煤矸石充填復(fù)墾區(qū)域土壤重金屬空間分布特征

趙玉林，肖 昕

（1.徐州開放大學(xué)，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

煤矸石充填復(fù)墾區(qū)域土壤重金屬空間分布特征

趙玉林1，肖 昕2

（1.徐州開放大學(xué)，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

采用地統(tǒng)計軟件研究了徐州北郊柳新煤矸石充填復(fù)墾區(qū)Cu、Cd、Pb、Zn、Cr五種重金屬對其周邊100m范圍內(nèi)土壤的影響，得出結(jié)論：區(qū)域內(nèi)全部161個樣點中Cd均出現(xiàn)不同程度的超標現(xiàn)象，除少量Zn以外，7個監(jiān)測點位各層土壤中的五種重金屬含量均高于當?shù)赝寥辣尘爸?；研究區(qū)內(nèi)Cu和Cd的縱向空間變異性最大，存在較強的縱向遷移能力，而Cr、Pb、Zn的縱向空間變異性相對較小；土壤中Zn、Pb、Cr和Cu存在極強的空間相關(guān)性，其中Pb、Cr和Cu的變程均相對較大，受母質(zhì)的影響相對較大，而Cd的塊基比最大，變程最小，其受人為隨機影響突出；區(qū)域內(nèi)的Cd、Cu、Zn和Cr的主要污染源為充填的煤矸石，且存在明顯的橫向和縱向遷移過程，Pb的污染則主要來源于道路交通；區(qū)域內(nèi)Cd污染嚴重，而充填的煤矸石是主要污染來源，因此必須建立相關(guān)的土壤充填復(fù)墾物標準以保障種植安全。

充填復(fù)墾；重金屬；空間分布；源解析

利用煤矸石作為基質(zhì)充填復(fù)墾恢復(fù)農(nóng)業(yè)用地，可以較好地解決由于采煤沉陷產(chǎn)生的土地減少問題。但作為礦山廢物的煤矸石中含有多種有毒有害物質(zhì)及微量重金屬元素，這些元素進入土壤中，會在土壤中遷移，污染上覆土和周邊的土壤，進而影響作物的生長并通過食物鏈影響人體健康。

由于土壤重金屬污染具有不可逆性，潛伏性、毒性相對較強，世界范圍內(nèi)的土壤及作物重金屬污染調(diào)查工作自20世紀70年代以來逐步展開[1、2]。隨著煤礦區(qū)充填復(fù)墾工作的開展，充填復(fù)墾方式、充填復(fù)墾對土壤理化性質(zhì)的影響[3、4]等開始受到人們的關(guān)注。隨著研究的逐漸深入，人們發(fā)現(xiàn)充填復(fù)墾區(qū)土壤與作物中均存在不同程度的重金屬污染問題，部分污染程度已威脅到作物的食用安全性[5～8]。通過對遷移過程的分析，可發(fā)現(xiàn)在煤矸石充填復(fù)墾條件下，伴隨煤矸石微量元素硫化物的氧化過程，重金屬元素會從矸石中釋放出來進入土壤溶液，在土壤水分垂直運動和植物根系活動影響下，煤矸石層中的重金屬元素可能會隨土壤中所含溶液緩慢上升，吸附于上覆土層[9、10]。然而煤矸石中的重金屬不僅會向上覆土層進行縱向遷移，同時也會向周圍土壤進行橫向遷移，從而影響周邊作物的生長，但針對充填復(fù)墾區(qū)充填物中重金屬和橫向遷移的研究，鮮見有報導(dǎo)。本文以徐州柳新鄉(xiāng)煤矸石充填復(fù)墾場地為研究對象，采用場地實測的方式分析復(fù)墾區(qū)周圍土壤重金屬分布規(guī)律，探討煤

矸石中重金屬橫向遷移特征，為進一步分析復(fù)墾土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險及其控制提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

柳新煤矸石充填復(fù)墾場地位于徐州市西北郊（34o25′24N , 117o08′26 E），1998年實施充填復(fù)墾，上覆土為粘土，覆土厚度為40～45cm。復(fù)墾區(qū)為南北向狹長區(qū)域，西面為灌溉渠和道路，東面為大片自然農(nóng)田。充填復(fù)墾區(qū)與周邊自然農(nóng)田區(qū)種植條件相同。

