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土壤污染论文范文

摘要：为了科学评价广东省明山煤矿区废弃地土壤重金属污染情况,于２０１０年１１月至２０１１年３月采集明山煤矿区废弃地受重金属污染的５个样点的土壤样品,运用原子吸收分光光度法对土壤中７种重金属元素进行测定.结果表明,①土壤ｐＨ为２．８７～６．１６,土壤较贫瘠.②土壤污染主要是Ｃｄ、Ｍｎ污染,其中Ｃｄ平均含量为２．０５２ｍｇ／ｋｇ（０．７５９~３．１０９ｍｇ／ｋｇ）,超标严重；Ｍｎ平均含量为４２１．２１５ｍｇ／ｋｇ（３８７．０５７～４８８．６６０ｍｇ／ｋｇ）,污染严重.③从内梅罗综合污染指数看,样点１、样点４、样点５为极重污染,样点２、样点３为中度污染.

关键词：重金属污染；煤矿区废弃地；环境质量评价；广东明山煤矿

中图分类号：Ｘ５３文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０13）18－4351-04

ＡｐｐｒａｉｓａｌｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＱｕａｌｉｔｙｏｆＳｏｉｌＰｏｌｌｕｔｅｄｂｙＨｅａｖｙＭｅｔａｌｓｉｎＷａｓｔｅｌａｎｄｏｆＣｏａｌｍｉｎｅ TａｉｌｉｎｇｉｎＭｉｎｇｓｈａｎｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｐｐｒａｉｓｅｗａｓｔｅｌａｎｄｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｔａｉｌｉｎｇ＆ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｅｌｅｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎ, ｉｎＮｏｖｅｍｂｅｒ２０１０ｔｏＭａｒｃｈ２０１１,ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｏｉｌｐｏｌｌｕｔｅｄｂｙｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｗａｓｔｅｌａｎｄｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｔａｉｌｉｎｇｉｎＭｉｎｇｓｈａｎｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇｗａｓａｐｐｒａｉｓｅｄｂｙｍｅａｓｕｒing ７ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｅｌｅｍｅｎｔｉｎ５ｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈａｔｏｍｉｃａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙ, and ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ： ①Ｔｈｅｓｏｉｌ pＨｖａｌｕｅｗａｓ２．８７~６．１６, ｓｏｉｌｔｏｏｉｎｆｅｒｔｉｌｅ； ②SｏｉｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｗａｓｍａｉｎｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅＣｄ and Ｍｎ, ｏｆｗｈｉｃｈＣｄａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓｏｉｌｗａｓ２．０５２ｍｇ／ｋｇ（ｂｅｔｗｅｅｎ０．７５９ｔｏ３．１０９ｍｇ／ｋｇ）, ｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｔａｎｄａｒｄｏｆＧＢ１５６１８－１９９５（ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｑｕａｌｉｔｙｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｓｏｉｌｓｉｎＰ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）, ａｎｄＭｎａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓｏｉｌｗａｓ４２１．２１５ｍｇ／ｋｇ（ｂｅｔｗｅｅｎ３８７．０５７ｔｏ４８８．６６０ｍｇ／ｋｇ） with ｓｅｒｉｏｕｓｐｏｌｌｕｔｉｏｎ； ③Sｏｉｌｓａｍｐｌｅ１, ４ａｎｄ５ indicated ｖｅｒｙｓｅｒｉｏｕｓｐｏｌｌｕｔｉｏｎ, ａｎｄｓｏｉｌｓａｍｐｌｅ２ａｎｄ３ showed ｍｅｄｉｕｍｌｅｖｅｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｆｒｏｍＮｅｍｅｒｏｗｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｄｅｘ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｅｌｅｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｗａｓｔｅｌａｎｄｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｔａｉｌｉｎｇ；ａｐｐｒａｉｓａｌｆｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｑｕａｌｉｔｙ；ｃｏａｌｍｉｎｅｉｎＭｉｎｇｓｈａｎｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇ

