峰峰矿区典型煤矸石山周边土壤重金属污染生态风险评估

张昊然 张玉玲 张艳杰 贾哲

摘要：在对峰峰矿区某典型煤矸石山周边表层土壤样品采集以及室内测定Cd、Cr、As、Pb等4种重金属含量的基础上，评估了土壤重金属污染潜在生态风险。结果表明：土壤中Cd、Cr、As、Pb含量均未超过国家标准（GB15618 - 2018）中农用地土壤污染风险筛选值。风险评估结果显示，煤矸石山周边土壤4种重金属都存在一定潜在生态风险，其程度为轻微，其中Cr元素单个元素的污染程度为中等，最具有潜在生态风险的元素是Cd元素。

关键词：煤矸石山;表层土壤;重金属;生态风险评估

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0088-02

1 引言

中国煤炭主体地位稳固，以煤炭为主要能源的格局难以改变。同时从煤炭的开采到利用过程中会引发很多的不利于生态环境发展的问题，煤矸石的大量堆积生成矸石山就是其中非常重大问题之一。全国煤矸石累积数量超过了50亿t[l]，近年来煤矸石长期大量的堆放所导致其周边土壤重金属污染问题引起了强烈关注，国内外学者对土壤中重金属的污染特征以及对其的风险评估等问题开展了深入研究[2]。其中有研究表明，煤矸石的自然风化过程会导致微量重金属元素的富集，煤矸石所导致的重金属污染环境的问题主要集中在煤矸石山的周边[3]。峰峰矿区的矸石山随处可见，据统计大型矸石山共计17座，矸石堆存量约3660万t，占地面积约105万m2。因此研究峰峰矿区矸石山对周边土壤生态风险影响，对矸石山周边土壤环境治理奠定基础，并且具有一定的指导意义。

2 峰峰矿区概况

峰峰矿区位于河北省南部、邯郸市西南，东西宽18km，南北长22km。峰峰矿区是全国著名的煤炭产区、资源储量大、埋藏浅、品质高，是以煤炭资源为主的传统型工矿城市。现如今，随着国家政策的颁布和煤矿资源的过渡开采，峰峰矿区的中小型煤矿基本关闭，逐步退出历史舞台，但是，峰峰矿区也遗留下很多环境问题，随处可见的煤矸石山就是其中之一，目前峰峰矿区现有煤矸石山几十座，堆积时间3-50年之间，总堆存量超过9855万t，占地面积超过150万m2。

3 实验方法与评估方法

3.1 土壤样品采集方案

在考虑煤矸石山周边的自然地貌以及气象风向的因素下，确定煤矸石山为中心，在其东北、西北、正东、东南和正南5个方向总共布置5条采样线。每条采样线在Om、20 m、40 m、60 m.80 m、100 m、150 m、200 m、300 m和400 m处共设10个采样点[4]，形成以矸石山为中心，由近及远，由密至疏的采样布置，共采集50个表层土壤（0～20 cm）样品。在每一个采样点位置采样采用多点混合取样方式采集表层土壤，用四分法将采集的土壤样品装入一个样品袋中，并在远离矸石山的位置采集表层土壤用作检测背景值。

3.2 样品前处理

将土壤样品自然风干，研磨，过筛。采用pH计测量土壤样品的pH值;采用硝酸、氢氟酸和高氯酸三种强酸在石墨消解仪上进行消解，消解过程如下：称取土壤样品0.2 9加入消解管中，用少量蒸馏水湿润并振荡均匀，再给消解管中加入5 mL硝酸，在100℃下加热1h;然后再加入2.5 mL氢氟酸，在120℃下加热th，在此加热期间全程加置回流盖;最后加入0.5 mL高氯酸，在140℃下加热2h，前一个小时加置回流盖，后一个小时取走回流盖进行赶酸的操作，当冒出大量白烟并且酸液近乎赶完时，消解完成，给消解管里加入1 mL的1：1硝酸溶液溶解残渣;将消解液定容在25 mL容量瓶中，抽滤之后采用电感耦合等离子体光谱仪测定土样中重金属（Cd、Cr、As、Pb）含量[5]。

