矸石山周邊土壤中鎘元素遷移特征分析

逯曉喻　李喆　張月陽

摘要 焦作市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)常年對九里山礦矸石山和朱村礦矸石山周邊土壤重金屬進行監(jiān)測，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法對2016—2020年土壤中Cd檢測數(shù)據(jù)進行處理并分析其動態(tài)變化特征。結(jié)果表明，礦區(qū)周邊土壤呈堿性，均可檢出Cd元素；矸石山周邊土壤中Cd含量均超出當(dāng)?shù)乇尘爸?，煤矸石不斷析出的Cd造成周邊土壤Cd污染持續(xù)增大，部分監(jiān)測點位土壤達(dá)到Cd輕度污染等級。土壤中Cd含量隨著埋深加大呈現(xiàn)出減小趨勢。矸石山周邊土壤剖面中Cd含量變化的影響因素主要包括當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向、土地利用類型、化肥施用等，但是地下水流方向的影響相對微弱。

關(guān)鍵詞矸石山；土壤；Cd元素；影響因素；遷移特征

中圖分類號X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2023）08-0068-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.016開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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

焦作市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)自2016年建立以來，按照設(shè)計要求每年對矸石山附近土壤環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測，土壤環(huán)境及重金屬含量作為其重要監(jiān)測內(nèi)容，已積累了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。Cd作為矸石山附近土壤重金屬監(jiān)測的重要組成部分，具有較強的生物毒性［1］。經(jīng)過矸石自燃、風(fēng)化和雨水淋溶等作用，煤矸石中的Cd發(fā)生遷移，進入周邊水土環(huán)境，被土壤中的黏土礦物和有機物吸附或固定而富集于土壤中，造成了土壤和水體污染。土壤Cd污染具有不可逆性，當(dāng)Cd積累到一定程度不僅會抑制植物的正常生長，還會被植物吸收通過食物鏈進入人體，威脅到人類健康［2-5］。因此，研究矸石山附近土壤中的Cd分布特征對防治土壤Cd污染和保護人體健康具有重要的現(xiàn)實意義［6-8］。該研究以焦作九里山礦和朱村礦矸石山周邊土壤為研究對象，分析2016—2020年土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示矸石山周邊土壤中Cd含量變化趨勢的影響因素，以期為減緩煤矸石周邊土壤重金屬污染、開展有效生態(tài)修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況九里山礦位于焦作礦區(qū)東部，于1970年建井，1983年開始投產(chǎn)，設(shè)計產(chǎn)煤能力為90×104 t/a；多年的煤炭開采和洗選，產(chǎn)生大量的煤矸石堆積形成矸石山；目前矸石山占地面積約5.7萬m，矸石堆存量約223萬t，堆存最高處達(dá)61 m。朱村礦位于焦作市區(qū)西南部5.5 km，于1955年建井，1958年開始投產(chǎn)，設(shè)計產(chǎn)煤能力為60×10 t/a，矸石山占地面積約 2萬m。此次研究對九里山礦矸石山附近不同路徑中的土壤Cd含量進行分析，分別為矸石山腳下10 m內(nèi)垂直方向、該區(qū)主風(fēng)向下風(fēng)向以及地下水流方向，采取朱村矸石山同路徑土壤樣品作為平行對照組，探究不同條件下土壤中Cd的富集效應(yīng)。選取的矸石山沿主風(fēng)向下風(fēng)向和地下水流向布設(shè)的采樣點土地利用類型主要為林地和耕地，耕地主要農(nóng)作物為夏玉米和冬小麥，林地種植樹種主要為國槐和楊樹。

1.2樣品采集焦作市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)樣品監(jiān)測點位于九里山礦和朱村礦2個煤礦矸石山附近。垂直剖面采樣在矸石山坡腳10 m內(nèi)進行，開挖深度為1.5 m，埋深以30 cm為間隔，采樣深度依次為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m，取剖面土樣5件。根據(jù)焦作市氣候特征，其主風(fēng)向為北東向，沿著北東向下風(fēng)向取樣剖面布設(shè)，按20、50、100、200、300、500、1 000 m 的間距布設(shè)取樣點，采樣深度0～10 cm，采用多點取樣混合成一個代表樣的方法采集樣品。焦作地下水流向為南東向，具體布設(shè)時充分考慮了現(xiàn)場的實際條件，沿著南東地下水流向布設(shè)采樣剖面，采樣線上按20、50、100、200、300、500、1 000 m的間距進行采樣，采樣深度0～10 cm。單個矸石山每年共取土壤樣品19件。此次研究涵蓋2016—2020年共計190個樣品，其中九里山礦矸石山和朱村礦矸石山各95個。

1.3樣品質(zhì)量控制

1.3.1取樣點位質(zhì)量控制。根據(jù)焦作市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計書中標(biāo)明的土壤取樣起點、終點坐標(biāo)，將取樣點位置標(biāo)注在谷歌衛(wèi)星地圖上，確定土壤取樣的具體位置，現(xiàn)場利用GPS定位，保證土質(zhì)取樣點點位的準(zhǔn)確性。

