煤矸石充填型重构土壤中重金属的生物迁移及分布特征

宫传刚　严家平　刘杰　喻怀君

摘要：为了研究不同类型煤矸石充填型重构土壤中重金属的生物迁移及分布特征，以淮北芦岭矿细矸、粗矸和洗矸3种煤矸石及其复垦地玉米（Zea mays L）为研究对象，测定了其Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd、Cr等重金属元素含量，分析了重金属元素在煤矸石和玉米不同器官中的分布特征。结果表明，复垦所用煤矸石重金属含量整体呈洗矸>细矸>粗矸：复垦地玉米不同器官对重金属元素的富集能力差异较大，果实富集能力弱于其他器官，叶对Cu、Pb、Zn和Cd等重金属元素的富集能力较强。此外，各器官重金属含量与煤矸石中重金属含量之间存在不同程度的相关性。

关键词：土地复垦：重构土壤；重金属；煤矸石：作物

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）09-2202-04

煤炭是中国工业生产的主要能源，但煤炭开采的同时又导致了地面沉降、矸石排放等新问题。合理利用煤矸石充填复垦既可以提高矿区土地保有量，又能解决煤矸石堆存问题。

在中国，利用煤矸石充填塌陷区的土地复垦技术尚不成熟，对复垦后土地存在的潜在污染及粮食安全性分析亦缺少深入研究。同时，传统充填复垦技术规程中没有将煤矸石进行分类，大多数学者针对煤矿塌陷复垦区的研究也主要集中于复垦地土壤理化性质和土壤肥力方面。董霁红等研究了煤矸石充填复垦地土壤不同深度重金属元素变化和污染程度：徐良骥等研究了复垦地覆土厚度与农作物产量的关系：郑永红等研究了煤矿复垦区土壤重金属污染的时空变化及富集特征。以往学者对不同类型煤矸石充填复垦的区别研究甚少，而煤矿所产煤矸石种类不同其结构和性质差异很大，因而用不同类型煤矸石充填复垦土地，其土地利用效果和环境效应差别较大。玉米（Zea mays L.）是淮北地区主要农作物之一。因此，本研究在安徽省宿州市芦岭煤矿设置试验田。对细矸、粗矸和洗矸3种类型煤矸石及其复垦地玉米中重金属分布特征进行探究，分析作物不同器官对煤矸石中重金属元素的吸收及富集能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省宿州市东南25km芦岭矿境内，该区地势平坦，地面标高+24.4m，潜水位+23.2m，地下水埋深1.2m。研究区所在地原本为细矸复垦地，重新开挖60m×15m×1.5m大小的区块，并分为20m×15m×1.5m3个区块，分别充填细矸（Ⅰ）、粗矸（Ⅱ）和洗矸（Ⅲ）3种类型煤矸石，上覆表土均为50cm。所用煤矸石中细矸和粗矸均来自矸石山且已风化5年左右，洗矸来自洗煤场。风化时间少于1年。细矸以泥岩、页岩和沙质泥岩为主，粗矸以沙岩、粉沙岩为主，洗矸则以含碳量较高的炭质泥岩为主。上覆表土来自耕地开挖土，各指标与淮北土壤背景值相近，为了避免研究区外及研究区3区块间水分和养分侧向迁移，各区块间及边界均采用黏土和土工布进行隔离，3区块种植相同作物，采用相同耕作制度和灌溉模式。

1.2 样品采集

分别采集研究区细矸、粗矸、洗矸3种类型的煤矸石样，每个区块内均取5个样点，每个样点采集充填复垦前、充填复垦中和复垦完成后各1个样。混合作为1个样。合计15个煤矸石样。分别采集研究区复垦后各区块种植的玉米样5株，合计15株。玉米样采集时挑选长势较为一致的整株样，将玉米样分为根、茎、叶、果4部分，合计共80个生物质样，分别装于聚乙烯采样袋中，贴上标签并记录信息，以备室内制样分析。

1.3 样品处理及测定

样品预处理：①煤矸石样。将煤矸石样破碎后置于烘箱内105℃恒温烘干。用玛瑙研钵磨细：⑦生物质样。先用自来水清洗表面泥土和尘埃，再用去离子水洗净，置于烘箱内60℃恒温烘干，用玛瑙研钵磨碎后分装于聚乙烯采样袋中备用。

处理样品时用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸全分解法进行消解，用0.2%的硝酸定容至50mL容量瓶。样品的检测分析在华东冶金地质勘查局中心实验室完成，所用仪器主要为WYS2000原子吸收分光光度计和AFS-810原子荧光分光光度计。

2 结果与分析

2.1 煤矸石重金属含量特征

由于不同类型煤矸石主要岩性不同，其重金属元素含量差异较大，对研究区3种类型煤矸石重金属含量进行测定，结果见表1。由表1可知，复垦所用3类煤矸石中Cu、Pb、Zn、Sn、Cd和Cr等均小于国家土壤环境质量一级标准限值，达到集中式生活饮用水源地、茶园、牧场等土壤标准；洗矸中Hg（0.19mg/kg）超过国家一级标准限值（0.15mg/kg），低于国家二级标准限值（1.00mg/kg），达到一般农田、蔬菜地、茶园果园、牧场等土壤标准，对植物和环境基本不造成危害和污染；Cu、Zn、Sn、Hg、Cr5种重金属元素在洗矸中的含量高于细矸和粗矸：Pb元素在粗矸中的含量高于细矸和洗矸：3种煤矸石中均未检测出Cd。

