范廷玉,嚴家平,王 順,阮淑嫻,谷得明,程方奎,陸春輝,劉 錦,陳 威

(1．安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽淮南 232001;2．淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司,安徽淮南 232001;3．煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室,安徽淮南 232001)

采煤沉陷水域底泥及周邊土壤性質差異分析及其環(huán)境意義

范廷玉1,嚴家平1,王 順1,阮淑嫻1,谷得明1,程方奎1,陸春輝2,3,劉 錦2,3,陳 威1

(1．安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽淮南 232001;2．淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司,安徽淮南 232001;3．煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室,安徽淮南 232001)

為查明沉陷水域底泥及周邊土壤對沉陷水域特征污染指標的潛在影響,確定采煤沉陷水域的主導污染源,以淮北臨渙采煤沉陷水域為研究對象,對沉陷水域底泥及周邊土壤進行了樣點布設與樣品采集,測試了不同層位底泥及土壤的氮、磷、有機質等指標。由測試結果可以得出：采煤沉陷水域底泥中的pH,Eh、有機質等指標均低于土壤,其中有機質減少了80%～95%,氮、總磷、有效磷、總碳含量高于周邊土壤,分別平均增加了約20%,5．35%,8．37%,93．24%,說明采煤沉陷水域在積水的25 a間,原有肥沃的表層土壤中的有機質逐漸分解,采煤沉陷不僅導致了耕地面積的減少,而且導致了土壤中有機質的損失;水體與底泥間總碳、氮、磷等物質的交換趨勢為水體向底泥中富集,同時間接地說明了在沒有集中污染源排放的情況下,采煤沉陷水域暫時沒有內源釋放污染物的風險,控制外源輸入是保護沉陷區(qū)水環(huán)境的主要措施。

采煤;沉陷水域;底泥;土壤性質;差異分析

目前,煤炭在我國的能源消費結構中占有主導地位,淮南淮北地區(qū)是我國的煤炭主產區(qū),巨大的煤炭產量及井工開采方式導致了該區(qū)域大面積采煤沉陷積水區(qū)——特殊的“淺水湖泊”的形成。與天然湖泊和河流相比,采煤沉陷積水區(qū)是特殊的“湖泊”[1],采煤沉陷積水區(qū)的底泥直接由沉陷前地表性質決定,大部分為農田和村莊,這與河流和湖泊的底泥來自于上游搬運來的泥沙沉積不同,積水區(qū)的底泥大部分為農田土壤,沉陷積水區(qū)水體化學成分和沉積物底質特征將很大程度受控于周圍土壤的特征和農業(yè)環(huán)境,同時也是沉陷水體的一個重要的潛在污染源。

因此,對沉陷區(qū)底泥性質及周邊土壤進行研究,探討這類由土壤積水后形成的特點,在25 a的積水時間中,原有土壤性質的變化特征,分析底泥與周邊土壤性質的差異,對于查明沉陷水域底泥及周邊土壤對沉陷水域特征污染指標的潛在影響,確定沉陷平原水庫的主導污染源,制定合理、高效塌陷區(qū)水質保護方案具有參考意義。

1 研究區(qū)概況

煤炭開采過程中會造成強烈的地面生態(tài)擾動,造成地表植被剝離、地面沉降、地面出現裂隙、滑坡、地表沉陷等一系列問題,積水、坡地、裂縫是采煤沉陷地常見的三大特征。在我國,西部地區(qū)地形以山區(qū)為主,地下水位埋深較深,一般不會形成沉陷積水區(qū)。東部平原地區(qū),地下水位較淺,煤炭井工開采極易造成地表沉陷。當煤層厚度較大時沉陷深度也較大,在地面降雨及地表徑流、淺層地下水的綜合作用下,形成以采煤工作面為中心的沉陷積水區(qū)[2]。

臨渙煤礦位于淮北平原,地勢平坦,海拔標高+20．78～+28．58 m,一般為+27．00 m,西北高東南低;澮河從礦區(qū)中部通過,為一中小型季節(jié)性河流,沉陷區(qū)水深為2～8 m。根據全國土壤二次普查,該區(qū)域年均氣溫14．3℃,年降水量904．6 mm,無霜期206 d,≥10℃積溫4 668．8℃。土壤為發(fā)育于黃泛區(qū)沖積母質上的砂心淤土,屬潮土類淤土土屬,土壤表層(0～20 cm)呈棕色,質地為壤質黏土,碎塊狀結構[3]。

