煤矸石-土壤系統(tǒng)重金屬鎘的分布特征研究

安士凱，徐 翀，陳永春,張治國

(1.煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室， 安徽 淮南 232001； 2.煤炭開采國家工程技術研究院， 安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 安徽 淮南 232001)

煤矸石-土壤系統(tǒng)重金屬鎘的分布特征研究

安士凱1,2，徐 翀1,2，陳永春1,2,張治國3

(1.煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室， 安徽 淮南 232001； 2.煤炭開采國家工程技術研究院， 安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 安徽 淮南 232001)

為研究煤礦復墾區(qū)煤矸石-土壤系統(tǒng)中重金屬元素鎘(Cd)的分布與遷移特征，以安徽淮南市潘一礦復墾區(qū)土壤為例，對復墾區(qū)土壤和煤矸石中Cd元素含量進行了測定，并利用surfer8.0軟件對Cd的水平分布特征進行可視化分析;結果表明，煤矸石充填復墾區(qū)土壤中Cd元素含量均高于淮南市土壤背景值和中國土壤背景值,從土壤中Cd元素的水平和垂直空間分布看，煤矸石山的堆積、淋溶對周邊土壤造成了一定程度和范圍的Cd污染，表明復墾區(qū)土壤已經受到了煤礦開采和煤矸石充填活動的影響，其中Cd元素已經出現(xiàn)富集并且達到了顯著污染水平。

復墾區(qū)； 煤矸石； 土壤； Cd

在煤礦開采過程中，產生的固體廢棄物煤矸石，露天長期堆存淋溶和被用來充填沉陷區(qū)，對天然土壤和復墾區(qū)重構土壤產生了理化特性改變和帶來重金屬污染的風險。近年來，很多專家學者已廣泛重視[1-3]。但問題研究主要集中在土壤理化性質及肥力，開展重金屬元素在煤矸石-土壤系統(tǒng)的遷移和富集特征研究的相對較少，特別是重金屬鎘方面的研究。

淮南煤礦是百年老礦，根據(jù)企業(yè)開采規(guī)劃，預計2020年沉陷區(qū)將達到100.37 km2。但是，淮南采用煤矸石填充沉陷地的時間卻很短?；茨蠈儆诟邼撍坏貐^(qū)，沉陷1.5 m以上就會普遍積水，煤矸石的填充，對水體和土壤造成了一定的影響。據(jù)崔龍鵬、姚多喜等學者研究[4-7]，煤礦開采帶來的煤矸石堆積等行為已對淮南土壤構成了一定程度的重金屬污染，并且在有些區(qū)域已超過國家土壤一級污染標準。而且煤矸石在風化過程中，里面的重金屬在風化淋溶作用下會向土壤遷移，并出現(xiàn)累積效應。

本文以淮南潘一礦復墾區(qū)內土壤和煤矸石堆為研究對象，測定其重金屬鎘量，研究得出煤矸石堆積、風化淋溶以及充填過程中鎘元素的富集和遷移特征，為采煤沉陷復墾區(qū)土壤的功能恢復和生態(tài)治理工作提供一定的科學依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)域概況

淮南礦區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫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，秋季較少，冬季最少。潘一礦復墾區(qū)位于淮南礦業(yè)集團潘一礦東側約1.0 km處，如圖1所示。在南側有一座煤矸石山，該煤矸石山坡度為9°～52.5°，平均高程為21.95 m；煤矸石歷年堆存量為784 173.4 m3，占地面積67 607 m2。西側有田集電廠貯灰場，占地面積5.40×106m2。潘一礦復墾區(qū)域內覆土厚度1 m。

2 采樣與測試

2.1樣品采集

在潘一礦復墾區(qū)內設30個土壤采樣點，見圖1。利用土壤重金屬分析采樣器(XDB0306型)，在垂直剖面上以20 cm為一層，分層采集土壤樣，直至采到煤矸石為止，期間共采集到完整的土壤剖面樣品158個和8個煤矸石樣品。

圖1 潘一礦復墾區(qū)采樣點示意圖

2.2樣品處理

土壤樣品制樣程序按照土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范(HJ/T 166-2004)規(guī)定操作。

2.3分析測試方法

樣品用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸全分解的方法進行消解，0.2 %硝酸定容至50 ml容量瓶。Cd元素的含量采用石墨爐法測定。測定儀器為TAS-986型原子吸收分光光度計。

2.4質量控制與統(tǒng)計分析

為控制樣品的預處理及儀器分析質量，實驗過程使用的鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸全部為優(yōu)級純，鎘標準儲備液使用國家標準物質研究中心提供(GBW(E)080119，100 ug/ml)。土壤樣品測定結果采用國家標準物質土壤標準參考樣(GBW-07403)進行檢驗和質量控制。原始數(shù)據(jù)利用Spss19.0軟件統(tǒng)計分析，鎘的分布情況用Surfer8.0軟件繪制。

3 結果分析

3.1墾區(qū)土壤重金屬Cd的含量特征

從表1可知，潘一礦煤矸石風化物中Cd元素含量很高，分別是淮南市土壤背景值的16倍，是中國土壤背景值的10倍。潘一礦復墾區(qū)中每個深度的土壤Cd含量值也都高于淮南市和中國土壤背景值。Cd含量最大值出現(xiàn)在100-120 cm深度，即覆土層和煤矸石層接觸層，分別是淮南市土壤背景值和中國土壤背景值的17.7倍和11倍。Cd含量最小值出現(xiàn)在40-60 cm深度，分別是淮南市土壤背景值和中國土壤背景值的12倍和7.6倍。分析表1數(shù)據(jù)可知，Cd元素含量在每層深度的土壤中均大于土壤環(huán)境質量二級標準，其中100～120 cm深度Cd含量分別是土壤環(huán)境質量一級標準和二級標準的5.3倍和1.8倍。對不同深度土壤中Cd含量的平均值進行單樣本T檢驗，統(tǒng)計結果顯示P>0.05，說明不同深度土壤中Cd含量無顯著差異，這是由于復墾區(qū)土壤受充填施工的影響，原始土壤剖面分層已被擾動的結果。

