（环境工程专业论文）淮南矿区环境修复区土壤中重金属分布特征研究.pdf

摘要 摘要 矿区重金属的环境污染一直是人们关注的热点问题。采煤塌陷区使用煤矸石 进行充填复垦后，复垦后土壤的结构和环境与原来相比发生了变化，煤矸石中的 重金属可能向外迁移，污染土壤，影响复垦后土地的正常使用。本论文选取淮南 市的潘一矿复垦区和新庄孜矿复垦区作为研究区域，主要进行了以下几方面的工 作： ( 1 ) 土壤样品p h 值、速效钾、有机质以及六种重金属的检测分析 土壤p h 呈碱性。潘一矿复垦区土壤样品的速效钾含量水平均在4 级以上，新 庄孜矿复垦区所有土壤样品的速效钾含量和有机质含量水平均在4 级以上。两个 复垦区土壤中的镉含量均有较高的超标率，其中新庄孜矿复垦区镉的超标率最高， 潘一矿复垦区土壤中镉的超标率相对低些。对于其它五种重金属，两个研究区域 的超标率均为零。 ( 2 ) 煤矸石样品的检测分析 潘一矿复垦区和新庄孜矿所填充的煤矸石的性质的不同，尤其表现在有机质、 铬元素和镉元素上。总体上，潘一矿复垦区的煤矸石在有机质的含量上要高于新 庄孜矿复垦区的煤矸石；新庄孜矿复垦区煤矸石中铬元素的含量较潘一矿复垦区 煤矸石中铬元素的含量高，对于镉元素的含量亦是新庄孜矿复垦区煤矸石中的含 量较潘一矿复垦区煤矸石中的含量高。 ( 3 ) 两个复垦区土壤中重金属的环境质量评价 潘一矿复垦区土壤的环境质量状况处于警戒线内，属于尚清洁水平；而对于 新庄孜矿复垦区土壤的环境质量状况而言，除了2 0 4 0 c m 层处于警戒线内( 属于 尚清洁水平) 外，0 - 2 0 c m 层和4 0 6 0 c m 层均属于轻度污染水平。对于相同土壤层 环境质量状况而言，潘一矿复垦区均要优于新庄孜矿复垦区。 ( 4 ) 研究区域每一层土壤重金属污染物的主次顺序 潘一矿复垦区每一层土壤重金属污染物的主次顺序均一致为：镉 铬 镍 锌 铅 铜。新庄孜矿复垦区每一层土壤污染物的主次顺序均一致为：镉 铬 镍 锌 铜 铅。由此可以看出，潘一矿复垦区土壤中铜分担率最低，而新庄孜 矿复垦区土壤中铅的分担率最低；潘一矿复垦区和新庄孜矿复垦区土壤的主要污 染物均是镉元素，其次是铬元素。 ( 5 ) 土壤中重金属的相关性分析 潘一矿复垦区土壤中铜一速效钾之问以及铜一铬之间在0 o l 水平上显著相关；铬 女假埋- l 天罕坝j = 罕似化义 速效钾之间以及铬镍之间在o 0 5 水平上显著相关。新庄孜矿复垦区土壤中铜有 机质之间、锌速效钾之间、锌铜之间、铬锌之间、镍速效钾之间、镍一锌之间、 镍一铬之间、铅铜之间、铅一铬之间、铅镍之间、镉速效钾之间、镉一锌之间、镉 铬之间、镉一镍之间以及镉铅之间在0 0 1 水平上显著相关：镍铜之间、铅一速效钾 之间以及铅锌之间在o 0 5 水平上显著相关。说明这些元素之间有同源性。 ( 6 ) 覆土底层土壤与煤矸石中的不同重金属的相关性分析 潘一矿复垦区覆土底层土壤与其煤矸石中镍的含量在o 0 5 水平上显著相关， 其它指标的相关性不显著，由于相关系数小于0 ，说明潘一矿复垦区覆土底层土壤 与煤矸石之间可能存在镍的单向迁移。新庄孜矿复垦区覆土底层土壤与其煤矸石 中有机质的含量在0 0 1 水平上显著相关，由于相关系数小于o ，说明新庄孜矿复 垦区覆土底层土壤与煤矸石之间可能存在有机质的单向迁移，其它指标的相关系 数较小，相关性也不显著。 ( 7 ) 研究区域土壤中重金属的水平分布和垂直分布分析 在潘一矿复垦区o - 2 0 c m 层土壤中铬的水平分布中，靠近煤矸石山处的浓度高 于其周围区域，而在2 0 - 4 0 e m 层以及4 0 6 0 c m 层，这种规律表现的不明显，说明 o - 2 0 c m 层的土壤可能受到煤矸石山的影响。新庄孜矿复垦区整体的水平分布规律 不明显。两个复垦区土壤铬和镉的纵向分布规律不明显，这除了受到地形、周围 环境以及人为的影响外，可能与该区域种植的植物种类多样以及复垦的时间也有 一定的关系。 图 4 4 】表 2 9 】参 9 4 】 关键词：淮南矿区；环境修复；重金属；分布特征；评价 分类号：x 5 3 a b s t r a c t h e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nm i n i n ga r e aa sah o ti s s u eh a sb e i n gd r a w np e o p l e s a t t e n t i o n a f t e rc o a l m i n i n gs u b s i d e n c ea r e ai sr e c l a i m e db yc o a lg a n g u e ，t h es t r u c t u r e a n de n v i r o n m e n to ft h es o i lw i l lb ec h a n g e dc o m p a r ew i t ho r i g i n a l h e a v ym e t