張 琛, 師學義, 馬樺薇, 張美榮, 王 晶

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

煤炭基地復墾村莊土壤重金屬污染生態(tài)風險評價

張 琛, 師學義, 馬樺薇, 張美榮, 王 晶

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

對煤炭基地的復墾村莊進行土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價，可以指出在村莊復墾中應該特別注意的物質，減少煤炭開采后有可能會造成土地污染并提高村莊復墾后的耕地質量。以山西省澤州縣西郜村的壓煤復墾村莊為研究區(qū)域，在分析了該地區(qū)土壤重金屬含量的基礎上，以山西省土壤重金屬元素背景值為評價標準，采用潛在危害指數(shù)法對土壤重金屬污染狀況進行評價。研究結果表明，壓煤復墾村莊不同層次土壤的綜合污染程度范圍為6.05～14.92，平均處于中等污染程度；從單個要素上來看，各種重金屬污染系數(shù)平均值由高到低為：Hg>Pb>As>Cd>Cr，Hg屬于較高的污染水平，其重金屬潛在風險指數(shù)在75.9～275.19之間，有一半樣點的潛在生態(tài)風險達到了中等程度；Hg潛在生態(tài)風險達到了較高污染程度，需要在復墾過程中進行治理。對煤炭基地復墾土壤重金屬進行潛在生態(tài)風險評價，有助于掌握土壤重金屬污染特征和分布規(guī)律，為復墾后耕地的重金屬污染控制與修復提供一定的依據(jù)，促進土地資源的可持續(xù)利用。

復墾村莊; 重金屬污染; 潛在危害指數(shù); 生態(tài)風險

我國黃土高原地區(qū)煤炭基地范圍內(nèi)，由于土地塌陷、水資源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化等災害性問題，以及被壓占煤炭資源的開發(fā)、人口向城鎮(zhèn)遷移、新農(nóng)村建設等，有大量村莊土地被或即將被廢棄，村莊土地的復墾整理已成為該地區(qū)土地綜合整治的重要內(nèi)容之一。同時，村莊土地復墾不僅是實施城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤的有效手段，更是增加耕地面積和提高土地資源可持續(xù)利用的重要途徑。在村莊土地復墾的研究中，土壤質量評價是其研究工作的主要內(nèi)容之一，且涉及到的評價指標很多，重金屬含量就是其中之一。土壤重金屬含量作為土壤質量評價的一個重要指標，能夠有效地反映土壤的污染現(xiàn)狀及質量狀況[1]。由于長期人類生產(chǎn)和生活活動，使得村莊土壤中富集的重金屬含量不斷增加，這不僅對復墾后耕地的土壤質量造成影響，并且可以通過食物鏈被植物、動物數(shù)十倍地富集，從而間接地危害人類健康[2-3]。因此，對煤炭基地復墾村莊土壤中重金屬進行生態(tài)風險評價，不僅可以反映村莊土壤環(huán)境中的全部污染物的影響，而且通過潛在生態(tài)風險指數(shù)指出在村莊復墾中應該特別注意的物質，這對于復墾后耕地質量的提升和污染的控制非常重要。

目前，有關土壤重金屬污染的研究得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注,研究重點主要包括土壤重金屬空間分異[4-5]、來源分析[6]、污染評價[7-8]、生物效應[9]和生態(tài)修復[10]等方面，研究方法主要涉及綜合指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、地質累積指數(shù)法、尼梅羅綜合指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、臉譜圖法和次生相富集系數(shù)法[11-14]等,但已有的研究沒有充分考慮生物特性對重金屬毒性的響應特征，缺乏區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險評價。由Hakanson[15]提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法能夠將重金屬環(huán)境效應、生態(tài)效應與毒理學聯(lián)系在一起，定量地劃分重金屬潛在風險等級，能夠有效地反映土壤重金屬的污染特征和分布規(guī)律，并逐步運用到土壤重金屬污染評價中。但目前對重金屬污染及其潛在生態(tài)風險主要集中于礦區(qū)及廢棄地[16-17]、農(nóng)業(yè)土壤[18]、城市土壤[19]和流域沉積物[20]等，關于復墾村莊土壤中重金屬污染的研究較少。

