江安縣紅橋鎮(zhèn)典型煤礦周邊農(nóng)田土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險評價

張 妮，馮振華，魏 菲，李 強(qiáng)，劉仕翔

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都綜合巖礦測試中心，成都 610081； 2.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，南寧 530007)

前 言

人類的生存離不開土壤，土壤也是人類歷史發(fā)展過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的一個重要因素[1-2]。土壤中重金屬多來源于人類活動，如農(nóng)用化學(xué)品的使用、污水灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、礦山開采及冶煉等一系列活動[3]，重金屬可通過農(nóng)作物進(jìn)入人體，對人類健康存在極大的威脅[4～6]。礦山的非合理化開采以及煤矸石在露天環(huán)境中的長期堆放進(jìn)一步影響了周邊農(nóng)田土壤環(huán)境，導(dǎo)致了嚴(yán)重的重金屬污染問題，對于地處礦區(qū)周邊的土壤來說其重金屬含量通常情況下比較高，而且在土壤中會殘留較長時間，涉及的影響范圍也比較廣，往往與居民點(diǎn)以及農(nóng)田距離相對較近，因此必然會對人們的身體健康產(chǎn)生威脅[7]。近年來政府部門針對于礦山開采帶來的環(huán)境問題，對礦山實(shí)施了政策性關(guān)閉、環(huán)境治理及修復(fù)等工作[8]。因此，合理評價礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬污染程度及生態(tài)風(fēng)險是十分必要的，可為后期開展農(nóng)田土壤治理修復(fù)及風(fēng)險管控提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

在整個西南地區(qū)宜賓市都屬于煤炭資源分布最為廣泛的一個地區(qū)，宜賓市全境范圍內(nèi)分布著44種礦產(chǎn)，截至目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)305處礦產(chǎn)地，在所有礦產(chǎn)中E級儲量以上的礦產(chǎn)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到23種，其中有53億t的煤資源，且煤炭資源主要是在筠連縣、興文縣、珙縣等幾個地區(qū)分布。江安縣是主要礦產(chǎn)工業(yè)區(qū)之一，據(jù)表明煤儲量達(dá)4200余萬t，礦產(chǎn)資源主要為石灰?guī)r、硫鐵礦、無煙煤、煙煤、含銅砂巖、天然氣、頁巖，其中石灰?guī)r、硫鐵礦、無煙煤、煙煤等主要分布在紅橋、五礦兩鎮(zhèn)。紅橋、五礦兩鎮(zhèn)煤礦廠均始建于20世紀(jì)90年代，開采物種為煤，開采方式為地下開采，開采K2煤層。根據(jù)政策要求，煤礦于2013年進(jìn)行永久性關(guān)閉，現(xiàn)目前堆放區(qū)仍堆放著大量煤矸石，使得周圍生態(tài)環(huán)境受到了極大的脅迫。

近年來，國內(nèi)學(xué)者已對煤礦周邊土壤重金屬在來源解析、特征分析、污染評價等方面進(jìn)行了大量的研究，其中張永文[9]等人研究過程中重點(diǎn)選擇重慶某煤礦為研究對象，詳細(xì)評價煤礦周邊土壤重金屬的污染狀況和生態(tài)風(fēng)險，仝雙梅[10]等在研究過程中重點(diǎn)選擇貴州的某煤礦為主要對象，詳細(xì)評價了該煤礦周邊土壤受重金屬污染的具體狀況以及污染特征，同時也對重金屬污染給人體健康造成的風(fēng)險進(jìn)行了評價，均表明礦區(qū)周邊土壤受到了污染。現(xiàn)階段關(guān)于宜賓市江安縣煤礦周邊農(nóng)田土壤污染現(xiàn)狀的報(bào)道較少，以江安縣為研究區(qū)的文章[11～13]多針對于耕地整體的土壤、不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)稻田土壤重金屬污染狀況等方面，而江安縣地下開采的這類型煤礦對周邊農(nóng)田影響并不明確。鑒于這種狀況，本文詳細(xì)研究該地區(qū)4個相連煤礦周邊的農(nóng)田重金屬污染狀況，在研究過程中主要利用的研究方法有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，通過上述的研究能夠?yàn)榕c江安縣相類似的區(qū)域重金屬污染防治工作提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省南部山區(qū)的江安縣紅橋至五礦礦段之紅橋段(西段)，地貌類型屬淺切割低山區(qū)，地貌總體上受地質(zhì)構(gòu)造的制約，山脈走向與構(gòu)造線方向一致，呈東西向展布。在地質(zhì)構(gòu)造上礦區(qū)位于珙長背斜北翼中段，為一單斜構(gòu)造，地層走向近東西向，傾向北345°～350°，傾角60°～83°，屬急傾斜煤層。煤層(無煙煤)主要賦存于二疊溪龍?zhí)督M第二加三段。本區(qū)可采煤層2層，K2、K1煤層，即“大漢炭”煤層和底部“細(xì)花炭”。

