贵州典型煤矿周边土壤重金属特征及生态风险评估

赵君　吴坤　周进康　马小云

【摘   要】   为评估贵州省典型煤矿周边土壤的重金属污染状况和生态风險，分析了该地区45个土壤样品中Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr六种重金属元素的含量，同时运用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法评价矿区土壤的污染程度和生态危害。含量分析显示，土壤中的Zn、Cu、Cr含量比其他重金属高，平均值分别为387.30、69.22、88.14 mg·kg^-1;生态风险评价显示Cd的生态风险较强，应避免过度累积。

【关键词】    煤矿土壤;重金属;生态风险;贵州

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

〔中图分类号〕 X705                         〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）02- 0050 - 04

0     引言

人类活动不可避免地产生污染物进而引起污染物含量超标，其中重金属是最常见的污染物之一。土壤作为动植物生存的基础，土壤中重金属可通过食物链在动物和人体内富集进而对人类健康造成极大危害[1-3]。在开采过程中煤炭暴露于地表引起伴生金属不断向环境释放，同时煤炭、废渣、煤矸石经风化、渗透等途径向周边土壤迁移转化，导致煤矿周边土壤中重金属含量超标问题严重[4-6]，所以煤矿周边土壤重金属污染已经是不可忽视的问题。贵州是我国重要的煤炭资源大省，由于多雨气候和喀斯特地貌，煤炭堆积暴露在地表时侵蚀、分化及淋溶现象十分显著，从而加快了煤炭主体元素和伴生元素不断向周边土壤迁移转化的速度，导致土壤中As、Cd、Cr等伴生重金属含量超标[7]。目前贵州煤矿周边土壤重金属研究以含量分析或某个矿区风险评估为主，缺乏整体情况的分析和评价[8-10]，所以对贵州煤矿周边土壤中重金属含量和生态风险进行较为全面的分析和评估，对土壤的安全使用和治理修复均有参考意义和价值。本文以贵州典型煤矿为研究对象，对周边土壤中的Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr六种重金属进行含量分析，利用风险评价方法进行生态评价，为土壤安全利用和土壤修复提供借鉴。

1     材料和方法

1.1   样品采集

选取贵州的典型煤矿利用蛇型布点法进行布点采样，除去表面杂草后采集表层（0～20 cm）土壤，共计45个。土壤样品置于玻璃瓶中带回实验室，经自然风干，去除石子等非土壤杂质后用四分法取样，研磨、过100目筛，装袋保存、待测。

1.2   仪器与试剂

AA-6300C原子吸收分光光度计，日本岛津仪器有限公司;AFS-8220原子荧光光度计，北京吉天仪器有限公司;ATX-224电子天平，日本岛津仪器有限公司。

盐酸（HCl）、硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）、氢氟酸（HF），优级纯，国药集团有限公司;1000 mg·L^-1的Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr标准液（标准物，北京坛墨质检科技有限公司）。

1.3   样品处理与测定B61AD2E6-93C4-4E77-9D8C-A6E7F4EB30F5

1.3.1   Cu、Cr、Zn、Cd处理方法

参照国家标准进行前处理[11]：准确称取样品0.2 g于50 mL聚四氟乙烯坩堝中，蒸馏水润湿，加5 mL HCl，加热消解至HCl剩余2～3 mL，冷却后加5 mL HNO₃、4 mL HF、2 mL HClO₄，继续消解至样品转变为白色后，冷却、定容至100 mL，待测。

1.3.2   Hg、As处理方法

参考国家标准进行前处理[12，13]：准确称取样品0.2 g于50 mL比色管中，蒸馏水润湿，加入6 mL HCl、2 mL HNO₃，50 ℃水浴消解30 min后在100 ℃继续消解2 h，冷却后定容至50 mL，待测。

1.4   样品测定方法

原子吸收法测定Cd、Zn、Cu、Cr含量，原子荧光法测定Hg、As含量;进行空白实验，所有样品均进行3次平行测定，用平均值来表示最终含量;为保证实验方法的准确性及可靠性，每隔10个样品插入一个校准样，确保实验检测仪器的稳定性和准确性。

1.5   风险评价方法

利用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对研究区域煤矿周边土壤的生态风险进行评价，计算公式如下[9，14-15]。

2     结果与分析

2.1   重金属含量分析

矿区周边土壤中六种重金属含量见表2。由表可知：不同重金属的含量和检出率均存在较大差异，其中Zn、Cu、Cr的检出率最高，为100%，这与环境中此类元素背景值相对较高有关;Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr含量的平均值分别为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，所以贵州煤矿周边土壤中重金属以Cd、Zn累积为主。变异系数是元素分布离散程度的反映，可表示人类活动对环境影响的大小[17]。六种重金属变异系数从高到低依次为Hg>As>Cu>Cd>Cr>Zn，变异系数在77.53%～181.34%。所有重金属的变异系数均大于36%，属于高度变异，说明煤矿地区土壤受矿产开采等因素的影响较大，重金属污染混杂情况严重是多种元素共同作用引起的。

2.2   土壤中重金属风险评价

Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr六种重金属的单因子指数、内梅罗污染指数计算结果如表3所示。

由单因子指数可知：Cd的危害程度最高，均值为3.73，属于重度污染;Zn均值为1.55，属于轻度污染;其他重金属污染指数的均值都低于1.0，处于无污染水平;Hg、As最大值均小于1.0，在清洁安全范围;Cr为轻度污染，只有4个样品污染指数达到1以上;Cd、Zn、Cu均存在污染指数在3.0以上的样品，其中Cd有55.6%的样品属于重度污染，对环境可造成重大危害。内梅罗污染指数结果表明样品中的Cd、Zn、Cu为重污染，Cr属于轻度污染。不同重金属的潜在生态风险评估结果见表4。

依据表4可知：六种重金属的潜在生态风险从高到低的依次为Cd、Cu、Hg、Zn、Cr、As;45个样品中的Zn、Cu、Cr、Hg、As均处于低生态风险水平，Cd有62.22%的样品处于中度至强生态风险水平;潜在生态风险指数平均值为335.40，中度以上风险高达40%。潜在生态风险指数与单因子指数、内梅罗指数的评价结果基本一致，Cd的生态风险较强，应进行土壤修复治理以确保农用安全。

3     结论

通过对贵州典型煤矿周边土壤45个样品中的六种重金属测定发现：矿区周边土壤均受到不同程度的重金属污染，各种金属含量具有一定的差异性且属于高度变异，所以人类活动是重金属污染的主要原因;Hg、As、Cd、Zn、Cu、Cr含量的平均值分别为0.18、0.45、1.12、387.30、69.22、88.14 mg·kg^-1，含量以Zn、Cu、Cr为主，污染以Cd、Zn为主。生态风险评价结果显示：煤矿周边土壤中Cd具有较强的生态风险，应避免过度积累;其他重金属的生态风险较低，矿区总体上处于较低的生态风险水平。

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