Fig.3 Individual pollution index of soil heavy metals at hillside

(4)生態(tài)園山腳田地土壤污染評(píng)價(jià)

對(duì)生態(tài)園山腰鴨場附近土壤進(jìn)行各重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果作出相應(yīng)的箱線圖，由圖4可以看出該區(qū)域Cu、Pb、Cd、Zn、As污染相對(duì)較高，其單項(xiàng)污染指數(shù)集中在1～2，個(gè)別樣品＜1，屬于輕度污染；Cr、Ni、Hg相對(duì)污染指數(shù)集中在0～1，個(gè)別樣品＞1，對(duì)該區(qū)域土壤幾乎沒有污染。根據(jù)Nemerow公式計(jì)算出山頂各點(diǎn)重金屬綜合污染指數(shù)并取平均值為1＜1.476＜2，說明該區(qū)域土壤重金屬為輕度污染。

圖4 山腳土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)箱線圖Fig.4 Individual pollution index of soil heavy metals at the foot hill

(5)創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染空間特征

單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法是對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)中單一金屬污染程度和多種金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)和劃分，綜合污染指數(shù)法可以計(jì)算整個(gè)采樣區(qū)域土壤重金屬污染的綜合指數(shù)，通過每個(gè)區(qū)域的綜合污染指數(shù)進(jìn)而描繪創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)的重金屬污染空間特征。

表4 點(diǎn)污染評(píng)價(jià)指數(shù)Pn和區(qū)域綜合污染負(fù)荷指數(shù)PzoneTab.4 Point pollution evaluation index Pn and Regional comprehensive pollution load index Pzone

通過計(jì)算山頂、山腰和山底三個(gè)區(qū)域各采樣點(diǎn)的點(diǎn)污染評(píng)價(jià)指數(shù)，可以看出各區(qū)域所有采樣點(diǎn)的點(diǎn)污染評(píng)價(jià)指數(shù)以及均值大小都為山頂＜山腰＜山腳；對(duì)三個(gè)區(qū)域進(jìn)行綜合污染評(píng)價(jià)，可以看出各區(qū)域綜合污染負(fù)荷指數(shù)Pzone大小為山頂＜山腰＜山腳，說明創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染從山頂?shù)缴降字饾u加重，這是因?yàn)槎逊e的煤矸石在雨水淋溶下析出重金屬，并通過橫向擴(kuò)散至外層覆土，且同時(shí)在重力作用下向下遷移，不斷下滲并在山腳逐漸累積[8]。

4.結(jié)論

創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染總體較輕，其中山頂和山腰區(qū)域重金屬污染水平為尚清潔，在警戒線以下，山腳污染程度為輕度污染；

用單因子指數(shù)法對(duì)土壤單項(xiàng)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，可知?jiǎng)?chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)土壤主要重金屬污染元素為Cd、Cu、Pb，所以需要重點(diǎn)監(jiān)測這三種重金屬，并做好修復(fù)工作。

通過計(jì)算創(chuàng)大生態(tài)園復(fù)墾區(qū)三個(gè)區(qū)域綜合污染負(fù)荷指數(shù)并比較其空間污染特征，可知復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染狀況從山頂?shù)缴侥_依次加重，所以需要加強(qiáng)對(duì)煤矸石山底土壤重金屬的監(jiān)測，防止重金屬在山腳土壤累積，通過土壤轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，最終危害人類身體健康。