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矿区农田土壤重金属污染评价与研究 仝双梅 1 连国奇 2 杨琴 1 代稳 1 秦趣 1 （1. 六盘水师范学院旅游与历史文化学院， 贵州 六盘水 553004； 2. 六盘水师范学院化学与材料工程学院， 贵州 六盘水553004） 摘要以贵州六盘水市2个矿区周边农田土壤为研究对象， 对土壤重金属进行含量及分布特征分析。采用污 染负荷指数法、 潜在生态风险评价法和地积累指数法对其污染状况进行评价。结果表明 2个矿区农田土壤Pb、 Cd、 Hg、 Cu的含量最大值均超出了贵州省土壤背景值， Cu的污染最严重， 2个矿区的含量均值分别是背景值的5.54倍和 4.12倍； 2个矿区农田土壤重金属的含量分布总体上呈现在煤矸石堆放场、 矿区洗煤池附近农田土壤中重金属元素的 含量高于远离矿区的外围农田的现象。矿区WJZ和矿区ZS重金属元素的污染系数均值由高到低均呈现Cu＞Hg＞ Pb＞Cd＞As的现象， 土壤采样点整体的污染负荷指数分别为1.39和 0.75， 即分别呈现中等污染和无污染的状况； Cu、 Pb、 Cd元素的来源可能受人为采矿活动的影响， Hg、 As元素的来源可能受人类活动和成土母质的共同影响。 关键词六盘水矿区农田土壤重金属污染评价 中图分类号X825文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-189-06 DOI10.19614/ki.jsks.201906034 Assessment and Research of Heavy Metals Pollution in Farmland Soil from Mining Areas Tong Shuangmei1Lian Guoqi2Yang Qin1Dai Wen1Qin Qu12 （1. College of Tourism and Cultural History， Liupanshui Normal University， Liupanshui 553004， China； 2. College of Chemical and Materials Engineering， Liupanshui Normal University， Liupanshui 553004， China） Abstract Two typical mining areas soils in Liupanshui were took as the research object to analyze the contents and dis- tribution characteristics of heavy metals of the farmland soils. Their pollution status were assessed by the pollution load index， Hakanson ecological risk index and geological cumulative index. The results showed that the maximum contents of Pb，Cd， Hg and Cu in farmland soils of the two mining areas exceeds the soil background values of Guizhou Province，and the pollu- tion of Cu is the worst. The average contents of heavy metals in farmland soils of the two mining areas are 5.54 times and 4.12 times of the background values， respectively. The distribution of heavy metals in farmland soils of the two mining areas gener- ally presented that the contents of heavy metals in farmland soils near coal gangue dump and coal wash pool are higher than that of the farmland far away from the mining area. The average pollution coefficients of heavy metal elements in