淮南顾桥与新庄孜采煤沉陷区土壤镉的差异性研究_李世龙.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY 2. Collaborative Innovation Center for Mines Environmental Remediation and Wetland Ecological Security, School of Resource and Environment Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China Abstract Soils in Huainan Guqiao and Xinzhuangzi coal mining-induced subsidence area were sampled and tested to study the distribution of surface cadmium in the subsidence area and the influence of subsidence time and vermiculite filling on the cadmium distribution in the soil. The results of the study showed that the total cadmium content in the surface soil of the Xinzhuangzi mine was 9.37 times higher than that of Guqiao mine due to the long-term cumulation and underlying filling gangue. The soil cadmium content in Guqiao mining area showed a downward trend and then increased from the surface of the soil. Affected by leaching and topography, the soil cadmium in the filling and reclaiming area of Xinzhuangzi has two change trends with depth. First, in high terrain the cadmium content decreases firstly and then increases, while in low terrain the cadmium content increases firstly and then decreases. Keywords coal mining-induced subsidence area; soil; cadmium; coal gangue filling; difference 煤炭是世界上分布最广泛的化石能源，也是我 国最主要的能源，大约占我国能源消费 60左右， 在我国国民经济发展过程中具有十分重要的地位。 在煤炭的开采及加工过程中，煤及煤矸石中的有害 元素在风化淋溶作用下，可能会迁移到水体、土壤 和大气环境中，对环境造成污染，其中重金属对土 壤的污染得到了广泛关注[1-2]。 镉Cd是土壤中生物毒性最强的重金属元素之 一，被镉污染的土壤会抑制农作物生长，甚至造成 农作物死亡。土壤中的镉容易通过食物链的富集方 式危害人体健康[3-4]。因此研究土壤中镉的赋存及其 转化具有十分重要的意义。 淮南是我国重要的能源基地之一，长期的煤炭 开发已经了造成大面积的土地沉陷和环境污染。煤 中含有镉、汞、铅等有害重金属元素，而煤炭开采 运输、煤矸石堆积、矸石充填复垦、燃煤发电等过 程可能会把煤中的重金属元素带出地表并向周围迁 移，导致重金属污染[5-7]。 顾桥煤矿是亚洲地下开采规模最大的矿井之一， 沉陷区面积大，深度大，不利于复垦。新庄孜煤矿已 经停产，沉陷区域稳定，进行了复垦工作。本文以淮 南顾桥采煤沉陷区和新庄孜沉陷复垦区为研究区域， ChaoXing 增刊 1李世龙等 淮南顾桥与新庄孜采煤沉陷区土壤镉的差异性研究7 通过取样测试分析， 研究沉陷区的形成时间、 采用矸 石充填复垦对沉陷区土壤重金属镉含量和赋存的影 响，为沉陷区治理与利用提供科学依据。 1样品采集与测试 1.1研究区概况 淮南市位于安徽省中北部，是中国主要的能源 基地之一。淮南煤田位于淮河中游，以淮南市为主 体，东西长约为 100 km，南北宽 2030 km，面积约 2 500 km2。随着采煤活动的不断进行，沉陷区的数 量和面积也逐渐增多，这些地表沉陷会破坏现有的 土地资源，还有可能导致土壤污染。 顾桥矿位于淮南市凤台县，是新建矿井，2003 年 开工建设，2007 年投产，由于生产规模大2010 年原 煤产量超 1 000 万 t，矿区沉陷水域面积达 10 km2以 上，未进行矸石充填复垦，沉陷水体主要用于农业 灌溉、渔业养殖等活动。 新庄孜矿位于淮南市八公山区，是资源枯竭矿 井，1947 年投产，2017 年底关闭停产，年产 300 万 t 左右。 新庄孜矿由于长期的开采形成大面积的沉陷 区，部分沉陷区进行煤矸石充填复垦，即在沉陷区 充填厚度不一的煤矸石层，然后再覆盖厚 6080 cm 厚的土壤。