表1 復墾區(qū)土壤重金屬Cd含量

注：①數(shù)據(jù)來自文獻[8];②數(shù)據(jù)為安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站(1992)發(fā)布；③數(shù)據(jù)為中國環(huán)境監(jiān)測總站(1990)發(fā)布，引自陳懷滿[9]；④引自土壤環(huán)境質量標準(GB15618-1995)。

3.2復墾區(qū)土壤中重金屬Cd含量的水平分布特征

使用surfer8.0軟件繪制重金屬含量等值線圖(克里格插值法)，分析潘一礦復墾區(qū)土壤不同深度Cd含量水平空間分布，見圖2。

從圖2-a、2-b、2-c、2-d和2-e中可以看出，復墾區(qū)域土壤Cd高含量出現(xiàn)煤矸石山西側和北側區(qū)域煤矸石山，與雨水徑流方向一致。并且煤矸石山周邊土壤重金屬含量隨著距離煤矸石山距離的增加而減小，Cd的高濃度點呈點狀分布，表明周邊土壤中Cd含量受到了煤矸石山堆積的影響。從圖2-f中可以看出Cd含量空間分布上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，與煤矸石接觸的土壤層中Cd含量達到最大，表明煤矸石風化物中Cd出現(xiàn)了向接觸層土壤遷移的現(xiàn)象。

圖2-a

圖2-b

圖2-c

圖2-d

圖2-e

圖2-f

4 結論

潘一礦復墾區(qū)不同深度土壤中Cd含量均高于淮南市土壤背景值、中國土壤背景值、土壤環(huán)境質量一級標準和二級標準，其中最大值出現(xiàn)在100～120 cm深度與煤矸石接觸層。

潘一礦復墾區(qū)土壤Cd高含量出現(xiàn)煤矸石山西側和北側區(qū)域，與煤矸石山雨水徑流方向一致。與煤矸石風化物接觸的土壤層中Cd含量達到最大，表明已經出現(xiàn)煤矸石中Cd出現(xiàn)了向接觸層土壤遷移的現(xiàn)象。

煤矸石長期風化淋溶和用于充填沉陷的行為，重金屬元素Cd在煤矸石-土壤系統(tǒng)已經出現(xiàn)富集和遷移現(xiàn)象，應該引起足夠重視。

[1] 王卓理，耿鵬旭，劉嘉俊.平頂山市煤礦沉陷區(qū)復墾土壤理化性質研究[J].河南理工大學學報 (自然科學版 )，2009，28(5)：667-669.

[2] 秦勝.煤礦矸石山周圍土壤中重金屬分布研究[J].中國煤炭，2008，34(3):58-60.

[3] 董霽紅，卞正富，于敏，等.礦區(qū)充填復墾土壤重金屬分布特征研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2010，39(3)：335-341.

[4] 邵群.新莊孜礦塌陷區(qū)煤矸石中重金屬遷移對覆土影響[J].煤田地質與勘探，2007，35(6)：34-36.

[5] 李洪偉，顏事龍，崔龍鵬.淮南新集礦區(qū)土壤重金屬污染評價[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(1)：36-37.

[6] 張治國，姚多喜，鄭永紅，等. 煤礦塌陷復墾區(qū)6種菊科植物土壤重金屬污染修復潛力研究[J].煤炭學報，2010，35(10):1742-1747.

[7] 鄭永紅，張治國，姚多喜，等.煤礦復墾區(qū)土壤重金屬含量時空分布及富集特征研究[J].煤炭學報，2013，38(8)：1476-1483.

[8] 崔龍鵬，白建峰，黃文輝，等.淮南煤田煤矸石中環(huán)境意義微量元素的豐度[J].地球化學，2004，33(5):53-54.

[9] 陳懷滿.環(huán)境土壤學[M].北京:科學出版社，2010:515.

Distribution Characteristics of Cadmium in Gangue-soil System

AN Shikai1,2,XU Chong1,2,CHEN Yongchun1,2,ZHANG Zhiguo3

(1.NationalEngineeringLaboratoryforProtectionofCoalMineEco-environment,HuainanAnhui232001;2.CoalMiningNationalEngineeringTechnologyRsesarchInstitute,HuainanAnhui232001;3.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001)

In order to analyze the characteristics of distribution and migration of Cadmium in gangue-soil system in coal mine reclamation area, taking the soil in Huainan Panyi coal mine reclamation area as an example, the paper tests the contents of Cd in soils and coal gangue in reclamation area. The horizontal distribution characteristics of Cd are analyzed visually by using surfer 8.0 Software. The result shows that the contents of Cd in reclamation area are higher than the soil background value in huainan and soil background value in China. From the perspective of horizontal and vertical distribution of Cd in soil, we can see the accumulation and leaching of gangue have led to certain extent of Cd contamination. The result indicates that the soil in reclamation area has been affected by coal mining and coal gangue filling activities. Cd elements have been enriched and reached a significant level of contamination.

reclamation area; coal gangue; soil; cadmium.

2017-06-22

安徽省科技攻關計劃項目(項目編號：1604a0802115)； 淮南市科技計劃項目(項目編號：2015A01)

安士凱(1986-)，男，安徽淮南人，研究生，工程師，從事礦區(qū)地質環(huán)境工作,電話：18955417481。

TD88

B

1671-4733(2017)05-0001-03