焦作演马煤矿区土壤重金属空间分布与污染评价_田文.pdf

安徽科技学院学报，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年项目（）；安徽科技学院引进人才项目（）。作者简介：田文（），男，湖北公安人，博士，助教，主要从事环境污染与生态响应研究。焦作演马煤矿区土壤重金属空间分布与污染评价田文，蔡永兵，李飞跃，范行军（安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 ）摘要：目的：研究煤矿区土壤重金属空间分布特征及污染状况。方法：利用电感耦合等离子体质谱法（）对焦作演马煤矿矸石灰及周边表层土壤 、等种重金属含量进行测定。结果：研究区内表层土壤重金属含量 。除 、外，其余重金属含量平均值都高于河南省土壤元素背景值，呈现不同程度的累积。表层土壤水平空间分布与矸石堆的距离密切相关，在一定范围内重金属含量随距离增加而降低。各重金属元素潜在生态危害指数 ，综合潜在生态危害指数 值为 ，对 值的贡献为 。结合相关性分析与聚类分析，推断、与农业活动和交通运输相关，源于采煤活动与居民生活，来自农业生产，受采煤活动和农业生产影响。结论：演马煤矿区土壤重金属污染水平整体较轻，风向是影响重金属水平空间迁移的主要因素，为主要的污染物和潜在生态风险因子。土壤重金属污染主要受采煤活动、农业生产、居民生活、交通运输的影响。关键词：演马煤矿；煤矸石；土壤；重金属；污染评价中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，（）：，（），：，：；煤矿开采为经济发展做出巨大贡献的同时，也给矿区带来了严重的生态环境问题。煤矸石是一种随着采煤和洗煤过程而产生的固体废弃物，在大气环流、风化、淋滤等作用下，长期堆放在地表的煤矸石释放的重金属进入周边土壤、地下水及大气，造成煤矿区生态环境质量恶化。煤矿区周边矸石堆放地、农田、废弃地、水体、植物等受到广泛关注，主要探究重金属污染特征、污染评价、富集机制、形态分析等，发现煤矿区周边重金属都存在不同程度的超标，并且这些重金属会通过食物链富集进入人体，严重危害当地居民健康。焦作煤矿区是全国有名的老矿区，在煤炭开采过程中产生了大量煤矸石。以露天形式堆放的煤矸石不仅占用大量土地，而且引发周围土壤、地下水、农作物 出现不同程度的重金属污染，对区域生态环境产生了危害。在地势、风向、土壤理化性质等因素的影响下，以矸石堆为中心，随着距离的增加土壤重金属含量呈非线性下降变化；同时农作物中重金属含量也降低，并在不同部位表现出差异富集。这些研究结果对掌握焦作煤矿区重金属污染状况提供了重要参考资料，但缺乏针对研究区内多种重金属远距离迁移规律和来源辨析。为加深对焦作煤矿区重金属污染迁移特征和来源的认识，本研究以焦作演马煤矿为研究对象，通过测定不同路线中矸石灰、表层土壤重金属（、）含量，获得其分布特征，利用潜在生态危害指数法确定区域重金属污染等级和主要污染物，结合多元统计法首次解析了不同重金属污染来源。本研究旨在探讨煤矿开采活动对周边土壤环境质量的影响，深化煤矿区重金属污染与人类活动关系的认识，为煤矿区土壤生态风险评估和重金属污染防治提供科学依据。材料与方法 研究区概况演马煤矿（，）位于河南焦作煤矿地区（图），处在太行山前冲洪积扇倾斜平原地带上，地形总体上西北高东南低。研究区属暖温带大陆性季风型气候，年均温度为 ，年均降雨量为 ，年均蒸发量为 ，盛行风向为东北方向，地下水埋深为。该煤矿开采出的煤矸石主要以露天形式堆放，现存煤矸石量约 ，周围多村庄，土地利用类型主要为农田和果园。路线设计与样品采集以演马煤矿矸石堆为靶区，根据研究区地形地貌，结合盛行风向及地下水流向，共布设了条采样路线（图）。路线位于矸石堆东南方向 ，为地下水主流向，末端采样点距矸石堆约 ，布设个采样点；线路位于矸石堆东北方向 ，为煤矿区盛行风向，末端采样点距矸石堆约 ，布设 个采样点；线路围绕矸石堆，布设个采样点。