根据地势高低可以把复垦区分为上、中 和底 3 层。上层有农田和果园，中层有农田、林地、 果园和养殖场，底层是养殖塘。 1.2样品采集与测试 根据顾桥矿沉陷积水区边界范围布置采样点图1a。 在沉陷积水区周围采集020cm表层土壤样品14个，并 选取沉陷积水区东岸4号点和西岸14 号点进行土壤剖面 的采样，采样深度为020cm，2040cm，4060cm。 新庄孜采煤沉陷区，样品主要采集于矸石充填复 垦区的农田、 果园和林地中图 1b， 共采集 020 cm 的 表层土壤样品 25 个。在每块农田、果园和林地中均 设置 3 个采样点，采集 020 cm 表层土壤样品 21 个。此外还在底层养殖塘两侧各设置一个采样点， 在中层果园和农田中增加两个土壤剖面采样点，采 样深度分别为 020 cm、2040 cm、4060 cm 和 6080 cm，土壤样品按四分法采集约 1 kg，保存于 干净的塑料袋中。 a 顾桥b 新庄孜 图 1样品采集示意图 Fig.1Location of sampling sites 将采集到的土壤样品放在洁净的实验室内自然 风干，剔除植物根系、石砾等杂物，用四分法选取 其中的四分之一， 并研磨过 100 目0.15 mm尼龙筛。 准确称取过筛后的样品 200 mg，采用微波消解法 HJ491-2009进行消解，有效态镉采用 0.05 mol/L DTPA 溶液提取。总镉及有效态镉的含量采用 ICP- MS检测限为 0.0610-9，Agilent-7500进行测定。 实验时使用土壤成分分析标准物质 GBW 07403、 10的平行样及空白样做质量控制，其中标准样品 中镉的回收率为 90110，实验所用试剂均为优 级纯试剂，实验用水均为新制备的去离子水。 2土壤中镉的分布特征 2.1顾桥沉陷区土壤镉的分布特征 2.1.1表层土壤中总镉和有效态镉分布 土壤有效态镉表征植物可吸收的部分，是评价 土壤镉污染程度的重要指标之一。顾桥沉陷区土壤 中总镉含量与有效态镉含量如表1所示。 由表1可知， 顾桥沉陷区总镉含量为 0.1530.341 mg/kg，平均 0.220 mg/kg， 明显高于淮南市土壤背景值0.06 mg/kg[8]， 富集系数为 3.67，说明顾桥沉陷区土壤中镉存在明 显富集现象，略高于国家土壤环境质量标准的一级 标准 0.2 mg/kg。X. M. Wang 等[9]对顾桥矿区煤矸石 堆周边土壤中重金属含量进行了测试分析，其中煤 矸石堆附近土壤镉平均含量为 0.21 mg/kg，明显高 ChaoXing 8煤田地质与勘探第 46 卷 于淮南市土壤背景值，同样说明顾桥沉陷区土壤镉 存在富集现象。 表 1顾桥沉陷区土壤中总镉与有效态镉含量 Table 1Total cadmium content and available cadmium in the soil of Guqiao subsidence area 样品号总镉/mgkg–1有效态镉/mgkg–1活化率/ 1号0.2590.09135.14 2号0.2150.07434.42 3号0.2260.07934.96 4号0.2180.08338.07 5号0.1990.08844.22 6号0.2210.07533.94 7号0.2140.07434.60 8号0.2080.08641.35 9号0.3230.09429.10 10号0.1650.06841.21 11号0.3410.15144.28 12号0.1530.06139.87 13号0.1690.05532.54 14号0.1660.07746.39 平均值0.2200.08337.86 由表1可知， 有效态镉的含量为0.0550.151 mg/kg， 平均 0.083 mg/kg。有学者把土壤中有效态镉的含量 与总镉含量的比值称为土壤镉的活化率，这可用来 指示重金属污染对土壤的影响程度[10]。研究区土壤 镉活化率平均值为 37.86，这表明研究区域土壤中 镉的活性较强。 顾桥沉陷区土壤中有效态镉与总镉含量的相关 性如图 2 所示， 二者呈显著正相关关系。 万红友等[11]、 袁波等[12]对苏南地区和重庆市北碚区土壤中有效态 镉与总镉含量也做了相关性研究，都表明总镉与有 效态镉存在明显的正相关关系。 2.1.2总镉含量垂向分布规律 4 号和 14 号剖面土壤中总镉含量的垂直分布如 图 3 所示。从图 3 可看出，土壤中总镉主要富集在 表层 020 cm 处， 这可能与植物根系富集作用有关。 自土壤表层向下两个剖面的土壤镉含量均为先降低 图 2顾桥沉陷区土壤有效态镉与总镉含量的关系 Fig.2Relationship between available cadmium and total cadmium in soil of Guqiao subsidence area 后增加。刘意章等[13]对三峡库区巫山建坪地区土壤 镉等重金属分布特征的研究结果认为，这可能是因 为镉从土壤表层淋滤至土壤深层并再次沉淀。 此外， 沉陷区农田土壤结构变化、使用沉陷塘积水进行灌 溉等因素也可能导致土壤深层镉含量的增加。 图 3顾桥沉陷区土壤中总镉含量垂直分布图 Fig.3Vertical distribution of total cadmium in soil in subsidence area of Guqiao 2.2新庄孜沉陷复垦区土壤中镉的分布特征 新庄孜矿沉陷复垦区土壤表层中镉含量如表 2 所示。