临涣采煤沉陷区土壤重金属时空分布及迁移转化特征研究

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煤矿的持续开采造成地表变形,地表产生大量裂缝、沉陷等现象,最终形成大面积的采煤沉陷区,与此同时开采所产生的副产物会释放重金属进入土壤,会造成矿区土壤重金属的富集超过当地土壤本底值,产生重金属污染。临涣采煤沉陷区内环境复杂,区内既露天堆放大量煤矸石等工业固体废弃物又建有选煤厂、焦化厂、燃煤电厂等生产企业,都对周边土壤重金属含量与分布特征都会产生影响。本文以安徽淮北临涣采煤沉陷区为研究对象,采用数理统计学、克里金插值等方法,研究沉陷区土壤中重金属(Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、Pb、As和Hg)含量、时空分布及迁移转化特征,研究结果表明:(1)沉陷区土壤pH含量范围是6.09~7.32,均值为6.45,弱酸性样品占总样品的88.24%,该地土壤偏酸性,土壤有机质(OM)含量较为丰富处于二级标准水平,速效钾(AK)含量浓度适量处于三级标准水平,速效磷(AP)含量较低处于四级标准水平。沉陷区土壤中Zn超过农用地土壤污染风险筛选值;Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、As和Hg平均含量均未超过农用地土壤污染风险筛选值;Cu富集在工业园区南部;Zn与As富集在两河交汇处、工业园区南部;Cd、Pb和Hg富集在沉陷区以西;Cr和Ni主要在沉陷区东部、西部富集。土壤剖面上的Cu最大浓度出现在80 cm处;Ni最大浓度在40 cm处;Zn、Cd、Cr、Pb、As和Hg的最大浓度均在表层20 cm处;土壤中的Cd潜在的可移动形态最高,其他几种重金属主要以残渣态存在;2013年到2019年间土壤中Pb与Hg含量减小,其他重金属相比于2013年含量上升。(2)电厂飞灰是土壤中Cu、Pb以及Hg的主要来源,土壤中三种重金属含量与离工业园区的距离呈现出负相关的关系,其上风向下的土壤中重金属含量高于下风向土壤;农田土壤中Cd、Cr、Ni与沉陷区堆积煤矸石的淋滤有关,其中Cd、Cr在土壤中的含量与离煤矸石的距离呈现出负相关的关系,其他微量元素并未出现明显的规律性;土壤中Ni和As往往与土壤母质、矿物种类等存在一定联系;沉陷区土壤中Zn主要受到农业活动的影响。(3)土壤中重金属迁移程度为Cu>Pb>Ni>Cd>Zn、Cr、Hg、As。沉陷区Zn、As的活化率较低,分别为2.23%、0.24×10-3%低于非沉陷区土壤,重金属Cu、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg在沉陷区土壤中活化率高于非沉陷区,活化率分别4.4%、27.13%、4.41%、0.9%、1.85%和0.14%,其中Cd最高具有较强活性,活化率达到27.13%。(4)该区域重金属多因子潜在生态风险指数表明该区域处于低生态风险。根据地累积污染指数可以看出Cu、Cd、Cr、Ni有少数样点出现了轻污染现象。该区域重金属内梅罗综合污染指数表示该区域出现轻污染现象。
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