煤矸山下農(nóng)田土壤重金屬的空間分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

郭李凱 任珊珊 畢斌 于亞軍

摘要：煤矸石堆存過(guò)程中會(huì)通過(guò)雨水淋溶和揚(yáng)塵等途徑造成周邊農(nóng)田土壤的重金屬污染，因此研究煤矸山下農(nóng)田土壤重金屬的空間分布特征并進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)于指導(dǎo)礦區(qū)污染農(nóng)田因地制宜、合理進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。以山西省霍州市曹村煤礦煤矸山下農(nóng)田為研究對(duì)象，分析鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鋅（Zn）4種重金屬在水平方向（距煤矸山0～100 m范圍）、垂直方向（0～100 cm土層）的空間分布特征；同時(shí)，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)4種重金屬元素進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：煤矸山下農(nóng)田中4種污染元素在垂向分布上表現(xiàn)為Cu、Cr在距煤矸山0～100 m范圍內(nèi)的0～100 cm各土層中的含量分別約比山西省土壤背景值高1.4、1.1倍；Pb在 0～20、20～40、80～100 cm土層的含量也超出背景值；Zn在0～100 cm土層的含量均未超出背景值。在水平方向上：Cu、Cr 在0～100 m范圍內(nèi)分別約比背景值高1.45、1.03倍；Pb在距煤矸山0～50 m處土壤中含量也超過(guò)背景值；Zn在0～100 m范圍均未超過(guò)背景值。單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，距煤矸山0 m處Cr污染最嚴(yán)重，屬重度污染水平，距煤矸山20～100 m處的Cu污染最嚴(yán)重，屬中度污染水平；Pb（0 m處除外）、Zn在整體上處于清潔水平。從綜合污染指數(shù)來(lái)看，Pb、Cu、Cr、Zn 4種元素綜合污染狀況表現(xiàn)為距煤矸山愈遠(yuǎn)，污染程度愈輕的趨勢(shì)，但是即使在距煤矸石 100 m 處仍基本屬于輕度污染；垂直方向上表現(xiàn)出較深土層（40～100 cm）的污染程度高于表層（0～40 cm）土壤。

關(guān)鍵詞：煤矸山；農(nóng)田土壤；重金屬污染；空間分布；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)：S151.9+3；X825 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0467-03

煤炭開采和洗選過(guò)程中會(huì)排出大量煤矸石，除約有20%用作工業(yè)用途外，其余均以矸石山的形式堆存[1-3]。目前，我國(guó)累計(jì)堆存矸石約40億t，形成煤矸山1 500多座，占地面積超過(guò)1.33萬(wàn)hm2，而且仍以約1億t/年的速度遞增[4-5]。煤矸石堆放不僅占用大量土地，而且堆放過(guò)程中大量重金屬元素會(huì)通過(guò)雨水淋溶和揚(yáng)塵進(jìn)入土壤造成重金屬污染[6]。它們大量地富集在土壤中，被作物吸收后通過(guò)食物鏈無(wú)限放大，再沿食物鏈最終進(jìn)入人體，對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害[7]。因此，查明煤矸山周邊農(nóng)田土壤重金屬污染狀況并開展生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將有助于礦區(qū)因地制宜、合理進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本研究選取煤矸山下農(nóng)田土壤中鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鋅（Zn）4種重金屬，分析其空間分布狀況和污染程度，對(duì)于指導(dǎo)煤礦區(qū)污染農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。