本文以山西省澤州縣西郜村的復墾村莊為研究區(qū)域，西郜村壓占大量煤炭資源，處于山西煤炭運銷集團永豐煤業(yè)有限公司開采區(qū)范圍內(nèi)，且周圍有鋼廠，導致土壤中存在一定程度的重金屬污染，并進一步通過影響植物生存而間接危害人類健康。在開展農(nóng)村土地綜合整治的過程中，其關注的重點往往是如何增加耕地數(shù)量，對于通過復墾提高耕地質量的研究不足。因此，本研究通過對復墾村莊土壤重金屬進行潛在生態(tài)風險評價，可以指出在村莊復墾中應該特別注意的事項，避免該村莊進行煤炭開采后有可能會造成土地污染并提高土地復墾后的耕地質量，促進土地資源的可持續(xù)利用。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省晉城市澤州縣是煤炭生產(chǎn)大縣，全縣因煤炭開采導致9個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、86個行政村的21 778間民房裂縫甚至倒塌，其中12個村因大面積的房屋裂縫、水源枯竭等不得不實施整村搬遷，村莊土地復墾已成為全縣實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的焦點問題。西郜村地處澤州縣巴公鎮(zhèn)，位于東經(jīng)112°51′38″—112°52′09″，北緯35°40′01″—35°40′39″，交通條件良好，全部為農(nóng)村居民點用地，土地總面積為35.706 2 hm2。但是，村莊布局相對分散，居住環(huán)境惡劣，群眾生產(chǎn)生活不便，并壓占大量煤炭資源，為改善農(nóng)民的生活環(huán)境，合理開發(fā)煤炭資源，急待進行整村搬遷改造，村莊土地復墾對北方煤炭基地具有很好的示范意義。西郜村地勢呈東西北高，中部、南部低的簸箕狀，海拔高度為750～850 m。屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，土壤屬褐土地帶，土層深厚，土壤熟化度較高，土質偏黏，土體干旱，復墾總規(guī)模35.706 2 hm2。

1.2 土壤樣品的采樣和處理

本研究選取西郜村村莊土壤中汞、砷、鉛、鎘和鉻5種重金屬元素作為評價指標。按照每2 hm2布設一個采樣點的原則，總共設立18個采樣點即可覆蓋全部村莊。并在每個樣地按照0—20 cm和20—40 cm兩種采樣深度進行采樣。采樣后的土樣混合后經(jīng)風干、去雜、過篩后用瑪瑙研缽磨成粉末供重金屬元素的測定。本研究中采樣點覆蓋村莊中的不同地類，其中包括了村莊中的耕地、道路、空場地等。

1.3 測定方法

土壤中As的測定用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法；Hg的測定用冷原子吸收分光光度法；Cr的測定用火焰原子吸收分光光度法；Pb、Cd的測定用KI—MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法。供試土壤各樣點重金屬含量水平見表1。

2 土壤重金屬潛在生態(tài)危險指數(shù)評價方法

2.1評價方法

本文采用的是瑞典學者Hkanson[15]于1980年建立的一套應用沉積學原理評價重金屬污染及生態(tài)危害的方法，對壓煤基地搬遷式村莊土壤中重金屬的潛在生態(tài)風險危害進行評價，其計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

表2 污染程度及潛在生態(tài)風險程度等級劃分

考慮到不同上層中的重金屬對環(huán)境的影響程度不同,本研究采用權重法確定污染綜合指數(shù),以對整個研究上層面受重金屬污染狀況進行綜合評價，污染綜合指數(shù)的計算式為：

(5)

式中：P——潛在生態(tài)風險綜合指數(shù)；Wi——第i土層權重；Pi——第i土層評價指標(地積累指數(shù)或潛在生態(tài)風險指數(shù))。

土壤層的權重是基于Horn的根活動區(qū)水的衰竭深度[21-22]。

(6)

式中：LD——深度在D處衰竭水值；D——土深(cm)；R——總的根深(cm)。LD在2個深度的積分被認為反映了該深度區(qū)域上的土壤層權重，本研究中在采用此法時，取總的根深R為100cm，并且這種方法被證明對種子的發(fā)芽和生長初期是十分有效的。據(jù)此而得到2個土壤層次加權系數(shù)，0—20cm的Wi=0.6369，大于20—40cm的Wi=0.3631，經(jīng)計算后得出西郜村壓煤基地復墾土壤重金屬生態(tài)風險綜合評價結果。