WJZ and ZS of mining area show the phenomenon of Cu ＞ Hg ＞ Pb ＞ Cd ＞ As from high to low. The overall pollution load index of soil sam- pling points are 1.39 and 0.75， showing moderate pollution and non-pollution， respectively. The sources of Cu， Pb and Cd el- ements may be affected by human mining activities， and the sources of Hg and As elements may be affected jointed by human activities and soil-ing materials. KeywordsLiupanshui City， Mining area， Farmland soils， Heavy metal pollution assessment 收稿日期2019-02-28 基金项目贵州省科学技术基金项目 （编号 黔科合J字LKLS[2013]17号） ， 贵州省教育厅创新群体重大研究项目 （编号 黔教合KY字[2016]056 号） ， 岩溶水文过程与生态环境效应科技创新团队基金项目 （编号 LPSSYKJTD201701） ， 六盘水师范学院科研计划项目 （编 号 lpssy201114， lpssy201210， lpssy201207） 。 作者简介仝双梅 （1983） ， 女， 副教授， 硕士。 采矿为地区和国家经济发展提供重要的能源资 源， 为人类带来了巨大的经济效益， 但开采也带来了 环境污染、 生态破坏等重大环境问题， 对土壤环境质 量及人类健康产生了较大影响， 尤其是成为土壤重 金属污染的重要来源。重金属污染物进入土壤后不 易分解， 其污染过程具有长期性、 隐蔽性和不可逆性 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 189 ChaoXing 等特点 ［1］， 并通过食物链途径从作物进入人体危害人 体健康。土壤重金属污染所带来的环境问题日益受 到人们的重视， 已经成为国际环境土壤学研究的热 点 ［2］。矿业开采引起的重金属污染受到国内外学者 的广泛重视 ［3-4］， 不同国家的学者针对矿区土壤重金 属污染开展了大量的研究工作。目前， 国内外学者 对矿区重金属污染的研究主要集中在以下几个方 面 对矿区周边土壤重金属含量的测定、 分布特征及 污染生态风险评价的研究 ［5-6］， 对矿区周边土壤重金 属富集特征的研究 ［7］， 对矿区周边农田土壤重金属含 量及化学形态的研究 ［8］， 矿区土壤重金属污染行为及 空间分布 ［9］、 土壤重金属迁移转化研究［10］、 土壤重金 属污染生态修复等方面的研究 ［11］。重金属研究评价 方法目前主要涉及到单因子污染指数法、 内梅罗综 合污染指数法、 潜在生态风险指数法、 地积累指数 法、 污染负荷指数法等 ［12］。六盘水地区煤炭储量丰 富， 素有 “西南煤海” 之称， 是我国南方乃至全国重要 的能源供应基地， 但开采、 冶炼、 运输等对土壤环境 质量产生了巨大的影响， 尤其是带来了矿区周边农 田土壤重金属污染， 又通过植物富集及食物链危害 到农作物及人体的健康。对六盘水矿区农田土壤重 金属的研究报道并不多， 本研究以六盘水2个典型的 矿区为例， 对其周边农田土壤重金属Pb、 Cd、 Hg、 As、 Cu含量水平进行分析， 并进行土壤重金属污染生态 风险评价， 以期为六盘水矿区土壤重金属污染控制 及土壤修复， 以及保障居民生态健康提供科学依据。 1材料与方法 六盘水市位于贵州省西部， 地跨北纬2519′44“ 至2655′33“、 东经10418′20“至10542′50“， 属亚热 带季风湿润气候， 地处川滇黔桂四省结合部， 境内煤 炭资源远景储量844亿t， 探明储量180亿t。自 “三线 建设” 立市以来， 六盘水市已累计开采煤炭3亿多t， 动 用储量20多亿t ［13］。但煤炭资源的大量开采存在着高 投入、 高消耗、 高污染等突出问题， 特别是开采对附近 土壤尤其是农田及居民健康产生了极大的危害。 在矿区外围农田选取典型采样区， 按照梅花形 法在每个采样区中布设采样点， 每个采样点用木铲 采集0～15 cm土壤， 去除表层石块与干枯植物， 采样 量约500 g左右， 最后装在自封袋内编号。采集的土 样在实验室室内常温避光自然风干， 剔除植物残余 及石块等其他异物， 按照四分法取土样约200 g， 经玛 瑙研钵研磨后过100目尼龙筛装袋编号备用。 