影响重金属元素在煤矸石中分布和富集的因素较为复杂，不同研究区或同一研究区不同类型煤矸石中重金属分布差异较大。本研究各重金属含量在3种煤矸石中差异较大，主要原因有以下两点：①淮北煤田煤层和煤矸石中重金属元素分布和富集主要受成煤环境、成煤植物影响较大。主要富集于煤和炭质泥岩中。本研究所用3种煤矸石的炭和泥岩含量为洗矸>细矸>粗矸，因此，重金属在洗矸中富集量较大。⑦洗矸粒度细，比表面积大，富含金属硫化物的炭质泥岩在水作用下易于风化，利于释放出重金属。随着煤矸石进一步风化，部分重金属元素从其他相态变为可交换态，可交换态下的重金属元素更易迁移和扩散。粗矸主要由沙岩组成，比表面积小，风化速度慢：细矸比表面积较大，但所含种类复杂。主要以粉沙岩为主。不易风化。因此重金属释放缓慢。

2.2 作物各器官重金属元素分布特征

相同植物不同器官对重金属的吸收和富集存在较大差异，复垦地作物中重金属含量是否超标是复垦地粮食安全性的重要指标。将研究区各区块玉米不同器官所含重金属进行检测，结果见表2。玉米果实中各重金属含量与《食品安全国家标准食品中污染物限量（GB2762-2012）》进行比较。

由表2可以看出。玉米各器官中Cu、Zn、Sn和Hg含量以叶中较高，果实中含量较低；不同类型煤矸石复垦地种植作物同种器官中Cu含量顺序为洗矸>细矸>粗矸，Zn、Sn和Hg含量为洗矸>粗矸>细矸。各器官中Pb含量顺序为叶>根>茎>果：不同类型煤矸石复垦地种植作物同种器官中Pb含量相差不大。各器官中Cd、Cr含量很低；不同类型煤矸石复垦地种植作物同种器官中Cd、Cr含量顺序为洗矸>细矸>粗矸。

根据《食品安全国家标准食品中污染物限量（GB2762-2012）》（其中，Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd、Cr的限值分别为10、0.20、50、250、0.02、0.10、1.00mg/kg），可知研究区各区块玉米果实中各重金属含量均未超出标准限值。研究区3类煤矸石复垦地所产玉米果实中的Cu、Zn、Cd和Sn等重金属含量均远低于标准值：粗矸区块种植出的玉米果实中的Pb（0.19mg/kg）、洗矸区块种植出的玉米果实中的Hg（0.02mg/kg）含量接近国家标准限值。

研究区所产玉米果实中重金属元素富集程度低于其他器官，Cu、Pb、Zn、Hg和Cd等重金属元素在玉米叶中的富集程度均高于其他器官，这与李淑芹等、刘志彦等的研究结果基本一致，其研究表明，植物不同器官对重金属的吸收和富集与其新陈代谢有关，子粒、果实等营养器官富集量较少，叶、茎等器官代谢旺盛，富集量较大。除此之外，植物中Hg、Pb除了可以从煤矸石中吸收外，散布在空气中的Pb也可以通过作物叶的气孔进入作物，农药、化肥等其他因素也可成为Hg、Pb的来源。

分析研究区重金属在玉米各器官的分布可为生产实践提供以下措施：①在收获玉米时最好将作物连根拔起，以避免富集在根中的重金属残留在土壤中：②不同类型煤矸石复垦地玉米果实中重金属富集程度不同，应检测并与国家粮食卫生标准比较后再做处理：③玉米叶中重金属富集程度较高。收获时应妥善处理，不宜作为饲料和堆肥。

2.3 煤矸石与玉米器官中重金属含量的相关性

重金属元素含量在作物器官和煤矸石间的相关性见表3。由表3可知，玉米叶中Cu、Zn、Sn、Cr与煤矸石中的呈显著正相关，相关系数分别为0.994、0.995、0.994、0.988。作物各器官重金属与对应煤矸石中重金属含量呈不同程度的相关性，说明作物不同器官对重金属存在不同的吸收富集能力。

3 结论

1）复垦所用3种类型煤矸石Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd和Cr7种重金属元素含量均未超过国家土壤环境质量二级标准限值，富集程度较低，用此煤矸石进行土地复垦对植物和环境基本不造成重金属污染危害。

2）研究区不同区块玉米各器官中的Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd、Cr7种重金属元素在果实中富集程度较低，在叶中富集程度较高：研究区同一区块玉米不同器官、不同区块玉米相同器官对重金属富集程度各不相同。

3）研究区玉米各器官重金属含量和煤矸石中重金属含量之间存在不同程度的相关性，不同器官对重金属存在不同吸收富集能力，叶中重金属含量与煤矸石中对应重金属含量相关性较高，符合植被器官吸收富集重金属的一般规律。