煤矸石充填复垦区对周围土壤重金属影响特征

＊方良成 郑恒 刘少敏*

（1.淮南矿业集团煤业公司 安徽 232001 2.安徽理工大学地球与环境工程系 安徽 232001）

引言

随着煤炭开采业的飞速发展，导致煤田煤矸石大量堆积。煤矸石在天然降水淋溶情况下会析出微量元素和无机盐，微量元素的析出与其在煤矸石中的赋存状态有关，不同赋存状态析出难易程度不一样，对周围环境的影响也不一样[1]。析出的重金属元素不仅会影响周围农作物生长，也会通过食物链逐级富集，最终危害人类健康[2-3]。一般情况下，如果不合理处置，煤矸石会在煤井口周围堆积，随着矸石堆高度的增加而形成矸石丘。据不完全统计，截至2010年，中国累计煤矸石超过45亿吨，占地1.5万多平方公里[4]。

煤矸石是铝硅酸盐、硫化物、无机颗粒矿物和有机质的混合物，富含多种微量元素。煤矸石山天然堆放极易自燃，在燃烧过程中，并排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S和NO等有害气体给周边环境带来了一系列危害[5]。

以淮南市新庄孜矿区为例，研究了煤矸石山在雨水天然淋溶下析出的重金属在周围土壤的分布特征。

1.材料与方法

(1)研究区域概况

新庄孜矿位于淮南市八公山区，地处东经116°4938″北纬32°35′41″，当地气候属于温带半湿润大陆性季风气候，降雨主要集中在夏季，冬季降雨较少，季风较为显著，常年主导风向为东风。

(2)采样点分布

为了研究煤矸石山在雨水天然淋溶情况下析出的重金属在周围土壤的分布特征，本次实验选取了新庄孜矿复垦区东侧和东北区域为研究区域，共布设了18个采样点共采集土壤样21个。新庄孜矿复垦区遥感航空图采样点布设图如图1所示。

图1 采样点布置图

根据淮南采煤沉陷区土地整治情况和煤矸石充填深度情况，选取新庄孜矿复垦区作为研究对象，利用土壤采样器采集复垦区土壤。如图1，在矸石山东侧布置横向采样点X1、 X2、XZ-2、X3、X4纵向采样点XZ-1、XZ-2、XZ-3、XZ-4、 XZ-5；在矸石山东北侧布置横向采样点X5、X6、XZ-8、X7、X8，纵向采样点XZ-6、XZ-7、XZ-8、XZ-9、XZ-10。同时取图中XZ-1处取地下不同土层的土壤，分别在0-20cm、20- 40cm、40-60cm深度采集一个土壤样品，同时利用GPS对采样点进行定位，记录各采样点的地理坐标，并对采样地点周围植物分布、植物生长情况和煤矸石具体填埋深度等情况进行详细记录。

(3)样品预处理及检测方法

将采集回来的土壤、煤矸石样品平铺在土壤风干架上，摊成薄薄的一层，放置于通风、干燥的地方，定期翻动，加快风干速度。在土壤样品风干过程中，用粉碎机将土块粉碎成粉末。样品风干后，拣去其中的石块、植物根系等杂物，按四分法弃去多余部分，保留约300g左右。再将风干样品碾碎，用研钵研磨，分别过100目和200目的尼龙筛网，然后装入自封袋密封保存，贴标签、编号，以备测定。样品重金属含量检测采用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS（Inductively Coupled Plasma Massspectrometry）测量。

2.结果与讨论

(1)煤矸石山纵向土壤重金属分布特征

表1为新庄孜矿复垦区矸石山东侧和东北侧两处区域纵向两条采样线的重金属含量，XZ-1、XZ-2、XZ-3、XZ-4、 XZ-5为东侧区域采样线，XZ-6、XZ-7、XZ-8、XZ-9、XZ-10为东北区域采样线，其表示的是矸石山附近土壤重金属含量与矸石山距离的关系。图2为Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、 As、Hg八种重金属元素在矸石山附近土壤的分布特征。

表1 纵向土壤重金属含量

图2中E表示矸石山东侧区域土壤重金属含量变化，NE表示矸石山东北一块区域重金属含量变化。由图2可以看出，矸石山附近土壤Cu、Pb、Cd、Zn含量随着与矸石山距离的增加逐渐降低，这表明这三种金属元素是矸石山随着雨水淋溶自然析出的，距离矸石山越近，含量越高，距离矸石山越远，含量越低，但是矸石山东侧区域Cu在20m以及Pb、Cd在25m处含量突然升高，可能是因为20m、25m采样点处有其它污染源，也有可能是人类活动的影响；土壤Cr、Ni、As、Hg含量总体也是遵循距离矸石山越远，含量越低的规律，但土壤Cr含量在5m处含量较低可能是采样点的特殊原因；Ni、As、Hg含量在25m处突然升高可能是煤矸石经年累月风化其粉尘随季风转移，经过干、湿沉降进入地表，煤矸石中不同重金属因赋存特征和风化迁移特性的差异造成了各重金属的最大落地浓度距离不同，也有可能是地形问题导致淋滤液在该处聚集，使得重金属含量在距矸石山不同距离处出现峰值[6]。

图2 矸石山纵向土壤重金属分布特征

(2)煤矸石山垂直方向土壤重金属分布特征

表2为矿复垦区矸石山东侧和东北侧两处区域两条采样线土壤重金属含量，X1、X2、X3、X4为东侧区域采样线， X5、X6、X7、X8为东北区域采样线，两条采样线均与矸石山平行。

表2 矸石山水平方向土壤重金属含量

续表

矿区矸石山附近土壤距离矸石山水平方向各种重金属含量趋势如下图所示。

图3 矸石山东侧区域水平方向土壤重金属分布特征

图4 矸石山东北侧区域水平方向土壤重金属分布特征

(3)煤矸石山垂直方向土壤重金属分布特征

表3为新庄孜矿区矸石山附近土壤Cu、Pb、Cd、Zn、 Cr、Ni、As八种重金属元素含量。图5表示土壤重金属随深度的变化趋势，由图5可以看出，各重金属含量总体上随着深度增加而增高，这表明煤矸石中的Hg在风化和雨水淋溶作用下不断下渗，在地下累积。其中Cu、Cr、Cd、Zn、Cr、Ni在地面下20-40cm处含量达到最高。有研究表明，煤矸石淋溶液在土壤中产生的污染物质对土层的影响深度大约在35cm以内[7]，与本研究各重金属表现的趋势基本相符。

表3 垂直方向土壤重金属含量

图5 矸石山附近土壤垂直方向重金属分布特征

3.结论

煤矸石山在雨水天然淋溶下会析出重金属进入周围土壤，距离矸石山越近，土壤中各种重金属含量越高；距离矸石山越远，重金属含量越低，说明煤矸石析出的各种重金属含量与矸石山的距离成反比。但在距离矸石山20m之后，土壤重金属含量反而升高，这与煤矸石风化后其粉尘随大气运动有关，也可能与地势有关。距矸石山等距离的土壤各点各重金属含量处于同一水平，验证了重金属的分布与矸石山的距离有关。在深度方面，20-40cm处重金属含量最高，40cm往下土壤金属含量反而降低。