煤矸石充填復墾區對周圍土壤重金屬影響特征

＊方良成 鄭恒 劉少敏*

（1.淮南礦業集團煤業公司 安徽 232001 2.安徽理工大學地球與環境工程系 安徽 232001）

引言

隨著煤炭開采業的飛速發展，導致煤田煤矸石大量堆積。煤矸石在天然降水淋溶情況下會析出微量元素和無機鹽，微量元素的析出與其在煤矸石中的賦存狀態有關，不同賦存狀態析出難易程度不一樣，對周圍環境的影響也不一樣[1]。析出的重金屬元素不僅會影響周圍農作物生長，也會通過食物鏈逐級富集，最終危害人類健康[2-3]。一般情況下，如果不合理處置，煤矸石會在煤井口周圍堆積，隨著矸石堆高度的增加而形成矸石丘。據不完全統計，截至2010年，中國累計煤矸石超過45億噸，占地1.5萬多平方公里[4]。

煤矸石是鋁硅酸鹽、硫化物、無機顆粒礦物和有機質的混合物，富含多種微量元素。煤矸石山天然堆放極易自燃，在燃燒過程中，并排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S和NO等有害氣體給周邊環境帶來了一系列危害[5]。

以淮南市新莊孜礦區為例，研究了煤矸石山在雨水天然淋溶下析出的重金屬在周圍土壤的分布特征。

1.材料與方法

(1)研究區域概況

新莊孜礦位于淮南市八公山區，地處東經116°4938″北緯32°35′41″，當地氣候屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，降雨主要集中在夏季，冬季降雨較少，季風較為顯著，常年主導風向為東風。

(2)采樣點分布

為了研究煤矸石山在雨水天然淋溶情況下析出的重金屬在周圍土壤的分布特征，本次實驗選取了新莊孜礦復墾區東側和東北區域為研究區域，共布設了18個采樣點共采集土壤樣21個。新莊孜礦復墾區遙感航空圖采樣點布設圖如圖1所示。

圖1 采樣點布置圖

根據淮南采煤沉陷區土地整治情況和煤矸石充填深度情況，選取新莊孜礦復墾區作為研究對象，利用土壤采樣器采集復墾區土壤。如圖1，在矸石山東側布置橫向采樣點X1、 X2、XZ-2、X3、X4縱向采樣點XZ-1、XZ-2、XZ-3、XZ-4、 XZ-5；在矸石山東北側布置橫向采樣點X5、X6、XZ-8、X7、X8，縱向采樣點XZ-6、XZ-7、XZ-8、XZ-9、XZ-10。同時取圖中XZ-1處取地下不同土層的土壤，分別在0-20cm、20- 40cm、40-60cm深度采集一個土壤樣品，同時利用GPS對采樣點進行定位，記錄各采樣點的地理坐標，并對采樣地點周圍植物分布、植物生長情況和煤矸石具體填埋深度等情況進行詳細記錄。

(3)樣品預處理及檢測方法

將采集回來的土壤、煤矸石樣品平鋪在土壤風干架上，攤成薄薄的一層，放置于通風、干燥的地方，定期翻動，加快風干速度。在土壤樣品風干過程中，用粉碎機將土塊粉碎成粉末。樣品風干后，揀去其中的石塊、植物根系等雜物，按四分法棄去多余部分，保留約300g左右。再將風干樣品碾碎，用研缽研磨，分別過100目和200目的尼龍篩網，然后裝入自封袋密封保存，貼標簽、編號，以備測定。樣品重金屬含量檢測采用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS（Inductively Coupled Plasma Massspectrometry）測量。

2.結果與討論

(1)煤矸石山縱向土壤重金屬分布特征

表1為新莊孜礦復墾區矸石山東側和東北側兩處區域縱向兩條采樣線的重金屬含量，XZ-1、XZ-2、XZ-3、XZ-4、 XZ-5為東側區域采樣線，XZ-6、XZ-7、XZ-8、XZ-9、XZ-10為東北區域采樣線，其表示的是矸石山附近土壤重金屬含量與矸石山距離的關系。圖2為Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、 As、Hg八種重金屬元素在矸石山附近土壤的分布特征。

表1 縱向土壤重金屬含量

圖2中E表示矸石山東側區域土壤重金屬含量變化，NE表示矸石山東北一塊區域重金屬含量變化。由圖2可以看出，矸石山附近土壤Cu、Pb、Cd、Zn含量隨著與矸石山距離的增加逐漸降低，這表明這三種金屬元素是矸石山隨著雨水淋溶自然析出的，距離矸石山越近，含量越高，距離矸石山越遠，含量越低，但是矸石山東側區域Cu在20m以及Pb、Cd在25m處含量突然升高，可能是因為20m、25m采樣點處有其它污染源，也有可能是人類活動的影響；土壤Cr、Ni、As、Hg含量總體也是遵循距離矸石山越遠，含量越低的規律，但土壤Cr含量在5m處含量較低可能是采樣點的特殊原因；Ni、As、Hg含量在25m處突然升高可能是煤矸石經年累月風化其粉塵隨季風轉移，經過干、濕沉降進入地表，煤矸石中不同重金屬因賦存特征和風化遷移特性的差異造成了各重金屬的最大落地濃度距離不同，也有可能是地形問題導致淋濾液在該處聚集，使得重金屬含量在距矸石山不同距離處出現峰值[6]。

圖2 矸石山縱向土壤重金屬分布特征

(2)煤矸石山垂直方向土壤重金屬分布特征

表2為礦復墾區矸石山東側和東北側兩處區域兩條采樣線土壤重金屬含量，X1、X2、X3、X4為東側區域采樣線， X5、X6、X7、X8為東北區域采樣線，兩條采樣線均與矸石山平行。

表2 矸石山水平方向土壤重金屬含量

續表

礦區矸石山附近土壤距離矸石山水平方向各種重金屬含量趨勢如下圖所示。

圖3 矸石山東側區域水平方向土壤重金屬分布特征

圖4 矸石山東北側區域水平方向土壤重金屬分布特征

(3)煤矸石山垂直方向土壤重金屬分布特征

表3為新莊孜礦區矸石山附近土壤Cu、Pb、Cd、Zn、 Cr、Ni、As八種重金屬元素含量。圖5表示土壤重金屬隨深度的變化趨勢，由圖5可以看出，各重金屬含量總體上隨著深度增加而增高，這表明煤矸石中的Hg在風化和雨水淋溶作用下不斷下滲，在地下累積。其中Cu、Cr、Cd、Zn、Cr、Ni在地面下20-40cm處含量達到最高。有研究表明，煤矸石淋溶液在土壤中產生的污染物質對土層的影響深度大約在35cm以內[7]，與本研究各重金屬表現的趨勢基本相符。

表3 垂直方向土壤重金屬含量

圖5 矸石山附近土壤垂直方向重金屬分布特征

3.結論

煤矸石山在雨水天然淋溶下會析出重金屬進入周圍土壤，距離矸石山越近，土壤中各種重金屬含量越高；距離矸石山越遠，重金屬含量越低，說明煤矸石析出的各種重金屬含量與矸石山的距離成反比。但在距離矸石山20m之后，土壤重金屬含量反而升高，這與煤矸石風化后其粉塵隨大氣運動有關，也可能與地勢有關。距矸石山等距離的土壤各點各重金屬含量處于同一水平，驗證了重金屬的分布與矸石山的距離有關。在深度方面，20-40cm處重金屬含量最高，40cm往下土壤金屬含量反而降低。