煤矸石充填復墾區域土壤重金屬空間分布特征

趙玉林，肖 昕

（1.徐州開放大學，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221000）

煤矸石充填復墾區域土壤重金屬空間分布特征

趙玉林1，肖 昕2

（1.徐州開放大學，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221000）

采用地統計軟件研究了徐州北郊柳新煤矸石充填復墾區Cu、Cd、Pb、Zn、Cr五種重金屬對其周邊100m范圍內土壤的影響，得出結論：區域內全部161個樣點中Cd均出現不同程度的超標現象，除少量Zn以外，7個監測點位各層土壤中的五種重金屬含量均高于當地土壤背景值；研究區內Cu和Cd的縱向空間變異性最大，存在較強的縱向遷移能力，而Cr、Pb、Zn的縱向空間變異性相對較小；土壤中Zn、Pb、Cr和Cu存在極強的空間相關性，其中Pb、Cr和Cu的變程均相對較大，受母質的影響相對較大，而Cd的塊基比最大，變程最小，其受人為隨機影響突出；區域內的Cd、Cu、Zn和Cr的主要污染源為充填的煤矸石，且存在明顯的橫向和縱向遷移過程，Pb的污染則主要來源于道路交通；區域內Cd污染嚴重，而充填的煤矸石是主要污染來源，因此必須建立相關的土壤充填復墾物標準以保障種植安全。

充填復墾；重金屬；空間分布；源解析

利用煤矸石作為基質充填復墾恢復農業用地，可以較好地解決由于采煤沉陷產生的土地減少問題。但作為礦山廢物的煤矸石中含有多種有毒有害物質及微量重金屬元素，這些元素進入土壤中，會在土壤中遷移，污染上覆土和周邊的土壤，進而影響作物的生長并通過食物鏈影響人體健康。

由于土壤重金屬污染具有不可逆性，潛伏性、毒性相對較強，世界范圍內的土壤及作物重金屬污染調查工作自20世紀70年代以來逐步展開[1、2]。隨著煤礦區充填復墾工作的開展，充填復墾方式、充填復墾對土壤理化性質的影響[3、4]等開始受到人們的關注。隨著研究的逐漸深入，人們發現充填復墾區土壤與作物中均存在不同程度的重金屬污染問題，部分污染程度已威脅到作物的食用安全性[5～8]。通過對遷移過程的分析，可發現在煤矸石充填復墾條件下，伴隨煤矸石微量元素硫化物的氧化過程，重金屬元素會從矸石中釋放出來進入土壤溶液，在土壤水分垂直運動和植物根系活動影響下，煤矸石層中的重金屬元素可能會隨土壤中所含溶液緩慢上升，吸附于上覆土層[9、10]。然而煤矸石中的重金屬不僅會向上覆土層進行縱向遷移，同時也會向周圍土壤進行橫向遷移，從而影響周邊作物的生長，但針對充填復墾區充填物中重金屬和橫向遷移的研究，鮮見有報導。本文以徐州柳新鄉煤矸石充填復墾場地為研究對象，采用場地實測的方式分析復墾區周圍土壤重金屬分布規律，探討煤

矸石中重金屬橫向遷移特征，為進一步分析復墾土壤重金屬生態風險及其控制提供理論基礎。

1 研究區域概況

柳新煤矸石充填復墾場地位于徐州市西北郊（34o25′24N , 117o08′26 E），1998年實施充填復墾，上覆土為粘土，覆土厚度為40～45cm。復墾區為南北向狹長區域，西面為灌溉渠和道路，東面為大片自然農田。充填復墾區與周邊自然農田區種植條件相同。

2 采樣與測試

2.1 樣品采集

分別于2015年3月和6月進行土壤樣品采集。以蛇形布點法在復墾區選取3個點位，自然農田區內采樣點位是垂直于復墾區東邊界，分別于距離東邊界1、3、5、10、50、100m處布設采樣點，每個點位垂向等距離5米采集3個平行樣本。土壤樣采用土壤剖面采樣器進行采集，采樣厚度為70cm，每10cm收集一個剖面樣品，共收集到完整剖面樣品140個。

2.2 樣品處理

土壤樣品的制備依照土壤環境監測技術規范（HJ/T 166-2004）規定操作。小麥樣品經去離子水沖洗去除根部土壤和植株表面浮塵后，采集不同部位風干破碎備用。

2.3 樣品分析

樣品用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸消解，以0.2%硝酸定容至50mL容量瓶。用火焰原子吸收分光光度法（TAS-996）測定樣品的Cu、Cd、Pb、Zn、Cr五種元素，以GBW-為標準參考樣進行質量控制。

2.4 數據處理

原始數據利用Spss17.0軟件進行統計分析，圖件用Origin8.0軟件制圖，地統計分析用GSwin9.0軟件，重金屬含量水平空間分布特征圖用ArgGⅠS9.0軟件繪制。

3 結果與討論

3.1 充填復墾區周邊土壤重金屬環境質量現狀

復墾區3個點位各層土壤重金屬含量的均值記為復墾區土壤重金屬含量。分析各點位不同深度土壤重金屬含量的均數，獲得描述性統計信息，與國家《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）和當地土壤背景值進行比較（見表1）可以發現：研究區域內除少量Zn以外7個監測點位各層土壤中Pb、Zn、Cu、Cr和Cd五種重金屬含量，均高于1989年的土壤背景值（徐州市農業局、徐州市產品質量監督檢驗所提供），說明該地區經歷20多年的充填復墾和工業生產，不同深度的土壤均受到了較嚴重的人為影響。除Cd以外，均低于國家土壤二級標準，區域內Cd超標非常嚴重，全部54個監測點位中Cd均出現超標現象，分別為標準值的2.28～9.29倍，這一結論與董霽紅2010年的研究結果基本一致[11]。

