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探讨煤炭开采对周边土壤环境的影响
探讨煤炭开采对周边土壤环境的影响
摘要：本文首先介绍了国内外在煤炭开采对土壤环境影响方面的研究现状，然后分析了煤炭开采对周边土壤环境的影响，最后提出了防治措施。
关键词：煤炭开采；土壤环境；影响；防治措施
中图分类号：F407文献标识码： A
我国煤炭资源丰富，随着煤炭开采行业的发展，煤矸石的产生量与日俱增.据统计，我国煤矸石的产生量约为原煤总产量的15%~20%，已经积存70亿吨，占地面积约70km2，而且排放量正以1.5亿吨/年的速度增长。目前，我国煤矸石综合利用水平较低，尚不到煤矸石排放量的15%，大部分未被利用的煤矸石采用沟谷倾倒式自然松散的堆放在矿井四周，不仅侵占大量土地，而且还会产生自燃或滑坡等地质灾害.另外，由于露天堆放的矸石较松散，渗透系数大，产生的淋溶水对周围水体及土壤环境可能产生极大污染。因此，解决煤炭开采过程中产生的土壤环境影响已迫在眉睫。
我国很多煤矿地区的土壤己受到不同程度的污染。据国家环保总局官方网站资料显示，土壤污染的总体形势相当严峻，己对生态环境、食品安全和农业可持续发展构成威肋。据土壤污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，最终危害人体健康。矿山固体废物在其堆积和填埋过程中，长期处于与地下环境相异的地表环境，将受到水、生物、温度、压力、人类活动等多因素的综合影响，尾矿渣通过矿物风化溶解其所含的重金属从岩石圈进入水圈，从而在整个圈层中以多种途径循环。因此，煤矸石环境效应的系统调查研究，对矿区环境治理和生态恢复具有重要意义。
1国外研究现状
目前在全球煤炭开采的国家和地区，矿业活动己产生大量的矿业固体废物，其长期堆积产生的重金属污染受到重视，国外如美国、英国、俄罗斯、意大利、澳大利亚、巴西、印度等，针对煤矿区环境开
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展了大量研究工作。Teixeira E.对巴西Baixo Jacui,R.S.地区的煤矿区中河流底部沉积物中的重金属进行研究，结果表明，该地区受到了煤矿开采所引起的Cu, Fe, Ni, Pb, Zn污染；Szcaepanska等对波兰Smolnica煤矿的煤矸石进行研究，表明煤矸石对周围土壤的重金属污染是显而易见的；Panov B.S.等对俄罗斯著名大煤田(顿巴斯)重金属环境化学进行调查研究，发现在该地区的许多土壤样品中Hg, As, Pb, Zn, Cd含量超标。
然而在对煤矸石山堆积对土壤环境产生的影响研究中，大多数的研究仅局限于重金属、pH、水溶性盐总量的方面。在估计土壤整体功能及其变化时，指标的选择对量化土壤质量十分重要。一个具有良好功能的土壤表现出一系列相互协调的物理、化学和生物学性质和特性。但我们不可能考虑到所有这些性质，必须有选择性地挑选。一般土壤物理和化学指标(土层厚度、土壤容重、土壤有机碳含量、土壤pH值、导电性、渗透性、土壤有机质代谢率、速效氮、速效磷和土壤团聚性等)在指示土壤质量变化中的意义有限，因为它们只有当土壤遭受剧烈变化后才能表现出来。而生物和生物化学指标能够灵敏地响应土壤质量，由于它们遭受任何退化因素都会导致不同程度的变化。其中土壤活性直接影响一个生态系统稳定性与生产力，所以它们有可能成为系统稳定性的早期预警和敏感指标。因而，在估计自然土壤整体功能及其变化时，任何关键指标必须涉及生物和生物化学指标。它们主要包括土壤微生物量、土壤呼吸和土壤酶活性，从而延伸到氮的矿化、微生物多样性和土壤生物功能种群。
2国内研究现状
我国是世界上少有的以煤为主要能源的国家之一，煤炭年产量居世界第一。煤矿环境也受到广泛的关注。近年来，国内学者针对煤炭开发活动排放煤矸石所带来的环境问题开展了相关研究工作。经风化、淋溶后，煤矸石中有害重金属和可溶性盐活性增强，部分被溶解并随降水形成地表径流或地下水进入水体、土壤，对所在矿区水体和土壤造成污染。余运波等观测到煤矸石堆放区水体的pH为4.43 -7.93，总硬度和SO42-浓度高，微量有毒有害组分(Be, V, Mn, Sr, Mo, Ni, F等)存在超标或浓度过高现象。不仅煤矸石堆周边土壤中S，
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F，Hg含量显著高于对照，而且煤矸石风化形成的土壤中，重金属Zn, Pb, Cu, Cd也有明显积累，并己经受到一定程度的污染。郭慧霞等以焦作矿区煤矸石和土壤为研究对象，进行室内模拟淋溶试验，发现煤矸石淋出液呈中性偏弱碱性，SO42-、总硬度、Zn, Mn等组分己经出现超标，Cr, Pb, Cu, Cd则未检出；再淋滤试验前期，风化煤矸石淋出液中的污染组分含量要高于新鲜煤矸石淋出液中的含量，土壤对污染物组分有很大的吸附能力，约50%的污染组分被吸附；随着淋滤的进行，煤矸石中污染组分随水淋出的含量迅速下降并逐渐稳定下来，此时由于低浓度淋滤液进入土壤，使土壤中发生了污染组分的解吸，导致淋滤液中污染组分含量升高；土壤对污染组分的吸附解析与pH值、土壤组成类型、土壤中污染物含量、土壤的吸附容量、煤矸石淋出液中污染物浓度等有关。杨建、陈家军等对焦作演马矿煤矸石堆周围土壤中重金属的空间分布特征进行了检测和分析，发现土壤受到了不同程度的污染，重金属的含量在平面上与煤矸石堆的距离成负相关，在剖面上与深度关系不明显；土壤中重金属污染分布特征与地势高低、风向和土壤性质有关。
