土壤重金属污染程度分析及等级评估研究

高 彪

(忻州市生态环境局，山西 忻州 034000)

引 言

土壤作为人类赖以生存和活动的环境基础，环境质量的好坏不仅关系着人类的生活质量，还与人类的生命健康息息相关。工业化进程的加快，出现了较为严重的土壤重金属污染问题，重金属元素首先会被作物吸收，人类食用含有重金属的作物，就会威胁自身的健康，必须引起高度重视[1-3]。煤矿矿区的重金属污染情况众多，具有含量高、影响广、残留久等特点，对生态环境和人类健康的影响较突出[4]。岩溶煤矿区存在较多的碳酸盐，因年降雨量大，生态环境极易受到破坏，查阅大量资料发现，关于岩溶煤矿区土壤重金属污染问题的研究甚少[5-6]。因此，笔者结合多年的工作经验，以某典型岩溶煤矿区为研究对象，检测土壤重金属元素的含量，分析土壤重金属特性，完成污染等级评估，以期为岩溶煤矿区重金属的污染防治提供理论指导。

1 岩溶煤矿区概况

某典型岩溶煤矿区位于西北部的山区，地貌特征为高原中山峡谷，四季变化明显，潮湿多雨，属于亚热带季风气候。矿区内部没有地表河流，存在多条季节性的泄洪沟渠，岩溶地貌较多并且存在数量不多的碎屑岩，岩溶裂隙内部的水资源补给主要来源于大气的降水。熔岩矿区外围的低洼地段存在较多的沉积物，上坡位置积聚大量的煤岩石，农田内部存在少量的粉煤灰、煤渣等煤炭采掘产生的废弃物质。该岩溶煤矿始建于20世纪90年代，开采时间久远，占用大量的耕地，一旦出现重金属污染情况，将会导致周围大片农作物被污染，危及周围居民的生命健康，有必要对矿区周围重金属含量进行检测，以便制定科学合理的预防措施，保护该区土壤不被污染。

2 取样与检测

2.1 取样与处理

2020年3月～7月参考该矿区的地形和土地使用情况，在周围农田内部设置了15个采样点，每个采样点取3个土壤样品。要求土壤样品必须来自本区表层的原有土壤，采样深度在0 mm～200 mm范围内。采集完成的3份土壤样品进行充分混合，获得质量约为1 kg的整体样本，依此得到15份土壤样品，进行标号并记录采样点的经纬度，用试样袋包装之后运回实验室。在实验室中对土壤样品进行风干，同时去除土壤样品中的植物根系、杂质等，用天平称取4份质量为200 g的相同土壤样品，分别置于玛瑙研钵进行研磨，之后将研磨完的土壤样品置于样品瓶。依次完成15份土壤样品的称量、研磨和分装，以备后续检测使用。

2.2 分析检测

称取质量为0.3 g左右的土壤样品放入Teflon试管，量取10 mL配比为4∶1的消解液，借助微波消解仪完成土壤样品的消解处理，待其冷却至室温后移至比色管内。土壤中Hg和As含量的检测使用型号为AFS-933的原子荧光仪，Cd和Pb含量的检测使用型号为ZEEnit700P的原子吸收光谱仪，Cu含量的检测使用型号为WFX-210的火焰原子吸收光谱仪，设备操作及重金属含量检测均按照国家标准规定的方法完成，加入到化学物质和试剂均符合国家标准要求，回收率满足国家标准要求。

2.3 评价方法简介

2.3.1 潜在生态风险指数法

2.3.2 地积累指数法

3 检测结果

3.1 土壤重金属含量

检测15个土壤样品的重金属含量，统计结果如表1所示。由表1数据可以看出，煤矿区土壤中Pb、Cd、Hg、As、Cu的重金属含量范围分别为6.24～18.96、0.16～2.10、0.01～0.14、3.49～14.3、66.21～136.24，单位为mg/kg。含量的平均值分别为12.05、0.68、0.09、6.98、105.56，单位为mg/kg。相较于煤矿区重金属含量的背景值，Pb、Hg和As均满足要求，而Cd和Cu出现了超出背景值的情况，分别超出了约0.02倍和2.3倍。

