山東省唐口礦區采煤塌陷地復墾土壤重金屬潛在生態風險評價

摘要：本文采集山東省唐口礦區采煤塌陷地復墾土壤樣品39個，分析了測試樣品中As、Hg、Cr、Pb、Zn、Cd、Cu、Ni的含量及pH，選取不同的參比值，采用潛在生態風險指數法對復墾土壤中重金屬污染狀況和潛在生態風險進行了評價。結果表明，研究區復墾土壤中重金屬含量除Cd外均未超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）中規定的農用地土壤污染風險篩選值。Hg、Pb、Zn的平均含量大于濟寧市表層土壤地球化學背景值。復墾土壤重金屬相關性分析表明，CrNi元素具有較高同源性；AsCuPbZn元素可能具有相似的來源，并且伴隨有復合來源的可能；Hg和Cd元素來源與其他重金屬不同。采用國家風險篩選值為參比值時，研究區復墾土壤整體生態風險水平為輕，但單項重金屬Cd存在中度污染風險，需要重點關注。采用土壤背景值為參比值時，研究區復墾土壤中As、Pb、Ni、Cu、Cr和Zn處于輕度生態風險等級；Hg處于強生態風險等級，部分樣品存在很強、極強生態風險等級；Cd雖處于輕度生態風險等級，但部分樣品存在中度、強生態風險等級。研究區復墾土壤重金屬綜合潛在生態風險以輕度、中度為主，Hg和Cd是主要貢獻因子。

關鍵詞：采煤塌陷地；復墾土壤；重金屬；潛在生態風險評價

中圖分類號：S154.4；X53""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.07.005

引文格式：王志亮，尹亞軍，張方龍，等.山東省唐口礦區采煤塌陷地復墾土壤重金屬潛在生態風險評價［J］.山東國土資源，2024，40（7）：3238.WANG Zhiliang，" YIN Yajun， ZHANG Fanglong， et al. Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Soil for Reclamation of Coal Mining Collapsed Land in Tangkou Mining Area in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（7）：3238.

收稿日期：20240206；修訂日期：20240318；編輯：王敏

基金項目：山東省重點研發計劃（重大科技創新工程），礦區土壤生態修復與大宗固廢高值利用關鍵技術及工程示范（項目編碼：2020CXGC011403）；2023年濟寧市重點研發計劃項目，采煤塌陷地生態修復關鍵技術集成與示范（項目編碼：2023HHCG003）

作者簡介：王志亮（1983—），男，山東臨朐人，高級工程師，主要從事礦產勘查、礦山生態修復工作；Email：wazl4585@163.com

*通訊作者：郭廣軍（1981—），男，山東東平人，高級工程師，主要從事礦產勘查、礦山生態修復工作；Email：guoguangjun126@126.com

0" 引言

隨著煤炭資源的大量開采，引發礦區大面積地表塌陷、土地嚴重破壞等問題。特別是在我國東部平原地區，煤炭埋藏地下，開采后地表塌陷容易形成積水區［12］，導致土地質量下降，甚至存在一定的污染風險，其中，重金屬是農田土壤的主要污染物［3］。土壤重金屬通過食物鏈進入人體，對健康造成嚴重威脅［45］，其危害持續時間長且具有積累性［68］。

山東省濟寧市是魯西煤炭資源基地的主要生產區，長期開采形成大量采煤塌陷地，采煤塌陷地復墾治理已經成為該地區的重要工作之一。目前針對濟寧地區復墾土壤重金屬污染的研究較少，因此，對該地區采煤塌陷地復墾土壤的重金屬含量特征進行研究，并開展污染風險評價及污染源識別是十分必要的。近年來，大量學者在土壤重金屬污染方面進行了大量研究工作，土壤重金屬評價的方法也在不斷完善和發展［9］，瑞典科學家L．Hakanson提出的潛在生態危害指數法已被證實是一種廣泛應用且全面、科學的評價方法［1011］，許多學者［1214］在進行塌陷地土壤重金屬污染評價研究時，大量使用了該評價方法。本文通過測定研究區復墾表層土壤樣品中重金屬元素的含量水平，在分析研究區復墾土壤中重金屬污染程度的基礎上，采用潛在生態風險指數法對復墾土壤中重金屬潛在生態風險進行評價，為采煤塌陷地土壤重金屬污染防治提供科學依據。