2.2 評價參數(shù)

2.2.1 評價標準的確定 土壤的生態(tài)風險評價可以參照土壤環(huán)境質量標準(GB15618—1995)，也可以采用背景值及標準偏差評價。經(jīng)過諸多差別的巖石風化和成土過程的影響，各類土壤中某一元素背景值的大小，可能差異很大，污染土壤最好與一個地區(qū)同一類型或相近類型土壤中元素平均含量進行對比，方能確切地說明問題。因此，本文選擇壓煤村莊西郜村所在地的山西省土壤背景值[23]作為參照值。

2.2.2 毒性響應系數(shù)的確定 金屬毒性系數(shù)揭示了重金屬對人體的危害和對水生生態(tài)系統(tǒng)的危害，反映了其毒性水平和生物對其污染的敏感程度，從Hakanson制定的標準化重金屬毒性系數(shù)為評價依據(jù)，同時參照文獻[24-25]設定6種重金屬生物毒性系數(shù)，即元素Cd，Cr，Pb，Hg，As其毒性響應系數(shù)分別為20，2，5，28，10。

3 結果與分析

3.1 復墾土壤重金屬含量狀況

由表3可以看出，研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬Hg的含量范圍為0.01～0.36mg/kg，平均值為0.07mg/kg，超過土壤背景值的樣品數(shù)有28個；As的含量范圍為13.5～15.8mg/kg，平均值為14.19mg/kg，其中36個樣品全部超過土壤背景值；Pb的含量范圍在26.99～48.45mg/kg，平均值為35.57mg/kg，其中36個樣品全部超過土壤背景值；Cd的含量范圍為0.023～0.99mg/kg，平均值為0.11mg/kg，超過土壤背景值的樣品數(shù)只有12個；Cr的含量范圍為32.96～58.73mg/kg，平均值為46.01mg/kg，超過土壤背景值的樣品數(shù)只有2個。

表3 復墾村莊土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計特征

對西郜村復墾土壤中5種重金屬的含量分采樣深度進行統(tǒng)計分析，其中變異系數(shù)(CV)反映了總體樣本中各采樣點平均變異程度。從表3可以看出，在0—20 cm的土壤中5種重金屬含量范圍分別為：汞0.04～0.19 mg/kg；砷13.50～15.82 mg/kg；鉛28.45～48.45 mg/kg；鎘0.03～0.22 mg/kg；鉻39.09～58.73mg/kg；變異系數(shù)大小順序為鎘>汞>鉛>鉻>砷。在20—40 cm的土壤中5種重金屬含量范圍分別為：汞0.04～0.18 mg/kg；砷13.51～15.70 mg/kg；鉛26.99～47.53 mg/kg；鎘0.02～0.29 mg/kg；鉻32.96～56.03 mg/kg；變異系數(shù)大小順序為鎘>汞>鉛>鉻>砷。其中在這兩層土壤中汞和鉻的偏度系數(shù)和風度系數(shù)都較大，表明土壤中這兩種重金屬含量存在一定的異常值，其余重金屬含量基本符合正態(tài)分布。

在這兩層中鎘、汞的變異系數(shù)均大于0.3，說明土壤中鎘、汞受外界干擾比較顯著，這種分異很大程度上可以歸結為村莊發(fā)展以及污染等強烈人為活動的影響。而土壤中其余因素變異系數(shù)較小，說明其余的元素受外界影響比較小。

3.2 復墾土壤污染程度

復墾土壤的重金屬污染系數(shù)以及綜合污染程度見表4。從表4中可知，西郜村壓煤基地搬遷式村莊復墾土壤的綜合污染程度范圍為6.05～14.92，平均值為9.17，處于中等污染程度，其中36個樣本中達到中等污染程度的樣本有24個。從表中的各種重金屬污染系數(shù)平均值來看，Hg>Pb>As>Cd>Cr；其中，Cd，Cr的污染系數(shù)平均值分別為0.91和0.83，處于低污染水平，Pb，As的污染系數(shù)平均值分別為2.5，1.61，都處于中等污染程度，而Hg的污染系數(shù)平均值是3.63，屬于較高的污染水平。