矿山开采给人类带来了巨大的财富,也给区域生态环境带来了极大问题,其中矿坑排水、矿石及废石堆所产生的淋滤水、矿山工业和生活废水、矿石粉尘、燃煤排放的烟尘和ＳＯ２等,严重危害矿区生态环境和人们的身心健康,引发一系列经济、生态、社会等方面的问题［１,２］.煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物,大量煤矸石的堆积不仅侵占大量工矿用地、林地、耕地、居民地,还破坏地质、地貌景观；煤矸石自燃时排放大量有害气体污染空气；刮风时,大量粉尘漂浮空中引起环境污染；下雨时,矸石山的淋滤液污染物随雨水径流和地下水的渗透污染周围农田和江河湖泊；矸石山塌崩时,滚石、渣石流危及生命安全.可见煤矸石成为固、液、气三害俱全的污染源,亟待治理［３－６］.

土壤是人类赖以生存的宝贵自然资源.随着人口—资源—环境之间矛盾的日趋尖锐,煤矿区土壤质量问题日益受到世界范围内的广泛而特别的关注.矿区及周边农田土壤重金属（Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ａｓ、Ｎｉ、Ｃｏ等）作为生态系统中一类具有很大危害的化学污染物,不能为土壤微生物所分解,相反微生物可富集重金属,并且在一定条件下可以转化为毒性更强的金属有机化合物,造成农作物可食部分重金属含量超标,通过食物链的逐级富集和传递,影响人类健康与生态安全［７－１１］.因此,科学评价煤矿区废弃地土壤及重金属污染状况,不仅能更加了解矿区废弃地土壤的本质,更好地利用土地资源,而且对于农业、林业生产具有重要的指导意义.本研究以广东省明山煤矿区为例,旨在通过对废弃地重金属污染土壤环境质量的综合评价,为该矿区重金属富集植物筛选、土地复垦及生态重建提供理论依据.

１研究区概况

明山煤矿位于广东省梅县白宫镇,地理位置为北纬２３°２３′-２４°５６′、东经１１５°１８′-１１６°５６′,平均海拔５５０ｍ,属亚热带季风湿润气候.该地区年均气温２０．６～２１．４ ℃,７月平均气温２８．３～２８．６ ℃,１月平均气温１１．１～１１．３ ℃,年均降雨量１４８３．４～１７９８．４ｍｍ,７５％以上降雨量集中在４~９月,年平均降雨时间为１５０ｄ,无霜期为３０９ｄ.

据廖富林等［１２］２００５年调查,明山煤矿废弃地自然定居植物共计６４种,分属３０科５９属,其中禾本科１０种、菊科７种、豆科５种；全部自然定居植物中,２９种为１～２年生草本植物、１３种为多年生草本植物、１８种为木本植物,另有４种藤本植物.据２０１０年１１－１２月实地踏查,尾矿区废弃地业已形成一些相对稳定的单种斑块和小群落,如五节芒（Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓｆｌｏｒｉｄｕｌｕｓ）、胜红蓟（Ａｇｅｒａｔｕｍｃｏｎｙｚｏｉｄｅｓ）、小飞蓬（Ｃｏｍｎｙｚａｃａｎａｄｅｎｓｉｓ）、艾蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａａｒｇｙｉ）、猪屎豆（Ｃｒｏｔａｌａｒｉｓｍｕｃｒｏｎａｔａ）、毛马唐（Ｄｉｇｉｔａｒｉａｃｈｒｙｓｏｂｌｅｐｈａｒ）、莠狗尾草（Ｓｅｔａｒｉａｇｅｎｉｃｕｌａｔａ）、香附子（Ｃｙｐｅｒｕｓｒｏｔｕｎｄｕｓ）等,这些在煤矿废弃地成功定居的土著先锋植物,可作为废弃地植被生态恢复与治理的优先选用植物［１２,１３］.

２研究方法

２．１样品采集

样品采集于明山煤矿总厂附近的能发矿堆积场,该尾矿堆积场南北两坡约４５°、东坡约６０°,且靠近一条大水沟,西坡较平缓.煤矿废弃地周围为低山,山坡的土壤为红壤.

