復(fù)墾不同年限煤矸山土壤重金屬污染狀況評價

亢晨宇, 賀澤好, 于亞軍

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

復(fù)墾不同年限煤矸山土壤重金屬污染狀況評價

亢晨宇, 賀澤好, 于亞軍

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

為研究復(fù)墾年限對煤矸山土壤重金屬的影響，以山西省霍州市曹村煤礦煤矸山復(fù)墾3 a，5 a，7 a和9 a農(nóng)田為研究對象，對復(fù)墾地土壤重金屬Hg，Cd，Pb，As和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其污染狀況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：(1) 煤矸山復(fù)墾農(nóng)田0—20 cm和20—40 cm土層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有隨復(fù)墾年限增加而增加的趨勢，其中Pb，Cd表現(xiàn)最明顯，而Hg的增加趨勢主要出現(xiàn)在20—40 cm土層；同時，煤矸山復(fù)墾農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不同程度地高于當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田，尤其在20—40 cm土層表現(xiàn)更明顯；(2) 單因子污染指數(shù)表明，Hg和As在0—20 cm和20—40 cm土層污染程度隨年限沒有變化，分別為重度污染和輕微污染，Pb和Cd在0—20 cm也沒有變化，分別為輕微污染和輕度污染，但在20—40 cm土層隨年限增長達(dá)到輕度污染和中度污染；綜合污染指數(shù)表明，復(fù)墾農(nóng)田在0—20 cm和20—40 cm土層污染指數(shù)均表現(xiàn)為隨復(fù)墾年限增加而增加的趨勢，4種復(fù)墾年限農(nóng)田均達(dá)到重度污染。研究結(jié)果有助于指導(dǎo)煤矸山植被恢復(fù)和復(fù)墾地的合理利用。

復(fù)墾土壤; 不同年限; 煤矸山; 土壤重金屬; 生態(tài)風(fēng)險

目前，煤矸山復(fù)墾治理在黃土高原地區(qū)多采用推平覆土后進(jìn)行植被綠化的方式[1-2]。煤矸石中重金屬元素含量普遍較高，隨著環(huán)境條件變化，可能會引起污染物的釋放，對推平覆土形成的“重構(gòu)土壤”造成污染[3-5]。我國礦區(qū)大部分復(fù)墾土地被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]，一旦復(fù)墾土壤重金屬過度累積，會在植物體內(nèi)存留和積累，并可能通過食物鏈給人畜造成危害[7-8]。因此，研究煤矸山復(fù)墾土壤重金屬狀況可有效監(jiān)測復(fù)墾地土壤質(zhì)量狀況。研究表明，復(fù)墾煤矸山土壤重金屬有隨著年限增加而積累的趨勢，如胡振琪等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著復(fù)墾時間的增加，復(fù)墾土壤0—40 cm土層重金屬污染指數(shù)呈遞增趨勢，但不同元素在土壤中積累的程度有所不同[10]。因此，開展不同年限煤矸山復(fù)墾土壤重金屬污染狀況研究，不僅可以查明復(fù)墾土壤重金屬隨年限變化的情況，而且可以指導(dǎo)煤矸山“因時制宜”地進(jìn)行植被恢復(fù)。