總體而言，復墾區土壤中Pb、Zn、Cu、Cr和Cd的含量均明顯高于周邊土壤，在距離充填復墾區0～30m的范圍內五種重金屬均出現了含量隨與復墾區的距離增大而減少的趨勢，說明重金屬存在由充填復墾區向周邊土壤中擴散的可能性。50～100m區域Zn、Cu、Cd和Cr出現小幅度的上升，這可能與周邊其他污染源的影響有關。

3.2 充填復墾區周邊土壤重金屬空間變異性特征及分布格局

研究區內的土壤重金屬縱向空間變異系數存在較大差異，其中Pb的變異系數相對較小，其次為Zn和Cr，Cu 和Cd的縱向空間變異性最大。可見Pb、Zn和Cr的垂向分布較均勻，說明目前這3種金屬的縱向遷移能力較弱，可能是因為它們已達到一定程度的遷移平衡。而Cu和Cd的縱向遷移能力相對較強，且復墾區土壤的變異系數大于周邊土壤，存在越遠離復墾區變異系數越小的趨勢。充填復墾區周邊地形地貌、母質類型以及土地利用方式基本相同，因此可以推斷各重金屬的空間異質性可能與人為因素密切相關。

半方差函數可以反映不同距離測試值之間的變化，其中塊基比可以表達系統變量的空間相關性程度以及隨機因素（人為因素）引起的空間變異性占系統總變異比例[12]。由表2可知，Zn、Pb、Cr、和Cu的塊基比遠小于25%（3.66%～8.11%），表明它們之間存在極強的空間相關性，同時Pb、Cr和Cu的變程均相對較大，說明它們受母質的影響相對較大；而Cd的塊基比高達76.64%，遠大于其他4種重金屬元素，同時其變程僅為57.41m，說明該元素受人為隨機影響突出。

3.3 土壤重金屬空間分布特征及污染源分析

以充填復墾區為邊界，采用ⅠDW空間插值法進行最優內插估值，利用Arg-GⅠS繪制采樣剖面土壤重金屬含量空間分布圖（見圖）。由圖可知，除Pb以外，其他各金屬的最高值均出現在復墾區內50～70cm深處，且均呈現出隨距離的增加而減少的總體趨勢。由于該充填區

為煤矸石充填區，且復墾土層厚度為45cm，因此可推斷區域內Cd、Cu、Zn和Cr的主要污染源為充填的煤矸石，且存在明顯的橫向和縱向遷移過程。Zn、Cr和Cu在剖面的右邊均出現了相對較高點，說明在研究區域東面可能也存在這3種元素的污染源。結合實地調查結果發現，研究區域東北面500m范圍內有一個火電廠，電廠飛灰可能是該區域的第二污染源。區域內Pb分布的最高點在復墾區及緊靠復墾區的表層土壤中，由于復墾區緊挨一條鄉間道路且呈條帶狀，因此可以推斷Pb的污染可能主要來源于道路交通。

表1 土壤重金屬含量描述統計 （含量單位：mg/kg）

表2 土壤重金屬含量的半方差函數理論模型及其相關參數

復墾區充填層內Cd的含量高達9.25mg/kg，是國家二級土壤標準的9倍多，且存在隨距充填物距離增大而逐漸

減少的趨勢，區域內Cd的最小值（2.28mg/kg）出現在距離復墾區100m距地表40～50cm處，該點Cd含量也超出了國家允許農業種植的標準，因此該區域已不適合農作物種植，且充填區內的煤矸石是區域內主要污染源。由此建議煤礦廢物在進行充填復墾前必須進行重金屬元素監測，國家也需要建立相關的土壤充填復墾物標準以保障種植安全。

剖面土壤重金屬含量空間分布圖

4 結論

（1）區域內全部54個監測點位中的Cd超過國家二級土壤標準標2.28～9.29倍，其他各金屬均未發現超標現象；除少量Zn以外，7個監測點位各層土壤中的5種重金屬含量均高于當地土壤背景值，說明區域土壤受到了不同程度的人為干擾。

（2）研究區內Cu和Cd的縱向空間變異性相對較大，復墾區土壤的變異系數大于周邊土壤，說明這兩種元素存在較強的縱向遷移能力，而Cr、Pb、Zn的縱向空間變異性相對較小；由半方差函數可知，土壤中Zn、Pb、Cr和Cu塊基比遠小于25%，存在極強的空間相關性，其中Pb、Cr和Cu的變程相對較大，受母質的影響相對較大；而Cd的塊基比高達76.64%，且變程很小，其受人為隨機影響突出。

（3）區域內Cd、Cu、Zn和Cr的最高值均出現在復墾區充填層內，且均呈現出隨距離的增加而減少的趨勢，說明區域主要污染源為充填的煤矸石，且存在明顯的橫向和縱向遷移過程，Pb的污染則主要來源于道路交通；區域內Cd污染嚴重，而充填的煤矸石是主要污染來源，因此必須建立相關的土壤充填復墾物標準以保障種植安全。

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Spatial Distribution Characteristics of Soil Heavy Metals in Reclaimed Areas Filled by Coal Gangue

ZHAO Yu-lin, XIAO Xin

X53

A

1006-5377（2016）11-0069-04