２０１０年１１－１２月,依据该堆积场具体地形、水文条件及煤矸石堆积的不同年限等,以矸石堆为中心,沿地表水自然流向东南向布设采样线并按距离进行采样,分别在样线的１０、５０、１００、２００、５００ｍ各设一个采样点（定为样点１、样点２、样点３、样点４、样点５）,然后以各样点为中心,采集１ｍ２范围内的先锋植物根系周围０～３０ｃｍ深的尾矿区土壤,尽管样点１、样点４无植物分布,也采集样点中心０～３０ｃｍ深的尾矿区土壤.

２．２样品测定

土壤于室温下风干,除去石块、植物根系和凋落物等,用玛瑙研钵磨碎,过１００目筛（０．１５ｍｍ）,在烘箱中干燥２４ｈ后放在干燥器中备用.样品用ＨＣｌ－ＨＮＯ３－ＨＦ－ＨＣｌＯ４混合酸消化后,用原子吸收分光光度计测定镍（Ｎｉ）、镉（Ｃｄ）、铜（Ｃｕ）、铅（Ｐｂ）、锌（Ｚｎ）、锰（Ｍｎ）、铬（Ｃｒ）含量,试验重复３次.土壤基本理化性质分析测定参照文献［１４］进行.

２．３土壤环境质量评价

采用单因子指数和内梅罗（Ｎｅｍｅｒｏｗ）综合污染指数相结合的方法进行重金属污染程度评价［１５,１６］.

式（１）中,Ｐｉ为土壤污染物ｉ的单项污染指数；Ｃｉ为土壤中污染物ｉ的实测含量；Ｓｉ为污染物ｉ的评价标准,采用ＧＢ１５６１８—１９９５中的土壤环境质量二级标准.

内梅罗综合污染指数法：

式（２）中,Ｐｎ为内梅罗综合污染指数；Ｐｉｍａｘ为单因子污染指数最高值；Pｉ为单因子污染指数的算术平均值.

内梅罗综合污染指数既全面反映了各污染物对土壤的不同污染程度,又突出了高含量／浓度污染物对土壤环境质量的影响,因此,采用综合污染指数评定、划分土壤质量等级更加客观.综合污染指数Ｐｎ依据土壤综合污染等级划分（表１）.

３结果与分析

３．１土壤理化性质

由表２可知,矿区土壤ｐＨ范围在２．８７～６．１６,呈酸性,特别是样点１土壤ｐＨ仅２．８７,属强酸性,不能够满足植物最基本的生长要求；样点３靠近民工工棚,虽有五节芒生长,但表层煤矸石较新鲜,故土壤ｐＨ也仅３．７６.据毕银丽等［１７,１８］研究,煤矸石中含有铝、硫等致酸性物质,在雨水的淋溶冲洗下,能够酸化土壤条件,但随着煤矸石堆积时限的延长、风化程度的提高,经长期雨水淋洗的煤矸石基质成分已基本稳定,故ｐＨ逐渐增大并最终接近于弱酸性.

土壤污染防治行动计划:环保部耗资10亿调查土壤污染 130226新闻夜总汇

通常认为,土壤交换量的大小基本上代表土壤保持养分能力的强弱（保肥力高低）,交换量大,也就是保存养分的能力大,反之则弱.从表２交换性盐基、阳离子交换量看,均为样点５的土壤交换性能最好,样点１的交换性能最差,其中,交换性盐基为８．７５～９．２０ｃｍｏｌ／ｋｇ、阳离子交换量为９．０２～９．５７ｃｍｏｌ／ｋｇ,其阳离子交换量小于１０ｃｍｏｌ／ｋｇ,属于保肥力弱的土壤；从土壤有机质看,样点４、样点５的含量相对较高,而样点１、样点３的含量相对较低,总体上,土壤较贫瘠（有机质为９．７４～１２．８９ｇ／ｋｇ）.此外,交换性酸含量为０．２７～０．４８ｃｍｏｌ／ｋｇ.