1.2 土壤樣品采集及分析測試

研究區(qū)農(nóng)田主要種植作物為紅薯、蔬菜、水稻等，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法對江安縣紅橋鎮(zhèn)4個煤礦下游處的農(nóng)田進(jìn)行監(jiān)測，采樣密度為1個/50畝，共計(jì)107個(見圖1)，采樣過程中都是按照梅花點(diǎn)法來對每一個監(jiān)測點(diǎn)位的中心點(diǎn)位置以及對角線4個位置采集0～20cm深度的5個土壤樣品，通過四分法取1.0～1.5kg裝入樣品袋作為該點(diǎn)位樣品。同時在研究區(qū)上游1.5km外選擇未受煤礦開采活動影響的區(qū)域及相對未受人為干擾的區(qū)域采集10個土壤背景點(diǎn)位，取均值作為研究區(qū)土壤重金屬背景值。完成樣品采集后需要在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行自然風(fēng)干處理，將風(fēng)干后的土樣研磨通過20、100目尼龍篩進(jìn)行詳細(xì)篩分并密封裝袋等待測試。

樣品測試方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，見表1。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution of soil sampling points in the study area

表1 元素分析方法與檢出限Tab.1 The elemental analysis methods and detection limits

1.3 評價方法

以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)[17]中土壤篩選值作為評價標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.1 重金屬污染評價

在水庫上游設(shè)立水文站，及時提供準(zhǔn)確、可靠的水文情報(bào)預(yù)報(bào)，為水庫防洪提供切實(shí)可靠的水雨情即時資料，便于水庫采取有效防洪措施。有供水任務(wù)時，可以隨時了解水庫水質(zhì)情況。此外，還可以掌握泥沙淤積等情況。

1.3.1.1 單因子污染指數(shù)法 該方法在實(shí)際利用過程中是選擇每個元素層面來對土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評價，并采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Ci為重金屬i的實(shí)測值；Si為重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)值；Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù)；分級標(biāo)準(zhǔn)[18]：Pi≤1，無污染；15，重度污染。

1.3.1.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 利用該方法不僅能夠?qū)⑼寥朗艿讲煌廴疚锏挠绊懽饔眠M(jìn)行分析，同時也能夠針對土壤在高濃度污染物作用下產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析[19～21]。采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

1.3.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[23]是從重金屬的含量、毒性水平、協(xié)同作用以及敏感性等多個角度進(jìn)行綜合考慮，評價結(jié)果能夠?qū)⑷祟愂艿降闹苯佑绊戇M(jìn)行充分體現(xiàn)，在評價領(lǐng)域中得到了推廣[24]。以下為其具體計(jì)算公式：

(4)

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量分布特征

2.1.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)農(nóng)田土壤的pH值處于4.22～8.29范圍內(nèi)，其中強(qiáng)酸性(pH≤5.5)、弱酸性(5.57.5)土壤樣品數(shù)分別占樣品總數(shù)的比例為15.0%、23.4%、28.0%、33.6%。

由表2可以得知，研究區(qū)農(nóng)田土壤中8種重金屬平均值均高于區(qū)域土壤背景值。其中As、Cd、Cu、Hg平均值是區(qū)域土壤背景值的2倍以上；Cr、Ni、Pb平均值是區(qū)域土壤背景值的1.5～2倍；Zn平均值為124mg/kg，略高于區(qū)域土壤背景值；累積程度由高到低依次為Hg>Cd>As>Cu>Cr>Ni>Pb>Zn，各元素累積指數(shù)大于1.5的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的比例分別為97.2%、92.5%、86.0%、66.4%、61.7%、48.6%、44.9%、36.4%，表明Cd、Hg在土壤中累積程度及累積范圍均較廣。

