煤矸石充填型重構(gòu)土壤中重金屬的生物遷移及分布特征

宮傳剛　嚴(yán)家平　劉杰　喻懷君

摘要：為了研究不同類型煤矸石充填型重構(gòu)土壤中重金屬的生物遷移及分布特征，以淮北蘆嶺礦細(xì)矸、粗矸和洗矸3種煤矸石及其復(fù)墾地玉米（Zea mays L）為研究對象，測定了其Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd、Cr等重金屬元素含量，分析了重金屬元素在煤矸石和玉米不同器官中的分布特征。結(jié)果表明，復(fù)墾所用煤矸石重金屬含量整體呈洗矸>細(xì)矸>粗矸：復(fù)墾地玉米不同器官對重金屬元素的富集能力差異較大，果實富集能力弱于其他器官，葉對Cu、Pb、Zn和Cd等重金屬元素的富集能力較強(qiáng)。此外，各器官重金屬含量與煤矸石中重金屬含量之間存在不同程度的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：土地復(fù)墾：重構(gòu)土壤；重金屬；煤矸石：作物

中圖分類號：X752 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）09-2202-04

煤炭是中國工業(yè)生產(chǎn)的主要能源，但煤炭開采的同時又導(dǎo)致了地面沉降、矸石排放等新問題。合理利用煤矸石充填復(fù)墾既可以提高礦區(qū)土地保有量，又能解決煤矸石堆存問題。

在中國，利用煤矸石充填塌陷區(qū)的土地復(fù)墾技術(shù)尚不成熟，對復(fù)墾后土地存在的潛在污染及糧食安全性分析亦缺少深入研究。同時，傳統(tǒng)充填復(fù)墾技術(shù)規(guī)程中沒有將煤矸石進(jìn)行分類，大多數(shù)學(xué)者針對煤礦塌陷復(fù)墾區(qū)的研究也主要集中于復(fù)墾地土壤理化性質(zhì)和土壤肥力方面。董霽紅等研究了煤矸石充填復(fù)墾地土壤不同深度重金屬元素變化和污染程度：徐良驥等研究了復(fù)墾地覆土厚度與農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)系：鄭永紅等研究了煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染的時空變化及富集特征。以往學(xué)者對不同類型煤矸石充填復(fù)墾的區(qū)別研究甚少，而煤礦所產(chǎn)煤矸石種類不同其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異很大，因而用不同類型煤矸石充填復(fù)墾土地，其土地利用效果和環(huán)境效應(yīng)差別較大。玉米（Zea mays L.）是淮北地區(qū)主要農(nóng)作物之一。因此，本研究在安徽省宿州市蘆嶺煤礦設(shè)置試驗田。對細(xì)矸、粗矸和洗矸3種類型煤矸石及其復(fù)墾地玉米中重金屬分布特征進(jìn)行探究，分析作物不同器官對煤矸石中重金屬元素的吸收及富集能力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省宿州市東南25km蘆嶺礦境內(nèi)，該區(qū)地勢平坦，地面標(biāo)高+24.4m，潛水位+23.2m，地下水埋深1.2m。研究區(qū)所在地原本為細(xì)矸復(fù)墾地，重新開挖60m×15m×1.5m大小的區(qū)塊，并分為20m×15m×1.5m3個區(qū)塊，分別充填細(xì)矸（Ⅰ）、粗矸（Ⅱ）和洗矸（Ⅲ）3種類型煤矸石，上覆表土均為50cm。所用煤矸石中細(xì)矸和粗矸均來自矸石山且已風(fēng)化5年左右，洗矸來自洗煤場。風(fēng)化時間少于1年。細(xì)矸以泥巖、頁巖和沙質(zhì)泥巖為主，粗矸以沙巖、粉沙巖為主，洗矸則以含碳量較高的炭質(zhì)泥巖為主。上覆表土來自耕地開挖土，各指標(biāo)與淮北土壤背景值相近，為了避免研究區(qū)外及研究區(qū)3區(qū)塊間水分和養(yǎng)分側(cè)向遷移，各區(qū)塊間及邊界均采用黏土和土工布進(jìn)行隔離，3區(qū)塊種植相同作物，采用相同耕作制度和灌溉模式。