３．２土壤重金属含量

由图１可知,尾矿区土壤重金属元素含量变化较大,其中,Ｃｄ含量为０．７５９～３．１０９ｍｇ／ｋｇ（平均含量为２．０５２ｍｇ／ｋｇ）,土壤中Ｃｄ含量最高的是样点５（3.109 ｍｇ／ｋｇ）,是土壤环境质量标准（ＧＢ１５６１８－１９９５）［19］规定的二级土壤标准（０．３ｍｇ／ｋｇ）的１０倍多、论文范文标准（１．０ｍｇ／ｋｇ）的３倍多；样点１的Ｃｄ含量（2.541 ｍｇ／ｋｇ）接近二级标准的９倍、是论文范文标准的２．５倍；样点２（0.759 ｍｇ／ｋｇ）、样点３（0.823 ｍｇ／ｋｇ）的Ｃｄ含量较低,但也均超过二级标准,说明明山尾矿区土壤Ｃｄ含量超标严重.余涛等［20］的研究表明,土壤ｐＨ是控制Ｃｄ等重金属元素地球化学行为的重要因素,明山尾矿区土壤的酸性环境可能会加剧Ｃｄ等有害元素离子交换态含量的增加,从而产生严重的生态风险.

Ｃｕ含量为３９．５２２～２７０．３０８ｍｇ／ｋｇ,平均含量为９１．２８１ｍｇ／ｋｇ,其中样点２的Ｃｕ含量最高,为２７０．３０８ｍｇ／ｋｇ,是二级标准果园标准值（１５０ｍｇ／ｋｇ）的１．８倍、农田标准值（５０ｍｇ／ｋｇ）的５．４倍；其他样点Cu含量在100 ｍｇ／ｋｇ以下.说明存在一定程度的Ｃｕ污染,但污染不严重.Ｎｉ的含量为３４．３５１～４６．０６５ｍｇ／ｋｇ,平均为３８．９９１ｍｇ／ｋｇ,样点２、样点５的Ｎｉ含量分别为４６．０６５、４５．０４８ｍｇ／ｋｇ,略高于二级标准（４０ｍｇ／ｋｇ）,说明土壤存在一定程度的Ｎｉ污染,但污染不严重.Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｒ含量分别为４５．１２０～７８．９０１（平均为６１．９６７）、７７．７０４～１０４．５０２（平均为８８．８３１）、６４．７１０～１５４．７０１（平均为９１．４４２）ｍｇ／ｋｇ,参照土壤环境质量标准,明山尾矿区土壤基本不受Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｒ污染影响.Ｍｎ含量为３８７．０５７～４８８．６６０ｍｇ／ｋｇ,平均含量为４２１．２１５ｍｇ／ｋｇ,但目前尚无国家标准.另据臧小平［２1］研究,Ｍｎ可能是酸性土壤第二重要限制因素（我国南方砖红壤和红壤中,红壤活性Ｍｎ含量一般为１２０ｍｇ／ｋｇ,砖红壤、赤红壤为１３６ｍｇ／ｋｇ）,以此为参照,说明明山尾矿区Ｍｎ污染严重.

３．３土壤重金属污染评价

从单因子污染指数看（表３）,样点１污染最大的是Ｃｄ（８．４７０）、最小的是Ｐｂ（０．３１６）,从大到小依次是Ｃｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ；样点２污染最大的是Ｍｎ（２．９７７）、最小的是Ｐｂ（０．２４３）,从大到小依次是Ｍｎ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｐｂ；样点３污染最大的是Ｍｎ（３．７５９）、最小的是Ｐｂ（０．１８１）,从大到小依次是Ｍｎ、Ｃｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｐｂ；样点４污染最大的是Ｃｄ（１０．０９３）、最小的是Ｐｂ（０．２５１）,从大到小依次是Ｃｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ；样点５污染最大的是Ｃｄ（１０．３６３）、最小的是Ｐｂ（０．２４９）,从大到小依次是Ｃｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｐｂ.