a li nc o a l g a n g u em a ym o v e t os o i l ，a n dt h i sm a yi n f l u e n c et h en o r m a l 璐eo ft h es o i l t h i sp a p e r c h o o s et w or e c l a m a t i o n - a r e a s ，p a n y im i n ea n dx i n z h u a n g z im i n ei nh u a i n a nc i t y , t h e m a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ( i ) m o n i t o ra n da n a l y s i sp h ，a v a i l a b l eko r g a n i cm a t t e r , a n ds i xh e a v ym e t a l so f t h es o i l p ho ft h es o i li nt h es t u d ya r e ap r e s e n t sa l k a l i n e t h ec o n t e n to fa v a i l a b l ek i nt h e s o i lo fp a n y ir e c l a m a t i o n a r e ai sa b o v et h ef o u r t hl e v e l a v a i l a b l eka n do r g a n i cm a t t e r o ft h es o i ls a m p l e si nx i n z h u a n g z ir e c l a m a t i o n - a r e aa r ea l la b o v et h ef o u r t hl e v e l s o i l s a m p l e so ft h e s et w os t u d ya r e a sh a v eah i g ho v e rs t a n d a r dr a t eo fc a d m i u m ，a n dt h i s r a t ei nx i n z h u a n g - z ir e c l a m a t i o n a r e ai sh i g h e rt h a np a n y ir e c l a m a t i o n a r e a t h eo v e r o t h e rf i v eh e a v ym e t a l sa r ez e r o ( 2 ) m o n i t o ra n da n a l y s i st h ec o a lr e f u s es a m p l e s t h en a t u r eo ft h et w os t u d ya r e a si sd i f f e r e n c e ，t h i se s p e c i a l l yr e f l e c t sa tt h el e v e l o fo r g a n i cm a t t e r , c h r o m i u ma n dc a d m i u m a si tr e f e r e n c et ot h el e v e lo f o r g a n i cm a t t e r , c o a lr e f u s ei np a n y ir e c l a m a t i o n - a r e ai sh i g h e rt h a nt h ec o a lr e f u s ei nx i n z l a u a n g z i r e c l a m a t i o n - a r e a r e g a r d l e s so ft h el e v e lo fc h r o m i u mo rc a d m i u m ，c o a lr e f u s e si n x i n z h u a n g z ia r eh i g h e rt h a nt h ec o a lr e f u s ei np a n y ir e c l a m a t i o n a r e a ( 3 ) h e a v ym e t a le n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n to ft h es o i l si nt h e s et w o r e c l a m a t i o n - a r e a s t h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc o n d i t i o n so ft h es o i li np a n y ir e c l a m