煤矿区矸石-土壤-作物系统中重金属生物有效性研究

煤炭开采产生的煤矸石因量多、占地面积大、污染范围广及可利用性低成为广受关注的环境问题。我国的煤主产区同时也是粮食主产区，煤矸石堆放引起的土壤重金属污染直接影响到粮食质量，因此有必要对重金属在煤矸石-土壤-作物系统中的迁移转化进行深入研究。.本项目以煤矿区矸石山、周围土壤和作物（小麦、玉米）为研究对象，以现场采样与室内分析为手段，通过X衍射、扫描电镜分析，研究不同层位、不同风化程度和不同粒级煤矸石的矿物组成，土壤的矿物组成和重金属的矿物赋存特征；采用优化的萃取方法分析土壤重金属的总量和化学形态；分析土壤结构、pH、有机质、粘粒、微生物、酶等对重金属形态的影响，查明影响重金属形态的主控因素；研究小麦、玉米不同生长期，重金属在根际土壤、根、茎、叶、籽粒中的分布规律，揭示重金属形态与生物有效性的关系，建立重金属生物有效性评价预测模型，为土壤和作物污染控制提供理论支持。

考虑煤矿开采历史、矸石山植被、周围作物种植等因素，在焦作中马村矿、郑州米村矿、焦作赵固一矿采集矸石样品17个。矿物和元素分析结果表明，矸石的主要矿物成分为石英、水滑石、伊利石等，硅、铝氧化物的百分含量相对较高。矸石中Cr、Ni、Cu、As、Cd和Pb的含量均高于河南省土壤背景值。矸石风化程度不同、粒级不同，重金属含量和形态呈现不同的结果。. 在中马村矿矸石山周围农田采集32个土样，采用改进的BCR法分析重金属含量。Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Cd总量为分别为： 81.43、、48.58、33.59、29.31、24.3、18.02、0.48mg•kg-1。Cd以可交换态（36.54%）、残渣态（34.58%）为主要赋存形态，其余重金属均以残渣态为主。总体上，矸石山土壤重金属含量与距矸石山的距离成反比。土壤有机质含量对重金属形态有明显影响。有机质与Cd生物可利用性形态含量呈现不显著的正相关，与As可还原态、氧化态均呈现极显著正相关；有机质含量增加抑制Cu、Cr的生物有效性。中马村矿土壤重金属存在累积现象，污染处于中度至轻度。.武陟大田土壤重金属主要以残渣态形式存在，Cd的生物有效性最大，其次是Pb和Co。风险评价结果表明，单项与综合潜在生态风险均处于轻微等级。.中马村矿区小麦不同生长时期对Cd、Cu和Zn的富集能力远大于对As、Pb和Co的富集能力。成熟小麦籽粒有6个样品Pb含量超出标准，超标率19.36%，为限量的1.08-2.41倍；10个样品Cd单因子污染指数超过0.7，占比32.26%。玉米籽粒中20个样品Pb含量超出标准，超标率达64.42%，为限量的1.07-7.40倍，26个样品Cd单因子污染指数超过0.7，占比83.87%。玉米籽粒更易富集Pb、Ni和Cr，小麦更易富集Cu和Zn。.武陟县农田作物籽粒重金属单因子污染指数均小于1；玉米和水稻中Ni超标的样品比率分别为6.67%和51.85%，水稻中Cr超标的样品比率为12%。重金属的平均综合污染指数为0.59，整体上处于安全等级。.大田玉米的Ni含量高于矿区农田，但在限量范围内；矿区农田玉米籽粒的Pb 、Cr 、Cd的含量明显高于大田玉米，表明矿区土壤污染已对作物品质造成较大影响。