从各采样点综合污染指数看,受土壤重金属污染最大的是样点５,高达７．５０８,最小的是样点２,为２．３４３,从大到小依次是样点５、样点４、样点１、样点３、样点２,其中,样点５、样点４、样点１为极重污染,样点３、样点２为中度污染.由于煤矸石堆积而引起尾矿区土壤污染一般均呈表面富集,且由近及远重金属污染程度呈逐渐降低趋势,但煤矸石堆场周边的地形地貌、地质条件等也是影响土壤重金属污染的主要因素［４,６,２2］.本研究中尾矿区各样点土壤重金属污染特征呈现出非线性递减的波动性也印证了这一观点,分析其原因,主要是样点４位于矸石山堆场的下坡,样点５为一个洼坑,煤矸石在降雨等自然淋滤作用下,造成重金属元素从煤矸石中析出,大量的淋滤液和矿坑排水经运移、沉淀作用后都在此不断沉积、富集,最终造成样点５、样点４的重金属污染很重,而样点３、样点２的重金属污染相对较轻.此外,煤矸石强烈风化产生的大量粉尘颗粒物在大气中迁移,经过干、湿沉降进入地表,在雨水的淋滤作用下渗入土壤也是影响土壤中重金属含量空间变化的重要因素.

4. 小结与讨论

土壤是植物生长的载体,土壤理化特性决定土壤质量的高低,同时大多数植物适宜于在中性、肥沃的基质中生长.本研究中,土壤ｐＨ呈酸性（２．８７～６．１６）,土壤阳离子交换量、有机质含量、交换性酸含量等偏低,明显不适宜植物生长.因此,煤矸石山的生态恢复首要的是包括酸碱度在内的基质改良.尽管煤矸石山在长期堆放的过程中,在雨水的淋溶冲洗下,ｐＨ呈现逐渐增大趋势（由极端酸性逐渐到弱酸性）,但其自然过程缓慢、所需年限较长,而有关研究表明［１７,１８］,煤炭燃烧后的粉煤灰呈极端的碱性,若两者混合使用可以以废治废达到变废为宝的目的.一方面可以利用粉煤灰极端的碱性中和煤矸石极端的酸性,调节基质的ｐＨ；另一方面,粉煤灰细小的颗粒填充于煤矸石粗大的石砾间,可降低矸石山中氧气的浓度,起到防止矸石山自燃的功能,同时粉煤灰均匀的粒径对煤矸石山的物理性质具有一定的改良作用,具有广阔的应用前景.

煤矸石随地质条件和产地的不同,其组成会有很大差别.一些研究已表明,煤矸石的淋溶水中Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｈｇ、Ｐｂ和Ａｓ等剧毒元素的含量均超过水质标准［４,６］.这些淋溶水将严重污染地下水和地面水,对生物和人类健康造成严重影响.本研究中所测定的７种重金属元素（Ｎｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ）中,主要是Ｃｄ、Ｍｎ污染,且各样点土壤重金属污染特征呈现波动性而非线性递减,其中样点１、样点４、样点５为极重污染,样点２、样点３为中度污染.据《重金属污染综合防治“十二五”规划》显示（中国将对Ｈｇ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｐｂ等重金属进行重点防控）,Ｃｄ污染是国家重点治理对象.相关研究表明［20,２3］,Ｃｄ在ｐＨ较高、尤其是在含有较多ＣａＣＯ３的碱性土壤中活性低,不易移动,而在酸性条件下则易迁移,毒性增强.因此,提高土壤ｐＨ成为降低土壤Ｃｄ活性的有效措施之一.据臧小平［２1］研究,土壤中Ｍｎ的可给性与ｐＨ存在相反的关系,明山煤矿废弃地土壤呈酸性,土壤的交换态Ｍｎ多,易还原态Ｍｎ少,Ｍｎ污染严重.

植物修复是近年来发展的一种环境友好、低成本的矿区土壤复垦技术,煤矸石的植物修复就是在煤矸石山表面建立植被,利用植被固定表层矸石.但受矿区贫瘠、干旱、重金属污染严重等极端地下环境条件的制约,植被恢复和生态重建的效益并不明显.但在长期的野外调查时发现,在矿区局部营养条件较好的区域,如堆放垃圾和污泥区域,一些植物的植株生长旺盛、健壮,植被盖度也较大,这为如何治理明山煤矸石废弃地提供了有益的启示.

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