貴州典型煤礦周邊土壤重金屬特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

趙君　吳坤　周進(jìn)康　馬小云

【摘? ?要】? ?為評(píng)估貴州省典型煤礦周邊土壤的重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，分析了該地區(qū)45個(gè)土壤樣品中Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr六種重金屬元素的含量，同時(shí)運(yùn)用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)礦區(qū)土壤的污染程度和生態(tài)危害。含量分析顯示，土壤中的Zn、Cu、Cr含量比其他重金屬高，平均值分別為387.30、69.22、88.14 mg·kg^-1;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯示Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較強(qiáng)，應(yīng)避免過度累積。

【關(guān)鍵詞】? ? 煤礦土壤;重金屬;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);貴州

Characteristics and Ecological Risk Evaluation of Heavy Metals in Soil Surround Typical Coal Mine of Guizhou

Zhao Jun， Wu Kun， Zhou Jinkang， Ma Xiaoyun

（Guizhou Education University，Guiyang 550018，China）

【Abstract】? ? In order to evaluate the heavy metals pollution and ecological risk caused by typical coal mines of Guizhou， the content of 6 heavy metals（Hg， As， Cd， Zn， Cu， Cr） in 45 soil samples were analyzed. Single factor index method， Nemerow comprehensive index method and potential ecological risk index were used to evaluate pollution degree and ecological risk. The content analysis showed that the content of Zn， Cu and Cr were higher than others and the average content were 387.30， 69.22 and 88.14 mg·kg^-1respectively. Ecological risk assessment showed that Cd had strong ecological risk， so the excessive accumulation should be avoided.

【Key words】? ? ?coal mine soil; heavy metal; ecological risk; Guizhou

〔中圖分類號(hào)〕 X705? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2022）02- 0050 - 04

0? ? ?引言

人類活動(dòng)不可避免地產(chǎn)生污染物進(jìn)而引起污染物含量超標(biāo)，其中重金屬是最常見的污染物之一。土壤作為動(dòng)植物生存的基礎(chǔ)，土壤中重金屬可通過食物鏈在動(dòng)物和人體內(nèi)富集進(jìn)而對(duì)人類健康造成極大危害[1-3]。在開采過程中煤炭暴露于地表引起伴生金屬不斷向環(huán)境釋放，同時(shí)煤炭、廢渣、煤矸石經(jīng)風(fēng)化、滲透等途徑向周邊土壤遷移轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致煤礦周邊土壤中重金屬含量超標(biāo)問題嚴(yán)重[4-6]，所以煤礦周邊土壤重金屬污染已經(jīng)是不可忽視的問題。貴州是我國(guó)重要的煤炭資源大省，由于多雨氣候和喀斯特地貌，煤炭堆積暴露在地表時(shí)侵蝕、分化及淋溶現(xiàn)象十分顯著，從而加快了煤炭主體元素和伴生元素不斷向周邊土壤遷移轉(zhuǎn)化的速度，導(dǎo)致土壤中As、Cd、Cr等伴生重金屬含量超標(biāo)[7]。目前貴州煤礦周邊土壤重金屬研究以含量分析或某個(gè)礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為主，缺乏整體情況的分析和評(píng)價(jià)[8-10]，所以對(duì)貴州煤礦周邊土壤中重金屬含量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行較為全面的分析和評(píng)估，對(duì)土壤的安全使用和治理修復(fù)均有參考意義和價(jià)值。本文以貴州典型煤礦為研究對(duì)象，對(duì)周邊土壤中的Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr六種重金屬進(jìn)行含量分析，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)，為土壤安全利用和土壤修復(fù)提供借鑒。

1? ? ?材料和方法

1.1? ?樣品采集

選取貴州的典型煤礦利用蛇型布點(diǎn)法進(jìn)行布點(diǎn)采樣，除去表面雜草后采集表層（0～20 cm）土壤，共計(jì)45個(gè)。土壤樣品置于玻璃瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干，去除石子等非土壤雜質(zhì)后用四分法取樣，研磨、過100目篩，裝袋保存、待測(cè)。

1.2? ?儀器與試劑

AA-6300C原子吸收分光光度計(jì)，日本島津儀器有限公司;AFS-8220原子熒光光度計(jì)，北京吉天儀器有限公司;ATX-224電子天平，日本島津儀器有限公司。

鹽酸（HCl）、硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）、氫氟酸（HF），優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)有限公司;1000 mg·L^-1的Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr標(biāo)準(zhǔn)液（標(biāo)準(zhǔn)物，北京壇墨質(zhì)檢科技有限公司）。

