贵州省检测技术研究应用中心，贵州 贵阳

收稿日期：2022年2月28日；录用日期：2022年4月1日；发布日期：2022年4月8日

摘要

为探讨煤矸石淋滤液对土壤环境质量的影响，运用单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态风险指数法和地质累积指数法等对土壤中8种重金属元素(Cu、Zn、Cr、Ni、Cd、Pb、Hg、As)进行分析。结果表明，研究区表层土壤pH值在3.45~6.34之间，总体呈弱酸性，Cu、Zn、As、Cd、Cr、Ni超出农用地土壤污染风险筛选值(GB15618-2018)，且多种重金属元素含量超出背景值。土壤重金属单项生态风险表明，研究区土壤为中等生态危害，内梅罗综合污染指数显示有20%土壤样点达到重度污染水平，地质累积指数显示土壤环境为中度污染，潜在生态风险指数显示土壤生态系统受轻微损害，以Cu污染中严重，其次为Cd、Hg和Ni。

关键词

煤矸石，淋滤液，重金属，分布特征，污染评价

Distribution Characteristics and Pollution Assessment of Heavy Metals in Soil of Coal Gangue Leachate Polluted Area in Guizhou

Li Yuan, Xiaofen Hu^*

Guizhou Testing Technology Research and Application Center, Guiyang Guizhou

Received: Feb. 28^th, 2022; accepted: Apr. 1^st, 2022; published: Apr. 8^th, 2022

ABSTRACT

In order to explore the effect of coal gangue leachate on soil environmental quality, the single-factor index method, Nemerow comprehensive index method, potential ecological risk index method and geological accumulation index method were used to measure the 8 kinds of heavy metal elements (Cu, Zn, Cr, Ni, Cd, Pb, Hg, As) in soil for analysis. The results show that the pH value of the surface soil in the study area is between 3.45 and 6.34, and the overall is weakly acidic. Cu, Zn, As, Cd, Cr and Ni exceed the soil pollution risk screening value of agricultural land (GB15618-2018), and the contents of several heavy metal elements exceed the background value. The single ecological risk of heavy metals in the soil shows that the soil in the study area is of moderate ecological hazard, the Nemerow comprehensive pollution index shows that 20% of the soil samples have reached the level of severe pollution, the geological accumulation index shows that the soil environment is moderately polluted, and the potential ecological risk index shows that the soil environment is moderately polluted. The ecosystem was slightly damaged, with Cu pollution being the most serious, followed by Cd, Hg and Ni.

Keywords:Gangue, Coal-Washing Water, Heavy Metal, Distribution Characteristics, Pollution Assessment

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

贵州省煤矿资源丰富，煤炭生产企业众多，在煤炭开采和洗选过程中会产生大量煤矸石 [1] [2] [3]。根据王贤荣等 [4] 以及高海燕等 [5] 研究表明，煤矸石浸溶液显酸性，煤矸石长期堆放会影响周边土壤，使土壤呈弱酸性，土壤中重金属元素含量增加，土壤环境、水环境受危害；同时，煤矸石在自然风化和降雨淋溶过程，会释放大量重金属元素，沿地表扩散迁移对邻近区域土壤环境造成影响，影响土壤生态系统、地下水环境以及农产品质量，甚至可通过食物链危及人体健康 [6] - [12]。

目前，众多研究人员主要在煤矸石堆放造成的环境影响、煤矸石重金属溶出特性、煤矸石淋滤液对植物生长影响等方面进行了研究，如：煤矸石堆放对水环境的影响——以山东省一些煤矸石堆为例 [13]、煤矸石在动态淋溶条件下重金属的溶出特性 [14]、煤矸石淋滤液对柳叶空心菜幼苗生长的影响 [15]。关于煤矸石淋滤液释放的重金属在土壤中的分布情况以及对农用地土壤的危害程度亟需探明，文章基于工作实际，以贵州楼下镇洗煤厂煤矸石淋滤液污染区域为研究对象，通过单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态风险指数法和地质累积指数法等多种评价方法，查明污染区土壤重金属分布特征，为煤矸石淋滤液污染区土壤环境修复提供科学支持，对土壤重金属污染防治具有科学意义。

2. 样品采集与实验方法

2.1. 研究区域概况及样品布置

贵州楼下镇洗煤厂建于2011年，2014年停产，场区内堆存有大量煤矸石，降雨天产生大量的煤矸石淋滤液，由于坡度较陡，淋滤液沿着地表径流至下游农用地环境中，导致农用地土壤受不同程度的影响。根据Google Earth历史卫星影像图及现场人员访谈，研究区农用地受煤矸石淋滤液影响已有5年以上。

于2020年10月采用系统布点 [16] 选取35个土壤采样点位，每个点位采集3个平行样，共采集105个土壤样品，采样深度为0~20 cm，每个点位用木铲采取土壤样品约1.5 kg装入密封袋带回实验室，经自然风干、去除异物、研磨、过筛装入自封袋备用。采样点位见图1。

