矸石山周边土壤中镉元素迁移特征分析

逯晓喻　李喆　张月阳

摘要 焦作市矿山地质环境监测网络常年对九里山矿矸石山和朱村矿矸石山周边土壤重金属进行监测，采用传统统计学方法对2016—2020年土壤中Cd检测数据进行处理并分析其动态变化特征。结果表明，矿区周边土壤呈碱性，均可检出Cd元素；矸石山周边土壤中Cd含量均超出当地背景值，煤矸石不断析出的Cd造成周边土壤Cd污染持续增大，部分监测点位土壤达到Cd轻度污染等级。土壤中Cd含量随着埋深加大呈现出减小趋势。矸石山周边土壤剖面中Cd含量变化的影响因素主要包括当地主风向、土地利用类型、化肥施用等，但是地下水流方向的影响相对微弱。

关键词矸石山；土壤；Cd元素；影响因素；迁移特征

中图分类号X53文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）08-0068-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.016开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis on Migration Characteristics of Cadmium in Soil around Gangue Hill—Taking the Gangue Hill in Jiulishan Coal Mine and Zhucun Coal Mine in Jiaozuo City as Examples

LU Xiao-yu LI Zhe ZHANG Yue-yang（1.Henan Province Natural Resources Monitoring Institute，Zhengzhou，Henan 450018;2.Henan Provincial Key Laboratory of Geological Hazards Prevention， Zhengzhou，Henan 450018）

AbstractThe Jiaozuo City Mine Geological Environment Monitoring Network monitors heavy metals in the soils around Jiulishan and Zhucun gangue hills all year round. Traditional statistical methods were used to process and analyze the dynamic change characteristics of Cd detection data in soils from 2016 to 2020.The results showed that the soil around the mining area was alkaline， and Cd could be detected.The content of Cd in the soil around the gangue hill exceeded the local background value. The continuous release of Cd from coal gangue had caused a continuous increase in Cd pollution in the surrounding soil， and some monitoring sites had reached a slight level of Cd pollution.The content of Cd in soil showed a decreasing trend with increasing burial depth.The main factors affecting the variation of Cd content in the soil profile around the waste dump included local main wind direction， land use type， fertilizer application， etc.， but the impact of groundwater flow direction was relatively weak.

Key wordsGangue hill;Soil;Cadmium;Influencing factors;Migration characteristic

焦作市礦山地质环境监测网络自2016年建立以来，按照设计要求每年对矸石山附近土壤环境质量进行监测，土壤环境及重金属含量作为其重要监测内容，已积累了大量的监测数据。Cd作为矸石山附近土壤重金属监测的重要组成部分，具有较强的生物毒性［1］。经过矸石自燃、风化和雨水淋溶等作用，煤矸石中的Cd发生迁移，进入周边水土环境，被土壤中的黏土矿物和有机物吸附或固定而富集于土壤中，造成了土壤和水体污染。土壤Cd污染具有不可逆性，当Cd积累到一定程度不仅会抑制植物的正常生长，还会被植物吸收通过食物链进入人体，威胁到人类健康［2-5］。因此，研究矸石山附近土壤中的Cd分布特征对防治土壤Cd污染和保护人体健康具有重要的现实意义［6-8］。该研究以焦作九里山矿和朱村矿矸石山周边土壤为研究对象，分析2016—2020年土壤监测数据，揭示矸石山周边土壤中Cd含量变化趋势的影响因素，以期为减缓煤矸石周边土壤重金属污染、开展有效生态修复工程提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况九里山矿位于焦作矿区东部，于1970年建井，1983年开始投产，设计产煤能力为90×104 t/a；多年的煤炭开采和洗选，产生大量的煤矸石堆积形成矸石山；目前矸石山占地面积约5.7万m，矸石堆存量约223万t，堆存最高处达61 m。朱村矿位于焦作市区西南部5.5 km，于1955年建井，1958年开始投产，设计产煤能力为60×10 t/a，矸石山占地面积约 2万m。此次研究对九里山矿矸石山附近不同路径中的土壤Cd含量进行分析，分别为矸石山脚下10 m内垂直方向、该区主风向下风向以及地下水流方向，采取朱村矸石山同路径土壤样品作为平行对照组，探究不同条件下土壤中Cd的富集效应。选取的矸石山沿主风向下风向和地下水流向布设的采样点土地利用类型主要为林地和耕地，耕地主要农作物为夏玉米和冬小麦，林地种植树种主要为国槐和杨树。

