晋南煤矿区周边土壤重金属含量及来源分析

晋南煤矿区周边土壤重金属含量及来源分析

中国的矿产资源储量极其丰富，储量占世界总量的11%，采矿产量为13.7亿吨。多年来，他一直是世界的第一位。但矿产资源在被获取的同时,不仅造成了一系列的环境污染、生态破坏,同时也在一定程度上危害了人体的健康。煤中的重金属会随着人类活动进行迁移沉降到矿区周边土壤表面,并通过淋溶渗滤进入到土壤中富集积累,最终通过食物链进入人体体内。目前,煤矿开采引起的重金属污染受到国内外学者的广泛重视。美国、意大利等国家针对煤矿区重金属污染开展了大量的研究工作。Panov等对俄罗斯顿巴斯煤田土壤重金属污染进行调查研究,通过近3万个数据表明,土壤样品中Hg,As,Pb,Zn,Cd含量超标,其中,Hg含量最高。Teixeira等对巴西南部RSBaixoJacui地区的煤矿区河流底部沉积物中的重金属污染进行研究,结果表明,沉积物中Cu,Fe,Ni,Pb,Zn含量的增加与煤矿开采相关。王丽等对神木煤矿污染进行研究,结果表明,神木煤田开采区3个煤矿区周边土壤Cu,Cd,Cr,Mn,Ni均有不同程度的累积性污染。袁新田等对宿州市煤矿区周边农田土壤重金属污染特征进行研究,结果得出,Cr,Cd,Hg,As均超出国家土壤环境质量Ⅰ级标准。本试验以晋城市北石店镇内凤凰山矿、王台铺矿区为研究区域,通过测定煤矿周边土壤中重金属含量,分析煤矿农田污染程度;并通过多元统计分析追溯土壤中重金属的主要来源,为晋城市煤矿农田土壤中重金属污染综合治理和土壤修复提供参考依据。1材料和方法1.1国内煤炭资源整合现状晋城市位于山西省东南部(北纬35°12′~35°42′,东经112°31′~113°14′),地貌以中低山地丘陵为主。晋城市煤炭资源极具优势,煤炭面积达5350km2,占我国总面积的56.4%;总储量808亿t,其中,已探明储量271亿t,占我国无烟煤1/4以上,年产原煤达4000万t。本研究区域位于晋城市东北部北石店镇内。王台铺矿1958年建矿,设计能力年产210万t,井田面积33.7km2;凤凰山矿1965年4月建矿,井田面积33.7km2,设计能力年产400万t,煤矿四周农田土壤类型为石灰性褐土。1.2采样点样点设置采样点以煤矿为中心,在紧邻煤矿四周农田采用“S”形线路进行布点,每个采样点取土深度为0~10cm,采样量约为1.5~2.0kg,设采样点40个,每村5个(凤凰山矿周边农田采样点为大车渠村、东上村、窑头村、许家岭村,王台铺矿周边农田采样点为东王台村、西王台村、王台铺村和朝天宫村)。1.3土样的消解及分析方法将采集的样品风干,去除杂物,用研钵研磨土样使之全部通过0.149mm尼龙网筛。制备好的土样用HCl-HNO3-HF-HClO4分解法消解,Cd采用石墨炉原子吸收法测定,Cu,Pb,Cr,Zn采用火焰原子吸收分光光度法测定,测定过程均加入GSS-1国家标准样品(BW-07401)作为质控。各重金属测定结果误差均在允许范围之内。1.4土壤及建立重金属污染评价机制地累积指数法通常为Muller指数,主要应用于研究沉积物中重金属污染的评价,近年来在土壤及灰尘中重金属污染评价中利用很广。其计算公式为:Igeo=log2Cn/(K×Bn)。式中,Igeo为地累积指数;Cn为土壤中元素的质量分数(mg/kg);Bn为该元素的平均地球化学背景值;K为修正指数,一般取值为1.5。地累积指数评价分级标准列于表1。