煤矸石—土壤系统重金属镉的分布特征研究

煤矸石—土壤系统重金属镉的分布特征研究
安士凯;徐翀;陈永春;张治国
【摘要】为研究煤矿复垦区煤矸石—土壤系统中重金属元素镉(Cd)的分布与迁移特征,以安徽淮南市潘一矿复垦区土壤为例,对复垦区土壤和煤矸石中Cd元素含量进行了测定,并利用surfer8.0软件对Cd的水平分布特征进行可视化分析;结果表明,煤矸石充填复垦区土壤中Cd元素含量均高于淮南市土壤背景值和中国土壤背景值,从土壤中Cd元素的水平和垂直空间分布看,煤矸石山的堆积、淋溶对周边土壤造成了一定程度和范围的Cd污染,表明复垦区土壤已经受到了煤矿开采和煤矸石充填活动的影响,其中Cd元素已经出现富集并且达到了显著污染水平.
【期刊名称】《淮南职业技术学院学报》
【年(卷),期】2017(017)005
【总页数】3页(P1-3)
【关键词】复垦区;煤矸石;土壤;Cd
【作者】安士凯;徐翀;陈永春;张治国
【作者单位】煤矿生态环境保护国家工程实验室, 安徽淮南232001;煤炭开采国家工程技术研究院, 安徽淮南232001;煤矿生态环境保护国家工程实验室, 安徽淮南232001;煤炭开采国家工程技术研究院, 安徽淮南232001;煤矿生态环境保护国家工程实验室, 安徽淮南232001;煤炭开采国家工程技术研究院, 安徽淮南232001;安徽理工大学地球与环境学院, 安徽淮南232001
【正文语种】中文
【中图分类】TD88
在煤矿开采过程中，产生的固体废弃物煤矸石，露天长期堆存淋溶和被用来充填沉陷区，对天然土壤和复垦区重构土壤产生了理化特性改变和带来重金属污染的风险。

近年来，很多专家学者已广泛重视[1-3]。

但问题研究主要集中在土壤理化性质及
肥力，开展重金属元素在煤矸石-土壤系统的迁移和富集特征研究的相对较少，特
别是重金属镉方面的研究。

淮南煤矿是百年老矿，根据企业开采规划，预计2020年沉陷区将达到100.37
km2。

但是，淮南采用煤矸石填充沉陷地的时间却很短。

淮南属于高潜水位地区，沉陷1.5 m以上就会普遍积水，煤矸石的填充，对水体和土壤造成了一定的影响。

据崔龙鹏、姚多喜等学者研究[4-7]，煤矿开采带来的煤矸石堆积等行为已对淮南
土壤构成了一定程度的重金属污染，并且在有些区域已超过国家土壤一级污染标准。

而且煤矸石在风化过程中，里面的重金属在风化淋溶作用下会向土壤迁移，并出现累积效应。

本文以淮南潘一矿复垦区内土壤和煤矸石堆为研究对象，测定其重金属镉量，研究得出煤矸石堆积、风化淋溶以及充填过程中镉元素的富集和迁移特征，为采煤沉陷复垦区土壤的功能恢复和生态治理工作提供一定的科学依据和参考。

淮南矿区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温15.3 ℃，年平均降雨量932 mm，6～9月份降雨量占全年降雨量的55 %。

春季次之，秋季较少，冬季最少。

潘一矿复垦区位于淮南矿业集团潘一矿东侧约1.0 km处，如图1所示。

在南侧有一座煤矸石山，该煤矸石山坡度为9°～52.5°，平均高程为21.95 m；煤矸石历年堆存量为784 173.4 m3，占地面积67 607 m2。

西侧有田集电厂贮灰场，
占地面积5.40×106 m2。

潘一矿复垦区域内覆土厚度1 m。

2.1 样品采集
在潘一矿复垦区内设30个土壤采样点，见图1。

利用土壤重金属分析采样器
(XDB0306型)，在垂直剖面上以20 cm为一层，分层采集土壤样，直至采到煤矸石为止，期间共采集到完整的土壤剖面样品158个和8个煤矸石样品。

