高速公路煤矸石路基周邊土壤重金屬污染特征及風險評價▲

摘 要：為探究高速公路煤矸石路基周邊土壤中重金屬遷移轉化特征及潛在的環境風險，以湖南省某高速公路煤矸石路基周邊土壤為研究對象，測定煤矸石路基周邊土壤中4種重金屬（ Cu、Zn、Pb、Cr） 含量并對其重金屬潛在風險進行分析及評價。結果表明：煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬的含量均未超過環境質量標準的限值，略大于當地土壤背景值，且隨距離的增大呈先上升后下降的趨勢。潛在環境風險評價結果表明Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬的Eir均小于40，RI小于150，均處于輕微風險水平，表明煤矸石作為路基填料對周邊土壤的潛在環境風險較小。

關鍵詞：煤矸石路基；土壤；重金屬；污染特征；風險評價

中圖分類號：X53" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）04-0096-03

煤矸石作為采煤和洗煤過程中排放的固體廢棄物，占煤炭總產量的10%～15%，其含量隨能源消耗的增長呈迅速增加趨勢[1]。若煤矸石得不到適當的利用，其過量的堆存不僅占用大量土地資源，還會造成大氣、土壤或水體污染等問題，嚴重時會發生泥石流、滑坡等地質災害[2]。因此，如何解決煤矸石帶來的社會環境問題，實現其高值化利用得到廣泛關注。

過去，許多國家一直致力于將煤矸石應用于建材工業、發電廠、農業和回填等行業，以解決煤矸石堆積的環境問題[3]。隨著我國公路鐵路的大規模興建，以及建材工業砂石材料的緊缺，煤矸石作為路基填料得到廣泛應用[4]。煤矸石作為路基填料時的消耗量是巨大的，不但解決我國煤矸石堆積占地大、污染大的問題，還能節省大量的土方，從而減少工程用土對沿線田地的破壞。然而，煤矸石的大量應用是否會對道路的沿線環境造成二次污染也是一個不容忽視的問題。因此，亟需探明煤矸石路基填料對道路沿線環境的影響程度。

目前，大多數學者主要集中于研究礦區堆放煤矸石對周圍土壤和水環境等的影響，重點聚焦于重金屬和硫化物等有害物質的含量分布、運移規律及環境風險評價方面[5]。僅有極少部分學者研究了路用煤矸石對道路沿線環境的二次污染。張超[6]分析了寧夏地區3種煤矸石中的重金屬含量，并指出將煤矸石作為路基填料時需考慮其可能對環境造成的影響。鄧仁健等人[7]利用淋溶試驗分析了煤矸石對高速公路沿線地下水造成的污染，并指出煤矸石中無機鹽是造成高速公路沿線地下水污染的主要原因。羅豐尊[8]基于實際工程案例研究了煤矸石路基對地下水的影響，結果顯示煤矸石路基在淋溶作用下，會破壞地下水以及土壤環境，且在動態淋溶作用下，污染物析出速率遠遠大于靜態作用下的析出率。黃滿紅等人[9]研究了pH對高速公路煤矸石路基材料淋溶特性的影響，結果顯示Mg2+ 、Na+、Ca2+ 、K+ 、SO42-、NO3-、CI-等有害微量離子呈現出不同的淋溶規律，pH越低，淋出濃度越大。

現有研究重點聚焦于煤矸石路基對道路沿線水環境的重金屬含量分布和遷移規律，但對道路沿線土壤重金屬污染的潛在生態風險及污染特征研究相對較少。因此，本研究以湖南某高速公路煤矸石路基周邊土壤中重金屬含量為研究對象，并運用潛在生態風險進行潛在風險評價，為將煤矸石作為路基填料的應用提供環境污染評價依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本采集與處理

土壤樣本采集于湖南省西南地區某高速公路（命名為AE），采樣深度為0～30 cm，布設7個采樣點，距高速公路煤矸石路基邊緣的距離分別為0 m、10 m、20 m、50 m、100 m、200 m和500 m，分別編號為AE1、AE2、AE3、AE4、AE5、AE6和AE7。

1.2 土壤樣本理化性質和重金屬含量測定

針對土壤樣品，首先分別采用酸度pH測定儀、重鉻酸鉀容量法、半微量凱氏定氮法測定土壤樣本的pH、TOC和TN，結果見表1。采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES Optima 8000）測定土壤樣本中Cu、Cr、Pb和Zn重金屬的含量。

1.3 土壤重金屬的潛在風險評價方法

為綜合評價煤矸石路基周邊土壤中重金屬的污染狀況，采用由德國瑞典地球化學家Hakanson[10]提出的可兼顧重金屬含量、生態效應、環境毒理學特征的評價沉積物中重金屬潛在風險程度的方法，其計算公式見式（1）至（3）。