表4 復墾土壤重金屬的污染系數(shù)及綜合污染程度

從表4還可以看出，不同樣點不同土層的土壤重金屬綜合污染程度有一定差異。其中1，5，12，14，15號樣點的兩個樣本均處于清潔狀態(tài)；而2，6號樣點的0—20 cm土壤的綜合污染程度都處于中等污染程度，20—40 cm土壤的綜合污染程度都處于低污染程度；其余樣點的兩個樣本均處于中等污染程度。

3.3 復墾土壤潛在生態(tài)風險評價

西郜村壓煤基地搬遷式村莊不同土壤層次的重金屬潛在風險指數(shù)為75.9～275.19，其中18個樣點中有9個樣本的生態(tài)風險達到了中等程度。17號樣點復墾土壤的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)為244.91，在240～480范圍內(nèi)，為重度生態(tài)風險危害，需要綜合治理(表5)。

表5 復墾土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價結果

另外，從復墾土壤單個污染要素來看，Hg的潛在生態(tài)風險指數(shù)為43.83～231.30，平均為93.76，生態(tài)風險達到了較高污染程度，需要在復墾過程中進行治理；而其余重金屬元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)均<40,屬于低污染程度。各污染物對生態(tài)風險影響程度從大到小的順序為Hg>Cd>As>Pb>Cr，也說明Hg是主要的污染因子，且其潛在的生態(tài)風險指數(shù)所貢獻的比例最高達到了66%。

4 結論與討論

4.1 結 論

本研究利用Hakanson提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法(RI)，對西郜村復墾土壤中重金屬元素Hg，Cd，As，Cr，Pb的污染狀況進行了分析，得出了復墾土壤的污染程度和潛在的生態(tài)風險。

(1) 西郜村壓煤村莊復墾不同層次土壤的綜合污染程度范圍為6.05～14.92，平均值為9.17，處于中等污染程度。從單個要素上來看，Hg的污染系數(shù)平均值是3.63，屬于較高的污染水平，各種重金屬污染系數(shù)平均值由高到低為：Hg>Pb>As>Cd>Cr。

(2) 壓煤村莊不同土壤層次的重金屬潛在風險指數(shù)為75.9～275.19，有一半樣點的潛在生態(tài)風險達到了中等程度。Hg的潛在生態(tài)風險指數(shù)為43.83～231.30，平均為93.76，其潛在生態(tài)風險達到了較高污染程度，需要在復墾過程中進行治理；各污染物對生態(tài)風險影響程度從大到小的順序為Hg>Cd>As>Pb>Cr。

(3) 不管是從污染程度的角度還是潛在生態(tài)風險的角度都可以看出Hg是主要的污染因子，應該在村莊復墾過程中引起高度重視，積極采取措施，減輕其潛在生態(tài)危害。針對復墾村莊土壤重金屬污染的治理，可以在復墾后進行農(nóng)業(yè)種植結構調整，選擇超富集植物進行修復。例如，在汞污染的稻田中種苧麻對汞的年凈化率可以高達41%[26]；田吉林等研究發(fā)現(xiàn)大米草具有較強的抗汞性,可以吸收有機汞[27]；同時，也可以利用土壤中的某些低等動物(如蚯蚓、鼠類等)能吸收重金屬的特性，在一定程度上降低了污染土壤中的汞含量,達到了動物修復重金屬污染土壤目的[28]。

4.2 討 論

由于目前在土壤重金屬污染評價中，國家沒有規(guī)定統(tǒng)一的標準，對同一對象可以選用不同的標準，如采用當?shù)赝寥辣尘爸?、國家土壤環(huán)境質量二級標準(GB15618—1995)作為評價標準，因此，會得出不同的結論。其中，采用當?shù)赝寥辣尘爸捣ㄟM行判斷時得出的結論重金屬污染比較嚴重。如果在這個評價過程中采用國家土壤環(huán)境質量二級標準(GB15618—1995)作為評價標準，則澤州縣西郜村土地復墾重金屬均不超標。但由于不同研究區(qū)域的土壤質量狀況和自然條件差異顯著，且國家土壤環(huán)境質量二級標準在制定過程中考慮了一些原有背景值重金屬含量較高的地區(qū)，因此采用這樣的評價標準評價出來的結果難以反映出研究區(qū)的實際狀況。并且壓煤村莊復墾的目的是為了提高土地復墾后的耕地質量，并促進土地資源的可持續(xù)利用，因此在本研究中采用了研究區(qū)所在地的山西省背景值作為評價標準。