a t i o n a r e ai sw i t h i n t h ew a r n i n gl i n e ，a n dt h es o i ll a y e ro f2 0 - 4 0 c mi nx i n z h u a n g z ir e c l a m a t i o n - a r e ah a s t h es a m el e v e l b u tt h es o i l l a y e ro f0 - 2 0 c ma n d2 0 - 4 0 c mi nx i n z h u a n g z i r e c l a m a t i o n - a r e aa t t r i b u t et os l i g h tp o l l u t i o nl e v e l p a n y ir e c l a m a t i o n - a r e ai sb e t t e rt h a n x i n z h u a n g - z ir e c l a m a t i o n - a r e ai nt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc o n d i t i o n so f e a c hs o i ll a y e r ( 4 ) i m p o r t a n to r d e r so fh e a v ym e t a l si ne a c hs o i ll a y e ro ft h es t u d ya r e a t h e i m p o r t a n t o r d e ro f e a c hs o i l l a y e ri np a n y ir e c l a m a t i o n - a r e ai s c d c r n i z n p b c u t h ei m p o r t a n to r d e ro fe a c hs o i l l a y e ri nx i n z h u a n g - z i i i i 艾儆理1 人子，i y l 3 - ：子世w 义 r e c l a m a t i o n - a r e ai sc d c r n i z n c u p b c uh a st h el o w e s ts h a r er a t ei np a n y i r e c l a m a t i o n a r e a , a n dp bh a st h el o w e s ts h a r er a t ei nx i n z h u a n g - z ir e c l a m a t i o n - a r e a t h ek e yp o l l u t a n to ft h e s et w os t u d ya r e a si sc d , a n dt h ef o l l o w e di sc r ( 5 ) r e l e v a n c ea n a l y s i sa m o n g t h es o i lh e a v ym e t a l s i nt h es o i lo fp a n y ir e c l a m a t i o n - a r e a , c u - a v a i l a b l eka sw e l la sc u - c rh a s s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o na t0 o1l e v e l ，c r - a v a i l a b l ek a sw e l la sc r - n ih a ss i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o na t0 0 5l e v e l i nt h es o i lo fx i n z h u a n g z ir e c l a m a t i o n - a r e a , c u - o r g a n i c m a r e r z n - a v a i l a b l ekz n - c u , c r - z n , n i a v a i l a b l ekn i z n ，n i - c r , p b - c u , p b c r , p b - n i ，c d - a v a i l a b l ekc d - z n , c d c r , c d - n ia sw e l l a sc d - p bh a ss i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o na t0 01 l e v e l n i c u ，p b a v a i l a b l ek a sw e l l 邪p b z nh a ss