山西省煤炭資源儲量大、產(chǎn)量高，全省煤礦企業(yè)矸石累計堆存量8.3億t，已形成300多座煤矸山[11]。近年來，山西省加大了矸石山復(fù)墾治理的力度，多個煤矸山通過覆土復(fù)墾的方法得到治理。本文選取山西省霍州市曹村煤礦矸石山復(fù)墾區(qū)，以復(fù)墾3 a，5 a，7 a和9 a農(nóng)田為研究對象，分析4種復(fù)墾年限土壤重金屬Hg，Cd，Pb，As和Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)及與普通農(nóng)田(CK)的差異，并對4種復(fù)墾年限土壤重金屬可能造成的污染進(jìn)行評價，有效查明矸石山復(fù)墾土壤隨年限變化后重金屬污染情況，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)和土地利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市曹村礦區(qū)，該礦距離霍州市7 km。本區(qū)為侵蝕型黃土丘陵地貌，土壤類型為褐土，氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍晔⑿衅巷L(fēng)和偏北風(fēng)，年平均氣溫12.2℃，年降水量為353.3～688.9 mm。研究樣地為曹村煤礦復(fù)墾的矸石山土地(36°30′N，111°42′E)，該矸石山自1959年排矸，矸石累積堆存量約為200萬t，占地約1.6萬m2，垂直高度約50 m。該矸石山于2006年、2008年、2010年、2012年分別對4座矸石山頭進(jìn)行推平覆土，操作時先采用廈工50型裝載機(jī)(自重17 t)將各山頭矸石堆推平壓實，再上覆80～100 cm厚度土壤(覆土土壤取自煤矸山附近，其表層土壤重金屬含Hg，Pb，Cd，As量分別為0.02 mg/kg，15.23 mg/kg，0.11 mg/kg，11.3 mg/kg)，然后整平土地進(jìn)行植被綠化。由此形成4種年限的復(fù)墾樣地，面積分別約為400 m2，300 m2，600 m2，500 m2，復(fù)墾后土地利用方式為農(nóng)田，種植作物主要為玉米(ZeamaysL)和秋葵(AbelmoschusesculentusL.)等。

1.2 土樣采集與分析

1.2.1 土樣采集 本研究以復(fù)墾3 a，5 a，7 a和9 a農(nóng)田為樣地，同時以當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田為對照(CK)，土壤采集時間為2015年10月，采樣時為了消除因覆土作業(yè)時造成土壤性質(zhì)的空間差異盡可能多選樣點，結(jié)合各樣地面積每樣地劃分3個樣方，每個樣方用對角線法取5～9點混合成1個樣品，由此每樣地樣點數(shù)為15～27個點。采樣工具為土鉆，采集土層為0—20 cm和20—40 cm。

1.2.2 土樣分析 土壤中Hg的測定用冷原子吸收分光光度法(GB/T17136—1997)，As的測定用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法(GB/T17134—1997)，Pb，Cd的測定用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法(GB/T17140—1997)，Ni的測定用火焰原子分光光度法(GB/T17139—1997)。土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值采用Excel 2007軟件進(jìn)行，差異顯著性分析采用SPSS 17.0中單因素方差分析的LSD法。

1.3 污染評價方法

1.3.1 評價方法 復(fù)墾煤矸山土壤重金屬污染評價采用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法進(jìn)行(國家環(huán)境保護(hù)總局)。其評價公式如下：

單項污染指數(shù)Pi=Ci/Si

式中：Pi為重金屬i的累積指數(shù)；Ci為重金屬i的實測值；Si為重金屬i的評價參比值，

式中：P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；Pmax為單項指數(shù)最大值；Pave為單項指數(shù)算數(shù)平均值。

1.3.2 評價標(biāo)準(zhǔn) 本研究單因子污染指數(shù)法評價時以山西省土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)[12]，分級標(biāo)準(zhǔn)按照《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定(環(huán)發(fā)[2008]39號)》。綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T166—2004)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾年限土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

表1是復(fù)墾3 a，5 a，7 a和9 a樣地土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及超出普通農(nóng)田(CK)的比例。首先，從各樣地重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)來看，在0—20 cm土層，4種復(fù)墾年限農(nóng)田含Hg，As量均無明顯差異，但含Pb，Cd量在7 a和9 a農(nóng)田中顯著高于3 a和5 a農(nóng)田，而含Ni量在9 a農(nóng)田中顯著低于3 a，5 a，7 a農(nóng)田；在20—40 cm土層，4種復(fù)墾年限農(nóng)田As和Ni含量均無明顯差異，但Hg，Cd含量在9 a農(nóng)田中顯著高于3 a，5 a，7 a農(nóng)田，Pb含量隨年限變化與0—20 cm一致。其次，從各樣地重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出CK的比例來看，0—20 cm土層4種復(fù)墾年限農(nóng)田除Cd，As質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高外，其余重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于或等于CK樣地；但20—40 cm土層4種復(fù)墾年限農(nóng)田均高于CK。