造成研究區(qū)重金屬含量高于山西省背景值的原因有：(1) 本研究的研究區(qū)域是山西省澤州縣西郜村壓占大量煤炭資源，其上覆巖層和煤矸石中含有有害的重金屬元素。(2) 西郜村在山西煤炭運銷集團永豐煤業(yè)有限公司開采區(qū)范圍內(nèi)，其在采煤的過程中會產(chǎn)生一些煤矸石、粉煤灰等物質，目前的研究表明,這其中都含有部分污染元素,主要包括Cu，Zn，Cr，Pb，Cd，Mn，As等，在它們的堆放、運輸、處理過程中，一方面煙塵回落到土壤中污染土壤,另一方面通過降雨淋洗污染土壤和地下水。(3) 西郜村附近有鋼廠，在其生產(chǎn)鋼的過程中會排出一定的污水滲入土壤中，造成西郜村土壤重金屬含量超標。

各個樣點之間的土壤污染程度以及潛在生態(tài)風險程度有一定差異，這是由于本研究的采樣點覆蓋了整個村莊并包含了不同地類，其中有土路、耕地、宅基地等，宅基地又可以分為1950年以前、1950—1990年、1990年以后三種類型。其中1950年以前的房屋多無人居住為廢棄房屋，1950—1990年的房屋有一些無人居住并離開采區(qū)較遠，受人為因素影響較小，其所在地的土壤處于清潔狀態(tài)。其余的一些宅基地和土路由于人類生產(chǎn)生活以及周邊煤礦的影響使其重金屬含量發(fā)生改變，造成了污染，使各個樣點之間的土壤污染程度以及潛在生態(tài)風險程度具有一定的差異。

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AssessmentonEcologicalRiskofSoilHeavyMetalPollutioninReclaimedVillageofCoalBase

ZHANG Chen, SHI Xue-yi, MA Hua-wei, ZHANG Mei-rong, WANG Jing

(CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Assessment on ecological risk of soil heavy metal pollution in reclaimed village of coal base could point out particular substance during the process of village reclamation, which will attach importance to reduce the land contamination caused by coal mining and improve the quality of arable land after village reclamation. A reclaimed village in Zezhou County of Shanxi Province was chosen as the study area. Based on analyzing the heavy metal content of the soil in this area, the background value of soil heavy metals in Shanxi was used as references and the method of potential ecological risk index was adopted to assess the condition of soil heavy pollution. The results were shown as follows: (1) the integrated contamination degree of different depth varied from 6.05 to 14.92 in reclaimed village of coal base, indicating that the average degree of pollution was at middle level; (2) in terms of single element, the average pollution index of various heavy metals was followed as Hg>Pb>As>Cd>Cr, and the potential ecological risk in half of the samples reached the moderate level, which also suggested that Hg pollution level was high and its potential ecological risk index varied from 75.9 to 275.19; (3) the potential ecological risk of Hg achieved a higher degree and it needed to be controlled in the process of reclamation. Assessment on ecological risk of soil heavy metal pollution in reclaimed village of coal base could help master characteristics and distribution of heavy metal pollution in soil and provide a guidance for controlling and remedying the heavy metal pollution in arable land after reclamation, which will make a difference on sustainable use of land use.

reclaimed village; pollution of heavy metals; potential ecological risk index; ecological risk

2013-12-17

：2014-01-08

國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費課題“北方壓煤村莊土地復墾整理關鍵技術集成與示范”(201111015-04)

張琛(1991—),女,山西省晉城市人,碩士研究生,主要研究方向為土地資源評價與利用規(guī)劃。E-mail:cugbzhangchen@163.com

師學義(1960—),男,山西省祁縣人,博士,教授,主要從事土地利用規(guī)劃與土地利用工程研究。E-mail:shixueyi63@163.com

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：1005-3409(2014)05-0277-08