i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o na t0 0 5l e v e l 一 ( 6 ) r e l e v a n c ea n a l y s i sb e t w e e nt h eb o t t o ms o i lh e a v ym e t a la n dt h ec o a lr e f u s e h e a v ym e t a l i np a n y ir e c l a m a t i o n - a r e a , t h er e l e v a n c eo fn ih a sas i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o na t0 0 5 l e v e l ，t h er e l e v a n c eo ft h eo t h e ri n d e x e sa r ei n d i s t i n c t i v e l y , t h er e l a t e dc o e 伍c i e n tl e s s t h a n0 ，t h i sm e a n so n e - w a ym i g r a t eo fn im a ye x i s tb e t w e e nt h eb o t t o ms o i la n dc o a l r e f u s e i nx i n z h u a n g z ir e c l a m a t i o n - a r e a , t h er e l e v a n c eo fo r g a n i cm a t t e rh a sa s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o na to o1l e v e l ，t h er e l a t e dc o e f f i c i e n tl e s st h a n0 ，t h i sm e a n s o n e w a ym i g r a t eo fo r g a n i cm a t t e rm a ye x i s tb e t w e e n t h eb o t t o ms o i la n dc o a lr e f u s e ， t h er e l a t e dc o e f f i c i e n t so ft h eo t h e ri n d e x e sa r es m a l l ，a n dt h er e l e v a n c ea r en o t s i g n i f i c a n tt o o ( 7 ) h o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o na n dv e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l si nt h es o i lo f s t u d ya r e a s t h es o i lo f0 - 2 0 c mi np a n y ir e c l a m a t i o n - a r e am a yb ep o l l u t e db yt h ec o a lg a n g u e p i l e v e r t i c a ld i s t r i b u t i o n so fc ra n dc di nt h es o i lo fs t u d ya r e a sa r eu n o b v i o u s e x p e c t t h ee f f e c to ft e r r a i n ， s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dh u m a na c t i v i t y , p l a n ts p e c i e s d i v e r s i t ya n dr e c l a i mp e r i o da l ea l s oe f f e c tt h ed i s t r i b u t i o n f i g u r e 4 4 】t a b l e 【2 9 】r e f e r e n c e 【9 4 】 k e yw o r d s ：h u a i n a nm i m n ga r e a , e n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o n , h e a v ym e t a l ， d i s t r i b u t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，e v a l u a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 