整體來看，復(fù)墾農(nóng)田中Pb，Cd含量在0—40 cm土層中呈現(xiàn)隨復(fù)墾年限增加而增加的趨勢，Hg在20—40 cm也呈現(xiàn)類似趨勢；與CK的對比來看，復(fù)墾農(nóng)田0—20 cm土層只有Cd，As質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田，但20—40 cm土層4種復(fù)墾年限農(nóng)田重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超出當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田。

表1 4種復(fù)墾年限土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及高出普通農(nóng)田(CK)的比例

注：同列不同小寫字母表示數(shù)據(jù)間差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同復(fù)墾年限土壤重金屬污染評價

表2是復(fù)墾3 a，5 a，7 a和9 a農(nóng)田重金屬單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的評價結(jié)果。首先，從單因子污染指數(shù)的差異來看，在0—20 cm土層，4種復(fù)墾年限農(nóng)田中Hg，As和Ni均無明顯差異，但Pb，Cd在7 a，9 a農(nóng)田中顯著高于3 a，5 a農(nóng)田。其污染程度表現(xiàn)為Hg，Pb，Cd和As在4種復(fù)墾年限農(nóng)田中一致，分別為重度污染、輕微污染、輕度污染和輕微污染，Ni在3 a農(nóng)田中為輕微污染，5 a，7 a，9 a農(nóng)田中為未污染，尤其在9 a農(nóng)田中污染指數(shù)最低。在20—40 cm土層，4種復(fù)墾年限農(nóng)田中Cd，As和Ni污染指數(shù)均無明顯差異，而Hg在9 a農(nóng)田中顯著高于3 a，5 a和7 a農(nóng)田，Pb在7 a和9 a農(nóng)田中明顯高于3 a和5 a農(nóng)田。在污染程度上，Hg和As在4種復(fù)墾年限農(nóng)田中均相同，并且與0—20 cm土層一致，Pb在3 a和5 a農(nóng)田中為輕微污染，在7 a和9 a農(nóng)田中為輕度污染，Cd在3 a，5 a和7 a農(nóng)田為輕度污染，在9 a農(nóng)田中為中度污染，Ni在5 a和7 a農(nóng)田中為輕微污染，9 a農(nóng)田中未污染。4種復(fù)墾年限農(nóng)田單因子污染狀況總體表現(xiàn)為：Pb在0—20 cm和20—40 cm土層均表現(xiàn)為隨復(fù)墾年限增加的趨勢；Cd在0—20 cm呈現(xiàn)隨復(fù)墾年限加重的趨勢，Hg在20—40 cm也呈現(xiàn)此種趨勢；As在4種復(fù)墾年限兩個土層中均無明顯差異；Ni在4種復(fù)墾年限兩個土層中均呈現(xiàn)隨復(fù)墾年限降低趨勢。其次，從綜合污染指數(shù)來看，4種復(fù)墾年限農(nóng)田0—20 cm和20—40 cm土層污染指數(shù)均表現(xiàn)為隨復(fù)墾年限增加而增加的趨勢，并且污染程度均達(dá)到重度污染。

表2 4種復(fù)墾年限單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

3 討 論

3.1 年限和矸石中重金屬遷移對復(fù)墾農(nóng)田20-40 cm土層重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響明顯

煤矸山復(fù)墾3 a，5 a，7 a和9 a農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及超出對照差異顯示，煤矸山復(fù)墾農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不同程度地高于當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田，尤其在20—40 cm土層中表現(xiàn)更明顯。并且其超出對照的比例也隨年限增長而加大，其中表現(xiàn)最為明顯的是Pb，其次為Cd和Hg，這說明，復(fù)墾年限對土壤重金屬積累有明顯影響；除此之外，復(fù)墾農(nóng)田的0—20 cm土層只有Cd，As含量超出對照，20—40 cm土層中5種重金屬元素全部超過對照，這同時也說明底層矸石內(nèi)重金屬元素隨年限增長有逐漸向上遷移趨勢，其他研究也有類似情況[13-14]。