1.2样品采集焦作市矿山地质环境监测网络样品监测点位于九里山矿和朱村矿2个煤矿矸石山附近。垂直剖面采样在矸石山坡脚10 m内进行，开挖深度为1.5 m，埋深以30 cm为间隔，采样深度依次为0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m，取剖面土样5件。根据焦作市气候特征，其主风向为北东向，沿着北东向下风向取样剖面布设，按20、50、100、200、300、500、1 000 m 的间距布设取样点，采样深度0～10 cm，采用多点取样混合成一个代表样的方法采集样品。焦作地下水流向为南东向，具体布设时充分考虑了现场的实际条件，沿着南东地下水流向布设采样剖面，采样线上按20、50、100、200、300、500、1 000 m的间距进行采样，采样深度0～10 cm。单个矸石山每年共取土壤样品19件。此次研究涵盖2016—2020年共计190个样品，其中九里山矿矸石山和朱村矿矸石山各95个。

1.3样品质量控制

1.3.1取样点位质量控制。根据焦作市矿山地质环境监测网络设计书中标明的土壤取样起点、终点坐标，将取样点位置标注在谷歌卫星地图上，确定土壤取样的具体位置，现场利用GPS定位，保证土质取样点点位的准确性。

1.3.2土壤取样质量控制。严格控制土质取样深度，用铁锹挖坑到取样深度，然后用木铲清理取土工作面，将取样深度内的土壤进行充分混合后，采取混合后的土壤样。土质取样过程中，由一名技术人员负责监测点位的寻找，一名技术人员负责现场取样工作，另一名技术人员负责填写土壤样品采集记录表，记录影像资料，每位技术人员同时对其他技术人员的工作进行认真监督，严格按设计要求完成土质取样工作。

1.3.3内业资料检查。技术人员对当天的影像资料和原始记录表资料进行自检整改，修改后再次进行检查和复查。土质取样工作完成后，由负责人再次检查是否符合设计要求。

1.4样品检测土壤带回实验室后经过处理，按照常规方法进行土壤理化性质、水溶性盐、土壤微量元素和重金属元素等测试。重金属含量检测仪器为XSERIES 2电感耦合等离子体质谱仪，pH检测仪器为PHS-3C数字酸度计。

此次研究样品来自煤矿矸石山周边的土壤，主要分析土壤样品中Cd含量的分布特征。土地利用类型主要为农田和林地，为Ⅲ类土壤，因此采用《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）中三级标准值（表1）作为土壤等级质量划分依据，采用检出率、Cd单项污染指数进行土壤重金属污染等级评价（表2）。其中单项污染指数Pi=Ci/Si，式中，Ci为污染物实测值，Si为污染物评价标准。

2结果与分析

2.1矸石山周边土壤质量评价从表3可以看出，2016—2020年九里山矿矸石山周边95个土壤样品pH为7.4～8.8，均为碱性土壤；Cd检出率为100%，且均高于河南省土壤环境背景值（0.064 mg/kg）［9-10］，Ⅲ类土壤超标率呈波动式增大，样品Cd含量最大值也呈增大趋势。朱村矿矸石山周边95个土壤样品pH为7.5～8.9，土壤呈碱性；Cd检出率为100%，均高于河南省土壤环境背景值；除2017年单个样品超标外，其余样品Cd含量均未超标，Cd含量最大值无明显趋势。两地矸石山周边土壤Cd检出率说明矸石山的堆积对周边土壤中Cd含量造成了影响，均高于环境背景值，且持续时间较长。

2.2垂直方向土壤中Cd含量变化从图1可以看出，除个别点外，多数样品Cd含量均小于二级土壤环境质量标准值（≤0.6 mg/kg），Cd单项污染指数均小于1，土壤重金属污染等级为安全级，土壤未受到重金属污染。随着埋深的加大，雨水的淋溶作用减弱，九里山矿矸石山山脚下垂直样品中Cd含量随着取样深度增加呈现出减小趋势。

图1a显示九里山矿矸石山山脚下10 m处垂直样品中Cd含量于2018年达到最大值，之后表现出下降趋势，究其原因主要是九里山矿矸石山于2019年开展矿山生态修复工程，通过客土复绿、扶苗栽树等手段进行生态修复，一定程度上减缓了矸石山对山脚下土壤中Cd含量的影响。图1b朱村矿矸石山山脚下10 m处取样深度一定的情况下，2016—2020年樣品Cd含量表现出了增大趋势，说明矸石山持续不断地析出Cd元素，造成土壤的Cd出现富集效应。