图1. 研究区采样布点图

2.2. 样品的测定

土壤样品的pH值根据HJ 962-2018 [17] 的方法来测定(水土比2.5:1)。称取0.2000 g土样于消解罐中，经过HCl-HNO₃-HF消解后，Cu、Zn、Cr和Ni采用原子吸收分光光度计法(HJ 491-2019) [18] 进行测定，Cd和Pb采用石墨炉原子吸收分光光度计(GB/T 17141-1997) [19] 进行测定；称取0.2000 g土样用王水消解，Hg采用原子荧光光度计法(GB/T 22105.1-2008) [20] 进行测定，As经过硫脲和抗坏血酸溶液处理后，采用原子荧光光度计法(GB/T 22105.2-2008) [21] 进行测定。测定全程序采用空白样、10%平行样和国家土壤样品标准进行质量控制。

3. 重金属污染评价方法

3.1. 评价标准

对研究区土壤中重金属Cu、Zn、Cr、Ni、Cd、Pb、Hg、As的污染评价采用贵州省土壤背景值 [22] 和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)农用地土壤污染风险筛选值(研究区基本为水田，标准值见表1)，农用地土壤污染风险筛选值指农用地土壤中污染物含量等于或者低于该值的，对农产品质量安全、农作物生长或者土壤生态环境风险低，一般情况下可以忽略；超过该值的，对农产品的质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施 [23]。

表1. 土壤环境质量标准和贵州省土壤背景值(mg/kg)

3.2. 单因子指数法

对研究区土壤重金属污染评价采用单因子指数法(P_i)，计算公式如下：

$P_i=C_i/S_i$ (1)

公式(1)中：P_i为污染物i的污染指数；C_i为污染物i的实测值；S_i为污染物i的环境质量标准值。

3.3. 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法(NPI)能全面反映各污染物对土壤污染的不同程度，同时又突出高浓度对土壤环境质量的影响，可反映多种污染物的综合污染水平 [24] [25]，其公式如下：

$P_n=\sqrt{\frac{P_{i\max }^2+P_{iave}^2}{2}}$ (2)

公式(2)中：P_n为综合污染指数；P_imax为各单项污染指数(P_i)中的最大值；P_iave为各单因子污染指数(P_i)的平均值，根据单因子指数(P_i)和综合污染指数(P_n)的大小可将土壤污染程度划分为5级，见表2。

3.4. 潜在生态风险指数法

采用瑞典学者Hakanson提出的潜在生态风险指数进行评价，该指数可反应某一环境中各种重金属的风险等级 [26]，潜在生态风险指数(RI)计算公式如下：

$\text{RI}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{E}_r^i}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{T}_r^i\cdot C_f^i}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{T}_r^i\cdot \frac{C_p^i}{C_n^i}}$ (3)

公式(3)中：RI为多种潜在生态风险指数， $E_r^i$ 为单项金属潜在生态风险因子， $T_r^i$ 为重金属i的毒性系数， $C_f^i$ 为单一金属污染系数， $C_n^i$ 为土壤重金属i的背景值， $C_p^i$ 为土壤重金属i的实测浓度。土壤重金属毒性系数 $T_r^i$ 分别为 [23] Cu = 5、Zn = 1、Cr = 2、Ni = 5、Cd = 30、Pb = 5、Hg = 40、As = 10。

3.5. 地质累积指数法

地质累积指数法(I_geo)由德国科学家Muller在20世纪60年代提出，此方法考虑了环境背景值和人为活动对重金属的影响，已被广泛应用于人为活动引起的土壤重金属污染研究中 [27]，该指数将土壤中重金属的污染程度分为7个等级，代表不同的重金属污染程度 [28]。其计算公式为：

$I_{geo}={\log }_2\left[\frac{C_n}{k\times B_n}\right]$ (4)

公式(4)中，I_geo为地质累积指数；C_n为样品中元素n的实测值；B_n为元素n的地球化学背景值；k为修正系数，用于消除岩石差异、成岩作用等因素可能会引起背景值的波动而设立，一般取1.5 [29]。

表2. 评价指数分级表

3.6. 数据分析

常规数据统计分析以及图表制作采用Origin2021、Excel、ArcGIS10.2完成。

4. 结果与讨论

4.1. 研究区土壤pH值及重金属含量

研究区农田土壤重金属表含量见表3，表层土壤的pH值在3.45~6.34之间(均值为4.81，变异系数为0.16)，表明表层土壤总体呈酸性。此外，Cu、Zn、Hg、As、Cd、Cr、Pb、Ni这8种重金属含量表现出较大的差异，其含量(mg/kg)分别为63~223、56~241、0.0624~0.256、7.57~32.3、0.0422~0.558、78~268、10.8~36.5、15~158。8种重金属元素的变异系数顺序为Cd (0.60) > Ni (0.50) > Hg (0.40) > As (0.32) > Zn (0.29) > Cu (0.28) > Cr (0.25) > Pb (0.24)，不同于pH值(0.16)较小的变异系数，Cd、Ni、Hg较高的变异系数表明不同的采样点这3种重金属含量差异明显，离散性较大，说明这3种重金属受外界因素的影响较大，空间分布差异明显。Cu、Zn、Cr、Pb的变异系数较低，表明Cu、Zn、Cr、Pb受外界干扰影响较小。