关于煤矸石山周边土壤中微生物量的研究基本是找不到的。只有相关的pH变化和重金属污染对土壤微生物的有关报道。张彦等研究表明，沈阳张士灌区长期污水灌溉造成的原位农田土壤重金属污染，土壤微生物生物量随土壤重金属含量增加呈下降趋势。尹军霞等用传统的微生物培养法，研究了不同浓度的外源重金属Cd对油菜土壤微生物区系的影响发现，Cd浓度的不同真菌和细菌分别表现不影响、刺激和抑制。
3煤炭开采对周边土壤环境的影响
煤矸石经雨水淋溶进入水域或渗入土壤，会影响水体和土壤，并被植物根部所吸收，影响农作物的生长，造成农业减产和产品污染。大气和水携带的矸石风化物细粒可漂撒在周围土地上，污染土壤，矸石山的淋溶水进入潜流和水系，也可影响土壤。因此，煤矸石经过淋溶会严重影响土壤环境。我国煤矸石大多采用露天堆放，其自身理化性质决定了煤矸石山堆放场形成过程中的主要环境胁迫因子有：(1)物理结构不良，持水保肥能力差；{2)极端贫瘠，N, P, K及有机质
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含量极低，或是养分不平衡；(3)重金属含量过高，影响植物各种代谢途径，抑制植物对营养元素的吸收及根系的生长；(4)极端pH，煤矸石硫化物氧化产生硫酸，严重时pH接近2，酸性条件又进一步加剧重金属的溶出和毒害，并会导致养分不足。这些不利因素单独或集中同时出现，导致矸石山堆放场废弃地大多为不毛之地。
煤矸石是伴随着煤层的形成而产生的，因此矸石中微量元素的来源与煤相似，在煤矸石中，微量有毒元素都有无机态或有机态的可能性，只是结合的程度不同。有毒微量元素若以有机态存在为主时，即微量有毒元素以碳氢键与有机物大分子相结合，一般不易淋溶出来；若以无机态或吸附态形式存在为主时，即微量有毒元素以盐类或其它化合物结合时，在淋溶作用下，有毒微量元素易分解出来。另外，煤矸石中有毒微量元素的状态同时受煤矸石pH值和氧化还原电位的制约及其它化合物种类的影响，不同状态的有毒微量元素在适当的环境条件下是可以相互转化的。因此，有毒微量元素在煤矸石中的贮存状态就成为有毒微量元素化学活性大小的关键所在。
煤矸石经雨水淋溶进入水域或渗入土壤，会影响水体和土壤，并被植物根部所吸收，影响农作物的生长，造成农业减产和产品污染。大气和水携带的矸石风化物细粒可漂撒在周围土地上，污染土壤，矸石山的淋溶水进入潜流和水系，也可影响土壤。煤矸石中有毒微量重金属元素随之迁移至土壤中，对土壤造成污染。
煤矸石中微量元素对土壤的影响主要有两种途径：一是含微量有毒元素的矸石粉尘直接降落于土壤；二是矸石淋溶液进入土壤。淋溶液中元素浓度较低，矸石以粉尘形式进入土壤的微量有毒元素甚少，说明不同微量有毒元素在土壤中的累积性不同，且矸石中微量有毒元素对土壤的污染是是一个长期缓慢的过程。
4防治措施
针对煤炭开采对土壤环境的污染，提出以下三点防治措施：
（1）硬化煤矸石临时堆场的地表面，煤矸石及时外卖给砖厂制砖或者进行合理的综合利用，避免长久堆放。
（2）在煤矸石临时堆场周围设置环形截水沟，工业广场内设置排水沟渠，下游设置初期雨水收集池。煤矸石淋溶水和工业广场内的
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冲刷雨水经排水沟渠引至初期雨水收集池内，再经过中和池、沉淀池处理后回用于厂区内洒水降尘。
（3）由于矿区煤矸石山堆积对周边土壤环境己经造成污染，在改善煤矸石山环境中，植物修复技术被普遍认为具有费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水的二次污染、能起到美化环境的作用、易于为社会所接受等优点。植物修复能够彻底清除土壤中的重金属污染，并可以通过处理植物体而回收其中的重金属，达到资源化利用的目标。
由于研究区主要污染物为镉、铅、铬、锌，所以建议矿区种植能够相应吸收或累积重金属的植物，从而净化矿区土壤环境，同时还有美化矿区景观环境的作用。
目前己发现有400多种植物可以超积累各种重金属，如印度芥菜和向日葵可大量积聚Pb，As，Hg，Cr，Ce，Zn等重金属；香蒲植物、绿肥植物天叶紫花菩子对Pb具有超耐性，羊齿类铁角蕨属植物对Cd有超耐性。
羽叶鬼针草和酸模能够富集重金属铅，对铅有很好的耐性，能把绝大部分的铅迁移到茎叶，可以作为先锋植物去修复被铅污染的土壤。堇菜的主要作用是除铅、镉，而且这种植物非常赖活，南方北方都能生长。也可依据本地自然选择的结果，大量种植蓖麻和蒲公英，进行植被修复。
参考文献：
[1]刘玉荣.煤矸石风化土壤中重金属的环境效应研究[J].农业环境科学学报， 2003，22(1)
[2]杨建.煤矸石堆周围土壤重金属污染空间分布及评价[J].农业环境科学报， 2008，27(3)
[3]刘志斌.煤矸石淋溶水环境影响的分析研究[J].辽宁工程技术大学学报.2005，24(2)
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