臨渙煤礦于1985年12月建成投產,開采已有25 a,由于該區(qū)潛水位高,在塌陷區(qū)形成了常年的積水區(qū)。目前臨渙沉陷水域東西長約1 350 m,南北寬約1 300 m,以地表河流澮河水作為主要水源,通過香順溝將澮河水引至臨渙沉陷水域,長約4 000 m,深度為2～8 m,水深隨著季節(jié)、水務公司取水泵站、澮河翻水站調節(jié)而波動。目前臨渙沉陷水域的功能主要作為臨渙水務公司水源地,處理后作為臨渙工業(yè)園工業(yè)除鹽水使用,另外有當地居民在庫區(qū)攔網養(yǎng)魚,但不投餌,沉陷水域周邊的農田均為旱田,主要農作物為冬小麥、玉米、大豆等(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig．1 General situation of work area

2 底泥、土壤性狀的調查與分析

2.1 點位布設

通過現場調查,依據《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 166—2004),在研究區(qū)域內布設土壤采樣點位及底泥采樣點,土壤點位主要布設在沉陷水域北側、西北側、南側農田,每300～500 m設一個點。采樣時分層采集0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm土壤,共設5個土壤采樣點,共采集25個土壤樣品。

沉陷水域底泥大致分為3層：第1層呈黑色淤泥狀,是臨渙沉陷水域積水25 a間的沉積物;第2層為過渡層,顏色由黑色逐漸轉為暗棕色,含大量沉水植物根系及莖葉殘骸,結構疏松;第3層為硬質層,顏色為棕黃色,基本與周圍土壤相似,多為黏質夾粉質黏土,質地密實。根據現場條件,依據《水質采樣技術指導》(HJ 499—2009),布設4個底泥采樣點,底泥樣品采集深度18～20 cm,采集的底泥現場進行分樣,每3 cm分作一個樣品,共采集24個底泥樣品(圖2)。底泥、土壤點位坐標見表1。

圖2 底泥、土壤采樣布點Fig．2 Samples distribution of sediment and soil

表1 底泥、土壤點位坐標Table 1 Coordinates of sediment and soil samples

2.2 樣品預處理

土壤樣品預處理按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 166—2004)進行,底泥樣品的預處理參照土壤樣品的預處理方法。

2.3 測試指標及方法

土壤、底泥的測試指標及方法見表2。

表2 土壤、底泥測試指標及方法Table 2 Monitoring methods of sediment and soil

2.4 底泥、土壤分析結果

通過現場樣品采集和實驗室分析,測試結果見表3,4。

3 分析與討論

將沉陷水域底泥數據與周邊土壤的對應指標進行比較,0～18 cm為沉陷水域底泥不同深度數據均值,20～100 cm為土壤不同深度數據均值,通過比較,沉陷水域底泥與周邊土壤的分布特征如下。

3.1 不同深度土壤及底泥pH,Eh特征

從圖3(a),表3,4可以看出,沉陷水域周圍土壤的pH值變化在7．12～8．97,呈現弱堿性,研究區(qū)所在的皖北礦區(qū),表層土壤巖性主要由黏土或亞黏土組成[4],在0～80 cm土壤層中,pH值隨著深度逐漸減小,基本上在7．12～8．97波動,其中0～20 cm土壤的pH值相對最高。底泥的pH值為7．51～8．69,基本上呈現上低下高的趨勢,這與太湖底泥的pH變化趨勢一致[5],其中0～6 cm底泥的pH值顯著低于其他深度的底泥,同時也低于不同深度土壤的pH值,這說明土壤淹水后呈現厭氧還原狀態(tài),體系的pH值下降,這與張金洋等[6]的研究結果一致,同時也說明上層土壤和上層底泥分別處于不同的氧化還原環(huán)境,上層土壤處于開放的空氣中,屬于氧化環(huán)境,而上層底泥處于上覆水覆蓋的弱還原環(huán)境中,二者所呈現出的pH值顯著不同,上層底泥的pH值明顯低于上層土壤pH值。

從Eh圖(圖3(b),表3,4)可以看出,土壤的Eh值在182～239 mV,均值為206 mV,呈現中度還原至弱氧化環(huán)境,由于沉陷水域周圍的土壤處于沉陷斜坡地帶,是受地下水、側滲水影響的潮棕壤,其中鐵錳結核優(yōu)勢地富集與錳氧化物有關的及親硫重金屬元素,啟示著土壤形成于Eh條件較低,中性至弱堿性化學環(huán)境[7]。