1.3.2土壤取樣質(zhì)量控制。嚴(yán)格控制土質(zhì)取樣深度，用鐵鍬挖坑到取樣深度，然后用木鏟清理取土工作面，將取樣深度內(nèi)的土壤進行充分混合后，采取混合后的土壤樣。土質(zhì)取樣過程中，由一名技術(shù)人員負(fù)責(zé)監(jiān)測點位的尋找，一名技術(shù)人員負(fù)責(zé)現(xiàn)場取樣工作，另一名技術(shù)人員負(fù)責(zé)填寫土壤樣品采集記錄表，記錄影像資料，每位技術(shù)人員同時對其他技術(shù)人員的工作進行認(rèn)真監(jiān)督，嚴(yán)格按設(shè)計要求完成土質(zhì)取樣工作。

1.3.3內(nèi)業(yè)資料檢查。技術(shù)人員對當(dāng)天的影像資料和原始記錄表資料進行自檢整改，修改后再次進行檢查和復(fù)查。土質(zhì)取樣工作完成后，由負(fù)責(zé)人再次檢查是否符合設(shè)計要求。

1.4樣品檢測土壤帶回實驗室后經(jīng)過處理，按照常規(guī)方法進行土壤理化性質(zhì)、水溶性鹽、土壤微量元素和重金屬元素等測試。重金屬含量檢測儀器為XSERIES 2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，pH檢測儀器為PHS-3C數(shù)字酸度計。

此次研究樣品來自煤礦矸石山周邊的土壤，主要分析土壤樣品中Cd含量的分布特征。土地利用類型主要為農(nóng)田和林地，為Ⅲ類土壤，因此采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中三級標(biāo)準(zhǔn)值（表1）作為土壤等級質(zhì)量劃分依據(jù)，采用檢出率、Cd單項污染指數(shù)進行土壤重金屬污染等級評價（表2）。其中單項污染指數(shù)Pi=Ci/Si，式中，Ci為污染物實測值，Si為污染物評價標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)果與分析

2.1矸石山周邊土壤質(zhì)量評價從表3可以看出，2016—2020年九里山礦矸石山周邊95個土壤樣品pH為7.4～8.8，均為堿性土壤；Cd檢出率為100%，且均高于河南省土壤環(huán)境背景值（0.064 mg/kg）［9-10］，Ⅲ類土壤超標(biāo)率呈波動式增大，樣品Cd含量最大值也呈增大趨勢。朱村礦矸石山周邊95個土壤樣品pH為7.5～8.9，土壤呈堿性；Cd檢出率為100%，均高于河南省土壤環(huán)境背景值；除2017年單個樣品超標(biāo)外，其余樣品Cd含量均未超標(biāo)，Cd含量最大值無明顯趨勢。兩地矸石山周邊土壤Cd檢出率說明矸石山的堆積對周邊土壤中Cd含量造成了影響，均高于環(huán)境背景值，且持續(xù)時間較長。

2.2垂直方向土壤中Cd含量變化從圖1可以看出，除個別點外，多數(shù)樣品Cd含量均小于二級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值（≤0.6 mg/kg），Cd單項污染指數(shù)均小于1，土壤重金屬污染等級為安全級，土壤未受到重金屬污染。隨著埋深的加大，雨水的淋溶作用減弱，九里山礦矸石山山腳下垂直樣品中Cd含量隨著取樣深度增加呈現(xiàn)出減小趨勢。

圖1a顯示九里山礦矸石山山腳下10 m處垂直樣品中Cd含量于2018年達(dá)到最大值，之后表現(xiàn)出下降趨勢，究其原因主要是九里山礦矸石山于2019年開展礦山生態(tài)修復(fù)工程，通過客土復(fù)綠、扶苗栽樹等手段進行生態(tài)修復(fù)，一定程度上減緩了矸石山對山腳下土壤中Cd含量的影響。圖1b朱村礦矸石山山腳下10 m處取樣深度一定的情況下，2016—2020年樣品Cd含量表現(xiàn)出了增大趨勢，說明矸石山持續(xù)不斷地析出Cd元素，造成土壤的Cd出現(xiàn)富集效應(yīng)。

2.3主風(fēng)向下風(fēng)向土壤剖面中Cd含量變化九里山礦矸石山主風(fēng)向下風(fēng)向土地利用類型主要為農(nóng)田，主要農(nóng)作物為夏玉米和冬小麥。以三級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為限，圖2a顯示隨著年份的增加，同一距離的采樣點樣品中Cd含量大于1.0 mg/kg的樣品數(shù)表現(xiàn)出增大趨勢。客觀上不考慮土地利用類型的情況下，含有Cd的灰塵隨風(fēng)遷移，降落地表后經(jīng)過淋濾作用滲入土壤。距離矸石山越遠(yuǎn)，灰塵攜帶的Cd含量越低，土壤中Cd含量也越低。但當(dāng)樣品土壤均來自農(nóng)田時，多年的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出無明顯規(guī)律，說明土壤中Cd含量受到農(nóng)作物和化肥施用的影響［11］，減弱了土壤中Cd含量與距離矸石山遠(yuǎn)近的變化趨勢。