用混酸 （硝酸、 高氯酸、 氢氟酸） 消解法， 定容后 取上清液， 用原子荧光法测定Hg和As， 原子吸收光 谱仪测定Cd、 Pb、 Cu， 随批带空白实验。在样品消解 测试过程中， 随批做空白实验， 利用国家标准物质 （GBW-07409、 GBW-07413） 和20平行样进行质量控 制， 将标样测试值和平行样间的相对标准偏差 （RSD） 控制在规定范围5以内。 2污染评价模型 2. 1污染负荷指数法 污染负荷指数法由Tomlinson等人提出， 其既能 反映单一采样点土壤重金属污染程度， 又能对整个 研究区土壤综合污染状况进行评价 ［14-15］， 该方法由土 壤样品所包含的多种重金属元素污染系数构成。某 一点土壤污染负荷程度计算公式为 PLI ■ ■ ■ ■ ■ ■∏ i1 n CFi 1 n ，（1） 式中， PLI为采样点重金属污染负荷指数；CFiCi/Cib； CFi为重金属i的污染系数；Ci为重金属i的实测值；Cib 为重金属i的参比值。 以贵州省土壤背景值作为参比。通常PLI划分 为 4 个等级 PLI＜1 时， 无污染；1≤PLI＜2， 中等污 染； 2≤PLI＜3， 强污染； PLI≥3， 极强污染。某一区域 土壤污染负荷程度计算公式为 P ■ ■ ■ ■ ■ ■∏ i1 m PLIi 1 m ，（2） 式中， P为区域土壤污染负荷指数； m为某一区域的 采样点数量。 2. 2潜在生态风险评价法 潜在生态风险评价综合考虑了重金属元素的浓 度、 毒性水平、 相对贡献比例等， 目前被广泛地应用 于评价区域潜在生态风险。其计算式为 RI∑ i1 m T i rPi, （3） Pi Cid Cir ,（4） EirT i rPi （5） 式中， RI为多种潜在生态风险指数；Eir为单项金属潜 在生态风险因子；T i r为重金属 i 的毒性系数； Pi为单 一金属污染系数；Cir为土壤重金属i的背景值， mg/kg； Cid为土壤重金属i的实测浓度， mg/kg。对应的Eir、 RI 分级见表1. 2. 3地积累指数法 地积累指数 （Igeo） 又被称为Muller指数， 考虑了 自然地质过程造成的背景值的影响， 而且也充分注 意了人为活动对重金属污染的影响 ［17-18］。计算式为 Igeolog2[]Ci/KBi，（6） 式中，Igeo为地积累污染指数；Ci为元素i在土壤中的实 金属矿山2019年第6期总第516期 190 ChaoXing 仝双梅等 矿区农田土壤重金属污染评价与研究 测值， mg/kg； K是修正指数， 取1.5；Bi为元素i的地球 化学背景值， mg/kg。 地积累指数可分为7个级别 ［19］， Igeo＜0， 污染级别 为0级， 表示无污染； 0≤Igeo＜1， 污染级别为1级， 表示 无污染到中度污染； 1≤Igeo＜2， 污染级别为2级， 表示 中度污染； 2≤Igeo＜3， 污染级别为3级， 表示中度污染 到强污染； 3≤Igeo＜4， 污染级别为4级， 表示强污染； 4≤ Igeo＜5， 污染级别为5级， 表示强污染到极强度污染； Igeo≥5， 污染级别为6级， 表示极强污染。 3结果与分析 3. 1矿区农田土壤中重金属含量分析 针对六盘水市2个矿区 （WJZ、 ZS） 周边农田土壤 样品重金属含量的分析， 结果见表2。 土壤pH可影响Cd等重金属元素的地球化学行 为 ［22］， 本次研究的2个矿区土壤pH含量范围分别为 WJZ4.53～7.54 和 ZS3.18～7.36， 87.5的土壤样品 pH 小于7， 为酸性土壤， 个别样点土壤表现为弱酸性， 研 究区土壤的酸性环境可能会加剧土壤重金属有害元 素离子交换态含量的增加， 从而加剧土壤重金属污 染的生态风险， 这与刘德良等 ［23］对广东明山尾矿区 土壤重金属污染环境质量的评价的研究结论一致。 由表2可知， 2个矿区周边农田土壤中重金属Pb、 Cd、 Hg、 As、 Cu 的含量平均值分别为 56.1、 0.37、 0.37、 10.64、 177.24 mg/kg和23.41、 0.45、 0.14、 10.94、 131.84 mg/kg。和贵州省土壤背景值相比， WJZ矿区除Cd、 As2种元素外， 农田土壤Pb、 Hg、 Cu的含量平均值均 超出了贵州省土壤背景值， 分别是贵州省土壤背景 值的1.59、 3.36、 5.54倍； ZS矿区除Pb、 Cd、 As3种元素 外， 农田土壤Hg、 Cu的含量平均值均超出了贵州省 土壤背景值， 分别是贵州省土壤背景值的1.27、 4.12 倍； 表明2矿区的Hg、 Cu都有不同程度的累积。