3.2 礦區(qū)干濕沉降導(dǎo)致普通農(nóng)田土壤0-20 cm重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于復(fù)墾農(nóng)田

研究發(fā)現(xiàn)，此樣區(qū)普通農(nóng)田(CK)0—20 cm土層重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于復(fù)墾農(nóng)田，其中表現(xiàn)最為明顯的是Pb，高出普通農(nóng)田51.2%，其次為Hg和Ni，分別為35.4%，27.4%。同時，研究測得CK中含Hg，Pb，Ni量明顯高于山西省土壤背景值(分別為20倍、2倍、1倍)，但這種趨勢在20—40 cm土層并未出現(xiàn)。研究表明，土壤中Hg，Pb和Ni主要來自采礦和燃煤等產(chǎn)生的粉塵以及運(yùn)煤排出的尾氣和矸石自燃、風(fēng)化和淋溶[15-16]，因此，造成本區(qū)普通農(nóng)田土壤表層重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的原因可能是重金屬顆粒物通過干濕沉降的形式積累在土壤表層。而在復(fù)墾地，原有土壤層次結(jié)構(gòu)被打亂，重金屬分布狀況可能變化，同時煤矸山復(fù)墾地由于接受粉塵時間短，因而污染相對較輕，所以復(fù)墾地表層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于普通農(nóng)田。

4 結(jié) 論

(1) 煤矸山復(fù)墾農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨復(fù)墾時間增加而增加，其中Pb，Cd表現(xiàn)最為明顯，而Hg的增加趨勢主要出現(xiàn)在20—40 cm土層；其次，煤矸山復(fù)墾農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不同程度地高于當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田，尤其在20—40 cm土層表現(xiàn)更明顯。

(2) 從單因子污染指數(shù)看,Hg和As在0—20 cm和20—40 cm土層污染程度隨年限增長均沒有變化，分別為重度污染和輕微污染，Pb和Cd在0—20 cm土層也沒有變化，分別為輕微污染和輕度污染，但Pb和Cd在20—40 cm土層隨年限增長發(fā)生改變，其中Pb在3 a和5 a農(nóng)田為輕微污染，在7 a和9 a農(nóng)田為輕度污染，Cd在3 a，5 a和7 a農(nóng)田為輕度污染，在9 a農(nóng)田為中度污染；再從綜合污染指數(shù)來看，4種復(fù)墾年限農(nóng)田在0—20 cm和20—40 cm土層污染指數(shù)均表現(xiàn)為隨復(fù)墾年限增加而增加的趨勢，并且均達(dá)到重度污染。

[1] 蘇光全,何書金,郭煥成.礦區(qū)廢棄土地資源適宜性評價[J].地理科學(xué)進(jìn)展,1998,17(4):41-48.

[2] 卞正富.我國煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究[J].資源與產(chǎn)業(yè),2005,7(2):18-24.

[3] 董霽紅,卞正富,王賀封.礦山充填復(fù)墾場地重金屬含量對比研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,36(4):531-536.

[4] Bukowski P, Bromek T, Augustyniak. Using the drastic system to assess the vulnerability of groundwater to pollution in mined areas of the upper silesian coal basin[J]. Mine Water and the Environment, 2006,25(1):15-22.

[5] Bhuiyan M A H, Parvez L, Islam M A, et ali. Heavy metal pollution of coal mine-affected agricultural soils in the northern part of Bangladesh[J]. J. Hazard. Mater, 2010,173(13):384-392.

[6] 卞正富,翟廣忠.礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃的理論和實踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996.

[7] 李小飛,陳志彪,陳志強(qiáng),等.南方稀土采礦地土壤和蔬菜重金屬含量及其健康風(fēng)險評價[J].水土保持學(xué)報,2013,27(1):146-151.