2.2 样品处理
土壤样品制样程序按照土壤环境监测技术规范(HJ/T 166-2004)规定操作。

2.3 分析测试方法
样品用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸全分解的方法进行消解，0.2 %硝酸定容至
50 ml容量瓶。

Cd元素的含量采用石墨炉法测定。

测定仪器为TAS-986型原子
吸收分光光度计。

2.4 质量控制与统计分析
为控制样品的预处理及仪器分析质量，实验过程使用的盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸全部为优级纯，镉标准储备液使用国家标准物质研究中心提供(GBW(E)080119，100 ug/ml)。

土壤样品测定结果采用国家标准物质土壤标准参考样(GBW-07403)进行检验和质量控制。

原始数据利用Spss19.0软件统计分析，镉的分布情况用Surfer8.0软件绘制。

3.1 垦区土壤重金属Cd的含量特征
从表1可知，潘一矿煤矸石风化物中Cd元素含量很高，分别是淮南市土壤背景值的16倍，是中国土壤背景值的10倍。

潘一矿复垦区中每个深度的土壤Cd含量
值也都高于淮南市和中国土壤背景值。

Cd含量最大值出现在100-120 cm深度，即覆土层和煤矸石层接触层，分别是淮南市土壤背景值和中国土壤背景值的17.7
倍和11倍。

Cd含量最小值出现在40-60 cm深度，分别是淮南市土壤背景值和
中国土壤背景值的12倍和7.6倍。

分析表1数据可知，Cd元素含量在每层深度
的土壤中均大于土壤环境质量二级标准，其中100～120 cm深度Cd含量分别是土壤环境质量一级标准和二级标准的5.3倍和1.8倍。

对不同深度土壤中Cd含量的平均值进行单样本T检验，统计结果显示P>0.05，说明不同深度土壤中Cd含
量无显著差异，这是由于复垦区土壤受充填施工的影响，原始土壤剖面分层已被扰动的结果。

3.2 复垦区土壤中重金属Cd含量的水平分布特征
使用surfer8.0软件绘制重金属含量等值线图(克里格插值法)，分析潘一矿复垦区
土壤不同深度Cd含量水平空间分布，见图2。

从图2-a、2-b、2-c、2-d和2-e中可以看出，复垦区域土壤Cd高含量出现煤矸石山西侧和北侧区域煤矸石山，与雨水径流方向一致。

并且煤矸石山周边土壤重金属含量随着距离煤矸石山距离的增加而减小，Cd的高浓度点呈点状分布，表明周边土壤中Cd含量受到了煤矸石山堆积的影响。

从图2-f中可以看出Cd含量空间
分布上呈现一定的规律性，与煤矸石接触的土壤层中Cd含量达到最大，表明煤矸石风化物中Cd出现了向接触层土壤迁移的现象。

潘一矿复垦区不同深度土壤中Cd含量均高于淮南市土壤背景值、中国土壤背景值、土壤环境质量一级标准和二级标准，其中最大值出现在100～120 cm深度与煤矸石接触层。

潘一矿复垦区土壤Cd高含量出现煤矸石山西侧和北侧区域，与煤矸石山雨水径流方向一致。

与煤矸石风化物接触的土壤层中Cd含量达到最大，表明已经出现煤矸石中Cd出现了向接触层土壤迁移的现象。

煤矸石长期风化淋溶和用于充填沉陷的行为，重金属元素Cd在煤矸石-土壤系统
已经出现富集和迁移现象，应该引起足够重视。

【相关文献】
[1] 王卓理，耿鹏旭，刘嘉俊.平顶山市煤矿沉陷区复垦土壤理化性质研究[J].河南理工大学学报 (自
然科学版 )，2009，28(5)：667-669.
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[3] 董霁红，卞正富，于敏，等.矿区充填复垦土壤重金属分布特征研究[J].中国矿业大学学报，2010，39(3)：335-341.
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[6] 张治国，姚多喜，郑永红，等. 煤矿塌陷复垦区6种菊科植物土壤重金属污染修复潜力研究[J].
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