而底泥的Eh在176～232 mV,均值為198 mV,底泥的Eh值略低于土壤的Eh值,呈現弱還原狀態(tài)。同時,由于沉陷水域水深較淺,為2～8 m,0～3 cm沉積物隨著上覆水擾動增加了水土之間的氧交換,其氧化條件優(yōu)于下層沉積物,Eh的垂向分布呈現了近似“S”形態(tài),這與其他淺水大型湖泊底泥的Eh分布基本一致,反映了其具有較好的氧化條件特性,有利于有機物的分解,減少了還原性物質的生成及積累,同時也說明了具有較強的有機物污染的自凈能力[5]。

3.2 不同深度土壤及底泥有機質特征

由圖4,表3,4可以看出,底泥的有機質含量在0．30%～1．83%,遠低于我國太湖中底泥有機質含量(1．42%～9．96%)[8],同時也遠低于沉陷水域周邊土壤中有機質含量7．12%～8．97%,淹水后的土壤經過25 a的浸泡,原有土壤中的有機質減少了80%～95%。由于沉陷水域的底泥為原有的土壤長期浸泡演化而成,臨渙沉陷水域周邊無集中的生活、工業(yè)污染源存在,水深在2～8 m,屬于淺水湖泊,沉陷水域水體呈現輕度富營養(yǎng)化,沒有過多的有機質輸入和富集,且有泵站定時從沉陷水域中取水,水動力條件較強,不利于有機質的富集,原有土壤中的有機質在在浸泡過程中逐漸分解,導致底泥中的有機質含量遠低于沉陷水域周邊土壤中的有機質含量,這與張雷、郭勁松等[9-10]的研究結果一致。

表3 土壤測試結果Table 3 Monitoring data of soil

表4 底泥測試結果Table 4 Monitoring data of sediment

續(xù)表

圖3 不同深度底泥、土壤pH值分布特征Fig．3 pH and Eh value of soil and sediment

圖4 不同深度底泥、土壤有機質分布特征Fig．4 Organic matter of soil and sediment

3.3 不同深度土壤及底泥氮特征

沉陷水域中底泥總氮值變化范圍為0．025%～0．149%(表4),均值為0．085%,其周圍土壤中的總氮值與底泥的總氮值相當,變化范圍為0．023%～0．141%(表3),均值為0．068%,均屬于耕地土壤類型[11],同時在空間的分布趨勢也大致相同,呈現隨著深度逐漸減小的趨勢,但從圖5可以看出,總體上底泥中的全氮值高于土壤中的全氮值,相對于原有土壤平均增加了20%,其中0～3 cm表層底泥的總氮值最高。

圖5 不同深度底泥、土壤總氮分布特征Fig．5 TN of soil and sediment

由于沉陷水域的底泥層為表層土壤在淹水條件下演化而來,沉陷水域上覆水中的水生生物殘體、含氮顆粒等均在積水的25 a間發(fā)生了復雜的物理沉積、生物化學的吸附釋放過程,導致0～18 cm底泥層的總氮含量高于原有0～20 cm土壤層中的總氮含量,這也間接地說明了沉陷水域在積水的25 a間,底泥與上覆水之間的氮運移方向為從上覆水到底泥富集的階段,并未出現巢湖、滇池等底泥中氮元素向水體釋放的現象[12]。

3.4 不同深度土壤及底泥磷特征

沉陷水域中底泥總磷值(圖6,表3)變化范圍為223．07～420．18 mg/kg,均值為312．67 mg/kg,底泥中的總磷值隨著深度增加逐漸減小,其周圍土壤中的總磷值變化范圍為123．44～463．05 mg/kg,均值為296．78 kg/kg,土壤中的總磷值在土壤各層分布差異性不大,底泥中總磷相對于原有土壤平均增加了約5．35%。

沉陷水域中底泥有效磷值(圖7,表4)變化范圍為3．082～19．721 mg/kg,均值為7．482 mg/kg,底泥中的有效磷隨著深度增加逐漸減小,其周圍土壤中的有效磷值變化范圍為8．950～11．736 mg/kg(表3),均值為6．904 mg/kg,底泥中有效磷相對于原有土壤平均增加了約8．37%。0～3 cm底泥中的有效磷大于0～20 cm土壤中的有效磷值,其他層位的底泥和土壤中有效磷值差異不大,在空間的分布趨勢也大致相同,呈現隨著深度逐漸減小的趨勢。