1.2 樣品采集

分別采集研究區(qū)細(xì)矸、粗矸、洗矸3種類型的煤矸石樣，每個區(qū)塊內(nèi)均取5個樣點，每個樣點采集充填復(fù)墾前、充填復(fù)墾中和復(fù)墾完成后各1個樣?；旌献鳛?個樣。合計15個煤矸石樣。分別采集研究區(qū)復(fù)墾后各區(qū)塊種植的玉米樣5株，合計15株。玉米樣采集時挑選長勢較為一致的整株樣，將玉米樣分為根、莖、葉、果4部分，合計共80個生物質(zhì)樣，分別裝于聚乙烯采樣袋中，貼上標(biāo)簽并記錄信息，以備室內(nèi)制樣分析。

1.3 樣品處理及測定

樣品預(yù)處理：①煤矸石樣。將煤矸石樣破碎后置于烘箱內(nèi)105℃恒溫烘干。用瑪瑙研缽磨細(xì)：⑦生物質(zhì)樣。先用自來水清洗表面泥土和塵埃，再用去離子水洗凈，置于烘箱內(nèi)60℃恒溫烘干，用瑪瑙研缽磨碎后分裝于聚乙烯采樣袋中備用。

處理樣品時用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸全分解法進(jìn)行消解，用0.2%的硝酸定容至50mL容量瓶。樣品的檢測分析在華東冶金地質(zhì)勘查局中心實驗室完成，所用儀器主要為WYS2000原子吸收分光光度計和AFS-810原子熒光分光光度計。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤矸石重金屬含量特征

由于不同類型煤矸石主要巖性不同，其重金屬元素含量差異較大，對研究區(qū)3種類型煤矸石重金屬含量進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。由表1可知，復(fù)墾所用3類煤矸石中Cu、Pb、Zn、Sn、Cd和Cr等均小于國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到集中式生活飲用水源地、茶園、牧場等土壤標(biāo)準(zhǔn)；洗矸中Hg（0.19mg/kg）超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)限值（0.15mg/kg），低于國家二級標(biāo)準(zhǔn)限值（1.00mg/kg），達(dá)到一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園果園、牧場等土壤標(biāo)準(zhǔn)，對植物和環(huán)境基本不造成危害和污染；Cu、Zn、Sn、Hg、Cr5種重金屬元素在洗矸中的含量高于細(xì)矸和粗矸：Pb元素在粗矸中的含量高于細(xì)矸和洗矸：3種煤矸石中均未檢測出Cd。

影響重金屬元素在煤矸石中分布和富集的因素較為復(fù)雜，不同研究區(qū)或同一研究區(qū)不同類型煤矸石中重金屬分布差異較大。本研究各重金屬含量在3種煤矸石中差異較大，主要原因有以下兩點：①淮北煤田煤層和煤矸石中重金屬元素分布和富集主要受成煤環(huán)境、成煤植物影響較大。主要富集于煤和炭質(zhì)泥巖中。本研究所用3種煤矸石的炭和泥巖含量為洗矸>細(xì)矸>粗矸，因此，重金屬在洗矸中富集量較大。⑦洗矸粒度細(xì)，比表面積大，富含金屬硫化物的炭質(zhì)泥巖在水作用下易于風(fēng)化，利于釋放出重金屬。隨著煤矸石進(jìn)一步風(fēng)化，部分重金屬元素從其他相態(tài)變?yōu)榭山粨Q態(tài)，可交換態(tài)下的重金屬元素更易遷移和擴(kuò)散。粗矸主要由沙巖組成，比表面積小，風(fēng)化速度慢：細(xì)矸比表面積較大，但所含種類復(fù)雜。主要以粉沙巖為主。不易風(fēng)化。因此重金屬釋放緩慢。

2.2 作物各器官重金屬元素分布特征

相同植物不同器官對重金屬的吸收和富集存在較大差異，復(fù)墾地作物中重金屬含量是否超標(biāo)是復(fù)墾地糧食安全性的重要指標(biāo)。將研究區(qū)各區(qū)塊玉米不同器官所含重金屬進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。玉米果實中各重金屬含量與《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量（GB2762-2012）》進(jìn)行比較。