所有重金屬中變異系數(shù)相對較高的元素為Cd、Cu、Hg，而其他重金屬其變異系數(shù)處在0.31～0.39范圍內(nèi)，表明煤礦的開采活動對土壤中Cd、Cu、Hg影響最大。

表2 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量特征Tab.2 Concentrations distribution of heavy metals in farmland soils in the study area (mg/kg)

2.1.2 土壤重金屬空間分布

土壤重金屬含量的空間分布情況見圖2。由圖可以看出Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn存在較為相似的空間分布，含量較高的區(qū)域均分布在靠近煤礦開采區(qū)及堆放區(qū)一側(cè)，表明有相同的來源。研究表明，江安縣成土母質(zhì)中Cd平均值是低于區(qū)域背景值[12]，表明研究區(qū)土壤中Cd高含量并不是成土母質(zhì)造成的，而是受到煤礦開采活動及煤矸石長時期露天堆放的影響。此外，不合理的施用磷肥也是土壤Cd的重要來源[26]。As含量較高的區(qū)域分布廣泛，無明顯規(guī)律，除了受到煤礦開采活動影響外，也可能與成土母質(zhì)、煤炭燃燒、農(nóng)藥化肥及污水灌溉有關(guān)[27]。Pb元素含量分布比較均勻的是，這很可能與汽車尾氣的排放存在一定的關(guān)聯(lián)[28]。

圖2 土壤重金屬含量的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of soil heavy metal content

2.2 土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)評價

評價結(jié)果見表3。單項(xiàng)重金屬污染指數(shù)平均值從高到低依次為Cd>Cu>Cr>Ni>Zn>As>Pb>Hg，對于Hg元素來說其目前處于無污染狀態(tài)，其他重金屬均具有污染，污染程度最為嚴(yán)重為Cd，該重金屬的污染樣品占比達(dá)到96.26%，且重度污染樣品占比達(dá)到4.67%；Cu污染程度次之，有29.91%的樣品存在Cu污染，最高可達(dá)到輕度污染；As、Cr、Ni、Pb、Zn僅個別樣品存在輕微污染；研究表明，無序堆放的煤矸石等廢渣會對土壤中Cd和Cu含量產(chǎn)生較大的貢獻(xiàn)率[29]。從總體層面來看，整個研究區(qū)農(nóng)田土壤中最具普遍性和嚴(yán)重性的元素為Cd和Cu，尤其是Cd。

表3 單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果Tab.3 Evaluation result of single factor pollution index method

續(xù)表3

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價

評價結(jié)果見表4。研究區(qū)所有的土壤樣品中存在污染現(xiàn)象的樣品占比達(dá)到61.68%，其中輕度污

表4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果Tab.4 Evaluation result of Nemerow comprehensive pollution index method

染的樣品占比達(dá)到27.10%，中度污染的樣品占比達(dá)到14.02%，重度污染的樣品占比達(dá)到20.56%，結(jié)果表明煤礦歷史生產(chǎn)活動對周邊土壤產(chǎn)生影響較大。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

評價結(jié)果見表5。從單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險來看，除Cd元素外其余元素屬于低生態(tài)風(fēng)險，Cd風(fēng)險指數(shù)處于14.7～265范圍內(nèi)，其生態(tài)風(fēng)險以中等、較高為主，中等生態(tài)風(fēng)險的樣品占比達(dá)到了47.66%，較高風(fēng)險的樣品所占比例為33.65%，表明Cd對人體健康的影響最為深刻，應(yīng)當(dāng)引起重視。從整體來看，絕大多數(shù)土壤處于低生態(tài)風(fēng)險，有6.54%的樣品處于中等生態(tài)風(fēng)險程度。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果Tab.5 Evaluation result of potential ecological risk index method