5 3 i v 插图清单 插图清单 图l 本研究的技术路线8 图2 潘一矿复垦区采样点布置图1 0 图3 新庄孜矿复垦区采样点布置图1 l 图4 现场调查1 2 图5 样品的采集1 2 图6 土壤样品的自然风干1 2 图7 煤矸石样品的自然风干1 2 图8 样品中有机质的检测1 2 图9 样品中重金属的检测1 2 图1 0 潘一矿复垦区土壤中速效钾的含量一1 5 图1 1 潘一矿复垦区土壤中有机质的含量一1 6 图1 2 潘一矿复垦区土壤中铜元素的含量一1 7 图1 3 潘一矿复垦区土壤中锌元素的含量一1 8 图1 4 潘一矿复垦区土壤中铬元素的含量1 9 图1 5 潘一矿复垦区土壤中镍元素的含量2 0 图1 6 潘一矿复垦区土壤中铅元素的含量2 1 图1 7 潘一矿复垦区土壤中镉元素的含量2 2 图1 8 新庄孜矿复垦区土壤中速效钾的含量一2 3 图1 9 新庄孜矿复垦区土壤中有机质的含量一2 4 图2 0 新庄孜矿复垦区土壤中铜元素的含量一2 5 图2 1 新庄孜矿复垦区土壤中锌元素的含量一2 6 图2 2 新庄孜矿复垦区土壤中铬元素的含量一2 7 图2 3 新庄孜矿复垦区土壤中镍元素的含量一2 8 图2 4 新庄孜复垦区土壤中铅元素的含量一2 9 图2 5 新庄孜矿复垦区土壤中镉元素的含量一3 0 图2 6 研究区域覆土底层土壤与煤矸石中各个指标的相关系数对比4 2 图2 7 潘一矿复垦区o - 2 0 c m 土壤铬的水平分布4 5 图2 8 潘一矿复垦区2 0 4 0 c m 土壤铬的水平分布一4 5 图2 9 潘一矿复垦区4 0 6 0 c m 土壤铬的水平分布一4 5 图3 0 潘一矿复垦区o - 2 0 c m 土壤镉的水平分布4 5 i x 文镦埋上人子坝丁：孑仳诳义 图3 1 潘一矿复垦区2 0 - 4 0 c m 土壤镉的水平分布4 6 图3 2 潘一矿复垦区4 0 6 0 c m 土壤镉的水平分布4 6 图3 3 新庄孜复垦区o - 2 0 c m 土壤铬的水平分布4 6 图3 4 新庄孜复垦区2 0 - 4 0 c m 土壤铬的水平分布4 6 图3 5 新庄孜复垦区4 0 6 0 c m 土壤铬的水平分布4 7 图3 6 新庄孜复垦区o - 2 0 c m 土壤镉的水平分布4 7 图3 7 新庄孜复垦区2 0 - 4 0 c m 土壤镉的水平分布4 7 图3 8 新庄孜复垦区4 0 6 0 c m 土壤镉的水平分布4 7 图3 9 潘一矿复垦区土壤中铬含量的纵向变化图一4 8 图4 0 潘一矿复垦区土壤中镉含量的纵向变化图4 9 图4 l 新庄孜矿复垦区1 1 剖面上土壤中铬含量的纵向变化图5 0 图4 2 新庄孜矿复垦区2 2 剖面上土壤中铬含量的纵向变化图5 l 图4 3 新庄孜矿复垦区1 1 剖面上土壤中镉含量的纵向变化图5 l 图4 4 新庄孜矿复垦区2 2 剖面上土壤中镉含量的纵向变化图5 2 x 附表清单 附表清单 表1 分析测试项目及其方法1 3 表2 实验所涉及的主要仪器设备1 4 表3 潘一矿复垦区土壤中速效钾含量的统计分析1 6 表4 潘一矿复垦区土壤中有机质含量的统计分析1 7 表5 潘一矿复垦区土壤中铜元素含量的统计分析1 8 表6 潘一矿复垦区土壤中的锌元素含量的统计分析1 9 表7 潘一矿复垦区土壤中铬元素含量的统计分析2 0 表8 潘一矿复垦区土壤中镍元素含量的统计分析2 l 表9 潘一矿复垦区土壤中铅含量的统计分析2 1 表1 0 潘一矿复垦区土壤中镉元素含量的统计分析一2 2 表1 1 新庄孜矿复垦区土壤中速效钾含量的统计分析一2 3 表1 2 新庄孜矿复垦区土壤中有机质含量的统计分析一2 4 表1 3 新庄孜矿复垦区土壤中的铜元素含量的统计分析一2 5 表1 4 新庄孜矿复垦区土壤中的锌元素含量的统计分析一2 6 表1 5 新庄孜矿复垦区土壤中的铬元素含量的统计分析一2 7 表1 6 新庄孜矿复垦区土壤中的镍元素含量的统计分析2 8 表1 7 新庄孜矿复垦区土壤中铅元素含量的统计分析一2 9 表1 8 新庄孜矿复垦区土壤中镉元素含量的统计分析一3 0 表1 9 潘一复垦区煤矸石检测结果的统计分析一3 l 表2 0 新庄孜复垦区煤矸石检测结果的统计分析。3 2 表2 l 研究区域土壤中重金属平均含量与背景值的对比( 单位：m g k g ) 3 4 表2 2 潘一矿复垦区土壤中重金属相对背景值的变化度。3 5 表2 3 新庄孜矿复垦区土壤中重金属相对背景值的变化度3 5 表2 4 研究区域土壤中重金属单项污染指数与内梅罗指数3 7 表2 5 土壤中重金属污染物的分担率3 8 表2 6 潘一矿复垦区土壤中重速效钾、有机质与重金属元素的相关性分析4 0 表2 7 新庄孜矿复垦区土壤中重速效钾、有机质与重金属元素的相关性分析4 l 表2 8 潘矿复垦区覆土底层土壤与煤矸石的相关性分析统计分析4 1 表2 9 新庄孜矿复垦区覆土底层土壤与煤矸石的相关性分析统计分析4 2 x i l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 良好的生态环境和充足的自然资源是经济增长的基础条件和根本保障。