由表2可以看出。玉米各器官中Cu、Zn、Sn和Hg含量以葉中較高，果實中含量較低；不同類型煤矸石復(fù)墾地種植作物同種器官中Cu含量順序為洗矸>細(xì)矸>粗矸，Zn、Sn和Hg含量為洗矸>粗矸>細(xì)矸。各器官中Pb含量順序為葉>根>莖>果：不同類型煤矸石復(fù)墾地種植作物同種器官中Pb含量相差不大。各器官中Cd、Cr含量很低；不同類型煤矸石復(fù)墾地種植作物同種器官中Cd、Cr含量順序為洗矸>細(xì)矸>粗矸。

根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量（GB2762-2012）》（其中，Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd、Cr的限值分別為10、0.20、50、250、0.02、0.10、1.00mg/kg），可知研究區(qū)各區(qū)塊玉米果實中各重金屬含量均未超出標(biāo)準(zhǔn)限值。研究區(qū)3類煤矸石復(fù)墾地所產(chǎn)玉米果實中的Cu、Zn、Cd和Sn等重金屬含量均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值：粗矸區(qū)塊種植出的玉米果實中的Pb（0.19mg/kg）、洗矸區(qū)塊種植出的玉米果實中的Hg（0.02mg/kg）含量接近國家標(biāo)準(zhǔn)限值。

研究區(qū)所產(chǎn)玉米果實中重金屬元素富集程度低于其他器官，Cu、Pb、Zn、Hg和Cd等重金屬元素在玉米葉中的富集程度均高于其他器官，這與李淑芹等、劉志彥等的研究結(jié)果基本一致，其研究表明，植物不同器官對重金屬的吸收和富集與其新陳代謝有關(guān)，子粒、果實等營養(yǎng)器官富集量較少，葉、莖等器官代謝旺盛，富集量較大。除此之外，植物中Hg、Pb除了可以從煤矸石中吸收外，散布在空氣中的Pb也可以通過作物葉的氣孔進(jìn)入作物，農(nóng)藥、化肥等其他因素也可成為Hg、Pb的來源。

分析研究區(qū)重金屬在玉米各器官的分布可為生產(chǎn)實踐提供以下措施：①在收獲玉米時最好將作物連根拔起，以避免富集在根中的重金屬殘留在土壤中：②不同類型煤矸石復(fù)墾地玉米果實中重金屬富集程度不同，應(yīng)檢測并與國家糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)比較后再做處理：③玉米葉中重金屬富集程度較高。收獲時應(yīng)妥善處理，不宜作為飼料和堆肥。

2.3 煤矸石與玉米器官中重金屬含量的相關(guān)性

重金屬元素含量在作物器官和煤矸石間的相關(guān)性見表3。由表3可知，玉米葉中Cu、Zn、Sn、Cr與煤矸石中的呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.994、0.995、0.994、0.988。作物各器官重金屬與對應(yīng)煤矸石中重金屬含量呈不同程度的相關(guān)性，說明作物不同器官對重金屬存在不同的吸收富集能力。

3 結(jié)論

1）復(fù)墾所用3種類型煤矸石Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd和Cr7種重金屬元素含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限值，富集程度較低，用此煤矸石進(jìn)行土地復(fù)墾對植物和環(huán)境基本不造成重金屬污染危害。

2）研究區(qū)不同區(qū)塊玉米各器官中的Cu、Pb、Zn、Sn、Hg、Cd、Cr7種重金屬元素在果實中富集程度較低，在葉中富集程度較高：研究區(qū)同一區(qū)塊玉米不同器官、不同區(qū)塊玉米相同器官對重金屬富集程度各不相同。

3）研究區(qū)玉米各器官重金屬含量和煤矸石中重金屬含量之間存在不同程度的相關(guān)性，不同器官對重金屬存在不同吸收富集能力，葉中重金屬含量與煤矸石中對應(yīng)重金屬含量相關(guān)性較高，符合植被器官吸收富集重金屬的一般規(guī)律。