1" 研究區概況

本次研究的煤礦復墾區位于濟寧市任城區西部（圖1），該區屬大陸性季風氣候區，四季分明，降水多集中于每年的7—8月份。一般春季雨量少，時有春旱。該區地貌類型為沖積、湖積平原，地形平坦。區內主要河流為京杭運河，系人工河，自南水北調工程完成，運河水流自南向北流淌。本區復墾土壤來源主要為周邊清理的堆土，或者周邊施工場地開挖土方，按照耕植土剝離—客土回填—耕植土回填—土地平整的方式實施復墾。本次研究區域為2020年、2021年、2022年復墾完成的土地。目前，耕地主要種植玉米、小麥，林地種植楊樹、法國梧桐、白蠟、海棠、桃樹、核桃等。

2" 材料與方法

2.1" 樣品采集

本次研究根據土地類型的不同，布設了24個耕地土壤采樣點，15個林地土壤采樣點，共計39處土壤采樣地塊，具體位置見圖1。土壤樣品采樣深度均為0～20cm。土壤采集選取梅花采樣法，即在一個10m×10m單位面積的采樣區域內，按東南西北中分點采取0～20cm深的耕植層土壤，5個分樣混合均勻，再用四分法縮分至1kg左右采樣，用塑料袋封存、編號后送交實驗室分析測試。

2.2" 樣品加工、測試

土壤樣品的化驗檢測工作由山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊）實驗室承擔，該實驗室具有CMA檢驗檢測機構資質認定。土壤樣品在實驗室先風干，再磨細后送

交分析室分析。pH采用電位法測定（水土比為1∶2.5）；經HFHNO3HClO4的混合溶液消解后，采用電感耦合等離子體質譜法（ICPMS 7850）測定Cr、Ni、Cu、Zn、Pb和Cd的含量;經王水消解后，采用原子熒光法（AFS8330）測定Hg和As的含量［15］。分析時，每批樣品均加入監控樣品（標樣），確保數據報出率為100%。通過做空白實驗和添加平行樣分析確保樣品的分析測試質量。

2.3" 數據分析

文中數據整理和計算采用Excel 2016處理。野外采用GPS定位采樣點位置，室內利用MapGIS 6.7軟件繪制成圖。利用SPSS 26.0軟件進行統計分析、相關性分析，利用Origin 2022繪制相關圖件。

2.4" 潛在生態風險評價方法

潛在生態風險評價采用瑞典科學家L．Hakanson提出的潛在生態危害指數法［16］。該方法既能反映多種重金屬對生態環境的綜合影響，又能反映出單一項重金屬危害貢獻性的大小［11，17］。其計算公式為：

Eir=Tir×CiCin（1）

RI=∑ni=1Eir（2）

式中：Eir為某項重金屬i的潛在生態風險系數；Tir為某項重金屬i的毒性響應系數，本文參照徐爭啟等［18］對12種重金屬元素毒性系數的研究，確定了本文中重金屬評價的毒性系數（表1）；Ci為某項重金屬i的含量實測值；Cin為某項重金屬i的參比值；RI為樣點土壤綜合潛在生態風險指數。

潛在生態危害系數（Eir）評價分級分為輕度、中度、強、很強和極強5個等級，潛在生態風險指數（RI）分級分為輕度、中度、強和很強4個等級［6，19］，分級標準見表2。

3" 結果與分析

3.1" 復墾區土壤重金屬含量統計

根據研究區復墾土壤中重金屬元素含量統計結果（表3），復墾土壤pH 6.15～8.23，平均7.37，約有75%的土壤樣品pH大于6.84，因此研究區復墾土壤以中、堿性為主；重金屬As含量5.78～11.80mg/kg，均值7.85mg/kg；Hg含量0.016～0.398mg/kg，均值0.10mg/kg；Cr含量40.9～87.2mg/kg，均值58.64mg/kg；Pb含量19.1～34.8mg/kg，均值25.66mg/kg；Zn含量48.9～169.2mg/kg，均值84.02mg/kg；Cd含量0.08～0.45mg/kg，均值0.15mg/kg；Cu含量15.1～36.6mg/kg，均值24.69mg/kg；Ni含量18.4～45.9mg/kg，均值28.89mg/kg。

變異系數可以反映重金屬在土壤中的分布和污染程度的差異性，變異系數越大則分布差異越大［20］，變異系數gt;36%時，為高度變異；16%＜變異系數≤36%時，為中等變異；變異系數≤16%時為弱變異［6］。研究區復墾土壤中重金屬元素變異系數大小排序為Hg＞Cd＞Zn＞Ni＞Cu＞Cr＞As＞Pb，其中，Hg和Cd的變異系數分別為85.55%和46.24%，屬高度變異，說明Hg和Cd元素空間分布極不均勻，表明人類活動影響已經導致研究區復墾土壤重金屬積累。因此，在土地復墾時應對研究區土壤中重金屬Hg、Cd的污染情況重點關注。Zn、Ni、Cu、Cr和As的變異系數在20.44%～35.82%之間，屬中等變異；Pb的變異系數為14.71%，屬弱變異，表明Pb元素空間分布較均勻。

