芦岭塌陷湖沉积物及沿岸土壤重金属污染特征研究

Pollution Characteristics of Heavy Metals in Sediments and Coastal Soils of Luling Subsided Lake

摘要: 为了解塌陷湖沉积物及沿岸土壤的污染特征，以芦岭塌陷湖为研究对象，测定了Cu、Zn、Ni、Cr、Pb和Hg六种元素的含量，结合安徽表层土壤重金属背景值进行比较，通过地累积指数法和单因子指数法进行污染等级评价、分析主要污染元素的空间分布特征。结果显示：沿岸土壤六种金属含量的平均值从大到小分别为Pb、Zn、Ni、Cr、Cu、Hg；沉积物中Cu、Cr的平均值含量低于安徽省表层土壤背景值，Ni较接近于背景值，Zn、Pb和Hg的均值含量均高于背景值。研究区域内，Zn、Pb、Ni沿岸土壤中集中分布在西北角区域、南部和东部区域，在沉积物中主要集中在西部区域。结合地累积污染指数和单因子污染指数，发现Zn、Pb、Ni的指数相对较高，应加以重视。

Abstract: In order to understand the pollution characteristics of the sediments and the soil along the sub-sided lake, the Luling subsided lake was taken as the research object, the contents of Cu, Zn, Ni, Cr, Pb and Hg were determined and compared with the background values of heavy metals in the surface soil of Anhui province, the pollution grade was evaluated and the spatial distribution characteristics of the main pollution elements were analyzed by the Earth Accumulation Index Method and the single factor index method. The results: the average contents of six metals in coastal soils were Pb, Zn, Ni, Cr, Cu and Hg; the average contents of Cu and Cr in the sediments were lower than the background values of the surface soil in Anhui province, Ni was close to the background values, and the average contents of Zn, Pb and Hg were higher than the background values. In the study area, Zn, Pb and Ni coastal soils were mainly distributed in the northwest corner, the south and the east, and the sediments were mainly distributed in the west. Combined with the cumulative pollution index and single factor Pollution Index, it was found that the indexes of Zn, Pb and Ni were relatively high, which should be paid attention to.

1. 引言

在国家经济高速发展的过程中，工业活动会排放废气、污水等，其中所含的重金属最后都会汇聚于土壤中，进而可能会导致重金属污染；同时农业发展中，喷洒农药、施化，也会引起土壤中一定程度的重金属污染。煤炭作为人类资源不可或缺的一部分，其生产消费巨大，给人们带来生活方便的同时，其开采之后残留的废弃物对人们的健康也会造成危害，甚至还会过度开采形成塌陷湖，并带来一系列生态环境问题。矿区周围的土壤，不仅能为水体–土壤系统提供营养物质，而且还是水体重金属污染物的重要“源”与“汇” [1] ；表层重金属经过雨水冲刷、风化等一系列反应，在水的流动下，重金属流向塌陷湖，绝大部分与固体悬浮物结合，经化学吸附和物理沉淀作用保存在湖底沉积物中 [2] [3] [4] ，造成沉积物的重金属污染。重金属含量的超标，对人体，动植物，甚至微生物都会带来一定的影响 [5] [6] ，所以土壤重金属污染的治理是一项重大工程。煤矿开采后其残留的重金属对塌陷湖水体–沿岸土壤–沉积物系统也会造成危害。

近年来，不同学者对于煤炭周边土壤重金属也有所研究，就如李武江 [7] 等人研究表明，Cu、Ni、Zn、Pb、Cr、As按照从大到小顺序均有超标；矿区周边土壤由矿区煤矸石经过风化、淋溶等产生的粉煤灰，淋溶液经沉降、迁移累积到土壤中。杨森 [8] 等人的研究提到，煤矸石土壤中Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、和As均超过河南省土壤背景值。上述学者的文章可证明煤矿及其残留物对当地土壤均有一定程度污染。然而，芦岭塌陷湖沉积物及沿岸土壤重金属污染的研究相对较少，并且缺乏对塌陷湖沉积物及沿岸土壤重金属污染情况和空间分布的研究。

基于此，本文以煤矿塌陷湖沉积物及沿岸土壤重金属含量为研究对象，通过重金属含量分析与污染等级评价，将为后续煤矿塌陷湖沉积物及土壤重金属污染的治理与保护提供科学依据。

