煤矸石充填复垦区域土壤重金属空间分布特征

赵玉林，肖 昕

（1.徐州开放大学，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221000）

煤矸石充填复垦区域土壤重金属空间分布特征

赵玉林1，肖 昕2

（1.徐州开放大学，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221000）

采用地统计软件研究了徐州北郊柳新煤矸石充填复垦区Cu、Cd、Pb、Zn、Cr五种重金属对其周边100m范围内土壤的影响，得出结论：区域内全部161个样点中Cd均出现不同程度的超标现象，除少量Zn以外，7个监测点位各层土壤中的五种重金属含量均高于当地土壤背景值；研究区内Cu和Cd的纵向空间变异性最大，存在较强的纵向迁移能力，而Cr、Pb、Zn的纵向空间变异性相对较小；土壤中Zn、Pb、Cr和Cu存在极强的空间相关性，其中Pb、Cr和Cu的变程均相对较大，受母质的影响相对较大，而Cd的块基比最大，变程最小，其受人为随机影响突出；区域内的Cd、Cu、Zn和Cr的主要污染源为充填的煤矸石，且存在明显的横向和纵向迁移过程，Pb的污染则主要来源于道路交通；区域内Cd污染严重，而充填的煤矸石是主要污染来源，因此必须建立相关的土壤充填复垦物标准以保障种植安全。

充填复垦；重金属；空间分布；源解析

利用煤矸石作为基质充填复垦恢复农业用地，可以较好地解决由于采煤沉陷产生的土地减少问题。但作为矿山废物的煤矸石中含有多种有毒有害物质及微量重金属元素，这些元素进入土壤中，会在土壤中迁移，污染上覆土和周边的土壤，进而影响作物的生长并通过食物链影响人体健康。

由于土壤重金属污染具有不可逆性，潜伏性、毒性相对较强，世界范围内的土壤及作物重金属污染调查工作自20世纪70年代以来逐步展开[1、2]。随着煤矿区充填复垦工作的开展，充填复垦方式、充填复垦对土壤理化性质的影响[3、4]等开始受到人们的关注。随着研究的逐渐深入，人们发现充填复垦区土壤与作物中均存在不同程度的重金属污染问题，部分污染程度已威胁到作物的食用安全性[5～8]。通过对迁移过程的分析，可发现在煤矸石充填复垦条件下，伴随煤矸石微量元素硫化物的氧化过程，重金属元素会从矸石中释放出来进入土壤溶液，在土壤水分垂直运动和植物根系活动影响下，煤矸石层中的重金属元素可能会随土壤中所含溶液缓慢上升，吸附于上覆土层[9、10]。然而煤矸石中的重金属不仅会向上覆土层进行纵向迁移，同时也会向周围土壤进行横向迁移，从而影响周边作物的生长，但针对充填复垦区充填物中重金属和横向迁移的研究，鲜见有报导。本文以徐州柳新乡煤矸石充填复垦场地为研究对象，采用场地实测的方式分析复垦区周围土壤重金属分布规律，探讨煤

矸石中重金属横向迁移特征，为进一步分析复垦土壤重金属生态风险及其控制提供理论基础。

1 研究区域概况

柳新煤矸石充填复垦场地位于徐州市西北郊（34º25´24N , 117º08´26 E），1998年实施充填复垦，上覆土为粘土，覆土厚度为40～45cm。复垦区为南北向狭长区域，西面为灌溉渠和道路，东面为大片自然农田。充填复垦区与周边自然农田区种植条件相同。

2 采样与测试

2.1 样品采集

分别于2015年3月和6月进行土壤样品采集。以蛇形布点法在复垦区选取3个点位，自然农田区内采样点位是垂直于复垦区东边界，分别于距离东边界1、3、5、10、50、100m处布设采样点，每个点位垂向等距离5米采集3个平行样本。土壤样采用土壤剖面采样器进行采集，采样厚度为70cm，每10cm收集一个剖面样品，共收集到完整剖面样品140个。

2.2 样品处理

土壤样品的制备依照土壤环境监测技术规范（HJ/T 166-2004）规定操作。小麦样品经去离子水冲洗去除根部土壤和植株表面浮尘后，采集不同部位风干破碎备用。

2.3 样品分析

样品用盐酸、硝酸、氢氟酸、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）测定样品的Cu、Cd、Pb、Zn、Cr五种元素，以GBW-为标准参考样进行质量控制。