此 外， 除As元素外， 2矿区Pb、 Cd、 Hg、 Cu的含量最大值 均超出了贵州省土壤背景值， 表明2个矿区农田土壤 Pb、 Cd、 Hg、 Cu都出现了不同程度的污染， 其中2个矿 区农田土壤Cu的含量分别是背景值的4.14～8.77和 3.11～4.86倍， Cu的污染最严重。参照全国土壤背景 值， WJZ矿区除As元素外， 农田土壤Pb、 Cd、 Hg、 Cu的 含量平均值均出现了超标， ZS矿区除Pb、 As2种元素 外， 农田土壤Cd、 Hg、 Cu的含量平均值均超出了全国 土壤背景值。 从变异系数来看， 2个矿区农田土壤Cd的变异 系数最大， 分别为121和132， 其次为Hg， 分别为 63.53和 86.50， As 的变异系数分别为 35.33和 37.98， 3种元素均为强变异， 表明2矿区农田土壤 Cd、 Hg和As3种元素受人为活动的影响较大。2个矿 区农田土壤中5种元素的变异系数大小次序分别为 Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cu 和 Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu， WJZ 矿区 5 种元素的变异系数均大于30， 全部为强变异， ZS矿 区Cd、 Hg、 As3种元素表现为强变异， Pb、 Cu2种元素 为中等变异。 2个矿区农田土壤各采样点5种重金属的含量分 布差异明显， 但总体来看， 在煤矸石堆放场、 矿区洗 煤池附近农田土壤中重金属元素的含量较高， 而在 离矿区较远的外围农田元素的含量相对较低， 这与 李琦 ［1］对宿州矿区农田土壤的研究结论一致。如Pb 和Hg的含量高值均出现在煤矸石堆放场附近和矿区 内农田， 分别高达112.64 mg/kg和0.70 mg/kg， 而其最 低值则主要出现在离矿区较远的山地农田中， 分别 为 3.28 mg/kg 和 0.07 mg/kg。从水平空间分布上来 看， WJZ矿区Pb、 Hg、 As3种元素的含量大致表现为 矿区内农田＞矿区煤矸石堆放场附近农田或矿区洗 煤池附近农田＞离矿区较远的山地农田。这含量分 布上的差异说明开采活动对重金属元素在土壤中的 2019年第6期 191 ChaoXing 含量富集具有重要影响， 是引起矿区农田土壤重金 属污染的重要来源之一。 3. 2重金属污染负荷指数分析 以贵州省土壤背景值为参比值， 对所采集样本 中重金属元素污染状况进行污染负荷指数分析， 统 计结果见表3。 矿区WJZ和矿区ZS重金属元素的污染系数均 值由高到低。均呈现 Cu＞Hg＞Pb＞Cd＞As， 重金 属在2个矿区农田土壤呈现不同的污染程度， 2个矿 区均表现为Cu、 Hg元素污染最严重， As元素污染最 轻， 反映出它们在土壤中的赋存特征和迁移规律的 不同 ［24］， 以及与外源重金属的人为扰动有关［14］。此 外， 研究表明长期的开采对周围农田土壤造成不同 程度的重金属累积性污染， 如苏海民等 ［25］对宿州市 矿区周边土壤中重金属元素的污染特征进行研究， 表明开采是土壤重金属污染的重要来源之一， 4个矿 区重金属出现不同程度的富集。 对2个矿区采样点土壤的污染负荷指数进行分 析， 结果见表3。矿区WJZ的污染负荷指数PLI范围 为0.81～2.44， 均值为1.41， 矿区ZS的污染负荷指数范 围为0.36～1.29， 均值为0.80。对2矿区采样点土壤的 污染负荷指数频度进行统计， 发现矿区WJZ土壤采 样点呈现无污染、 中等污染、 强污染的比例分别为 15、 70和15； 矿区ZS土壤采样点呈现无污染和 中等污染比例分别为66.70和33.30， 无土壤采样 点出现强污染的状况。矿区WJZ和矿区ZS土壤采样 点整体的污染负荷指数P分别为1.39和 0.75， 分别呈 现中等污染和无污染的状况， 说明矿区WJZ周边农 田土壤受外来因素的影响较大， 矿区ZS受人类活动 的干扰较小， 但其污染复合指数P接近1， 其污染状 况仍不可忽视。 3. 3潜在生态风险评价 以国家土壤环境质量标准 （GB156181995） 为 参比值， 对2个矿区农田土壤进行潜在生态危害评 价， 结果见表4。2矿区的Pb、 As的潜在生态风险系数 都小于40， 处于轻微生态风险危害； 2矿区的Cd只有 1个样点大于80， 处于强生态危害等级， 有25的样 点Cd的潜在生态风险系数处于中等生态危害等级， 其余都处于轻微生态风险危害风险； 2个矿区的Hg的 潜在生态风险系数最大值分别达到252.73和166.55， 都达到很强生态危害风险， 尤其是WJZ矿区25的样 点Hg的潜在生态风险等级达到很强生态危害风险， 70的样点Hg的潜在生态风险等级达到中等生态危 害风险和强生态危害风险；Cu在2个矿区有25的样 点处于中等生态危害等级， 其余处于轻微生态风险危 害等级。