2. 采样与测试

2.1. 研究区概况

本文取样位于安徽省宿州市芦岭塌陷湖区(图1)，宿州作为安徽省重要的煤炭基地，同时也会带来重金属污染。芦岭 [9] 位于宿州埇桥区东南部，地处平原地带，地势略呈西高东低、南低北高；属于温带季风气候，降雨集中在每年的6月下旬~8月中旬；芦岭镇境内河道属淮河水系，主要河道为沱河。

Figure 1. Location of the research area and distribution of sampling points

图1. 研究区位置及采样点分布

2.2. 样品的采集与处理

研究所用的土样全部取自芦岭塌陷湖内以及周边的土壤。对于土样，需采集沉积物和沿岸土壤，仔细记录土样采集的位置坐标，将样本装进聚乙烯塑料袋，封口并贴上标签，沿岸土壤采集距离岸边0.3~2 m，沉积物采集0.5~1 kg的表层沉积物，现场剔除明显的植物根茎、石砾等杂质后装入聚乙烯塑料袋中，封口并贴上标签。共布设采样点55个，沿岸土壤40个，沉积物15个。

将采集的土样在预处理实验室里进行自然晾干，待样品晾干后，挑出石块与杂草，然后用玛瑙研钵进行研磨，研磨之后再进行过筛，随后使用手动压片机将过筛之后的土样进行压片处理，为后期测试做准备。

2.3. 样品测试

样品测试均在安徽省煤炭勘探工程技术研究中心完成，土样通过X射线荧光光谱仪(XRF)检测Cu、Fe、Zn、Co、Ni、Cr、Mn等重金属的含量。

2.4. 评价标准与方法

本文采用安徽表层土壤重金属背景值与该塌陷区域所测得的重金属含量进行比较 [10] [11] ，同时也采用两种污染评价方法进行土壤重金属污染评价。

1) 地累积指数

地累积指数 [12] [13] 是20世纪60年代晚期发展起来的重金属评价方法，它是利用一种重金属的总含量与其他地球化学背景值的关系，来评价沉积物中重金属的污染程度，其计算方法如下式：

$I_{geo}={\log }_2\left[C_n/k{B}_n\right]$ (1)

式中I_geo为地累积指数；C_n为土壤中重金属元素n的实测含量，B_n为土壤中重金属n的背景含量，本文以安徽省土壤背景值作为参考；k为修正系数，根据各地岩石差异引起的背景值决定(本文取1.5)。其等级分类标准见表1。

Table 1. Classification standard of local cumulative pollution index

表1. 地累积污染指数等级分类标准

2) 单因子指数法

单因子指数法 [14] [15] 是国内外比较常用的方法，也是比较简单的一种评价方法，研究一种重金属污染物在一定背景值下的污染程度。单因子指数法能比较直观地反映重金属污染情况，其计算方法如下式：

$P_i=C_i/S_i$ (2)

式中P_i为土壤中重金属i的污染指数；C_i为土壤中重金属的质量分数；S_i为重金属的评价标准。其等级分类标准见表2。

Table 2. Single factor pollution index grade classification standards

表2. 单因子污染指数等级分类标准

3. 结果与讨论

3.1. 土壤重金属含量特征

3.1.1. 沿岸土壤重金属

经过对芦岭塌陷湖沿岸土壤重金属的测试，该研究区沿岸土壤重金属含量如表3所示，Cu、Zn、Ni、Cr、Pb和Hg六种元素的重金属含量范围分别为2.40~36.17 mg/kg，130.48~223.64 mg/kg，15.53~70.45 mg/kg，28.40~36.87 mg/kg，165.42~224.60 mg/kg，0.00~1.15 mg/kg，平均值从大到小分别为Pb、Zn、Ni、Cr、Cu、Hg，将六种重金属元素的平均值与安徽省表层土壤背景值的比较可知：Hg的平均值与背景值接近，Cu、Cr的平均值低于背景值；而Zn、Ni、Pb三种元素均超过安徽省土壤背景值，Zn、Ni、Pb的含量分别为背景值的2.5、1.27、7.52倍，Hg的含量只有少部分样品含有，其余样品均为0 mg/kg。

变异系数是显示样品重金属含量的离散程度，变量值越大，其离散程度越高，反之越小 [16] 。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 [17] 。从表3的结果可以看出：六种元素中只有Cr为弱变异，Cu、Zn、Ni、Pb均为中等强度变异，Hg为强变异；Cu、Ni均大于30%，Zn和Pb均在10%~20%之间；Cu、Ni和Hg三种元素变异系数较高，反应离散程度大，可能受外源影响较大。