1.3? ?樣品處理與測(cè)定B61AD2E6-93C4-4E77-9D8C-A6E7F4EB30F5

1.3.1? ?Cu、Cr、Zn、Cd處理方法

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行前處理[11]：準(zhǔn)確稱取樣品0.2 g于50 mL聚四氟乙烯坩堝中，蒸餾水潤(rùn)濕，加5 mL HCl，加熱消解至HCl剩余2～3 mL，冷卻后加5 mL HNO₃、4 mL HF、2 mL HClO₄，繼續(xù)消解至樣品轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?，冷卻、定容至100 mL，待測(cè)。

1.3.2? ?Hg、As處理方法

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行前處理[12，13]：準(zhǔn)確稱取樣品0.2 g于50 mL比色管中，蒸餾水潤(rùn)濕，加入6 mL HCl、2 mL HNO₃，50 ℃水浴消解30 min后在100 ℃繼續(xù)消解2 h，冷卻后定容至50 mL，待測(cè)。

1.4? ?樣品測(cè)定方法

原子吸收法測(cè)定Cd、Zn、Cu、Cr含量，原子熒光法測(cè)定Hg、As含量;進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，所有樣品均進(jìn)行3次平行測(cè)定，用平均值來(lái)表示最終含量;為保證實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性及可靠性，每隔10個(gè)樣品插入一個(gè)校準(zhǔn)樣，確保實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

1.5? ?風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)研究區(qū)域煤礦周邊土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下[9，14-15]。

2? ? ?結(jié)果與分析

2.1? ?重金屬含量分析

礦區(qū)周邊土壤中六種重金屬含量見表2。由表可知：不同重金屬的含量和檢出率均存在較大差異，其中Zn、Cu、Cr的檢出率最高，為100%，這與環(huán)境中此類元素背景值相對(duì)較高有關(guān);Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr含量的平均值分別為0.18、0.45、1.12、387.30、69.22、88.14 mg·kg^-1，Cd、Zn的平均值是其限量值的3.73、1.55倍，所以貴州煤礦周邊土壤中重金屬以Cd、Zn累積為主。變異系數(shù)是元素分布離散程度的反映，可表示人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的大小[17]。六種重金屬變異系數(shù)從高到低依次為Hg>As>Cu>Cd>Cr>Zn，變異系數(shù)在77.53%～181.34%。所有重金屬的變異系數(shù)均大于36%，屬于高度變異，說明煤礦地區(qū)土壤受礦產(chǎn)開采等因素的影響較大，重金屬污染混雜情況嚴(yán)重是多種元素共同作用引起的。

2.2? ?土壤中重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr六種重金屬的單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由單因子指數(shù)可知：Cd的危害程度最高，均值為3.73，屬于重度污染;Zn均值為1.55，屬于輕度污染;其他重金屬污染指數(shù)的均值都低于1.0，處于無(wú)污染水平;Hg、As最大值均小于1.0，在清潔安全范圍;Cr為輕度污染，只有4個(gè)樣品污染指數(shù)達(dá)到1以上;Cd、Zn、Cu均存在污染指數(shù)在3.0以上的樣品，其中Cd有55.6%的樣品屬于重度污染，對(duì)環(huán)境可造成重大危害。內(nèi)梅羅污染指數(shù)結(jié)果表明樣品中的Cd、Zn、Cu為重污染，Cr屬于輕度污染。不同重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見表4。

依據(jù)表4可知：六種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從高到低的依次為Cd、Cu、Hg、Zn、Cr、As;45個(gè)樣品中的Zn、Cu、Cr、Hg、As均處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，Cd有62.22%的樣品處于中度至強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平;潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為335.40，中度以上風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)40%。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較強(qiáng)，應(yīng)進(jìn)行土壤修復(fù)治理以確保農(nóng)用安全。

3? ? ?結(jié)論

通過對(duì)貴州典型煤礦周邊土壤45個(gè)樣品中的六種重金屬測(cè)定發(fā)現(xiàn)：礦區(qū)周邊土壤均受到不同程度的重金屬污染，各種金屬含量具有一定的差異性且屬于高度變異，所以人類活動(dòng)是重金屬污染的主要原因;Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr含量的平均值分別為0.18、0.45、1.12、387.30、69.22、88.14 mg·kg^-1，含量以Zn、Cu、Cr為主，污染以Cd、Zn為主。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：煤礦周邊土壤中Cd具有較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)避免過度積累;其他重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，礦區(qū)總體上處于較低的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

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