张雅茹　桂和荣　黄伊恒

摘 要：为了研究煤矿及燃煤电厂周边农田土壤重金属含量特征，测试了土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As和Cd 6种重金属的含量，用克里金插值法分析了土壤重金属的空间分布特征，用污染负荷指数法对土壤重金属进行了污染评价。结果显示，研究区6种重金属中，Cr、Cu、As和Cd的平均含量超过了安徽省表层土壤背景值，已经产生了不同程度的污染累积;研究区域内，Cr的高值区域出现在北部，Ni的高值区域出现在南部煤矸石山附近和东北部，Cu和Zn的高值区域出现在东南部煤矸石山和燃煤电厂之间，As和Cd的高值区域分别出现在西北部和东部农田区;6种重金属的含量均小于土壤污染风险筛选值，土壤生态环境的风险低，21个采样点的PLI值均小于1，处于无污染水平。

关键词：土壤;重金属;克里金插值法;污染负荷指数法

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）13-0127-04

Abstract： In order to study the content characteristics of heavy metals in the farmland soil around coal mines and coal-fired power plants， the content of Cr， Ni， Cu， Zn， As and Cd in the soil was tested， and the spatial distribution characteristics of soil heavy metals were analyzed using Kriging interpolation method. And use the pollution load index method to evaluate the pollution of heavy metals in the soil. The results show that the average content of Cr， Cu， As and Cd in the six heavy metals in the study area exceeded the surface soil background value of Anhui Province， and pollution accumulation has occurred in varying degrees; within the study area， areas with high value of Cr appear in the north ， the high value areas of Ni appear near the coal gangue mountains in the south and north-east， the high value areas of Cu and Zn appear between the coal gangue mountains in the southeast and coal-fired power plants， and the high value areas of As and Cd appear in the northwest， respectively And the eastern farmland area; the contents of the six heavy metals are less than the soil pollution risk screening value， the risk of soil ecological environment is low， and the PLI values of 21 sampling points are all less than 1， which is at a pollution-free level.

Key words： Soil; Heavy metal; Kriging interpolation method; Pollution load index method

煤礦的开采、储存、运输和冶炼等过程，会产生大量的废弃物，如煤矸石、煤渣、矿井水等[1-5]。煤矸石长期堆放在露天环境中，其中的微量重金属元素可通过淋溶作用、风力侵蚀等，转移到土壤中并不断累积[6-7]。矿井废水中也存在大量的重金属元素[8-9]，若处置不当，排入土壤，也会造成土壤中重金属元素的累积。煤矿电厂在燃煤过程中更会释放出有毒有害物质，特别是重金属元素[10]，对矿区周边土壤造成污染。重金属在土壤中隐蔽性强、潜伏周期长、毒副作用强烈、降解能力低[11-12]，土壤一旦受到污染，其修复代价巨大。因此，对于矿区周边土壤重金属空间分布特征和污染水平的分析显得尤为重要。

熊佳[13]等对贵州省独山县某锑矿冶炼厂周边土壤重金属进行了空间分布特征分析，得出新厂区附近300m范围内土壤中Sb含量较高，呈现出随距离增加而降低的分布特征;方志青[14]等利用地累积指数评价得出汝溪河整体呈现Cd和Zn的轻度至偏中度污染;黄中杰[15]等对湖南省锡矿山锑矿区土壤重金属含量进行分析，发现长期的锑矿采冶活动对当地土壤造成了以Sb和Cd为主的重金属复合污染，环境风险极高;樊志颖[16]分析了色季拉山森林土壤重金属含量的空间分布特征，得出重金属含量在空间分布上受坡向海拔与土壤深度的影响，影响最大的是坡向。

芦岭煤矿是宿南矿区开采历史最长、开发规模最大的煤矿，且建有燃煤电厂，采煤活动及煤炭利用所形成的废弃物如煤矸石、粉煤灰等，对周边土壤环境造成影响。为此，本研究选取芦岭煤矿及燃煤电厂周边农田土壤为研究对象，分析土壤中的Cr、Ni、Cu、Zn、As和Cd的含量特征、空间分布特征，在此基础上进行污染评价，以期为研究煤矿周边土壤的污染问题和修复治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 芦岭煤矿位于安徽省宿州市东南30km处，地理坐标为东经117°10′～117°12′，北纬33°32′～33°33′，面积23km 2，于1969年12月建成投产，有着50多年的开采历史，煤炭产量220万t/a。2015年7月，该矿电厂装机30000kW，日均发电46000kWh。煤炭经过多年的开采与利用，产生了大量的煤矸石，堆放在露天环境中，对矿区周边土壤造成了污染。根据CST土壤分类，判断该研究区土壤主要为砂姜黑土;沱河为季节性河流;地势平坦，海拔在24m左右;主要农作物为玉米、小麦;矿区处于暖温带半湿润季风性气候地带，夏季暖热多雨，主导风向为东南风，冬季寒冷干燥，主导风向为东北风;多年平均气温14.4℃，多年平均降水量890.10mm。

