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煤石长期堆积对土壤和玉米重金属污染的影响 1 煤石环境重金属污染研究 焦作矿区历史悠久。矿区周围有10多座碎石山脉。初步估计，总石头约500万吨，其中石膏约400万吨。长期以来,国内外学者对煤矸石自然风化、新旧矸石中有害物质含量的差别并通过多种实验方法对煤矸石理化性质、污染类型等做了大量深入的研究。有些学者还认为公路运营会造成路侧土壤和作物的重金属污染,对公路两侧重金属污染的研究也有报道;但是对于煤矸石中重金属对周围农田和农作物的影响研究涉及较少,因此本文选定煤矸石堆周围农田和玉米作物重金属污染进行研究。 2 煤石堆区石堆 焦作市位于河南省西北部,介于东经112°32′至113°38′和北纬34°48′至35°30′之间。南部为黄河、沁河冲洪积平原,北部为太行山区,属温带区大陆性季风气候,年均气温14℃,年均降雨量在603mm～713mm之间,蒸发量为2039mm。全区地形西北高、东南低,地下水主流向大约为SE/40°。 研究区位于焦作市马村区以东约3km处的演马矿,此处地貌类型属太行山南麓山前冲积洪积扇群的边缘地带,开采出的大量煤矸石主要采取就地堆放的方式,矸石堆周围均为农田,主要农作物为冬小麦和夏玉米。本次以演马矿矸石山周围农田土壤和玉米作物为对象,研究当地土壤和玉米受污染状况及其二者之间的关系。 3 玉米样品的采集和消解过程 采用放射状布点法,在演马矿矸石堆周围布设3条采样线见表1,其中L1在矸石堆地下水下游方向和下风向。土壤样品按梅花型法采集0～2cm表层土壤,每个采样点采集约1kg样品;作物选取收获前10d的玉米地上部分,样品采集后均密封采样袋中保存待测。 土壤样品除去杂物后,低温烘干过0.25mm筛子,采用HCl-HNO3-HF-HClO3全分解法消解。玉米样品用去离子水快速冲洗3遍,在80℃～90℃杀青30min后,80℃烘箱中烘干,磨碎至250μm,取适量样品用HNO3-HClO4湿法消解品。最后采用火焰原子吸收光谱仪测定重金属含量。检测项目包括Pb、Cr、Cu和Zn,同时进行平行样品和空白样检测。 4 研究区域内重金属污染的研究 4.1 北部农田分布 本次背景值监测点位于演马矿煤矸石山北部约2000m处的农田,方向是北偏西8°。从背景值可以看出见表2,背景农田土壤和当地玉米中Zn含量较高。 4.2 采样线重金属超标率 研究区土壤金属含量见表3,演马矿土壤重金属含量等值线见图1。 从图1可以看出矸石堆周围农田土壤中的Pb、Cr、Cu、Zn全部检出,且重金属含量随着距离矸石堆距离增加而呈现出明显的减小趋势。重金属在3条监测线上的含量均表现出L2(西南)方向最大,原因可能在于该线为矿坑废水的排放区,且也是地形的下坡,形成了Pb、Cr、Cu、Zn等元素的富集区域;L1(东南)线是研究区的下风向和地下水的下游方向,该方向重金属浓度也相对较高;L3(西北)线因处在矸石堆上风向和地下水上游,受重金属的影响较小。 通过表2和表3,可以看出3条采样线4种重金属的平均含量均超过当地土壤背景值的平均值。结合我国《食用农产品产地环境质量标准》,L1,L2线Zn超出标准中≤250mg/kg的标准,超标率分别为37.5%和87.5%。L2线Pb含量也超出标准中不大于80mg/kg的标准,超标率高达62.5%。3条监测线重金属超标率由高到低顺序为:L2L1L3。可见,煤矸石中大量的有毒有害物质已经对当地土壤造成一定的影响,该区已存在重金属累积的趋势,且西南方向污染最为严重。 4.3 玉米中重金属含量规律和研究方法 根据玉米叶、茎、籽中Pb含量变化规律图见图2,可以看出玉米茎、叶、籽中Pb含量和其在土壤中规律均表现出L2L1L3,说明作物生长在重金属污染的土壤,重金属会在作物体内发生累积,作物中重金属含量随着土壤中重金属含量的增高而增加;同一采样点Pb在玉米叶、茎、籽中累积程度不同,由高到低的顺序为叶茎籽实,见表4和图2。Cu、Cr、Zn在玉米中含量规律和Pb总体表现趋势基本相同,不再一一画图。从表4我们可以知道Pb和Zn在籽实中的含量均高于背景农田中玉米的检测值(见表2),且超过了国家粮食标准,已经造成污染,这和土壤监测值相吻合。 5 农田土壤和玉米作物中重金属含量的分布 通过对焦作矿区演马矿煤矸石堆周围农田和作物调查,发现农田土壤和玉米作物中重金属含量有很好的一致性,玉米对土壤中重金属起到富集作用。研究得出下列结论。 (1)矸石中大量的有毒有害物质已经对当地农田土壤和农作物造成了一定污染,作物重金属污染势必会对当地的生产生活和经济带来一定的影响; (2)农田土壤和玉米作物中重金属含量在西南监测线最高,东南监测线次之,监测线含量最低,即L2L1L3; (3)Pb、Cr、Cu在玉米作物含量由高到低的顺序为叶茎籽实。Zn在玉米中表现为籽实中