铜川三里洞煤矿煤矸石风化土壤重金属分布及污染状况分析

时亚坤，李凯荣，闫宝环

（西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100）

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤矿在给我们带来巨大经济效益的同时，也带来了许多环境问题。煤矸石是在煤炭生产过程中伴随产生的固体废弃物，是碳质、泥质和砂质页岩的混合物。煤矸石的大量排放和堆存不仅破坏和占用大量的土地资源，也会带来诸如土壤质量下降、生态系统退化、生物多样性丧失、景观受到破坏等一系列严重的环境问题[1]。目前，国内外学者对煤矸石的研究主要集中在煤矸石对周围尾矿、土壤、地下水的污染以及重金属化学形态等方面[2－3]，然而，由于煤矸石排量巨大，很多煤矿周围形成的矸石山小则几千平方米，大则数万平方米。由于长时间的风化、淋溶等作用，矸石山表层已形成能被某些植物生长的原生风化土壤。目前，有关煤矸石风化土壤的污染状况研究甚少。因此，本文以三里洞煤矿为例，研究大型矸石山内部表层风化土壤中重金属的转移、积累等分布特征，同时，对表层风化土壤进行污染状况分析与评价，旨在为我国煤矿矸石堆积地的综合治理及生态恢复提供科学依据。

1 研究区概况

铜川市位于陕西省中部，处于关中平原向陕北黄土高原的过渡地带，介于东经108°34′—109°29′，北纬34°50′—35°34′，属大陆性季风气候。选择三里洞煤矿区为研究区域，该矿区位于铜川市印台区，自20世纪50年代开始采煤，1999年煤矿关闭。采煤期间，煤矸石被集中裸露堆放，目前已形成面积约为70 000m2的大型矸石堆积地。区域形状接近四边型，北高南低，最高点海拔高度1 017m，最低点海拔高度881m。区域内共有巨型矸石坡地2处，面积约为25 000m2；矸石台地3处，面积约为5 000m2。由于煤矸石长期受到日晒、风雨的侵蚀和地下水的浸泡，区域内部分煤矸石表层已经严重风化，有原生演替发生[4]。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集

在野外详细调查的基础上，根据排矸场的自然地形条件、排矸年限、坡度和坡向的不同，按照立地条件类型将整个排矸场划分为5个研究区。在每个区域内对煤矸石风化的新生土壤按照平均布点法和网格布点法随机选取9个有代表性的采样点。各研究区基本情况见表1。

表1 各研究区基本情况

2.2 土壤样品的处理和分析

将土壤样品烘干后粉碎，过0.25mm孔径筛。称取2.00g土壤样品，用 HCl＋HNO3＋HF＋HClO4（10ml＋5ml＋5ml＋3ml）全消解法消解，后定容至25ml，保存。火焰原子分光光度法测定Cu，Cr，Cd，Mn，Ni，Zn，Pb含量[5－6]。

2.3 重金属污染评价方法

目前，国际上采用的沉积物或土壤重金属污染评价方法很多，本文根据实际需要，采用地质累计指数法和潜在生态危险指数法两种方法。

2.3.1 地质累积指数法 地质累积指数（Igeo）是由德国科学家MULLE提出的，广泛用于研究沉积物及其它物质中重金属污染程度的定量指标（通常又称为Muller指数）。该方法不仅考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值差异，还考虑到自然沉积成岩作用等地质过程造成的背景值变动因素[7]。其公式为：

式中：Ci——指样品中元素i的含量；BEi——元素i的地球化学背景值，本文采用三里洞煤矿周围对照土壤作为背景值，1.5为修正指数，主要用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响[8]。地质累积指数评价标准分级见表2。

表2 地质累积指数评价标准分级

2.3.2 潜在生态危险指数法 潜在生态危险指数（RI）是由瑞典科学家Hakanso建立的一套应用沉积学原理评价土壤或沉积物中重金属污染及生态危害的方法。该方法结合环境化学、生物毒理学和生态学等方面的内容，以定量的方法划分出重金属的潜在生态危害程度[9－10]。计算方法如下：

表3 重金属污染潜在生态危险指标与分级关系

3 结果与分析

3.1 煤矸石风化土壤重金属含量及分布

由表4可以看出，对于5个研究区而言，1区各重金属元素含量均低于其它4个研究区（Cr除外）；2—5区重金属元素含量较高且相对稳定。5个研究区各重金属含量方差分析结果显示，Zn含量存在极显著性差异，1区和2—5区、2区和5区、3区和5区含量存在显著性差异，1区含量最低，5区含量最高；Cd在1区和5区之间存在显著性差异，5区含量最高；其它4种重金属元素含量在各区之间无显著性差异。

对于6种重金属元素含量方差分析可知，Cu在1区和3区、Cr和Pb在1—3区、Cd在1区和2区、Ni和Zn在2区存在显著性差异；多重比较分析结果表明，Cu在1区坡下部与上、中部存在显著性差异，下部含量较高，3区台地内侧与外侧、中部存在显著性差异，内侧含量较高；Cr在1区坡上部与中、下部存在显著性差异，上部含量最低，在2区坡上、中、下部之间均存在显著性差异，下部含量最高，在3区坡中部与上、下部存在显著性差异，中部含量最低；Cd在1区坡下部与上、中部存在显著性差异，下部含量较高，在2区坡上部与中部存在显著性差异，下部含量较高；Ni和Zn在2区坡下部与上、中部存在显著性差异，下部含量较高；Pb在1区坡下部与上、中部存在显著性差异，下部含量较高，在2区坡上部和中、下部存在显著性差异，上部含量较低，在3区台地内侧与外侧、中部存在显著性差异，内侧含量较高，在5区台地中部和内、外侧存在显著性差异，中部含量较高。由以上分析可知，重金属在坡地和台地的分布存在明显的差异，在坡地，重金属有明显的向坡下部积累和富集的趋势，导致坡下部重金属含量较高，但台地地势平坦，受外界影响相对较小，重金属分布无明显的规律。