2 采樣與測試

2.1 樣品采集

分別于2015年3月和6月進行土壤樣品采集。以蛇形布點法在復(fù)墾區(qū)選取3個點位，自然農(nóng)田區(qū)內(nèi)采樣點位是垂直于復(fù)墾區(qū)東邊界，分別于距離東邊界1、3、5、10、50、100m處布設(shè)采樣點，每個點位垂向等距離5米采集3個平行樣本。土壤樣采用土壤剖面采樣器進行采集，采樣厚度為70cm，每10cm收集一個剖面樣品，共收集到完整剖面樣品140個。

2.2 樣品處理

土壤樣品的制備依照土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T 166-2004）規(guī)定操作。小麥樣品經(jīng)去離子水沖洗去除根部土壤和植株表面浮塵后，采集不同部位風(fēng)干破碎備用。

2.3 樣品分析

樣品用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸消解，以0.2%硝酸定容至50mL容量瓶。用火焰原子吸收分光光度法（TAS-996）測定樣品的Cu、Cd、Pb、Zn、Cr五種元素，以GBW-為標準參考樣進行質(zhì)量控制。

2.4 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)利用Spss17.0軟件進行統(tǒng)計分析，圖件用Origin8.0軟件制圖，地統(tǒng)計分析用GSwin9.0軟件，重金屬含量水平空間分布特征圖用ArgGⅠS9.0軟件繪制。

3 結(jié)果與討論

3.1 充填復(fù)墾區(qū)周邊土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

復(fù)墾區(qū)3個點位各層土壤重金屬含量的均值記為復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量。分析各點位不同深度土壤重金屬含量的均數(shù)，獲得描述性統(tǒng)計信息，與國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618-1995）和當?shù)赝寥辣尘爸颠M行比較（見表1）可以發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)域內(nèi)除少量Zn以外7個監(jiān)測點位各層土壤中Pb、Zn、Cu、Cr和Cd五種重金屬含量，均高于1989年的土壤背景值（徐州市農(nóng)業(yè)局、徐州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所提供），說明該地區(qū)經(jīng)歷20多年的充填復(fù)墾和工業(yè)生產(chǎn)，不同深度的土壤均受到了較嚴重的人為影響。除Cd以外，均低于國家土壤二級標準，區(qū)域內(nèi)Cd超標非常嚴重，全部54個監(jiān)測點位中Cd均出現(xiàn)超標現(xiàn)象，分別為標準值的2.28～9.29倍，這一結(jié)論與董霽紅2010年的研究結(jié)果基本一致[11]。

總體而言，復(fù)墾區(qū)土壤中Pb、Zn、Cu、Cr和Cd的含量均明顯高于周邊土壤，在距離充填復(fù)墾區(qū)0～30m的范圍內(nèi)五種重金屬均出現(xiàn)了含量隨與復(fù)墾區(qū)的距離增大而減少的趨勢，說明重金屬存在由充填復(fù)墾區(qū)向周邊土壤中擴散的可能性。50～100m區(qū)域Zn、Cu、Cd和Cr出現(xiàn)小幅度的上升，這可能與周邊其他污染源的影響有關(guān)。

3.2 充填復(fù)墾區(qū)周邊土壤重金屬空間變異性特征及分布格局

研究區(qū)內(nèi)的土壤重金屬縱向空間變異系數(shù)存在較大差異，其中Pb的變異系數(shù)相對較小，其次為Zn和Cr，Cu 和Cd的縱向空間變異性最大?？梢奝b、Zn和Cr的垂向分布較均勻，說明目前這3種金屬的縱向遷移能力較弱，可能是因為它們已達到一定程度的遷移平衡。而Cu和Cd的縱向遷移能力相對較強，且復(fù)墾區(qū)土壤的變異系數(shù)大于周邊土壤，存在越遠離復(fù)墾區(qū)變異系數(shù)越小的趨勢。充填復(fù)墾區(qū)周邊地形地貌、母質(zhì)類型以及土地利用方式基本相同，因此可以推斷各重金屬的空間異質(zhì)性可能與人為因素密切相關(guān)。

半方差函數(shù)可以反映不同距離測試值之間的變化，其中塊基比可以表達系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度以及隨機因素（人為因素）引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異比例[12]。由表2可知，Zn、Pb、Cr、和Cu的塊基比遠小于25%（3.66%～8.11%），表明它們之間存在極強的空間相關(guān)性，同時Pb、Cr和Cu的變程均相對較大，說明它們受母質(zhì)的影響相對較大；而Cd的塊基比高達76.64%，遠大于其他4種重金屬元素，同時其變程僅為57.41m，說明該元素受人為隨機影響突出。