表3. 土壤pH值与重金属含量(mg/kg)

根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)农用地土壤污染风险筛选值标准，研究区土壤中有Cu、Zn、As、Cd、Cr、Ni超出农用地土壤污染风险筛选值，这几种重金属含量超标率为Ni (48.57%) > Cd (14.29%) > Cu (11.43%) > Zn (2.86%) = As (2.86%) = Cr (2.86%)。与贵州省土壤背景值相比，Cd、Hg、Pb (平均值)未超出贵州省土壤背景值，As、Cr、Cu、Ni、Zn (平均值)超出贵州省土壤背景值的1.3、1.6、3.3、1.4、1.2倍，表明As、Cr、Cu、Ni、Zn这几种元素在环境中有不同程度的积累，其中Cu元素积累最明显。

4.2. 重金属污染评价

本研究以贵州省土壤背景值作为参比值，对所采样本中超出背景值的As、Cr、Cu、Ni、Zn元素进行单项污染指数统计，统计结果见表4，研究区As、Cr、Cu、Ni、Zn的单项污染指数范围分别为0.56~2.40、0.79~2.71、1.83~6.46、0.79~2.88、0.54~2.31，从污染程度看，Cu污染程度最严重，样点重度污染比例为57%；As、Cr、Ni、Zn处于安全状态的比例分别为29%、9%、9%、31%，这几种重金属元素的污染程度从大到小的依次为Cu > Ni > Cr > As > Zn。从内梅罗综合污染指数来看，研究区土壤内梅罗综合污染指数在1.83~5.12范围，均值为2.69，采样点PI > 3，达到重度污染水平的比例为20%，Cu为研究区土壤污染的主要因素，这与仝双梅 [24] 等研究相一致。

表4. 土壤重金属污染指数及污染程度

4.3. 土壤重金属潜在生态风险评价

根据土壤重金属潜在生态风险评价表5可知，土壤中Cu、Zn、As、Cr、Pb、Ni的单项生态风险系数( $E_r^i$ )均小于40，范围分别为9.13~32.32、0.54~2.31、5.62~23.96、1.58~5.42、1.61~5.44、1.91~20.10，这几种元素表现为轻微生态危害；土壤中Hg的单项生态风险系数范围为19.20~78.77 (均值为36.54)，有66%的土壤样点处于轻微生态危害，而34%的土壤样点则处于中等生态危害；土壤中Cd的单项生态风险系数范围为3.19~41.85 (均值为15.37)，有3%的土壤样点Cd处于中等生态危害，其余土样均处于轻微生态危害。从土壤重金属单项生态风险系数均值分析，这几种土壤重金属元素的生态危害程度依次为Hg > Cu > Cd > As > Ni > Cr > Pb > Zn，Hg、Cu、Cd是主要的潜在生态风险因子；从多种重金属的潜在生态风险指数(RI)分析，研究区RI范围值为71.23~146.60，均值为95.78 (小于150)，研究区100%土壤样点处于中等生态危害程度及以下。

表5. 土壤重金属潜在生态危害统计表

4.4. 土壤重金属地质累积指数法评价

经统计(图2)，研究区土壤重金属元素Zn、Cd、Pb的I_geo均小于0，未受污染；Cu有43%的样品点位土壤为无–中度污染水平、54%样品点位土壤为中度污染水平、3%样品点位土壤为中–强度污染水平；Ni有46%的样品点位土壤为无–中度污染水平、3%样品点位土壤为中度污染水平；Hg、As、Cr分别有6%、37%、69%样品点位土壤为无–中度污染水平；研究区土壤重金属以Cu污染较为严重，其次为Ni、Cr、As、Hg。

图2. 土壤重金属地质累积指数统计图

5. 结论

研究区土壤pH值在3.45~6.34之间(均值为4.81)，土壤总体呈弱酸性，多种重金属超出农用地土壤污染风险筛选值(GB15618-2018)以及土壤背景值，土壤环境受到污染，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境存在风险，应引起重视。通过多种评价结果分析，土壤生态系统受到轻微损害，土壤重金属中以Cu污染最严重，其次为Cd、Hg和Ni，应对土壤环境进行修复，降低其对周围环境的影响。

文章引用

袁 丽,胡小芬. 贵州煤矸石淋滤液污染区土壤重金属分布特征及污染评价
Distribution Characteristics and Pollution Assessment of Heavy Metals in Soil of Coal Gangue Leachate Polluted Area in Guizhou[J]. 环境保护前沿, 2022, 12(02): 176-184. https://doi.org/10.12677/AEP.2022.122023

参考文献