3.2" 復墾區土壤重金屬污染狀況

由表3可知，研究區復墾土壤中除Cd外其他重金屬均未超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）中規定的農用地土壤污染風險篩選值［21］。Cd元素的含量平均值雖未超過污染風險篩選值，但Cd元素最大值有1個樣品超標，超標樣品含量為0.45mg/kg（6.5＜pH≤7.5），為風險篩選值的1.5倍，說明Cd元素存在污染風險;而其他重金屬元素含量的最大值未超過農用地土壤污染風險篩選值限值。

參照濟寧市表層土壤地球化學背景值進行對比［22］，由表3可知，復墾土壤重金屬Hg、Pb和Zn含量的均值為背景值的2.65、1.10和1.16倍，其余5種重金屬的均值未超過背景值。從圖2可以看出，所有樣品中均有部分樣品重金屬含量超過背景值，Hg、Pb、Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、As超標樣品占比分別為87.2%、64.1%、53.8%、38.5%、30.8%、25.6%、23.1%、10.3%。這表明復墾土壤中重金屬有不同程度的富集，其中Hg、Pb、Zn富集程度較高，Ni、Cd、Cu、Cr、As富集程度較低。

3.3" 復墾土壤重金屬相關性分析

根據復墾土壤重金屬相關性分析結果（表4），AsCrNi和CuCrNi兩個元素組合相關系數均大于0.8，均呈極顯著正相關（P＜0.01），說明這些元素可能具有相似的來源，且相關系數越大，相似來源的可能性越大［22］。Cr和Ni相關系數最大，為0.998，有研究表明，重金屬Cr和Ni與成土母巖高度相關［23］。AsCuPbZn組合的相關系數處于0.5～0.8之間，呈極顯著中度正相關（P＜0.01），且與CrNi組合有顯著中度相關性，說明AsCuPbZn元素可能具有相似的來源，并且伴隨有復合來源的可能，即除了受到成土母質影響，也可能受到人為活動影響［24］。Hg元素相對孤立，僅與CrNi呈極顯著負相關（P＜0.01）、與As呈顯著負相關（P＜0.05），但相關系數均小于0.5，相關性較弱，說明Hg的污染源可能與其他重金屬不同。Cd與其他重金屬無顯著相關性，說明其來源與其他重金屬不同。

3.4" 復墾土壤重金屬潛在生態風險評價

選取國家風險篩選值為參比值［21］，通過計算得到重金屬的潛在生態風險系數（Ei）和綜合生態風險指數（RI），如表5所示。復墾土壤中重金屬的平均值均小于40，潛在生態風險等級為輕度，重金屬Cd有1個樣品存在中度潛在生態風險等級。綜合潛在生態風險指數RI最小值為9.85，最大值為51.87，平均值為19.70，屬于輕度潛在生態風險等級。以國家風險篩選值為參比值時，研究區復墾土壤整體生態風險水平為輕，但單項重金屬Cd存在中度污染風險，需要重點關注。

選取濟寧市表層土壤地球化學背景值為參比值［22］，通過計算得到重金屬的潛在生態風險系數（Ei）和綜合生態風險指數（RI），如表6所示。從圖3來看，研究區復墾土壤潛在生態風險等級大小依次為Hg＞Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn，其中，As、Pb、Ni、Cu、Cr和Zn的潛在生態風險系數均小于40，評價為輕度生態風險等級；復墾土壤中Hg的值為17.78～442.22，平均106.18，處于強生態風險等級水平，部分樣品存在很強和極強潛在生態風險等級，樣品占比分別為10.3%、5.1%。復墾土壤中Cd的值為15.19～85.44，平均27.60，雖處于輕度生態風險等級，但部分樣品存在中度、強潛在生態風險等級，樣品占比分別為7.7%、2.6%。綜合潛在生態風險指數RI最小值為57.23，最大值為492.01，平均值為158.76，研究區復墾土壤重金屬潛在生態風險以輕度、中度為主，樣品占比分別為59.0%、35.9%，少部分樣品達到強生態風險（5.1%）。綜合評價為中度潛在生態風險水平，其貢獻因子為Hg和Cd，原因可能為Hg和Cd在復墾土壤中發生了不同程度的富集，需重點關注。另外由于Hg和Cd的毒性系數相對較高，使計算的單項重金屬潛在生態風險系數和綜合潛在生態風險指數結果偏大。