2.3主风向下风向土壤剖面中Cd含量变化九里山矿矸石山主风向下风向土地利用类型主要为农田，主要农作物为夏玉米和冬小麦。以三级土壤环境质量标准为限，图2a显示随着年份的增加，同一距离的采样点样品中Cd含量大于1.0 mg/kg的样品数表现出增大趋势。客观上不考虑土地利用类型的情况下，含有Cd的灰尘随风迁移，降落地表后经过淋滤作用渗入土壤。距离矸石山越远，灰尘携带的Cd含量越低，土壤中Cd含量也越低。但当样品土壤均来自农田时，多年的数据表现出无明显规律，说明土壤中Cd含量受到农作物和化肥施用的影响［11］，减弱了土壤中Cd含量与距离矸石山远近的变化趋势。

朱村矿矸石山主风向下风向土地利用类型主要为林地，主要树种为国槐和杨树。样品中Cd含量均小于0.6 mg/kg，2016—2020年均为二级土壤。土壤Cd污染等级为安全级，未受到重金属Cd污染。图2b显示多年来下风向土壤剖面Cd含量随与矸石山距离的增大表现出轻微富集现象，同一距离的土壤样品中Cd含量也呈小幅上升趋势。说明在不采取任何生态修复措施的情况下，煤矸石不断析出的Cd造成周边土壤Cd污染持续增大。土地利用类型为林地时，沿主风向下风向土壤中Cd含量随与矸石山距离的增加表现出微弱增大趋势。

2.4地下水流方向土壤剖面中Cd含量变化九里山矿矸石山沿地下水流方向土壤采样剖面土地利用类型主要为农田。从图3a可以看出，2016—2020年均存在Cd含量超过三级标准限值的土壤样品。当与矸石山距离小于100 m时，土壤剖面中Cd含量由2018年后开始下降，说明从2019年开始实施的矿山地质环境生态修复工程取得了一定的生态治理效果。农田施肥过程中会将Cd元素引入土壤，导致Cd在土壤中积累［11-12］。当与矸石山距离超过200 m后，土壤中Cd含量主要受农田施肥的影响。说明土壤剖面中Cd含量变化受到土地利用类型和化肥施用影响，地下水流方向影响不突出。

朱村矿矸石山沿地下水流方向土壤采样剖面土地利用类型主要为林地。从图3b可以看出，除2017年距离矸石山20 m处的样品Cd含量＞1.00 mg/kg外，2016—2020年样品Cd含量均未超过三级土壤标准限值。距离矸石山20 m处位于矸石山围墙附近，建筑材料对原地土壤Cd含量影响较大，但范围和深度有限［13］。样品多为土黄色，仅2020年1 000 m 处Cd含量为0.97 mg/kg的样品呈黑色，有机质含量较高，有机质对重金属有较强的吸附作用［14-16］，会对土壤中Cd产生富集效应。在不考虑2个异常值前提下，土地利用类型为林地时，沿矸石山附近地下水流方向土壤剖面中Cd含量相对稳定，无明显变化规律。

3结论与讨论

焦作市矿山地质环境监测网络常年对矸石山附近土壤环境质量进行监测。该研究采用传统统计学方法研究了2016—2020年九里山矿矸石山和朱村矿矸石山周边土壤中Cd元素空间分布特征，并进行了对比分析。

（1）研究区土壤偏碱性，均可检出Cd元素，表明煤矸石受淋溶、风化作用造成的重金属排放和迁移直接或间接污染了周边土壤的生态环境。矸石山周边土壤中Cd含量均超出当地背景值，煤矸石不断析出的Cd造成周边土壤Cd污染持续增大，部分监测点位土壤达到Cd轻度污染等级。采取一定生态修复措施后，土壤中Cd含量有明显的降低趋势。

（2）单考虑雨水淋溶作用，矸石山析出的重金属Cd对土壤的污染主要集中在浅层表面，即土壤中Cd含量随着埋深加大呈现出减小趋势。

（3）矸石山周边土壤剖面中Cd含量变化的影响因素较多，主要包括当地主风向、土地利用类型、化肥施用等，但是地下水流方向的影响相对微弱。

（4）不同的土地利用类型导致矸石山周边土壤中Cd含量变化趋势出现差异，鉴于Cd元素威胁人体健康，矸石山周边下风向和地下水流方向应减少农作物种植，应种植重金属耐性强的树木。

（5）矿山地质环境生态修复工程亟待开展，构筑隔离带、客土复绿、扶苗栽树等措施都能够有效地减弱矸石山对周边土壤的重金属污染。

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