煤矸石充填复垦土壤中典型重金属的迁移扩散过程与机制

Heavy metal contamination in soil is extremely harmful to human health, which has become a cause of serious concern in China. Coal gangue has been widely used as filling material in reclamation of mining depressions. However, the high content of heavy metals in coal gangue may affect the soil application safely. This project intended to use heavy metals in coal gangue that have the potential to migrate to soil and crops as the object, using soil column experiments combining with field observation, employing modern instrumental analysis methods such as inductively coupled plasma mass spectrometry, X-ray diffraction, scanning electron microscope and other analytical methods, aimed to investigate the potential release of heavy metal in different chemical speciation from coal gangue under the condition of different pH values, to illustrate the accumulation law and influence factors of heavy metals in crop, and finally to reveal the action mechanism and interface transfer process of heavy metals in the “gangue - soil-crop” system. The results of this study may clarify the potential risks of heavy metals in coal gangue to soil and crops, and provide theoretical basis and technical support for the safety and scientific utilization of coal gangue in backfilling and reclamation.

煤矸石作为填充材料在采煤塌陷地复垦中已得到广泛应用，但煤矸石中含量较高的重金属带来了潜在的土壤污染风险。本项目以煤矸石中重金属为研究对象，通过土柱模拟实验和实地观测，采用ICP-MS、XRD-SEM等分析测试手段，研究“煤矸石-土壤-作物”体系中的重金属迁移扩散过程与机制。重点研究：（1）不同pH值煤矸石中重金属的赋存形态，以及充填复垦后重金属从煤矸石到土壤的扩散过程与通量；（2）探讨重金属在作物中的累积规律与影响因素；（3）揭示重金属在“煤矸石-土壤-作物”体系中的界面传质过程和作用机制。预期研究结果可明确煤矸石中重金属对复垦土壤与作物的潜在风险，为煤矸石在充填复垦中的安全科学利用提供理论依据与技术支持。

煤矸石中Hg、As、 Pb、 Cd 、Zn五种典型重金属在静态浸泡与动态淋滤过程中，呈现不同的溶出特征，对水环境有较大潜在污染风险。其中，Hg对水环境污染风险极高，应重点关注；其次是As和Pb，尤其对地下水的污染风险较大；再次是Cd，其污染风险较低，但应注意持续浸出的风险；而Zn和Cu，则不具备污染风险。通过地下水溶出，煤矸石中重金属进一步被土壤吸附滞留。Hg、As、Pb易被土壤吸附且毒性较大，Cd穿透土壤能力强且毒性大。应重点关注Hg、As、Pb、Cd对表层土壤、Cd对深层土壤的潜在威胁。煤矸石浸出液对小麦种子发芽和幼苗早期生长有显著抑制作用，其中Hg、As、Pb、Cd和过高的pH值发挥了主要抑制作用。 “煤矸石-土壤-小麦”体系中，土壤和小麦体内Zn、Pb、Cu的含量较大，As、Hg、Cd的含量较小，其中小麦对Hg和Cd的吸收固存效率最高。小麦根部重金属含量始终高于其茎叶部含量，当煤矸石充填量占比为20%和40%时，重金属在小麦体内自根部向茎叶部的转移能力较强，其中Cd和Pb转移能力最强。此外，由于根系分泌物的作用，小麦种植会促进煤矸石中重金属的释放，促进率因重金属种类而有差异，在小麦长势良好情况下，Pb和Hg释放促进率最大。综上研究结果，煤矸石在地上堆放和利用中，Hg、As、Pb、Cd对生态环境威胁较大，应将堆存条件尽量控制在pH为5.6的大粒径块状，可降低重金属的释放。Hg、Cd、Pb在“煤矸石-土壤-小麦”体系内的潜在威胁较大，应采取相应阻控措施。研究结果为探索煤矸石充填复垦新技术，保证复垦地生态环境安全提供依据。