Zn元素含量的最大值可能与周围垃圾的堆放，其取样位置位于公路旁，可能与汽车尾气的排放有关；Ni、Pb、Hg元素含量的最大值均取自铁路附近，由于周围有煤矸石的堆放，可能对于重金属元素的积累有一定作用。

Table 3. Content of heavy metal elements in soil along Luling Collapsed Lake (mg/kg)

表3. 芦岭塌陷湖沿岸土壤重金属元素含量(mg/kg)

3.1.2. 沉积物重金属

将塌陷湖中沉积物重金属含量测定的结果与安徽省土壤背景值对比，结果如表4所示，Cu、Zn、Ni、Cr、Pb和Hg六种元素的平均值分别为6.74、145.45、31.19、32.83、194.40和1.73 mg/kg。除Cu、Cr的平均值含量低于安徽省表层土壤背景值，Ni较接近于安徽省表层土壤背景值，其余三种元素Zn、Pb和Hg的均值含量均高于，分别是安徽省表层土壤背景值的2.35、7.42、3.46倍，说明研究区内沉积物已达到不同程度的污染。

由沉积物变异系数分析结果可知，Zn、Cr和Pb为弱变异，含量均小于10%，Cu、Ni为中等强度变异，Hg为强变异；其中Cu、Ni和Hg的变异系数较高，离散程度较大，可能受到外源因素影响。

通过塌陷湖沿岸土壤和沉积物含量的分析可知，两种类型土壤的重金属含量各种参数相似。

Table 4. Content of heavy metal elements in sediments of Luling collapsed Lake (mg/kg)

表4. 芦岭塌陷湖沉积物重金属元素含量(mg/kg)

3.2. 土壤重金属空间分布特征

通过对研究区内沿岸土壤及沉积物重金属含量的分析，发现Zn、Pb、Ni的含量较高，于是利用克里金插值分析方法，得出三种重金属的空间分布。

沿岸土壤Zn (图2(a))的高值区出现在南部、东部和西部偏北区域，整体呈现从西北往东南方向增大的趋势。其中东部和南部两边有公路，可能与公路上所排出的尾气有关；西北部有铁路。沉积物中Zn (图2(b))的高值区出现在西边部分地区和西北角区域，西边主要为农田区，可能与农作物种植过程中农药、化肥的使用有关；西北角区域是煤炭运输的铁道，可能与火车的运输有关，也可能运输过程中掉落的物质对该区域造成了影响。

沿岸土壤中Pb (图3(a))的高值区出现在西北角和东北角区域，并且从北部和西部逐渐向东南向递增；西北角区域积累的原因可能与火车的运输有关，东北角区域周围有煤矸山；北部和西部邻近公路，导致Pb累积的原因可能与汽车尾气的排放，以及汽车轮胎摩擦残留下的物质有关。沉积物中Pb (图3(b))的高值区出现在西北部区域，西部主要为农田，北部有铁路。

沿岸土壤中Ni (图4(a))的高值区出现在西北角区域，其中东部和南部区域含量也较高，整体呈现往

Figure 2. Spatial distribution of Zn content

图2. Zn含量空间分布图

Figure 3. Spatial distribution of Pb content

图3. Pb含量空间分布图

Figure 4. Spatial distribution of Ni content

图4. Ni含量空间分布图

东南递增的趋势；东部和南部两边有公路，西北方向有铁路，Ni的含量可能与火车的运输、尾气的排放等有关。沉积物中Ni (图4(b))的高值区出现在西部区域和东部区域，其中西部主要为农田，东部有公路，可能对Ni的累积造成一定影响。

3.3. 土壤重金属污染评价

3.3.1. 沿岸土壤重金属污染评价

1) 地累积污染指数评价。根据地累积污染指数数据分析可知(见图5)，研究区内沿岸土壤中Pb的污染指数相对比较大，达到中度污染程度，其中Pb的地累积污染指数的范围为2.052~2.493，全部都属于中度污染程度；而重金属Zn和Hg的地累积污染指数相对较小，处于轻微污染程度，其中Hg的地累积指数只有一个样品的污染指数超过0，其余样品都属于无污染程度；Cu、Cr和Ni的地累积污染指数均值均处于无污染程度，其中Cu仅有两个样品处于轻微污染程度，Ni有33.3%的样品处于轻微污染程度；总体看来Cu、Zn、Ni、Cr和Hg五种重金属元素的污染积累程度较小。