自然 资源是生态环境的构成要素之一，同时自然资源也是人类生存以及社会文明发展 必须的物质基础。矿产资源开发促进了社会的繁荣和进步，但同时也带来了环境 的破坏，在资源开发过程中给生态环境带来的负面影响越来越受到人们的关注。 矿产开采对林业及生态建设的负面影响巨大，随着开采规模的不断上升，森 林植被破坏和生态环境的破坏夜在不断加剧。大量来自矿产采空区的调查和报道 令人震惊。矿产资源的开发利用，尤其是不合理的开发利用资源，会引发地表沉 陷、地下水位下降、植被破坏、水土流失以及土地沙化等等环境生态问题。这些 问题严重影响到了国家的土地生态环境安全，同时也直接威胁到矿区人民群众正 常的生产和生活i l 司。露天开采会直接破坏地表的土层以及植被，消耗了大量森林 资源，同时也使生物多样性受到破坏；矿山开采过程中的废弃物堆置会占用过量 的土地，同时会对堆置场原有生态系统造成的影响；矿石及其废渣等固体废物中 含有的重金属、毒性、酸性、碱性、或者放射性成分，在经过地表水体径流或者 大气飘尘等过程后，将会对周围的土地、水域和大气造成污染，其造成的影响远 远将比废弃物堆置场所占用的地域和空间造成的影响严重i 】。 随着世界人口的增加，土地资源显得日趋紧张，人们迫切需求提高单位面积 的土地利用率。但矿产资源的大规模开采导致许多生态危机和隐患。矿产资源开 发造成的地表塌陷，不仅降低了土地的利用率，同时也造成了一系列的环境问题。 在粉尘、废水及矿山尾矿等的影响下，矿区土壤受到了不同程度的污染，使矿区 的生态系统平衡遭到破坏。超设计能力的开采和生态环境恢复措施的相对滞后造 成了矿区生态环境破坏不断加剧以及矿区地表塌陷。在中华人民共和国土地管 理法中有明确规定，用地单位和个人应当应当按照国家有关规定对由于挖损、 塌陷、压占等行为造成的土地破坏进行复垦。土壤是人类生存环境的重要组成部 分，土壤通过食物链来影响人类的活动。土壤环境的破坏必然也会对人类的生存 环境造成影响。由此可见，矿区土壤环境的改善势在必行，这不仅是从社会经济 角度考虑，同时也是人类改善自身生存环境和实现可持续发展的必然要求。 植物修复技术是土壤环境污染治理的重要手段之一。植物修复技术主要是通 过的挥发、降解、吸收等形式来降低土壤环境中污染物质的含量和危害性，从而 交假埋上大竽坝士孚位他又 达到治理污染的目的。植物修复在采矿塌陷区的生态修复中具有重要的作用。为 了因地制宜采取合理的植物种类进行修复，使复垦区的土壤发挥正常的生态功能， 就需要深入地研究各种污染物质的土壤环境化学行为，并要了解复垦区土壤的环 境质量现状，适时地进行土壤环境质量评价以及污染物的生态风险评价，从而为 采矿塌陷区的治理与修复奠定基础，使复垦区得到更大限度的利用，实现其社会 经济价值和环境生态价值。 淮南市的塌陷区众多，并且其复垦的主要方式以使用煤矸石进行充填，复垦 后土壤的结构和环境与原来相比发生了变化，如果复垦后的土地用于耕种，就有 必要对复垦后土壤的理化性质及污染状况等进行监测，以便掌握土壤的营养状况 以及污染程度，并采取适当措施，保证耕种的安全和正常运营。 1 2 国内外研究现状 采矿塌陷区土地复垦的模式因地制宜，要根据复垦的对象、复垦的用途以及 复垦的技术条件来选择。孔令国对塌陷区土地的综合利用进行了分类，共十二种 类型，然后根据具体的类型来采取合理的治理措施【8 】。采矿塌陷区土地复垦的对象 可以是为地下采矿场、采空区、尾矿场和废石场等等。复垦的用途可以是用于农 业、林业、渔业、畜牧业、工业或者自然保护等等【9 】。目前，土地复垦的方式主要 有：塌陷区充填复垦法、疏排法复垦法、挖深垫浅复垦法、平整和修建梯田复垦 法、生物复垦法和生态复垦法等等【l o 1 1 】。不同的复垦方式对复垦后土壤的理化性 质的影响很大【1 2 1 3 1 。其中淮南市塌陷区土地复垦的主要方式是充填复垦法【l o 1 1 ，1 4 ， 1 5 】。不论从经济角度还是从环境安全角度讲，塌陷区土地复垦模式的选择都很重要， 通过选择合理的复垦模式既可以做到经济的可行，也可以减降低复垦带来的的生 态环境安全风险【1 6 】。 采矿塌陷区充填复垦法中，充填的材料可以采用煤矸石【1 5 ，1 7 也5 1 、粉煤灰阮 2 3 1 、市政垃圾m3 5 1 、化工垃圾3 4 1 以及湖泥 3 6 - 3 8 1 等。煤矿塌陷区先用煤矸石或者 粉煤灰进行充填，经过覆土之后进行复垦，这是塌陷区复垦的一种方式。煤矸石 是煤矿开采过程中和在洗煤的过程中产生的的固体废物，它是煤的伴生废石，由 于其发热值低，所以其不能像煤那样去利用。煤矸石如果随意弃置，既会占用大 量的土地，同时也会污染环境。煤矸石或者粉煤灰在经过风化或淋溶之后，会对 堆放区周边的土壤造成重金属的累积性污染 3 9 4 2 。但淮南的大部分塌陷区中都积 满了水，这样在利用煤矸石进行充填后，煤矸石中污染物质就可能进入水体和土 壤1 14 1 5 , 4 3 , 删。