新庄孜矿煤矸石充填复垦区土壤中总镉含量 随深度变化如图 4 所示。由图 4 可见，新庄孜矸石 复垦区土壤剖面中镉的分布呈现两种趋势。一种是 在农田土壤剖面中镉含量随深度增加先降低后增 加，在矸石充填层中达极大值，这与顾桥沉陷区土 壤中镉含量随深度变化规律一致。另一种是在果园 剖面中镉含量随深度先增大后减小，在矸石充填层 中达较小值。 出现上述两种不同趋势的原因可用图 5 进行解 释。新庄孜充填复垦区处于八公山东麓，在地形上 属于斜坡地形，上部为 6080 cm 厚度不等的覆土， 下部为矸石充填。由上分析可知，表层土壤中镉在 入渗水的淋滤作用下向下运移， 并在 4060 cm 处发 表 2新庄孜复垦区土壤镉含量 Table 2Soil cadmium content in the reclaimed area of Xinzhuangzi单位mg/kg 样品号镉含量/mgkg-1样品号镉含量/mgkg-1 G12.319N21.968 G22.672N31.991 G32.557N42.929 G41.683N51.788 G52.022N61.529 G63.028N72.331 G71.931N80.943 L12.512N91.328 L23.192N100.533 L32.469N112.472 T12.108N122.181 T22.141N132.556 ChaoXing 增刊 1李世龙等 淮南顾桥与新庄孜采煤沉陷区土壤镉的差异性研究9 N12.142N141.054 平均值2.091 方差0.408 图 4新庄孜矸石充填复垦土壤总镉含量垂直分布图 Fig.4Vertical distribution of total cadmium content ingangue- filled reclaimed soil of Xinzhuangzi 图 5斜坡地势下土壤镉污染物运移示意图 Fig.5A schematic diagram of soil Cd contaminant transport under slope topography 生沉淀；而矸石中由于镉浓度高于土壤，其中的镉 将向土壤中迁移，这就造成地势高处土壤中镉随深 度增加先降低后增加，在充填矸石处达极大值。同 时，地下水在地势的控制下将由高处向低处发生渗 流，并把析出的镉带向低洼处，造成镉在斜坡地势 低处的中下部土壤中汇聚，且随着渗流的进行，其 含量就可能越聚越高。此外，相比于大颗粒的煤矸 石，细颗粒的覆土渗透性低，渗流阻力大，不利于 渗流而有利于污染物聚集，也可能造成镉的富集。 因此，地势低处的果园土壤剖面中的镉受表层淋滤 作用、底部矸石析出扩散作用以及高处矸石析出侧 向迁移作用共同影响，在 4060 cm 处发生镉富集， 其含量甚至高出下部的矸石。 3沉陷区土壤镉赋存的差异性分析 3.1表层土壤中总镉含量差异 由表 1 和表 2 可见，顾桥和新庄孜采煤沉陷区 表层土壤中总镉含量差异显著。顾桥沉陷区总镉含 量为 0.1530.341 mg/kg，平均 0.220 mg/kg；而新庄 孜沉陷复垦区总镉含量为 0.5333.192 mg/kg，平均 2.091 mg/kg，两者平均值相差 9.5 倍。王禺昊[14]研 究也表明，新庄孜复垦区土壤镉的含量较高，煤矸 石附近的土壤镉出现了明显富集。 之所以出现如此明显的差异，原因在于顾桥煤矿 沉陷区为近几年开采导致的沉陷，沉陷时间短，且没 有进行矸石充填复垦，其表层土壤中的总镉主要来自 地面堆积矸石山中镉的淋滤渗流、 燃煤电厂灰尘飘散， 而没有受到下伏充填矸石的影响。新庄孜矿开采时间 久开采已 70 a 左右，因此表层土壤受到地面堆积矸 石山中镉的淋滤渗流、燃煤电厂灰尘飘散时间长，其 中镉的累积作用过程长。此外，新庄孜矿沉陷区采用 煤矸石充填复垦，下伏充填的煤矸石在长期的水岩作 用下，其中的重金属元素将向土壤迁移扩散。 3.2总镉含量垂向分布差异 顾桥采煤沉陷区土壤中镉含量自底层到表层， 呈 现出先降低再增加的趋势。 这是由于顾桥矿区处于淮 北平原区， 地势平坦， 土壤中地下水侧向径流强度小， 对镉的横向迁移作用较小， 镉的垂向分布主要受垂向 径流产生的浅层淋滤和中深层沉淀控制。 新庄孜矿充填复垦区土壤中镉的垂向分布呈现 两种趋势，一种与顾桥沉陷区相似，一种相反，原 因是新庄孜矿复垦区土壤中镉的分布不但受浅层淋 滤作用影响，而且在地形的控制下，地下水侧向径 流强度较大，把地势高处的镉污染物带向低处，这 与地势平坦的顾桥矿沉陷区明显不同。 4结 论 a. 顾桥沉陷区表层土壤中有效态镉含量与总 镉含量呈显著正相关，由于表层淋滤而深层沉淀， 随着土壤深度增加，总镉含量呈现先降低后增加的 趋势。 b. 新庄孜充填复垦区表层土壤总镉含量明显 高于顾桥矿， 是顾桥矿表层土壤总镉含量的 9.37 倍， 主要原因是新庄孜矿土壤受到充填矸石的影响。 c. 受淋滤作用和地形控制影响，新庄孜充填复 垦区土壤总镉含量随深度增加呈现两种趋势， 一是地 势高处先降低后增高，二是地势低处先增加再降低。 参考文献 [1] 张明亮， 王海霞. 煤矿区矸石山周边土壤重金属污染特征与规 律[J]. 水土保持学报，2007，214189–192. 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