煤石長期堆積對土壤和玉米重金屬污染的影響

煤石長期堆積對土壤和玉米重金屬污染的影響

1煤石環(huán)境重金屬污染研究焦作礦區(qū)歷史悠久。礦區(qū)周圍有10多座碎石山脈。初步估計(jì)，總石頭約500萬噸，其中石膏約400萬噸。長期以來,國內(nèi)外學(xué)者對煤矸石自然風(fēng)化、新舊矸石中有害物質(zhì)含量的差別并通過多種實(shí)驗(yàn)方法對煤矸石理化性質(zhì)、污染類型等做了大量深入的研究。有些學(xué)者還認(rèn)為公路運(yùn)營會(huì)造成路側(cè)土壤和作物的重金屬污染,對公路兩側(cè)重金屬污染的研究也有報(bào)道;但是對于煤矸石中重金屬對周圍農(nóng)田和農(nóng)作物的影響研究涉及較少,因此本文選定煤矸石堆周圍農(nóng)田和玉米作物重金屬污染進(jìn)行研究。2煤石堆區(qū)石堆焦作市位于河南省西北部,介于東經(jīng)112°32′至113°38′和北緯34°48′至35°30′之間。南部為黃河、沁河沖洪積平原,北部為太行山區(qū),屬溫帶區(qū)大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫14℃,年均降雨量在603mm～713mm之間,蒸發(fā)量為2039mm。全區(qū)地形西北高、東南低,地下水主流向大約為SE/40°。研究區(qū)位于焦作市馬村區(qū)以東約3km處的演馬礦,此處地貌類型屬太行山南麓山前沖積洪積扇群的邊緣地帶,開采出的大量煤矸石主要采取就地堆放的方式,矸石堆周圍均為農(nóng)田,主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米。本次以演馬礦矸石山周圍農(nóng)田土壤和玉米作物為對象,研究當(dāng)?shù)赝寥篮陀衩资芪廴緺顩r及其二者之間的關(guān)系。3玉米樣品的采集和消解過程采用放射狀布點(diǎn)法,在演馬礦矸石堆周圍布設(shè)3條采樣線見表1,其中L1在矸石堆地下水下游方向和下風(fēng)向。土壤樣品按梅花型法采集0～2cm表層土壤,每個(gè)采樣點(diǎn)采集約1kg樣品;作物選取收獲前10d的玉米地上部分,樣品采集后均密封采樣袋中保存待測。土壤樣品除去雜物后,低溫烘干過0.25mm篩子,采用HCl-HNO3-HF-HClO3全分解法消解。玉米樣品用去離子水快速?zèng)_洗3遍,在80℃～90℃殺青30min后,80℃烘箱中烘干,磨碎至250μm,取適量樣品用HNO3-HClO4濕法消解品。最后采用火焰原子吸收光譜儀測定重金屬含量。檢測項(xiàng)目包括Pb、Cr、Cu和Zn,同時(shí)進(jìn)行平行樣品和空白樣檢測。4研究區(qū)域內(nèi)重金屬污染的研究4.1北部農(nóng)田分布本次背景值監(jiān)測點(diǎn)位于演馬礦煤矸石山北部約2000m處的農(nóng)田,方向是北偏西8°。從背景值可以看出見表2,背景農(nóng)田土壤和當(dāng)?shù)赜衩字衂n含量較高。4.2采樣線重金屬超標(biāo)率研究區(qū)土壤金屬含量見表3,演馬礦土壤重金屬含量等值線見圖1。從圖1可以看出矸石堆周圍農(nóng)田土壤中的Pb、Cr、Cu、Zn全部檢出,且重金屬含量隨著距離矸石堆距離增加而呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢。重金屬在3條監(jiān)測線上的含量均表現(xiàn)出L2(西南)方向最大,原因可能在于該線為礦坑廢水的排放區(qū),且也是地形的下坡,形成了Pb、Cr、Cu、Zn等元素的富集區(qū)域;L1(東南)線是研究區(qū)的下風(fēng)向和地下水的下游方向,該方向重金屬濃度也相對較高;L3(西北)線因處在矸石堆上風(fēng)向和地下水上游,受重金屬的影響較小。通過表2和表3,可以看出3條采樣線4種重金屬的平均含量均超過當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸档钠骄怠＝Y(jié)合我國《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,L1,L2線Zn超出標(biāo)準(zhǔn)中≤250mg/kg的標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)率分別為37.5%和87.5%。L2線Pb含量也超出標(biāo)準(zhǔn)中不大于80mg/kg的標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)率高達(dá)62.5%。3條監(jiān)測線重金屬超標(biāo)率由高到低順序?yàn)?L2>L1>L3?？梢?煤矸石中大量的有毒有害物質(zhì)已經(jīng)對當(dāng)?shù)赝寥涝斐梢欢ǖ挠绊?該區(qū)已存在重金屬累積的趨勢,且西南方向污染最為嚴(yán)重。4.3玉米中重金屬含量規(guī)律和研究方法根據(jù)玉米葉、莖、籽中Pb含量變化規(guī)律圖見圖2,可以看出玉米莖、葉、籽中Pb含量和其在土壤中規(guī)律均表現(xiàn)出L2>L1>L3,說明作物生長在重金屬污染的土壤,重金屬會(huì)在作物體內(nèi)發(fā)生累積,作物中重金屬含量隨著土壤中重金屬含量的增高而增加;同一采樣點(diǎn)Pb在玉米葉、莖、籽中累積程度不同,由高到低的順序?yàn)槿~>莖>籽實(shí),見表4和圖2。Cu、Cr、Zn在玉米中含量規(guī)律和Pb總體表現(xiàn)趨勢基本相同,不再一一畫圖。從表4我們可以知道Pb和Zn在籽實(shí)中的含量均高于背景農(nóng)田中玉米的檢測值(見表2),且超過了國家糧食標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)造成污染,這和土壤監(jiān)測值相吻合。5農(nóng)田土壤和玉米作物中重金屬含量的分布通過對焦作礦區(qū)演馬礦煤矸石堆周圍農(nóng)田和作物調(diào)查,發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤和玉米作物中重金屬含量有很好的一致性,玉米對土壤中重金屬起到富集作用。研究得出下列結(jié)論。(1)矸石中大量的有毒有害物質(zhì)已經(jīng)對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤和農(nóng)作物造成了一定污染,作物重金屬污染勢必會(huì)對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)帶來一定的影響;(2)農(nóng)田土壤和玉米作物中重金屬含量在西南監(jiān)測線最高,東南監(jiān)測線次之,監(jiān)測線含量最低,即L2>L1>L3;(3)Pb、Cr、Cu在玉米作物含量由高到低的順序?yàn)槿~>莖>籽實(shí)。Zn在玉米中表現(xiàn)為籽實(shí)中含量較高,原因待查;(4