由此可见， Hg和Cd在2矿区土壤生态污染 中的贡献率较高， 是主要的潜在生态风险因子。 2 个矿区的潜在生态风险指数 RI 范围分别为 WJZ 矿区 109.94～313.99 和 ZS 矿区 42.15～204.58， 均 值分别为190.86和90.90， 分别处于很强生态风险和 强生态风险危害水平， WJZ矿区整体上比ZS矿区重 金属污染程度严重， 这可能与WJZ矿区的开采时间 较长有关， 表明矿区周边农田土壤重金属的污染问 题应当引起重视， 特别是Hg和Cd的污染应该进行系 统的治理。 3. 4地积累指数法评价 采用贵州省土壤背景值为参比值， 对2个矿区农 田土壤进行地积累指数评价。发现WJZ矿区Hg和 Cu元素分别有10和20采样点的地积累指数最大 值超过了2， 达到3级中度污染到强污染等级； ZS矿 区Hg和Cu元素分别有10和100采样点的地积累 指数最大值超过了1， 属于2级中度污染等级。Pb元 素在WJZ矿区分别有10达到2级中度污染等级和 金属矿山2019年第6期总第516期 192 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 30的样点达到1级无污染到中度污染等级； ZS矿区 所有样点Pb元素地积累指数小于0， 均为无污染等 级。2矿区的Cd元素分别有20和30采样点地积 累指数达到1级无污染到中度污染等级。2个矿区所 有样点的As地积累指数小于0， 均为无污染等级。从 整体来看， 2个矿区农田土壤5种重金属元素的地积 累指数均表现为 Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cd， Cu、 Hg元素 在2个矿区农田土壤的污染最严重， As元素污染最 轻， WJZ矿区整体上比ZS矿区重金属污染程度严重， 这和污染负荷指数法和综合污染指数法评价得出的 结果一致， 表明2个矿区的Cu、 Hg元素应进行重点治 理。 3. 5矿区农田土壤重金属来源分析 用SPSS软件对矿区农田土壤重金属的来源进行 载荷因子分析， 结果见表5、 表6。由表5可知， 前2项 累计贡献率已达到 72.253， 故取前 2 项作为主成 分。第一主成分以Cu、 Pb、 Cd为主的载荷最大， 其累 积贡献率为39.257， 表明三者的来源可能相同， Cu、 Pb、 Cd3种元素的含量均超出了土壤背景值， 在土壤 中出现了不同程度的累积， 表明第一主成分可能主 要受人为采矿活动的影响。第二主成分以Hg、 As为 主的载荷最大， 其累积贡献率为32.996， Hg的含量 部分样点超过了背景值， 且变异系数为强变异， As的 含量未超过背景值， 表明第二主成分可能受人类活 动和成土母质的共同影响。 4结论 对六盘水市2个矿区 （WJZ、 ZS） 周边农田土壤重 金属含量进行分析， 除As元素外， 2个矿区Pb、 Cd、 Hg、 Cu的含量最大值均超出了贵州省土壤背景值， Cu的污染最严重， 其含量均值分别是背景值的5.54 倍和4.12倍。参照全国土壤背景值， WJZ矿区除As 元素外， 农田土壤Pb、 Cd、 Hg、 Cu的含量平均值均出 现了超标； ZS矿区除Pb、 As2种元素外， 农田土壤Cd、 Hg、 Cu的含量平均值均超出了全国土壤背景值。2 矿区农田土壤中5种元素的变异系数大小次序分别 为 Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cu 和 Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu。WJZ 矿 区5种元素的变异系数均大于30， 全部为强变异； ZS矿区Cd、 Hg、 As3种元素表现为强变异， Pb、 Cu2种 元素为中等变异。综合污染负荷指数、 潜在生态风 险指数和地积累指数评价得出2矿区周边农田土壤 均受到重金属不同程度的污染， Cu、 Hg元素在2个矿 区农田土壤的污染最严重， Hg和Cd在2个矿区土壤 生态污染中的贡献率较高， WJZ矿区整体上比ZS矿 区重金属污染程度严重， 表明2个矿区的Cd、 Hg、 Cu 元素应进行重点治理。矿区土壤重金属的来源较为 复杂， 应通过深入的研究对其污染源进行识别， 对其 生态风险进行评估， 有针对性地对土壤污染进行治 理和修复。 参 考 文 献 李琦， 韩亚芬.煤矿区农田土壤重金属的空间分布及污染评价 ［J］ .山东农业工程学院学报， 2016 ， 33 （3） 4-8. 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