綜上對比發現，選取不同的參比值，潛在生態風險的評價結果差別很大。主要原因是土壤風險篩選值與土壤背景值差異較大，部分樣品重金屬的含量雖低于國家風險篩選值，但高于濟寧市表層土壤背景值。風險篩選值反映的是重金屬含量的污染臨界值，土壤背景值反映的是區域土壤環境的自然質量基準值或標準值［2526］。

4" 結語

（1）研究區復墾土壤中重金屬含量除Cd外均未超過GB15618—2018中規定的農用地土壤污染風險篩選值。6.5＜pH≤7.5時，39個樣品中有1個樣品的Cd含量超出農用地土壤污染風險篩選限值，為風險篩選值的1.5倍，說明存在污染風險。復墾土壤重金屬Hg、Pb和Zn的平均含量大于濟寧市表層土壤地球化學背景值，其中Hg、Pb、Zn富集程度較高，Ni、Cd、Cu、Cr、As富集程度較低。

（2）復墾土壤重金屬相關性分析表明，CrNi元素具有較高同源性；AsCuPbZn元素可能具有相似的來源，并且伴隨有復合來源的可能；Hg和Cd元素來源與其他重金屬不同。

（3）采用國家風險篩選值為參比值的潛在生態風險評價結果表明，研究區復墾土壤整體生態風險水平為輕，但單項重金屬Cd存在中度污染風險，需要重點關注。采用土壤背景值為參比值的潛在生態風險評價結果表明，研究區復墾土壤重金屬單項潛在生態風險等級大小依次為Hg＞Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn，其中，As、Pb、Ni、Cu、Cr和Zn處于輕度生態風險等級；Hg處于強生態風險等級，部分樣品存在很強、極強生態風險等級；Cd雖處于輕度生態風險等級，但部分樣品存在中度、強生態風險等級。研究區復墾土壤重金屬綜合潛在生態風險以輕度、中度為主，Hg和Cd是引起研究區復墾土壤重金屬生態危害的主要因子。

（4）綜合來看，重金屬Hg的污染較為突出，需要引起高度重視；Cd雖屬于輕度污染，但存在中度至強污染風險，也需要加以關注。

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Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Soil for Reclamation of Coal Mining Collapsed Land in Tangkou Mining Area in Shandong Province

WANG Zhiliang1，2，YIN Yajun1，2，ZHANG Fanglong1，2，GUO Guangjun3，CHEN Zongcheng1，2，CHEN Xiexia1，2，YANG Chengming1，2，LI Chuanxia1，2，ZHENG Guodong1，2

（1.Lunan Geoengineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources）， Shandong Yanzhou 272100， China；2.Technology Innovation Center of Restoration and Reclamation in Mining induced Subsidence Land， Shandong Yanzhou 272100， China；3.Shandong Institute of Geological Sciences， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：In this paper， through collecting 39 soil samples from a coal mining subsidence area in Shandong province， the content and pH value of As， Hg， Cr， Pb， Zn， Cd， Cu， Ni in the tested samples have been analyzed . Different reference ratios have been selected and the potential ecological risk index method has been used to evaluate the heavy metal pollution status and potential ecological risk in reclaimed soil. It is showed that heavy metal content in reclaimed soil in the study area can not exceed the soil pollution risk screening value specified in the \"Soil Environmental Quality Agricultural Land Soil Pollution Risk Control Standard （Trial） （GB15618—2018）\" except for Cd. The average contents of Hg， Pb， and Zn are higher than geochemical background values of the surface soil in Ji'ning city. The correlation analysis of heavy metals in reclaimed soil shows that Cr Ni element has high homology. AsCuPbZn elements may have similar sources， accompanied by the possibility of composite sources. The sources of Hg and Cd elements are different from other heavy metals. When using the national risk screening value as a reference， the overall ecological risk level of the reclaimed soil in the study area is light as showed by the evaluation results. There is a moderate pollution risk of single heavy metal Cd which needs to be focused on. When using soil background value as a reference， As， Pb， Ni， Cu， Cr and Zn in the reclaimed soil in the study area are at a mild ecological risk level as showed by the evaluation results. Hg is at a strong ecological risk level， and some samples have very strong or extremely strong ecological risk levels. Although Cd is at a mild ecological risk level， some samples have moderate to strong ecological risk levels. The comprehensive potential ecological risks of heavy metals in the reclaimed soil in the study area are mainly mild and moderate with Hg and Cd being the main contributing factors.

Key words：Coal mining subsidence；reclaimation soil；heavy metals；potential ecological risk assessment