所有的采样点都尽量避免铁路、公路和村庄区域，按照五点取样法采样，每个点设个重复，共 个样品。在路线、中采集表层（）土壤，路线中采集矸石灰。采样的同时记录经纬度信息，利用 型土壤原位 计（，美国）测定土壤。第 卷第期田文，等：焦作演马煤矿区土壤重金属空间分布与污染评价图研究区采样路线和采样点分布图 样品处理与测试样品置于室内自然风干，去除石块、残枝碎屑后研磨过 目筛，避光保存。利用 体系进行消解，消解液过 滤膜后用比色管定容并转移至样品瓶，用 型电感耦合等离子体质谱仪（美国 ）进行元素测定。同时测定标准土壤样品（）和空白样品，进行质量控制，得到各元素测量误差分别为 、，相对偏差均。对样品进行加标回收，各元素的回收率分别为 、，均在 。潜在生态危害评价潜在生态风险指数（，）是一套对环境重金属污染及生态风险进行评价的方法。该方法从沉积学角度，在考虑土壤或沉积物重金属含量与参比值关系的基础上，兼顾重金属的生物毒性，并对环境中重金属的潜在危害程度进行定量划分，是目前此类研究中应用较为广泛的一种。值计算公式如下：（）（）（）其中，为元素的污染指数，其中为元素的实测含量，为元素的参比值（采用河南省土壤元素背景值，见表）；是元素的潜在生态危害指数；为元素的生物毒性响应系数；为潜在生态风险指数。根据 研究结果，本研究中、的毒性系数分别取、。根据单元素潜在生态危害指数和潜在生态危害指数 ，将潜在生态风险程度进行划分（表）。表潜在生态危害指数与生态风险程度对应关系 潜在生态风险程度单元素潜在生态危害指数潜在生态危害综合指数 轻微 中等 强 很强 极强 安徽科技学院学报 年 数据统计与分析利用 计算不同路线中土壤样品重金属含量的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数、潜在生态危害指数等，重金属元素之间的相关性矩阵在 软件中完成，采用 软件绘制图件。结果与分析 煤矿区重金属含量特征路线、中重金属含量统计结果如表所示。路线中，各重金属含量平均值为（）（）（）（）（）（）。其中 含量（）波动最剧烈，变异系数 ，表明 在表层土壤中分布不均；其它重金属含量（：；：；：；：；：）变异幅度（：；：；：；：；：）较小，说明这种元素在表层土壤中分布较均匀。除、外，、平均值均高于河南省土壤元素背景值（表），分别为背景值的 、倍，表明这种重金属在研究区东南方向土壤中存在不同程度的富集。路线中，表 层 土 壤 重 金 属 含 量 平 均 值 依 次 为（）（）（）（）（）（）；其 范 围：，。其中 的变异系数最大（），次之（），其余重金属（）、（）、（）、（），这与路线各元素含量的波动较为一致。除、外，、含量均值也超出河南省土壤元素背景值（表），分别为背景值的 、倍。与路线相比，路线重金属含量均值均超过路线，说明这种重金属在研究区东北方向土壤中富集程度更高。路线中，矸石灰重金属含量和平均值排序与路线、路线一样：（，）（，）（，）（，）（，）（，），其含量波动较低。在矸石灰中，、平均含量均超过路线和，分别是河南省土壤元素背景值（表）的 、倍。变异系数是表征概率分布离散程度的一个归一化量度。通过分析样品中重金属含量的离散程度，可以反映研究区内种重金属的分布及污染程度。当变异系数大于，表明重金属在空间上分布不均，可能存在点源污染，有外源污染物输入；反之，重金属分布离散程度小、较均匀。虽然路线中矸石灰重金属变异系数都很低，但整体含量较高（表），可能是重金属污染来源之一。矸石灰为矸石自然风化或人工粉碎后形成，重金属的分布相对均匀，通过扬尘向周边扩散、沉降，造成土壤重金属污染。矸石在风化过程中重金属元素不断富集，新鲜的矸石中有机质相对含量较高，风化后重金属比例增高，因此矸石灰中重金属含量往往会很高。路线、中，的变异系数分别为 、，表明 的分布很不均匀，空间差异性大，对外界干扰敏感，可能是受成土过程影响或人类生产活动导致；而、的变异系数相对较低（），说明人类活动对重金属累积的影响可能较小。但也有研究指出，在人为因素影响下，重金属累积会使含量变高及变异系数增加，说明 、受到了外部人为因素的影响。