1.2 样品采集与测定 2019年7月，在考虑了研究区的主导风向和污染源后，分别以煤矸石山和燃煤电厂为中心，沿东南顺风方向，采用扇形布点法共采集了21个农田土壤样品。采集深度0～10cm，样品装入干净的密封袋中，贴好标签，并用GPS对采样点进行定位，同时记录采样点周边环境情况。原样品运回实验室后，经过自然风干—研磨—过200目筛，过筛的土壤样品装入密封袋并贴好标签。土壤样品用荧光专用硼酸磨具和手动粉末压片机压片，之后用X射线荧光光谱仪对样品的Cr、Ni、Cu、Zn、As和Cd元素进行含量测定，所用标准物为GBW07430（GSS-16）。

1.3 污染评价方法 污染负荷指数法是由研究区域内的多种重金属共同表征，其不仅可以反映土壤中的单一重金属污染程度，也可以对土壤中多种重金属进行综合污染评价[17-18]。计算公式如下：

式（1）中，CFi为元素i的最高污染系数;Ci为元素i的实际测量值（mg/kg）;Si为元素i的评价标准（mg/kg），本文以《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准GB15618—2018》[19]中的污染风险筛选值作为评价标准;式（2）中，PLI为某采样点的污染负荷指数;n为评价元素的个数;式（3）中，PLIzone为评价区域的污染负荷指数;m为采样点的个数。PLI的分级标准列于表1。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征 将研究区土壤重金属的含量测试结果与安徽省土壤重金属含量背景值进行对比，其统计特征如表2所示。由表2可知，土壤中重金属的平均含量表现为Cr>Zn>Cu>Ni>As>Cd。除Ni的均值含量低于背景值、Zn的均值含量基本接近背景值外，其余4种重金属Cr、Cu、As、Cd的均值含量为77.32、24.23、17.97、0.22mg/kg，分别是安徽省表层土壤背景值的1.16、1.19、2.00、2.27倍，说明该研究区内土壤中4种重金属已经产生了不同程度的污染累积。变异系数可以反映数据的离散程度，从而间接反映出外源因素对重金属含量的影响[20]。一般认为，CV<10%为弱变异，10%～100%为中等强度变异，CV≥100%为强变异[21]。可知，Ni、Zn、Cu、As、Cd（38%、16%、29%、21%、11%）属于中等强度变异，Cr（8%）属于弱变异，其中Ni、Cu的变异系数最高，离散程度最大，可能存在外源因素的干扰。

2.2 土壤重金属的空间分布特征 研究区域内土壤中重金属Cr的含量在62.80～88.70mg/kg，Zn的含量在52.97～93.98mg/kg，Ni的含量在11.05～35.54mg/kg，Cu的含量在12.06～39.34mg/kg，As的含量在11.20～25.21mg/kg，Cd的含量在0.16～0.27mg/kg。利用克里金插值分析方法，所得出的重金属的空间分布如图1所示。

Cr（图1a）的高值区域出现在北部，此处多为居民区，可能与居民生活污水排放有关[22]。重金属的扩散受到盛行风向的影响，含量随距离的增加而逐渐下降[23]。以燃煤电厂为起点，在研究区主导风向（夏季东南风）影响区域内，土壤中Cr含量呈现出随距离增加逐渐降低的趋势。

Ni（图1b）的高值区域出现在南部煤矸石山附近，位于下风向处的Ni含量要明显高于上风向，且在顺风方向上Ni的含量随着距离的增加有逐渐降低的趋势。另外，Ni的高值区域还出现在东北部，可能与此处居民区[22]和农田的分布有关，受人为干扰较大。

Cu（图1c）和Zn（图1d）的高值区域出现在东南部煤矸石山和燃煤电厂之间，此处分布有煤矿以及矿区主干道路，过往车辆频繁，可能与道路扬尘以及汽车尾气排放有关[24];Cu含量在一定程度上呈现出从东南向西北逐渐递减的趋势，而Zn含量的分布除高值区域外，整体分布比较均匀。

As（图1e）的高值区域出现在西北部农田区，Cd（图1f）的高值区域出现在东部农田区，可能与农业活动有关[25];Cd的含量整体呈现出由东向西逐渐递减的趋势。

2.3 土壤重金属的污染评价 研究区土壤重金属的CF均值结果如图2（a）所示，由图2（a）可知，各重金属的污染顺序为Cd>As>Cr>Zn>Cu>Ni，6种重金属的CF值均小于1，说明这6种重金属的含量均小于土壤污染风险筛选值，即该研究区土壤中的重金属污染物对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可以忽略。研究区各采样点的PLI值如图2（b）所示，由图2（b）可知，8～13号采样点的PLI值要明显的小于其他采样点，分析原因可能是1～7号采样点处于煤矸石山和电厂之间，以及居民区附近，14～21號采样点处于燃煤电厂下风向，以及居民区附近，污染源明显较多，受到人为因素的干扰较大。21个采样点的PLI值均小于1，处于无污染水平。经式（3）计算得出，该区域的PLIzone值为0.35，属于无污染水平。

3 结论

（1）研究区土壤6种重金属，除Ni和Zn外，其余4种重金属（Cr、Cu、As、Cd）的平均含量均超过了安徽省表层土壤背景值，已经产生了不同程度的污染累积。