2.4 討論

本研究結(jié)果顯示，研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬平均含量均遠(yuǎn)超過區(qū)域土壤背景值，且變異系數(shù)相對較高的元素為Cd、Cu、Hg，表明這3種元素受煤礦開采活動等影響最大，這一結(jié)論與張永文[9]、仝雙梅[10]等人關(guān)于西南某煤礦對周邊農(nóng)田土壤影響的研究結(jié)論是一致的，張永文等人研究結(jié)果表明土壤中Cd、Cu元素受到的影響最大；仝雙梅等人研究結(jié)果表明Cd、As、Hg元素受到的影響最大。有研究表明，長期開采礦產(chǎn)資源及露天堆放尾礦會嚴(yán)重破壞區(qū)域的土壤環(huán)境，導(dǎo)致土壤中重金屬產(chǎn)生較高的變異性[30]。本研究區(qū)4個煤礦開采年限較長、年產(chǎn)量較大，生產(chǎn)時期“三廢”存在隨意排放現(xiàn)象，且現(xiàn)目前堆放區(qū)仍放置大量煤矸石，經(jīng)風(fēng)吹、日曬、雨淋，煤礦中重金屬等有毒有害成分會不斷滲出，造成周邊農(nóng)田土壤重金屬污染。此外，研究區(qū)巖溶發(fā)育，巖溶土壤的表層具有吸附阻隔能力[31]，也可能導(dǎo)致土壤重金屬污染及高變異性。

本研究結(jié)果顯示，研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的貢獻(xiàn)最大且潛在生態(tài)風(fēng)險最高的元素是Cd，這一結(jié)論與張永文[9]、仝雙梅[10]等人關(guān)于西南某煤礦對周邊農(nóng)田土壤影響的研究結(jié)論是一致的，張永文等人研究結(jié)果表明土壤中Cd污染最嚴(yán)重，Cd、Hg為主要生態(tài)危害元素；仝雙梅等人研究結(jié)果表明土壤中Cu元素污染程度最大，Cd次之，Cd、Hg為主要生態(tài)危害元素。有研究表明，煤矸石、尾礦等廢渣長時期的露天堆放，經(jīng)過風(fēng)吹、日曬、雨淋等自然條件下，廢渣中的重金屬等有害成分會不斷滲出，隨著地表徑流污染周圍土壤，進(jìn)而增加人體健康風(fēng)險[32]。

因此，本研究區(qū)農(nóng)田土壤污染治理的重點(diǎn)是Cd元素，建議對污染源開展風(fēng)險管控工作，對農(nóng)田土壤及農(nóng)作物加強(qiáng)監(jiān)測，同時開展修復(fù)治理工作，防止重金屬長期暴露而產(chǎn)生蓄積性污染。另外，可采用科普教育等形式對當(dāng)?shù)鼐用竦目茖W(xué)防范做出指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

3.1 8種重金屬在研究區(qū)農(nóng)田土壤中表現(xiàn)出了一定程度的積累，其平均值均高于區(qū)域土壤背景值，含量較高的區(qū)域主要分布在靠近煤礦這一側(cè)農(nóng)田，Cd、Hg累積程度最為突出，且變異系數(shù)大，受礦業(yè)活動最為明顯。

3.2 所有土壤樣品中Hg均處于無污染水平，其余7種重金屬均有不同程度的污染，其中Cd污染程度最嚴(yán)重，最高達(dá)到重度污染水平；Cu污染程度次之，最高為輕度污染水平；其余5種元素僅個別樣品存在輕微污染水平。

3.3 研究區(qū)土壤目前屬于清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染、重度污染等不同水平占比分別達(dá)到27.10%、11.22%、27.10%、14.02%、20.56%，其中貢獻(xiàn)最大的污染因子為Cd。

3.4 從單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險來看，除Cd外其余重金屬均屬于低生態(tài)風(fēng)險，以中等、較高風(fēng)險為主，最高達(dá)到高生態(tài)風(fēng)險；從整體來看，6.54%的土壤屬于中等生態(tài)風(fēng)險，其余土壤均屬于低生態(tài)風(fēng)險。

3.5 總體而言，從污染程度及生態(tài)風(fēng)險來看，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd元素最為突出，應(yīng)引起警惕。