式中：Cif為單項污染指數；Ci和Cin分別為重金屬含量實測值和標準值，mg·kg-1；Tir為重金屬i的毒性系數；Eir和RI分別為單一重金屬i和綜合潛在生態風險指數，其風險分類標準見表2。其中，Cu、Zn、Pb、Cr 4種重金屬元素的毒性響應系數分別為5、1、5、2[11]。

2 結果與討論

2.1 土壤中重金屬含量

煤矸石路基周邊不同距離土壤中的重金屬含量如表3所示。由表3可知，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬的含量均未超過土壤環境質量標準[12]的農用地土壤風險篩選值。與湖南省土壤背景值[13]相比，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr重金屬含量分別為土壤背景值的1.11倍、1.05倍、1.12倍和1.09倍。結果表明，將煤矸石作為路基填料時，其含有的重金屬會使高速公路周邊土壤重金屬含量增大，但遠低于農用地土壤風險篩選值，潛在環境風險不大。

此外，采用變異系數研究了煤矸石路基周邊土壤中重金屬元素受人為活動的影響，結果見表3。其中，變異系數越大，即表明研究區域土壤重金屬含量受人為活動影響越大。由表3可知，AE高速公路煤矸石路基周邊的重金屬變異系數除Zn外，其余重金屬的變異系數均高于10%，其順序為Cugt;Pbgt;Crgt;Zn，表明受人為活動的影響，道路沿線周邊土壤的重金屬含量和空間分布具有一定差異性。

2.2 土壤中重金屬含量分布特征

AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中重金屬含量隨距離的變化趨勢見圖1。由圖1可知，隨距煤矸石路基邊緣距離的增加，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中4種重金屬的含量均呈先增大后下降的趨勢。同時，計算距煤矸石路基0 m、10 m、20 m、50 m、100 m、200 m和500 m土壤中4種重金屬的總含量，分別為 219.65 mg·kg-1、225.79 mg·kg-1、233.82 mg·kg-1、251.4 mg·kg-1、265.73 mg·kg-1、241.64 mg·kg-1和216.7 mg·kg-1，總體也表現為隨距煤矸石路基距離越遠，重金屬含量呈現出先增加后降低的趨勢，與尚譽等人[14]關于煤矸石堆積區周邊土壤重金屬含量分布特征研究一致。結果表明，煤矸石路基在地下水侵浸或淋溶等作用可能導致其周邊土壤中重金屬的污染與富集。

2.3 土壤重金屬風險評價

本研究以湖南省土壤重金屬元素背景值作為參比，按照公式（1）和（2）計算Cu、Zn、Pb和Zn重金屬元素隨距離的風險指數，計算結果見圖2。由圖2可知，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤的4種重金屬的單項重金屬生態風險指數均隨距離的增大呈先增大后減小的趨勢，且均小于40，表明煤矸石路基周邊土壤的Cu、Zn、Pb和Zn重金屬污染均處于輕微風險水平。同時，計算7個采樣點單項重金屬潛在生態風險指數的平均值，結果顯示AE中土壤重金屬風險從高到低排序為： Pb＞Cu＞Cr＞Zn。其中，Pb和Cu的潛在生態風險指數均略大于5，而Cr和Zn 僅略大于2，表明4種重金屬的潛在生態風險水平非常低。

此外，按照式（3）計算了AE高速公路煤矸石路基周邊土壤重金屬綜合潛在生態風險指數RI值，結果見圖2。結果顯示，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤的RI也隨距離的增大而呈先增大后減小的趨勢，其RI處于12.39～16.01，均小于150，表明AE高速公路煤矸石路基周邊土壤均處于輕微風險水平。

3 結束語

湖南西南部某高速公路煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr4種重金屬的含量均小于土壤環境質量標準的限值，略大于湖南省土壤背景值。

Cu、Zn、Pb和Cr4種重金屬含量隨距煤矸石路基距離的增大而呈現先增大后減小的趨勢，表明煤矸石路基周邊土壤重金屬的污染和富集隨時間不斷遷移。

潛在生態風險指數法評價結果表明，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤單項重金屬潛在生態風險從低到高依次為：Znlt; Crlt; Cult; Pblt;40，RI遠小于150，均處于輕微風險水平，表明該高速公路煤矸石路基對周邊土地的安全利用影響較低。

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收稿日期：2023-12-11

▲基金項目：湖南省自然資源科技計劃項目“礦山煤矸石再利用于線性工程的重金屬污染評估研究”（2022G07）；湖南省重點領域研發計劃項目“碳排放監測核算理論、方法與系統研究”（2023SK2078）；長沙市自然科學基金項目“老化瀝青低溫性能劣化機理及其再生機制研究”（kq2202275）

作者簡介：朱俊材（1993—），男，廣西玉林人，博士研究生，講師，研究方向：路基路面工程。