2.4 数据处理

原始数据利用Spss17.0软件进行统计分析，图件用Origin8.0软件制图，地统计分析用GSwin9.0软件，重金属含量水平空间分布特征图用ArgGⅠS9.0软件绘制。

3 结果与讨论

3.1 充填复垦区周边土壤重金属环境质量现状

复垦区3个点位各层土壤重金属含量的均值记为复垦区土壤重金属含量。分析各点位不同深度土壤重金属含量的均数，获得描述性统计信息，与国家《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）和当地土壤背景值进行比较（见表1）可以发现：研究区域内除少量Zn以外7个监测点位各层土壤中Pb、Zn、Cu、Cr和Cd五种重金属含量，均高于1989年的土壤背景值（徐州市农业局、徐州市产品质量监督检验所提供），说明该地区经历20多年的充填复垦和工业生产，不同深度的土壤均受到了较严重的人为影响。除Cd以外，均低于国家土壤二级标准，区域内Cd超标非常严重，全部54个监测点位中Cd均出现超标现象，分别为标准值的2.28～9.29倍，这一结论与董霁红2010年的研究结果基本一致[11]。

总体而言，复垦区土壤中Pb、Zn、Cu、Cr和Cd的含量均明显高于周边土壤，在距离充填复垦区0～30m的范围内五种重金属均出现了含量随与复垦区的距离增大而减少的趋势，说明重金属存在由充填复垦区向周边土壤中扩散的可能性。50～100m区域Zn、Cu、Cd和Cr出现小幅度的上升，这可能与周边其他污染源的影响有关。

3.2 充填复垦区周边土壤重金属空间变异性特征及分布格局

研究区内的土壤重金属纵向空间变异系数存在较大差异，其中Pb的变异系数相对较小，其次为Zn和Cr，Cu 和Cd的纵向空间变异性最大。可见Pb、Zn和Cr的垂向分布较均匀，说明目前这3种金属的纵向迁移能力较弱，可能是因为它们已达到一定程度的迁移平衡。而Cu和Cd的纵向迁移能力相对较强，且复垦区土壤的变异系数大于周边土壤，存在越远离复垦区变异系数越小的趋势。充填复垦区周边地形地貌、母质类型以及土地利用方式基本相同，因此可以推断各重金属的空间异质性可能与人为因素密切相关。

半方差函数可以反映不同距离测试值之间的变化，其中块基比可以表达系统变量的空间相关性程度以及随机因素（人为因素）引起的空间变异性占系统总变异比例[12]。由表2可知，Zn、Pb、Cr、和Cu的块基比远小于25%（3.66%～8.11%），表明它们之间存在极强的空间相关性，同时Pb、Cr和Cu的变程均相对较大，说明它们受母质的影响相对较大；而Cd的块基比高达76.64%，远大于其他4种重金属元素，同时其变程仅为57.41m，说明该元素受人为随机影响突出。

3.3 土壤重金属空间分布特征及污染源分析

以充填复垦区为边界，采用ⅠDW空间插值法进行最优内插估值，利用Arg-GⅠS绘制采样剖面土壤重金属含量空间分布图（见图）。由图可知，除Pb以外，其他各金属的最高值均出现在复垦区内50～70cm深处，且均呈现出随距离的增加而减少的总体趋势。由于该充填区

为煤矸石充填区，且复垦土层厚度为45cm，因此可推断区域内Cd、Cu、Zn和Cr的主要污染源为充填的煤矸石，且存在明显的横向和纵向迁移过程。Zn、Cr和Cu在剖面的右边均出现了相对较高点，说明在研究区域东面可能也存在这3种元素的污染源。结合实地调查结果发现，研究区域东北面500m范围内有一个火电厂，电厂飞灰可能是该区域的第二污染源。区域内Pb分布的最高点在复垦区及紧靠复垦区的表层土壤中，由于复垦区紧挨一条乡间道路且呈条带状，因此可以推断Pb的污染可能主要来源于道路交通。