有研究者通过浸泡试验和淋溶试验，煤矸石中元素的析出与温度和 1 绪论 p h 值的关系密切，温度和p h 值越高，元素的溶出浓度则会越大m 】。但土壤中重 金属的危害并不与该种重金属元素的含量有正比的关系，还要看该种重金属在土 壤中存在的形态，重金属不同的形态会影响该种重金属在土壤中的活性以及生物 利用度等 4 6 1 。土壤中的腐植酸对土壤性能、土壤元素生物有效性以及土壤中的金 属均有影响，所以复垦区土壤中的腐植酸可以作为复垦区土壤性能的一项指标。 n a d j az i e r t 3 5 j 使用气质联用对煤矿复垦初期的土壤中的腐殖质进行了检测研究，并 指出腐殖酸和富里酸应该在土壤复垦时期进行全面的检测分析。自建峰1 4 7 对淮南 矿区煤矸石中的有害重金属元素的迁移性进行了研究，其研究结果认为镍、铅、 锌和铜有较强的可迁移性以及生物的可利用性。李洪伟m l 运用b c r 三步逐级提取 法对矿区土壤的研究结果同样认为镍、锌、钴、铜和铅的迁移性较强。崔龙鹏【1 5 ，4 s 的研究表明，淮南矿区煤矸石中的镉、铬、铅、铜和汞均高于其周围土壤中相应 元素的含量。蔡峰【1 4 l 的研究表明，淮南矿区煤矸石中的砷、镉、镍、铜和汞的含 量要高出土壤背景值许多。而淮南矿区的土壤中已经存在重金属的污染1 4 0 , 4 9 , 5 0 l ， 这就更加提高了淮南矿区土壤重金属污染的风险性。 土壤中重金属的污染的隐蔽性和长期性 4 0 1 使得采矿塌陷区复垦土地的安全性 评价尤为重要。通过复垦行为可以使土壤的综合性质变得均一m l 。为了控制煤矸 石复垦后造成的污染，张辉1 2 4 1 对采矿塌陷区煤矸石复垦的污染控制进行了试验研 究，指出使用改性土壤和煤矸石进行分层填充，然后覆上原表土，这样就可以避 免煤矸石溶出物对复垦区种植的植物以及地下水的影响。高祥伟1 2 7 1 利用可拓理论 对粉煤灰改良复垦土壤的重金属污染的进行了环境质量评价研究，指出在使用百 分之一的粉煤灰加上有机肥处理后，粉煤灰就不会对改良土壤造成重金属的污染。 胡振琪1 3 2 】通过淋溶实验以及瓮栽实验对塌陷地使用粉煤灰充填的复垦土壤的污染 性进行了分析，其认为虽然在该种复垦的土壤中存在某些重金属的污染，但是某 些作物仍然可以种植在该种复垦土壤中。李海霞【3 4 j 对淮南某矿区土壤中的重金属 进行了环境污染风险评价，指出了矿区各个分区的重金属污染风险和危害。王莹1 5 2 j 运用h a k a n s o n 生态风险指数法对徐州矿区充填复垦土壤中七种重金属元素的潜在 生态风险进行了评价，表明使用粉煤灰或者煤矸石进行充填复垦的土壤均有潜在 生态风险。史永红【3 l j 对淮南市粉煤灰的环境影响进行了评价，指出煤矸石和粉煤 灰中的部分重金属的存在累积污染和生态风险。杨秀红等1 2 9 利用潜在生态风险指 数法对粉煤灰充填的复垦土地进行了评价，其结果表明粉煤灰充填复垦土壤中多 金属生态风险值较高，耕作层的土壤受到重金属污染的程度会随着时间的推移而 出现加重现象。植物修复在采矿塌陷区的生态修复中具有重要的作用，vr a g h u f 5 3 】 文儇理上灭予坝工竽性睨义 对矿区不同植物进行采样分析，找出了几种对矿区土壤环境修复有益的植物。 在对塌陷区复垦后土壤性质的研究方面，郭友红唧】采用田间模拟试验对进行 了采矿塌陷地使用煤矸石充填复垦的覆土厚度进行了研究，他认为条件下，采矿 塌陷地使用煤矸石充填复垦的覆土厚度在七十厘米左右时比较经济合理。使用 e m 3 8 测量的表观电导率可以用来预测采矿塌陷复垦区的覆土层厚度【5 5 】。刘会平【5 6 】 的研究结果同样显示：覆土厚度在七十厘米和九十厘米复垦区的生产力要接近于 对照土壤，而覆土厚度在四十厘米和六十厘米复垦区的生产力则较差，对作物的 生长不利。在土壤复垦潜力评价的研究方面，何书金1 5 7 】等人进行过详细阐述，并 在河南焦店乡矿区废弃土地进行了应用。 董霁红【4 3 j 通过研究用煤矸石或者粉煤灰充填后的土壤与对照土壤的比较认 为，充填后的土壤在有机质、速效钾和全氮等理化性质方面都有所减少，为了使 复垦土壤能够满足植物的正常的生长需求，就需要施肥。复垦区土壤如果不能满 足生产或者植物生长所需要的条件，就需要对土壤进行改良。根据具体的土壤条 件和用途，可以选用石灰、磷矿粉、粉煤灰、生物土壤改良技术、化学调节剂以 及其他肥料等等【l l 5 s - 6 0 。此外，煤基混合物以及风化煤【删等物质也有改良土壤 理化性质，促进植物生长的作用；向塌陷区复垦的土壤中施用有机肥( 比如粪便、 垃圾堆肥以及污泥等等) 对土壤中有机质的积累有利【6 3 j 。如果塌陷区充填复垦后 的场地作为农用地进行使用，就要考虑其生态安全性。董霁红晔】经过研究认为对 于所研究的七种重金属，矸石与粉煤灰中的含量与所研究农作物根系中的重金属 含量相关性并不好。王辉【6 5 j 对徐州柳新的采矿塌陷区充填复垦土壤的特性进行了 研究，其结果土壤的p h 值以及全氮会受到复垦的影响。