3.3 土壤重金屬空間分布特征及污染源分析

以充填復(fù)墾區(qū)為邊界，采用ⅠDW空間插值法進行最優(yōu)內(nèi)插估值，利用Arg-GⅠS繪制采樣剖面土壤重金屬含量空間分布圖（見圖）。由圖可知，除Pb以外，其他各金屬的最高值均出現(xiàn)在復(fù)墾區(qū)內(nèi)50～70cm深處，且均呈現(xiàn)出隨距離的增加而減少的總體趨勢。由于該充填區(qū)

為煤矸石充填區(qū)，且復(fù)墾土層厚度為45cm，因此可推斷區(qū)域內(nèi)Cd、Cu、Zn和Cr的主要污染源為充填的煤矸石，且存在明顯的橫向和縱向遷移過程。Zn、Cr和Cu在剖面的右邊均出現(xiàn)了相對較高點，說明在研究區(qū)域東面可能也存在這3種元素的污染源。結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域東北面500m范圍內(nèi)有一個火電廠，電廠飛灰可能是該區(qū)域的第二污染源。區(qū)域內(nèi)Pb分布的最高點在復(fù)墾區(qū)及緊靠復(fù)墾區(qū)的表層土壤中，由于復(fù)墾區(qū)緊挨一條鄉(xiāng)間道路且呈條帶狀，因此可以推斷Pb的污染可能主要來源于道路交通。

表1 土壤重金屬含量描述統(tǒng)計 （含量單位：mg/kg）

表2 土壤重金屬含量的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

復(fù)墾區(qū)充填層內(nèi)Cd的含量高達9.25mg/kg，是國家二級土壤標準的9倍多，且存在隨距充填物距離增大而逐漸

減少的趨勢，區(qū)域內(nèi)Cd的最小值（2.28mg/kg）出現(xiàn)在距離復(fù)墾區(qū)100m距地表40～50cm處，該點Cd含量也超出了國家允許農(nóng)業(yè)種植的標準，因此該區(qū)域已不適合農(nóng)作物種植，且充填區(qū)內(nèi)的煤矸石是區(qū)域內(nèi)主要污染源。由此建議煤礦廢物在進行充填復(fù)墾前必須進行重金屬元素監(jiān)測，國家也需要建立相關(guān)的土壤充填復(fù)墾物標準以保障種植安全。

剖面土壤重金屬含量空間分布圖

4 結(jié)論

（1）區(qū)域內(nèi)全部54個監(jiān)測點位中的Cd超過國家二級土壤標準標2.28～9.29倍，其他各金屬均未發(fā)現(xiàn)超標現(xiàn)象；除少量Zn以外，7個監(jiān)測點位各層土壤中的5種重金屬含量均高于當?shù)赝寥辣尘爸?，說明區(qū)域土壤受到了不同程度的人為干擾。

（2）研究區(qū)內(nèi)Cu和Cd的縱向空間變異性相對較大，復(fù)墾區(qū)土壤的變異系數(shù)大于周邊土壤，說明這兩種元素存在較強的縱向遷移能力，而Cr、Pb、Zn的縱向空間變異性相對較小；由半方差函數(shù)可知，土壤中Zn、Pb、Cr和Cu塊基比遠小于25%，存在極強的空間相關(guān)性，其中Pb、Cr和Cu的變程相對較大，受母質(zhì)的影響相對較大；而Cd的塊基比高達76.64%，且變程很小，其受人為隨機影響突出。

（3）區(qū)域內(nèi)Cd、Cu、Zn和Cr的最高值均出現(xiàn)在復(fù)墾區(qū)充填層內(nèi)，且均呈現(xiàn)出隨距離的增加而減少的趨勢，說明區(qū)域主要污染源為充填的煤矸石，且存在明顯的橫向和縱向遷移過程，Pb的污染則主要來源于道路交通；區(qū)域內(nèi)Cd污染嚴重，而充填的煤矸石是主要污染來源，因此必須建立相關(guān)的土壤充填復(fù)墾物標準以保障種植安全。

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Spatial Distribution Characteristics of Soil Heavy Metals in Reclaimed Areas Filled by Coal Gangue

ZHAO Yu-lin, XIAO Xin

X53

A

1006-5377（2016）11-0069-04