圖6 不同深度底泥、土壤總磷分布特征Fig．6 TP of soil and sediment

圖7 不同深度底泥、土壤有效磷分布特征Fig．7 Available phosphorus of soil and sediment

土壤中的磷一般包括無機態(tài)和有機態(tài),而無機態(tài)的磷占總磷的50%～80%,而99%以上的無機態(tài)磷均以固相的磷酸鹽化合物存在。土壤處于淹水還原的狀態(tài),其pH,Eh和無定形Fe含量的變化對土壤磷的固定與釋放的顯著影響已為前人大量的研究結果所證實[13-23]。有研究認為錳對磷的吸附也有明顯的作用,沉陷水域周圍的土壤為潮棕壤,其中鐵錳結核達10%～15%,具有明顯的吸附磷的能力[7]。

目前研究的土壤中磷的釋放與固定主要集中在這部分固相磷酸鹽化合物上[11]。堿性土壤中吸附磷的主要基質為游離氧化鐵[24]、物理性黏粒和氧化鈣,但是鈣磷占絕大部分比例,鐵磷和鋁磷占無機磷的組分很少,而磷的釋放可導致土壤中有效磷的增加。一方面,由于研究區(qū)的土壤呈堿性,難溶態(tài)磷以磷酸鈣鹽為主,沉陷積水后,隨沉陷水域上覆水外源輸入的溶解態(tài)磷、Ca、Mg離子極易與淹水后的堿性表層土壤發(fā)生沉淀、吸附作用,導致底泥的磷酸鈣鹽增加,也就導致了底泥TP增加,另一方面,伴隨著淹水過程,原有土壤中的有機質逐漸分解轉化為底泥,體系pH, Eh值降低,隨著Fe3+的還原和部分含Fe3+礦物隨之溶解,底泥-上覆水界面的部分被氫氧化鐵所吸持和閉蓄態(tài)磷得以釋放,導致有利于底泥上的有效磷含量的增加。但是該部分有效磷依然存在于底泥中,并未向上覆水釋放,相反的淹水后土壤的pH條件(平均值大于7)有利于Fe3+—Fe2+混合氫氧化物的形成,淹水后pH值和無定形Fe的含量有了明顯的提高,這是造成土壤固磷能力增加和土壤磷釋放量減少的主要原因[25]。

3.5 不同深度土壤及底泥總碳、氫分布特征

底泥中的氫含量(圖8,表4)0．471%～0．940%,均值為0．683%,隨著深度呈現“S”型分布,最上層底泥氫含量較高;土壤中的氫含量為0．440%～1．112%(表3),均值為0．811%,隨著深度的增加氫含量逐漸增大,總體上土壤中氫含量大于底泥的氫含量,底泥中氫含量相對于原有土壤平均減少了約15．78%。

圖8 不同深度底泥、土壤氫分布特征Fig．8 H of soil and sediment

沉陷水域底泥中總碳含量(圖9,表4)在0．652%～6．133%,均值為2．458%,周邊的土壤的總碳含量在0．707%～2．297%,均值為1．272%,底泥中的總碳含量明顯高于底泥中的總碳含量,底泥中總碳含量相對于原有土壤平均增加了約93．24%。土壤積水后,表層的含碳物質的變化包括輸入和輸出的兩個方面,一方面底泥接受來自上覆水中沉積下來的生物殘體和其他含碳物質,可以導致碳含量增加,這是輸入,該過程也伴隨著其他物質的輸入,如氮、磷等;同時進行的是底泥中的含碳物質在生物、物理、化學等的作用下,發(fā)生分解或轉化,導致可生物降解碳含量減少,在這過程中,同樣伴隨著其他物質的釋放,如氮、磷等。在這兩個過程的綜合作用下,由分析測試的結果可以看出,最終研究區(qū)的土壤積水后表層的碳含量是增加的,這就間接說明了在研究的沉陷平原水域中,在幾十年的積水過程中,底泥是作為含碳、含氮物質的“匯”,不是“源”,即是該類物質呈現富集增加的趨勢,同時也說明了底泥暫時不會向水體釋放含碳、含氮物質,這一點區(qū)別于滇池、太湖等富營養(yǎng)化的湖泊。