表4 各研究区风化土壤重金属含量分布及分析 mg／kg

3.2 煤矸石风化土壤污染分析与评价

3.2.1 地质累积指数法 利用公式（1）对5个研究区的重金属含量进行计算分析（表5），Cd平均含量为0.99mg／kg，Igeo值为2.77，达到3级中度污染，其中1—3区Igeo值在2.38～2.60之间，达到3级中度污染，4区和5区Igeo值分别为3.01和3.14，达到4级偏重度污染；Ni污染次之，5个研究区Igeo值均为0.27～0.73，为1级轻度污染；Zn污染较轻，平均含量为104.88mg／kg，Igeo值为0.45，达到1级轻度污染，其中除1区为0级无污染外，其余4个区均为1级轻度污染；Cu污染轻微，5个研究区均为1级轻度污染；Cr平均含量较低，未形成污染，但是3区和5区含量较高，达到1级轻度污染，其它3个区无污染；Pb含量最低，除2区刚形成1级轻度污染外，其它4个区均无污染；6种重金属元素的平均污染强弱顺序为Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

表5 应用地质累计指数数法进行污染状况分析

3.2.2 潜在生态危险指数法 由表6可知，从单个重金属的潜在生态危险指数看，Cd在1区、2区和3区的Eir值分别为235.05，269.07，272.16，达到重度潜在生态危险水平，4区和5区Eir值分别为361.86和395.88，为极重潜在生态危险水平；Cu，Cr，Ni，Zn和Pb在5个研究区的Eir值均小于40，为轻度潜在生态危险水平；6种重金属的潜在生态危险程度强弱顺序为Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。

表6 应用潜在生态危险指数法进行污染状况分析

对于5个研究区而言，1—3区的RI值分别为253.92，297.27，299.79，达到中度潜在生态危险水平，4区和5区的RI值分别为388.34和423.65，达到偏重潜在生态危险水平；5个研究区的潜在生态危险程度强弱顺序为5区＞4区＞3区＞2区＞1区，5区的潜在生态危险水平最高，1区最低。

4 结论

（1）该矸石堆积地形成的风化土壤中，随着排矸年限的增加，重金属元素含量逐渐增加并趋于稳定；在坡地，不同坡位重金属含量差异性较大，一般坡下部高于坡上部和坡中部；台地地形较平坦，重金属含量分布无明显规律。分析其可能原因为排矸年限越长，矸石风化越充分，重金属含量越高；地形越陡峭，雨水冲刷作用越强烈，坡上部和坡中部重金属流失越严重，导致坡下部重金属的富集与积累；植被对重金属有较强的固持作用，植被覆盖率越高，重金属含量越稳定，因此矸石风化较好、植被覆盖度较大的4区和5区重金属含量较高且相对较稳定。

（2）地质累积指数法结果表明：5个研究区受到不同重金属污染的程度不同，Cd污染最严重，为主要污染物，1—3区达到中度污染，4—5区达到偏重度污染；Ni在5个研究区均为轻度污染；对于Zn，1区排矸年限短、坡度大、植被覆盖率低，元素流失严重未形成污染外，其它4个区均为轻度污染；Cu分布较均匀，5个区均为轻度污染；Cr和Pb在该矸石堆积地的平均含量较低，整体未形成污染，但由于排矸年限、地形、植被覆盖等因素影响，污染分布不均匀，Cr在3区和5区为轻度污染，Pb在2区为轻度污染。根据地质累积指数值（即Igeo值）可知6种重金属的污染强弱顺序为Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

（3）潜在生态危险指数法结果表明，三里洞煤矿矸石堆积地的主要污染物为Cd，Eir范围在235.05～395.88之间，在5个研究区均达到了重度或极重潜在生态危险水平，其它5种重金属均为轻度潜在生态危险水平；对于5个研究区而言，综合6种重金属元素的污染可知，5区污染最严重，1区污染最轻，5个研究区受污染强弱程度顺序为5区＞4区＞3区＞2区＞1区。可见，排矸年限越长、地形越平坦、植被覆盖率越高，重金属污染越严重。

（4）分别应用地质累积指数法和潜在生态危险指数法两种污染评价方法对该矸石堆积地进行了污染分析与评价，地质累积指数法侧重于对某一研究区域内单一重金属的污染级别划分，但是不能明确给出在研究区受到多种重金属复合污染情况下的污染强度。潜在生态危险指数法中重金属毒性响应系数Tir的引入具有重要的实际意义，Tir是美国国家环保局根据对生物体的大量毒性试验和“三致”效应的研究成果，它结合了重金属的生态效应、环境效应和毒理学原理，在重金属对人体健康、生物生长等方面表现的差异性充分表示出来，能够客观评价重金属排放区对周围环境的现实和潜在危害程度。

本文应用这两种方法进行污染分析与评价，结果基本一致。该研究区的主要污染物为Cd，对环境的污染最为严重，该地应加强对Cd污染的预防和治理；Cu和Pb虽然含量较低，但因为它们的毒性响应系数较高，对周围环境仍存在一定的污染；Ni和Zn含量较高，但因其毒性响应系数较低，对周围环境的污染较轻；Cr除了个别区域外，基本不形成污染。

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