山西省煤炭資源儲(chǔ)量大、產(chǎn)量高，全省煤礦企業(yè)矸石累計(jì)堆存量為8.3億t，已形成300多座煤矸山[8]，其中山西省霍州市霍煤集團(tuán)堆積形成的矸石山就達(dá)10余座，以此為樣區(qū)開展煤矸山周邊農(nóng)田土壤重金屬污染的研究具有典型性。本研究以山西省霍州市曹村煤礦煤矸山腳下農(nóng)田為研究對(duì)象，研究農(nóng)田土壤重金屬在水平空間（距煤矸山0～100 m范圍）、垂直空間（0～100 cm土層）的分布狀況，并采用單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)研究區(qū)內(nèi)的土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市霍煤集團(tuán)曹村礦區(qū)，該礦區(qū)距霍州市約7 km，區(qū)內(nèi)山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。該區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.1 ℃，年均降水量353.3～688.9 mm，降水年內(nèi)分布不勻，主要集中在7、8、9這3個(gè)月，且常以暴雨出現(xiàn)，春秋季節(jié)干燥且風(fēng)較大，全年盛行偏南風(fēng)、偏北風(fēng)，春季以偏南風(fēng)為主，其次是偏北風(fēng)。夏、秋、東3個(gè)季節(jié)以偏北風(fēng)為主，西南風(fēng)次之。

[JP3]研究樣地位于該礦南下莊矸石山（地理位置36°30′47.9″N，111°42′11.1″E），該矸石山從1959年開始使用，矸石堆存量約為200萬(wàn)t，占地約1.6 hm2，垂直高度約為50 cm，坡度約為40°，該樣地矸石裸露，矸石中重金屬Pb、Cu、Cr、Zn含量分別為30.40、74.06、180.52、146.33 mg/kg。樣地植被處于自然恢復(fù)狀態(tài)，植被稀疏，主要為沙棘、黃刺梅、荊條。研究所選農(nóng)田位于該煤矸山下西北方向，土地平整，面積約為 2 000 m2，土壤類型為褐土，多年連續(xù)種植農(nóng)作物，采樣時(shí)種植的作物為玉米（Zea mays L.）。

1.2土樣采集與分析

采樣點(diǎn)分別為距離矸石山0、20、50、80、100 m處，按“S”形5點(diǎn)采樣法進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆采集100 cm土層（20 cm為1個(gè)深度單位，共分5層，距矸石山下0 m處因 60 cm 以下土層均為煤矸石而無(wú)法采土，因而僅取到60 cm）。每個(gè)采樣點(diǎn)、每一土層均由5個(gè)子樣混合組成，混合均勻后按四分法獲取足夠的樣品裝入塑料袋，標(biāo)明采樣信息后帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后剔除植物的殘根、石塊等雜物，磨碎后過(guò)100目（孔徑0.150 mm）尼龍篩，保存于塑料袋待測(cè)。

測(cè)定時(shí)稱取約0.5 g風(fēng)干土樣，放入聚四氟乙烯坩堝中，分別加入10 mL硝酸、8 mL氫氟酸、1mL高氯酸（3種試劑均為優(yōu)級(jí)純），加蓋，置于電熱板上消解，得到樣品消解液，用nov-AA400火焰-石墨爐原子吸收光譜儀測(cè)定其含量，重復(fù)3次，取平均值。

3結(jié)論

從重金屬含量的空間分布來(lái)看，Pb、Cu、Cr、Zn 4種元素在垂直方向的規(guī)律：Cu、Cr在0～100 cm土層的含量均超出土壤背景值；Pb在部分層次距離（20～40、80～100 cm）含量較高，超出背景值比例較大；Zn在0～100 cm土層含量均未超過(guò)背景值。在水平方向上表現(xiàn)：Cu、Cr在距煤矸山0～100 m 含量較多，均超出了土壤背景值且超出比例較大；Pb在距煤矸山0、50 m處超出比例較大，其余各處含量較少，也未超出背景值；Zn在距煤矸山0～100 m范圍內(nèi)均未超出背景值。

從單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)看，Pb、Cu、Cr、Zn這4種元素中，Cr在0 m處0～20cm土層污染最重， 處于重度污染水平；Cu在

20、50、80、100 m 處污染較重，基本處于中度污染水平；Pb（0 m 除外）、Zn整體處于未累積狀況，屬于清潔水平。

從綜合污染指數(shù)來(lái)看，Pb、Cu、Cr、Zn 4種元素綜合污染狀況表現(xiàn)為距煤矸山愈遠(yuǎn)污染程度愈輕的趨勢(shì)；垂直方向上表現(xiàn)出深層（40～100 cm）土壤的污染程度高于表層（0～40 cm）土壤。

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