圖9 不同深度底泥、土壤總碳分布特征Fig．9 Total carbon of soil and sediment

4 結 論

(1)沉陷水域底泥呈弱堿性,Eh總體上比土壤的Eh略低,反映了上層土壤和上層底泥處在不同的環(huán)境介質中,說明積水后的土壤pH,Eh值均會有一定程度的降低,同時由于沉陷水域水深較淺,水力循環(huán)條件好,底泥處于氧化弱還原狀態(tài),說明在沉陷水域形成的25 a間,并未出現嚴重的有機物污染,同時底泥具有較強的污染自凈能力。

(2)沉陷水域底泥的有機質含量遠低于我國太湖中底泥有機質含量,同時也遠低于沉陷水域周邊土壤中有機質含量,說明在沉陷水域形成的25 a間,底泥沉陷的弱還原環(huán)境,由于良好的水力循環(huán)條件,導致土壤積水后,其中的有機質逐漸分解,有機質減少了80%～95%。

(3)沉陷水域中底泥全氮的含量高于土壤中全氮含量,平均增加了20%,呈現上高下低的趨勢,說明水體與底泥之間的氮交換呈現水體向底泥中富集的趨勢,并未出現底泥向水體釋放氮的現象。

(4)沉陷水域中底泥的總磷高于土壤中總磷的含量,總磷平均增加了約5．35%,有效磷平均增加了約8．37%,間接地說明在沉陷水域形成的這25 a間,水體與底泥中磷交換的趨勢為由水體向底泥中富集。

(5)沉陷水域底泥中的氫含量低于土壤中氫含量,平均減少了約15．78%;總碳含量高于土壤中總碳含量,平均增加了約93．24%,這與氮、磷的分布特征一致。

綜上所述,在采煤沉陷水域25 a的積水過程中,底泥相對原有土壤有機質大幅減少,導致淹水土壤質量下降;從環(huán)境學的角度來看,沉陷區(qū)積水后,底泥是作為碳、氮、磷物質的“匯”,不是“源”,即是該類物質呈現富集增加的趨勢,還未到達底泥吸附的飽和容量,同時也說明了底泥暫時不會向水體釋放含碳、含氮物質,底泥的內源污染釋放風險不大,對沉陷水域水體來說,外源輸入是影響沉陷水域水質的主導因素。

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Difference between sediment samples from coal mine subsidence water and soil samples around it and its environment significance

FAN Ting-yu1,YAN Jia-ping1,WANG Shun1,RUAN Shu-xian1,GU De-ming1, CHENG Fang-kui1,LU Chun-hui2,3,LIU Jin2,3,CHEN Wei1

(1.School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.Huainan Mining Group,Huainan 232001, China;3.National Engineering Laboratory of Ecological Environment Protection for Coal Mine,Huainan 232001,China)

To investigate the potential effect of the sediments in subsidence water area and the soil around it on their characteristic indexes,and then determine the dominant sources of pollution,the sediment samples under Linhuan coal mine subsidence water of Huaibei City and the soil samples around it were collected,and their indexes were monitored including nitrogen,phosphorus,organic matter,etc．It is shown as follows：the pH,Eh,organic matter of sediment are lower than that of soil,especially the organic matter was 80%-95%less．The nitrogen,total phosphorus,available phosphate,total carbon of sediment were higher than that of soil,with the average increase of 20%,5．35%,8．37%, 93．24%respectively．During 25 years’subsidence period,the organic carbon in original soil was biodegradated．The subsidence caused not just large loss of farmland area,but the decline of soil quality．At the same time,the nitrogen, phosphorus,total carbon were concentrated from water to sediment,and then,the releasing risk of internal sedimentpollutants was low and the input of external pollutants could be the main pollution source．Therefore,the input control of external pollutants would be the main method for protecting the water environment at subsidence water area．

coal mine;subsidence water;sediment;soil characteristics;differencet analysis

TD88

A

0253-9993(2014)10-2075-08

2013-10-18 責任編輯：王婉潔

國家自然科學基金資助項目(41372369);煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室開放基金資助項目(HNKY-JT-JS-(2011));安徽理工大學第3批中青年學術骨干基金資助項目

范廷玉(1982—),女,江蘇灌云人,講師,博士研究生。E-mail：48223656@qq．com

范廷玉,嚴家平,王 順,等．采煤沉陷水域底泥及周邊土壤性質差異分析及其環(huán)境意義[J]．煤炭學報,2014,39(10)：2075-2082．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1495

Fan Tingyu,Yan Jiaping,Wang Shun,et al．Difference between sediment samples from coal mine subsidence water and soil samples around it and its environment significance[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2075-2082．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1495