朱村礦矸石山主風(fēng)向下風(fēng)向土地利用類型主要為林地，主要樹種為國槐和楊樹。樣品中Cd含量均小于0.6 mg/kg，2016—2020年均為二級土壤。土壤Cd污染等級為安全級，未受到重金屬Cd污染。圖2b顯示多年來下風(fēng)向土壤剖面Cd含量隨與矸石山距離的增大表現(xiàn)出輕微富集現(xiàn)象，同一距離的土壤樣品中Cd含量也呈小幅上升趨勢。說明在不采取任何生態(tài)修復(fù)措施的情況下，煤矸石不斷析出的Cd造成周邊土壤Cd污染持續(xù)增大。土地利用類型為林地時，沿主風(fēng)向下風(fēng)向土壤中Cd含量隨與矸石山距離的增加表現(xiàn)出微弱增大趨勢。

2.4地下水流方向土壤剖面中Cd含量變化九里山礦矸石山沿地下水流方向土壤采樣剖面土地利用類型主要為農(nóng)田。從圖3a可以看出，2016—2020年均存在Cd含量超過三級標(biāo)準(zhǔn)限值的土壤樣品。當(dāng)與矸石山距離小于100 m時，土壤剖面中Cd含量由2018年后開始下降，說明從2019年開始實施的礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程取得了一定的生態(tài)治理效果。農(nóng)田施肥過程中會將Cd元素引入土壤，導(dǎo)致Cd在土壤中積累［11-12］。當(dāng)與矸石山距離超過200 m后，土壤中Cd含量主要受農(nóng)田施肥的影響。說明土壤剖面中Cd含量變化受到土地利用類型和化肥施用影響，地下水流方向影響不突出。

朱村礦矸石山沿地下水流方向土壤采樣剖面土地利用類型主要為林地。從圖3b可以看出，除2017年距離矸石山20 m處的樣品Cd含量＞1.00 mg/kg外，2016—2020年樣品Cd含量均未超過三級土壤標(biāo)準(zhǔn)限值。距離矸石山20 m處位于矸石山圍墻附近，建筑材料對原地土壤Cd含量影響較大，但范圍和深度有限［13］。樣品多為土黃色，僅2020年1 000 m 處Cd含量為0.97 mg/kg的樣品呈黑色，有機質(zhì)含量較高，有機質(zhì)對重金屬有較強的吸附作用［14-16］，會對土壤中Cd產(chǎn)生富集效應(yīng)。在不考慮2個異常值前提下，土地利用類型為林地時，沿矸石山附近地下水流方向土壤剖面中Cd含量相對穩(wěn)定，無明顯變化規(guī)律。

3結(jié)論與討論

焦作市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)常年對矸石山附近土壤環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測。該研究采用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法研究了2016—2020年九里山礦矸石山和朱村礦矸石山周邊土壤中Cd元素空間分布特征，并進行了對比分析。

（1）研究區(qū)土壤偏堿性，均可檢出Cd元素，表明煤矸石受淋溶、風(fēng)化作用造成的重金屬排放和遷移直接或間接污染了周邊土壤的生態(tài)環(huán)境。矸石山周邊土壤中Cd含量均超出當(dāng)?shù)乇尘爸?，煤矸石不斷析出的Cd造成周邊土壤Cd污染持續(xù)增大，部分監(jiān)測點位土壤達(dá)到Cd輕度污染等級。采取一定生態(tài)修復(fù)措施后，土壤中Cd含量有明顯的降低趨勢。

（2）單考慮雨水淋溶作用，矸石山析出的重金屬Cd對土壤的污染主要集中在淺層表面，即土壤中Cd含量隨著埋深加大呈現(xiàn)出減小趨勢。

（3）矸石山周邊土壤剖面中Cd含量變化的影響因素較多，主要包括當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向、土地利用類型、化肥施用等，但是地下水流方向的影響相對微弱。

（4）不同的土地利用類型導(dǎo)致矸石山周邊土壤中Cd含量變化趨勢出現(xiàn)差異，鑒于Cd元素威脅人體健康，矸石山周邊下風(fēng)向和地下水流方向應(yīng)減少農(nóng)作物種植，應(yīng)種植重金屬耐性強的樹木。

（5）礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程亟待開展，構(gòu)筑隔離帶、客土復(fù)綠、扶苗栽樹等措施都能夠有效地減弱矸石山對周邊土壤的重金屬污染。

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