王煜琴l 6 6 j 对煤矿区复垦区 土壤的压实状况的时空变异特征进行了研究，正在复垦的煤矿复垦区土壤的表层 压实度最大而空间变异最小，复垦年限大的则与之相反。不同的复垦工艺对土壤 的压实度的空间发布也有影响，从地表向下，未复垦土地的土壤压实度有增加的 趋势，泥浆泵复垦土地的土壤压实度则表现出非线性递减的规律，而使用铲运机 进行复垦的土地的压实度则没有明显的差异7 1 。牟守副铝l 对采煤塌陷区充填方式 进行复垦的土壤进行了土壤呼吸的研究，其研究结果表明使用煤矸石进行塌陷区 充填复垦的土壤的生物活性要高于使用粉煤灰的土壤。韩学山【6 9 j 对某采矿塌陷复 垦区的土壤呼吸进行的研究表明：对于的土壤同均呼吸排放量，使用粉煤灰进行 塌陷区充填复垦土地的土壤要大于使用煤矸石进行塌陷区充填复垦土地的土壤； 对于大气变暖的影响，经过充填复垦后的土地要小于正常的土地，使用粉煤灰进 行塌陷区充填复垦土地要小于使用煤矸石进行塌陷区充填复垦土地。王辉l _ 7 0 l 对塌 1 绪论 陷区充填复垦土壤的水分竖直运动进行了模拟研究，其研究结果表明使用煤矸石 对塌陷区进行充填不会使覆土层的水分大量的渗漏；由于煤矸石和粉煤灰的颗粒 级配与土壤之间的存在着差异，这就致使使用煤矸石或粉煤灰充填复垦的土壤的 水分动态与正常土壤不同。 在采矿塌陷区土地复垦组织和管理的模式方面，孙宇博【7 1 1 对矿区的土地复垦 产业化的组织模式进行了研究，并探讨了它的可行性和运行职能。王巧妮7 2 ，7 3 1 从 采煤塌陷区复垦的机制、原则和目标三个方面，系统地对我国采煤塌陷区复垦的 运作机理进行了阐述和分析研究，并建立了一个塌陷地的复垦模式综合效益的评 价指标体系。胡振琪【_ 7 4 】提出参与型土地复垦的概念，他指出针对土地复垦过程中 出现的各种问题，有必要在土地复垦过程中引入社区和公众的参与，调动社会各 方群体的的积极性，积极参与到土地复垦中来，从而减少土地复垦过程中出现的 弊端，有利于土地复垦的顺利进行。在采矿塌陷区的土地经过复垦后，土壤会受 到不同程度的扰动，其土壤类型就不能再划分成原先的类型，基于此，王辉【6 5 】在 经过对采矿塌陷区充填复垦土壤的特性进行研究后，建议对中国土壤系统分类 ( 修订方案) 修改中的部分定义进行修改。在塌陷区土地复垦过程中，融资是一 个重要的环节。良性的投融资机制可以中可以解决投资主体的单一以及融资渠道 不多的问题，减少塌陷区土地复垦过程中的问题。完善的采矿塌陷区复垦投资机 制可以使采矿塌陷区的复垦工作进行得更加顺利，汪红【7 5 l 对我国采煤塌陷地的复 垦投资机制进行了系统的总结和阐述，在此基础上提出了完善采矿塌陷区复垦投 资机制的对策。唐山市将b o t 融资模式应用到塌陷区土地复垦的过程中，克服了 传统融资模式在塌陷区土地复垦的应用过程中的弊端，有助于塌陷区土地复垦事 业的持续发展【7 6 】。不同的地质条件以及气候条件同样影响复垦模式的选择和应用， 王金满【7 。7 1 在对干旱戈壁荒漠矿区气候和地质条件充分认识的基础上，形成了一种 适合该种条件下被破坏土地的生态化复垦模式，为特殊气候条件下土地的生态化 复垦提供了范例。此外，丘陵地区【7 8 】以及平原高潜水位例的采矿塌陷区的土地复 垦也有研究。 计算机技术在土地复垦中的应用越来越广泛。包妮沙【8 0 】对g i s 技术在矿区土 地复垦中的应用作了详细阐述。陈娟浓【8 l 】对g i s 技术在采矿塌陷区的综合管理中 的应用进行了阐述，运用g i s 技术平台，可以方便地对采矿塌陷区的地质、土壤 以及复垦等信息进行分析和管理。申广荣 s 2 l 、胡晋山【硎等人均有运用g i s 技术成 功建立了矿区土地复垦信息系统的成果，并且其运行良好。此外g i s 技术还在土 壤重金属污染信息的管理【洲、矿区土地复垦的适宜性评价删以及矿区土地复垦的 文儆埋- l 灭竽职工字化佑义 决策支持系统的设计和开发1 8 6 , 8 7 1 等方面有应用。 塌陷区土地复垦技术发展过程中的诸多问题已经得到解决，但在复垦中仍存 在诸多困难需要克服，比如重金属等污染物质的迁移控制等等，而我国由于塌陷 区土地复垦起步相对较晚，相关法律法规的完善以及公众的参与等等问题均有待 完善锚- 9 0 1 。塌陷区土地复垦技术的研究方向将朝着更好地平衡社会经济利益和生 态环境利益方向发展，塌陷区土地复垦的生态化、产业化以及国际化将是未来的 主要趋势。随着无覆土复垦技术以及生态修复技术的不断创新和发展，塌陷区土 地复垦技术也将不断地成熟和完善。 1 3 研究目的和研究意义 ( 1 ) 初步了解两个复垦区土壤中p h 值、速效钾以及有机质的含量水平，为 复垦区土壤状况的调查、复垦区植物的适宜性研究以及复垦区植物的优化选择提 供了数据支持。 ( 2 ) 初步了解两个复垦区土壤中六种重金属( 铜、镉、铬、铅、锌以及镍) 的污染水平，为复垦区土壤重金属污染状况的调查、复垦区植物对土壤重金属的 修复研究以及复垦区植物的优化选择提供了数据支持。 ( 3 ) 对