条路线中，富集水平非常高，这可能与当地煤矸石的高 特性有关。第 卷第期田文，等：焦作演马煤矿区土壤重金属空间分布与污染评价表演马煤矿矸石堆场地不同路线重金属含量 类别 路线最大值（）最小值（）平均值（）标准差 变异系数 路线最大值（）最小值（）平均值（）标准差 变异系数 路线最大值（）最小值（）平均值（）标准差 变异系数 河南 省 土 壤 元 素 背 景值 （）注：河南省土壤元素背景值选用河南省层土壤元素算术平均值。煤矿区重金属空间迁移路线中，、种重金属含量在 内，随距离增加而降低；范围内，呈现升高降低升高的不规则波动；之内，重金属含量随距离增加而缓慢增加或先降低后再逐渐升高（图）。除、外，其余种重金属含量均低于土壤污染风险筛选值下限。虽然部分点位、含量超出风险筛选值下限，但仍在风险筛选值范围内，表明路线方向土壤环境质量处于相对安全水平。图路线中种重金属含量随距离变化 路线中，、含量变化较为相似，在 范围内呈逐渐下降趋势；安徽科技学院学报 年之间，重金属含量基本保持稳定；在 内，出现急剧的无规则波动（图、）。和 的分布各有特点，范围内，含量随距离增加而降低；在 处略微升高；内基本保持不变；之间，含量发生不规则地波动（图）。在 内呈现升高降低的变化，在 附近存在异常点；范围内，含量随距离增加表现升高降低升高的变化，在 处有最大值（图）。图路线中种重金属含量随距离变化 通常情况下，采矿引起的土壤重金属污染主要富集在表层，其污染程度随距离增加呈逐渐降低趋势 。通过路线中各采样点重金属含量与矸石堆的距离关系并结合研究区内地下水流向和埋深，推测重金属污染受地下水径流的影响微弱。在矸石扬尘的扩散范围（）内随距离增加而减少，表明该段重金属迁移与距矸石堆的远近密切相关；超出 后，重金属的分布可能更多地受到人类活动的影响。通过路线中不同采样点重金属含量与矸石堆的距离关系并结合区内风向，推断除 外其它种重金属分布在 范围内主要受朝东北方向盛行风影响，其含量随距离增加而降低；超出 后，重金属的迁移可能受到人为因素的干扰。有研究表明，风向是影响土壤重金属分布的关键因素。随着与矸石堆距离的增加，在风向上的土壤重金属含量呈规律性递减。土壤是重金属元素生物地球化学循环中的重要载体，土壤中重金属的含量和形态直接制约着土壤质量，。路线中 污染较严重，部分点位 含量已超过土壤污染风险筛选值上限（图）；污染次之，但在风险筛选值范围内（图）；其余种重金属含量均低于风险筛选值下限（图、）。这表明路线方向的土壤不能保证农产品质量安全，农作物生长或土壤生态环境存在风险。煤矿区重金属污染潜在生态危害评价演马煤矿区重金属污染潜在生态危害评价结果如表所示，在路线、中，单元素潜在生态危害指数均值排序一致：（、）（、）（、）（、）（、）（、）；路线为 （）（）（）（）（）（）。条路线中 污染最严重，达到强至极强潜在生态危害水平；其余种重金属单项潜在生态危害指数最大值均低于，属轻微潜在生态危害。以 单项而言，路线中处于强和很强潜在生态危害水平的样品各占；路线中具有强、很强、极强潜在生态危害的样品比例分别为 、；路线的 全部达到极强潜在生态危害水平，这在很大程度上是源于含 矸石长期风化淋溶导致 不断累积。重金属潜在生态综合指数 值（表）显示，路线重金属 值为 ，其中轻微生态危害占比 ，中等生态危害占比，强生态危害占比 ；路线重金属 值范围 ，属轻微生态危害样品比例为 ，中等生态危害为 ，强生态危害第 卷第期田文，等：焦作演马煤矿区土壤重金属空间分布与污染评价为 ；路线重金属 值在 之间，强、很强生态危害各占。条路线中路线重金属潜在生态危害最强，路线次之，路线相对较轻。表演马煤矿矸石堆场地不同路线重金属污染潜在生态危害评价 项目单因子潜在生态危害指数 潜在生态危害综合指数 路线最大值 最小值 平均值 贡献率 轻微 中等 强 很强 极强路线最大值 最小值 平均值 贡献率 轻微 中等 强 很强 极强 路线最大值 最小值 平均值 贡献率 轻微 中等强 很强 极强 注：贡献率指单元素潜在生态危害指数占综合生态危害指数的百分比。以矸石堆为起点的