Figure 5. Box pattern of heavy metal cumulative pollution index in coastal soil

图5. 沿岸土壤重金属地累积污染指数箱型图

Figure 6. Box pattern of coastal soil heavy metal single factor pollution index

图6. 沿岸土壤重金属单因子污染指数箱型图

2) 单因子污染指数评价。结合单因子污染指数结果分析可知(见图6)，芦岭塌陷湖沿岸土壤中重金属Zn、Ni和Pb的污染指数相对较大，高于警戒线，分别处于中污染、轻污染、重度污染水平；Cu、Cr和Hg的污染指数相对较小，总体呈安全等级，清洁污染水平，其中Cu有16.7%的样品为轻污染水平，16.7%的样品处于警告线内，整体污染指数结果较小，Hg仅有一个样品处于警戒线内，其余均为清洁污染水平。

经过地累积污染指数和单因子污染指数数值的分析与比较，发现沿岸土壤中Pb的重金属污染等级程度较高，需要对于有关Pb元素积累的一系列活动加以重视；样品中Hg有一小部分属于中度污染，经过对于样品位置的查看分析，可能是与周围的环境有一定关系；Cu、Zn、Ni和Cr这四种重金属元素污染程度较低，但也有一部分达到中度污染水平，说明该研究区沿岸土壤中重金属的污染达到了不同程度的积累。

3.3.2. 沉积物重金属污染评价

1) 地累积污染指数评价地累积污染指数结果分析如图所示(图7)，从图中可以看出Cu和Cr的地累

Figure 7. Cumulative pollution index of heavy metals in sediments

图7. 沉积物重金属地累积污染指数箱型图

Figure 8. Single factor pollution index of heavy metals in sediments

图8. 沉积物重金属单因子污染指数箱型图

积指数范围分别为−3.0728~−0.633、−1.836~−1.359，全部都属于无污染程度；Zn属于轻微污染程度；Pb属于中度污染程度，平均污染等级相对于其他五种元素最高；Ni有13.3%的样品处于轻微污染程度，最大值为0.292，最小值为−2.083；Hg有两个样品地累积污染指数异常，其余样品含量为0。

2) 单因子污染指数评价通过对单因子污染指数的分析，结果如图所示(图8)。Hg和Pb的污染指数相对较大，达到了重污染。其中Hg有两个样品处于重污染，其余样品污染指数均为0，为无污染；Pb的样品全部属于重污染等级；其次Zn的单因子指数最大值为2.577，最小值为2.188，全部属于中污染水平；Ni有73.3%的样品达到警戒线之上，甚至有些超过警戒线范围；Cu有6%的样品达到警戒线，其余均为安全等级；Cr全部处于安全范围之内。

经过对比而知，沉积物的地累积污染指数和单因子污染指数的评价结果基本相符。

4. 结论

根据芦岭塌陷湖沿岸土壤样品中的Cu、Zn、Ni、Cr、Pb和Hg这六种元素的检测与分析，得出以下结论：

1) 通过与安徽表层土壤背景值的对比得知：沿岸土壤六种金属含量的平均值从大到小分别为Pb、Zn、Ni、Cr、Cu、Hg；沉积物中Cu、Cr的平均值含量低于安徽省表层土壤背景值，Ni较接近于背景值，Zn、Pb和Hg的均值含量均高于背景值。

2) 研究区内，沿岸土壤中Zn、Pb、Ni集中分布在西北角区域、南部和东部区域。沉积物中Zn、Pb、Ni主要集中在西部区域。根据地累积污染指数和单因子指数分析可知，研究区内沿岸土壤和沉积物中Pb、Zn、Ni的污染指数相对较高，总体上整个区域存在污染风险，需引起重视。

基金项目

2022年国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号：202210379056)；2022年宿州学院大学生创新创业训练计划项目(项目编号：ZCXM22-312；YLXYBXM22-81)；宿州学院资助省级创新创业训练计划项目，项目名称：盐碱农田重金属污染评价及来源分析——以甘肃酒泉市银达镇为例；2021年安徽省大学生创新创业训练计划项目(项目编号：S202110379192)。