3.3 重金属污染评价方法

采用瑞典科学家Hakanson提出的“潜在生态危害指数法”进行重金属污染评价[6]。公式为：

式（1）中，RI为潜在生态风险指数;E为单项潜在生态危害指数;Tr为重金属的毒性系数;Cj单项污染系数;Cs为所采集的土壤样品的实测值;Cn为背景值。

4 结果

采样地区采集的土壤样品pH均高于7.5，根据土壤环境质量标准（GB15618 - 2018）规定，在土壤pH>7.5的标准下，四种重金属元素均未超过农用地土壤污染风险筛选值。

背景值采用的所采集的远离煤矸石山周边的土壤样品和各个重金属的毒性系数值可见表1。

单项重金属污染系数（Cf）、单项重金属生态危害指数（ Er）和重金属潜在生态风险指数（RI）标准值如表2所示。

依据潜在危害生态指数法中提出的评价方法和分级标准，对于峰峰矿区煤矸石山周边土壤中重金属潜在生态风险评估的结果可见表3。从表3中可看出，煤矸石山周边土壤中，单个元素的污染程度从高到低的顺序依次为Cr> Cd> Pb> As，其中Cr单个元素的污染程度为中等，其他几个元素都是轻微程度。从单个污染物生态风险程度列可以看出，煤矸石山周边土壤中各个重金属元素对RI值的高低程度影响的情况依次为Cd>Cr>As>Pb，其中潜在生态风险程度最高的是Cd元素，接下来是Cr元素。经过计算所得到的结果显示峰峰矿区煤矸石山周边土壤重金属污染总的潜在生态风险指数RI值为30. 48，该潜在生态风险指数RI的数值综合反映了所检测的4种重金属元素在以煤矸石山为中心半径400 m的范围内5个方向上土壤中的污染程度及潜在生态危害性，因为计算得到的RI值为150，说明峰峰矿区煤矸石山周边土壤具有潜在生态风险，其生态风险污染程度为轻微。

5 结论

（1）峰峰矿区煤矸石山周边土壤中4种重金属元素（Cd、Cr、As、Pb）的含量都没有超过土壤环境质量标准（ GB15618 - 2018）中农用地土壤污染风险筛选值标准。

（2）潜在生态危害指数法所计算出的结果表明，峰峰矿区煤矸石山周边土壤重金属存在一定潜在生态风险，程度为轻微。单个元素的污染程度从高到低依次为Cr>Cd>Pb>As，其中Cr元素单个元素的污染程度为中等，潜在生态危害指数從高到低依次为Cd>Cr>As>Pb，其中Cd元素是最主要的潜在生态风险因子。

参考文献：

[l]王玖玲，童文彬，陈 民，等.中国煤矸石堆存现状的统计分析[J].煤炭加工与综合利用，2014（1）：61—64.

[2]刘巍，杨建军，汪君，等，准东煤田露天矿区土壤重金属污染现状评价及来源分析[J].环境科学.2016，37（5）：1938～1945.

[3]党志，Fowler M，Watts S.等.煤矸石自然风化过程中微量重金属元素的地球化学行为[J].自然科学进展，1998（3）：60-64.

[4]丛鑫，雷旭涛，付玲，等，海州煤矿矸石山周边土壤重金属污染特征及生态风险评价[J].地球与环境，2017，40（3）：329-335.

[5]郭兴强，刘永琴.不同消解方法测定土壤中重金属含量的研究[J].实验室科学，2018，21（5）：31～36.

[6]王洋洋，李方方，王笑阳，等.铅锌冶炼厂周边农田土壤重金属污染空间分布特征及风险评估[J].环境科学，2019，40 （1）：437～444.

收稿日期：2019-11-18

作者简介：张昊然（ 1994-），男，硕士研究生，研究方向为矿山环境工程。