1.5变量信息重叠在多变量统计中,由于变量较多,且变量之间往往具有一定的相关性,因此,变量反馈的信息有一定的重叠。而因子分析则是通过降维的方法提取有效的变量,并有助于区分变量中相对同源的组分。采用统计软件SPSS13.0进行因子分析及相关分析。2结果与分析2.1土壤重金属含量从表2可以看出,晋城市煤矿区周边农田土壤中的重金属Cd,Cu,Zn,Pb,Cr含量平均值分别为0.150,24.37,81.72,24.82,88.53mg/kg,与山西省土壤背景值和国家土壤一级标准相比较,除Cu和山西省背景值相近外,Cd,Zn,Pb,Cr均比山西省背景值要高,分别是背景值的1.5,1.2,1.7,1.5倍,表明晋城市矿区周边农田土壤重金属有不同程度的积累,但均未超出国家土壤一级标准。从变异系数来看,所测土壤中Cd,Pb,Cr变异系数较大,表明这3种元素受当地的人类活动影响较大。从2个矿区周边的村庄来看,除Cu,Zn互相接近外,王台铺矿周边农田土壤中重金属Cd,Pb,Cr普遍高于凤凰山矿,其中,Cd最大值出现在东王台村,Pb最大值出现在王台铺村,Cr最大值出现在西王台村。2.2重金属累积指数cr利用地累积指数法评价晋城市矿区农田土壤重金属污染程度,结果(表3)表明,凤凰山矿周边农田土壤重金属地累积指数大小排序为Pb>Cr>Cd>Zn>Cu,其中,Pb和Cr属于轻度污染,其他重金属无污染;王台铺矿周边农田土壤重金属地累积指数大小排序为Pb>Cd>Cr>Zn>Cu,其中,Pb,Cr,Cd属于轻度污染,Cu,Zn无污染。从评价结果可以看出,长期的煤炭资源开采、运输及煤矸石的堆放等活动,已导致2个矿区周边农田土壤受到Pb,Cr元素不同程度的污染。2个矿区相比,王台铺矿周边农田土壤中各项重金属地累积指数均比凤凰山矿要高一些,这主要是由于开采时间较长,煤矿周边土壤中的重金属元素的累积更显著,同时也是由于凤凰山矿区位于王台铺矿区次主导风上风向。2.3土壤化学性状与土壤材料的同源关系通过计算重金属元素间的相关系数,若各重金属元素间相关性显著和极显著,则表明重金属元素间可能具有同源关系。从表4可以看出,Zn与Cu呈极显著正相关,相关系数为0.722,说明Zn和Cu在土壤中的化学特性相近,有共同的影响因子,具有共同的来源;Pb和Cr呈显著正相关,相关系数为0.334,说明二者可能有相同来源。Cd与其他4种重金属间相关性均不显著。2.4cu与pb的关系采用因子分析法对研究区域全部采样点土壤中重金属元素进行载荷因子分析,结果(表5)表明,前2项累计贡献率已达到63.044%,故取前2项作为主成分。其中,第1主成分为Zn,Cu,其累计贡献率为35.867%,由于Cu含量与背景值相当,而Zn与Cu间呈极显著正相关,说明Zn,Cu主要来源于土壤母质,故因子1可以认为自然因子,受人类影响不大。第2主成分为Cd,Cr,Pb,其累计贡献率为27.177%。由于土壤中Cd,Cr,Pb变异系数较大,并在土壤中有一定积累,说明Cd,Cr,Pb受外界人类活动影响较大,可作为人为因子。因此,晋城市煤矿区(凤凰山矿、王台铺矿)周边农田土壤中Zn,Cu含量主要来源于土壤母质,而Cd,Cr,Pb含量与矿区的人类采矿活动存在密切的关系。3地累积指数综合评价本研究结果表明,晋城市矿区周边农田土壤重金属含量除Cu和山西省背景值相近外,Cd,Zn,Pb,Cr分别是山西省背景值的1.5,1.2,1.7,1.5倍,但均未超出国家土壤一级标准。地累积指数评价结果表明,凤凰山矿土壤重金属地累积指数大小排序为Pb>Cr>C