3.2 污染等级评价

3.2.1 潜在生态风险指数评价

依据煤矿区重金属含量检测结果，运用潜在生态风险指数方法，计算得出煤矿区土壤潜在生态风险指数评价结果如表2所示。由表2数据可以看出Pb、Cd、Hg、As、Cu五种元素的地积累指数的最小值为46.12，最大值为88.39，平均值为68.01，整体的土壤环境污染等级为Ⅰ级，属于轻微污染。

表1 土壤重金属含量

表2 土壤潜在生态风险指数评价结果

3.2.2 地积累指数评价

依据煤矿区重金属含量检测结果，运用地积累指数方法，计算得出煤矿区土壤地积累指数评价结果如表3所示。由表3数据可以看出，煤矿区土壤重金属元素的地积累指数大小依次是Cu>Hg>Cd>Pb>As，其中计算得到Cu的地累积指数范围是0.49～1.52，平均值为1.12，污染等级为Ⅱ级，预示着矿区周围土壤均受到了污染。其余的Pb、Cd、Hg、As重金属元素的地积累指数平均值分别为-2.21、-0.95、-0.72、-2.22，均小于0，处于0级，属于无污染情况。

表3 土壤地积累指数评价结果

4 分析及讨论

4.1 重金属含量

煤矿区重金属检测结果显示土壤内Cd、Cu元素的平均含量均高于其背景值，而Pb、Hg、As元素未超标。该矿区煤炭采掘年限较长、年产量巨大，坡度较为缓平的位置长期堆放煤岩等废弃物，同时，煤炭采掘过程中的废水渣存在乱排乱放的情况存在，这是出现矿区土壤重金属污染的主要原因。与此同时，矿区岩溶地貌发达，其表层具有较强的重金属吸附能力，也可能是产生土壤重金属富集的主要因素。

4.2 污染等级评价

煤矿区土壤综合潜在生态风险指数的范围是46.12～88.39，平均值为68.01，综合评价结果为Ⅰ级，属于轻微污染。地积累指数评价结果显示，矿区土壤中的Cu含量严重超标，存在大范围的土壤污染情况，Cd污染也要引起高度重视，都是土壤污染治理的重中之重。出现Cu污染的可能原因是矿区周围居民生活及长期的煤炭采掘活动会导致重金属干湿沉降、雨水淋溶导致的，当前Pb、Hg、As重金属元素均处于无污染等级。与此同时，造成矿区土壤中Cd、Hg重金属元素污染的原因还可能是尾矿、煤岩石等长期风吹日晒导致其中的重金属元素渗出，随雨水进入周围土壤及地下水，进而污染矿区周围的土壤。因此即使当前大部分重金属元素处于轻度污染情况，也应进行防范，保证周围作物及人类的生命安全。

5 结论

1) 检测煤矿区重金属元素含量，得出Pb、Hg和As重金属元素未超出背景值，而Cd和Cu出现了超出背景值的情况，分别超出了约0.02倍和2.3倍。

2) 运用潜在生态风险指数方法分析煤矿区重金属对土壤的污染等级，得出Pb、Cd、Hg、As、Cu五种元素的地积累指数的最小值为46.12，最大值为88.39，平均值为68.01，整体的土壤环境污染等级为Ⅰ级，属于轻微污染。

3) 运用地积累指数方法分析煤矿区重金属对土壤的污染等级，得出Pb、Cd、Hg、As重金属土壤环境污染等级为0级，属于轻微污染，Cu含量出现严重超标情况，土壤环境污染等级为Ⅱ级，属于中度污染，需要制定必要的防范措施。