表1 土壤重金属含量描述统计 （含量单位：mg/kg）

表2 土壤重金属含量的半方差函数理论模型及其相关参数

复垦区充填层内Cd的含量高达9.25mg/kg，是国家二级土壤标准的9倍多，且存在随距充填物距离增大而逐渐

减少的趋势，区域内Cd的最小值（2.28mg/kg）出现在距离复垦区100m距地表40～50cm处，该点Cd含量也超出了国家允许农业种植的标准，因此该区域已不适合农作物种植，且充填区内的煤矸石是区域内主要污染源。由此建议煤矿废物在进行充填复垦前必须进行重金属元素监测，国家也需要建立相关的土壤充填复垦物标准以保障种植安全。

剖面土壤重金属含量空间分布图

4 结论

（1）区域内全部54个监测点位中的Cd超过国家二级土壤标准标2.28～9.29倍，其他各金属均未发现超标现象；除少量Zn以外，7个监测点位各层土壤中的5种重金属含量均高于当地土壤背景值，说明区域土壤受到了不同程度的人为干扰。

（2）研究区内Cu和Cd的纵向空间变异性相对较大，复垦区土壤的变异系数大于周边土壤，说明这两种元素存在较强的纵向迁移能力，而Cr、Pb、Zn的纵向空间变异性相对较小；由半方差函数可知，土壤中Zn、Pb、Cr和Cu块基比远小于25%，存在极强的空间相关性，其中Pb、Cr和Cu的变程相对较大，受母质的影响相对较大；而Cd的块基比高达76.64%，且变程很小，其受人为随机影响突出。

（3）区域内Cd、Cu、Zn和Cr的最高值均出现在复垦区充填层内，且均呈现出随距离的增加而减少的趋势，说明区域主要污染源为充填的煤矸石，且存在明显的横向和纵向迁移过程，Pb的污染则主要来源于道路交通；区域内Cd污染严重，而充填的煤矸石是主要污染来源，因此必须建立相关的土壤充填复垦物标准以保障种植安全。

[1] Jihong Dong, Min Yu, Zhengfu Bian, Yindi Zhao, Wei Cheng．The safety study of heavy metal pollution in wheat planted in reclaimed soil of mining areas in Xuzhou, China [J]． Environ Earth Sci (2012) 66：673-682．

[2] Jia L, Wang W, Li Y, Yang L (2010) Heavy metals in soil and crops of an intensively farmed area： a case study in Yucheng City,Shandong Province, China． Int J Environ Res Public Health 7(2)：395-412．

[3] 孙纪杰，李新举，李海燕，等．不同复垦工艺土壤物理性状研究[J]．土壤通报，2013，44（6）：1332-1336．

[4] 王辉，卞正富，刘夫华，等．柳新国家复垦示范区充填复垦土壤性质及其分类建议[J]．土壤通报，2005，36（3）：295-298．

[5] 董霁红，卞正富，王贺封．矿山充填复垦场地重金属含量对比研究[J]．中国矿业大学学报，2007，36（4）：531 -536．

[6] 董霁红，卞正富，于敏，等．矿区充填复垦土壤重金属分布特征研究[J]．中国矿业大学学报，2010，39（3）：335-341．

[7] 江培龙，方凤满，张杰琼，等．淮南煤矿复垦区土壤重金属形态分布及污染评价[J]．水土保持学报，2013，27（5）：178-182，187．

[8] 胡振琪，魏忠义，秦萍．塌陷地粉煤灰充填复垦土壤的污染性分析[J]．中国环境科学，2004，24（3）：311- 315．

[9] 陈孝杨，刘鑫尧，严家平．煤矸充填复垦土壤可溶性镉的分布特征与运移模拟[J]．农业环境科学学报，2012（9）：1734-1738．

[10] 郭慧霞，杨建，王心义，等．焦作矿区土壤对煤矸石中污染组分的吸附解吸试验[J]．农业环境科学学报，2008（1）：194-199．

[11] GUO Huixia，YANG Jian，WANG Xinyi，et al．Adsorption-desorption behaviors of pollutants from coal waste rock on soil in Jiaozuo mine field[J]．Journal of Agro-Environment Science，2008，27（1）： 194-199．

[12] 施加春，刘杏梅，于春兰，等．浙北环太湖平原耕地土壤重金属的空间变异特征及其风险评价研究[J]．土壤学报，2007，44（5）：824-830．

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