[8] 常學(xué)秀,施曉東.土壤重金屬污染與食品安全[J].云南環(huán)境科學(xué),2001,20(Z1):21-24.

[9] 胡振琪,戚家忠,司繼濤.不同復(fù)墾時間的粉煤灰充填復(fù)墾土壤重金屬污染與評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2003,19(2):214-218.

[10] 馬建軍,張樹禮,王金滿,等.復(fù)墾地土壤重金屬及類重金屬的時間累積效應(yīng)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(12):69-74.

[11] 武冬梅,張建紅,趙景逵,等.山西礦區(qū)矸石山復(fù)墾種植施肥措施[J].自然資源學(xué)報,1998,13(4):333-336.

[12] 史崇文,趙玲芝,郭新波,等.山西土壤元素背景值及其特征[J].華北地質(zhì)礦產(chǎn)雜志,1994,9(2):188-196.

[13] 鄭永紅,張治國,等.煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量時空分布及富集特征研究[J].煤炭學(xué)報,2013,38(3):1476-1483.

[14] 邵群.新莊孜礦塌陷區(qū)煤矸石中重金屬遷移對覆土影響[J].煤田地質(zhì)與勘探,2007,35(6):34-36.

[15] 陳同斌,黃銘洪,黃煥忠,等.香港土壤中的重金屬含量及其污染現(xiàn)狀[J].地理學(xué)報,1997,52(3):228-236.

[16] 馮啟言,劉桂建.兗州煤田矸石中的微量有害元素及其對土壤環(huán)境的影響[J].中國礦業(yè),2002,11(1):67-69.

EvaluationonHeavyMetalContentsofSoilinCoalWastePileAfterReclamation

KANG Chenyu, HE Zehao, YU Yajun

(CollegeofGeographySciences,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041000,China)

To evaluate the effects of reclamation years on heavy metals in coal waste pile soil, coal mine reclamation soils with reclamation years of 3 years, 5 years, 7 years and 9 years were examined in Cao village in Huozhou, Shanxi Province, the contents and pollution status of heavy metals Hg, Cd, Pb, As and Ni in reclamation soil were analyzed. The results showed that: (1) the contents of soil heavy metals in soil layers of 0—20 cm and 20—40 cm had the increasing trend over years, the contents of Pb and Cd increased most obviously, while the increasing trend of Hg content occurred in 20—40 cm soil layer; meanwhile, the heavy metal contents in coal waste pile reclamation soil were higher than those in farmland soil in different degrees, especially in 20—40 cm soil layer; (2) single factor pollution index showed that the contents of Hg and As in 0—20 cm and 20—40 cm soil layers did not change with years, which were severe pollution and slight pollution, respectively; the contents of Pb and Cd in 0—20 cm soil layers did not change, which were slight pollution and light pollution, respectively, but increased with years to light pollution and moderate pollution in the 20—40 cm soil layer; the comprehensive pollution index showed that heavy metal pollution in reclaimed land in 0—20 cm and 20—40 cm soil layers presented the increasing trend with the reclamation years, and 4 types of reclaimed lands all suffered the severe pollution. The research results are helpful to guide the rational use of coal waste pile reclamation land and vegetation restoration.

reclaimed soil; reclamation year; coal waste pile; heavy metals in soil; ecological risk

2016-12-13

：2017-02-20

國家自然科學(xué)基金青年項目“煤礦塌陷區(qū)重構(gòu)土壤性質(zhì)演化及植被恢復(fù)的限制因子研究”(41301304)

亢晨宇(1992—),男,山西原平人,碩士研究生,主要研究方向為土壤生態(tài)恢復(fù)。E-mail:kcy9233@163.com

于亞軍(1978—),男,甘肅靈臺人,博士,副教授,主要從事區(qū)域環(huán)境與生態(tài)恢復(fù)方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:yuyajun0211@126.com

X53；X752

：A

：1005-3409(2017)05-0343-04