煤矸山復墾重構土壤剖面養分含量和重金屬污染狀況分析

任珊珊，于亞軍

(山西師范大學地理科學學院,山西 臨汾 041004)

煤矸山復墾重構土壤剖面養分含量和重金屬污染狀況分析

任珊珊，于亞軍*

(山西師范大學地理科學學院,山西 臨汾 041004)

【目的】土壤養分狀況不佳和重金屬污染是煤矸山重構土壤植被恢復的兩個重要限制因子。因此，分析煤矸山復墾地重構土壤剖面養分及重金屬污染狀況有助于查明煤矸山植被恢復的關鍵限制因子，為煤矸山植被復墾提供理論指導。【方法】研究以山西省霍州曹村煤礦復墾果園(OP)和復墾農田(FL)為對象，通過與當地普通果園(OP-CK)和普通農田(FL-CK)對比，分析了2種復墾地土壤養分和重金屬(Cu、Pb、Cr和Zn)含量在1m土層剖面中的變化情況。【結果】①與當地的普通果園和普通農田相比，復墾果園和復墾農田1m土層中土壤養分含量較差，特別是有機質表現明顯，從養分狀況的剖面差異來看，復墾農田養分狀況總體優于復墾果園，兩種復墾樣地中有機質在表層(0～20 cm)、中層(20～60 cm)和深層(60～100 cm)均偏低，復墾果園表層速效養分偏低，中層除速效鉀外，其余養分均較差，深層全量養分含量偏低，復墾農田全氮含量在表層、中層和深層均較差，而堿解氮在深層較差。②從2種復墾地土壤重金屬含量與當地普通樣地的差異來看，復墾果園土壤中Cu和復墾農田土壤中Cu、Zn含量在1m土層中均不同程度的超過普通樣地，Pb和Cr含量在某些土層也超過普通樣地；③從單項污染指數評價結果來看，復墾果園和復墾農田中Cu和Pb分別達到中度污染和輕度污染，復墾農田中Cr也達到了輕度污染。從綜合污染指數評價結果來看，復墾果園達到了中度污染，復墾農田達到了輕度污染。【結論】復墾樣地的養分含量與普通樣地相比較差，尤其是土壤有機質，復墾農田有機質及速效養分狀況優于復墾果園，復墾果園中Cu和Pb、復墾農田中Cu、Pb和Cr均出現了不同程度的累積狀況，尤其是2種復墾樣地中的Cu已達到了中度污染。

煤矸山；重構土壤；養分剖面差異；重金屬污染

【研究意義】煤矸石是井工采煤排放的廢棄物，其綜合利用率低，主要以堆積的形式處理[1-3]。堆積形成的煤矸山不僅占用大量土地，還可能引發一系列的生態環境問題[4-5]。因此，對煤矸山進行復墾治理是改善礦區生態環境，實施煤礦區生態重建的迫切工作[6]。【前人研究進展】在取土條件便利的北方地區，煤矸山治理多采用推平覆土后進行植被復墾[7]。但煤矸山推平覆土時通過工程技術措施(如鏟平和碾壓)形成的“重構土壤”打亂了原有土壤結構和層次特點，造成土壤性質的很大變化[8]，當其被復墾為農業用地類型(如農田、果園等)時，土壤肥力恢復狀況可能是植被恢復的限制因子之一。同時，推平覆土后煤矸石中的重金屬可能會遷移轉化進入 “重構土壤”中，造成重金屬污染[9]，這可能是煤矸山植被恢復的另一重要限制因子。【本研究切入點】目前針對煤矸山植被復墾的研究更多集中于植被恢復技術和機制[10]、植被恢復模式[11]和植被動態[12-14]等方面，對復墾煤矸山土壤性質演化過程和植被復墾時關鍵限制因子方面的研究報道相對較少。研究煤矸山重構土壤養分和重金屬污染狀況有助于查明復墾煤矸山植被復墾的關鍵限制因子。山西省長期高強度采煤已形成了300多座矸石山[15]。近年來，多個煤矸山通過覆土復墾的方法得到治理，以此為研究區開展煤矸山復墾土壤養分和重金屬狀況研究具有典型性。【擬解決的問題】本研究以山西省霍州市曹村煤礦復墾多年的煤矸山為研究對象，通過與當地普通農田對比，分析復墾重構土壤的養分和重金屬含量的變化特征，以及重金屬在重構土壤剖面中的累積狀況，以期查明煤矸山復墾后土壤中關鍵養分和重金屬限制因子，為煤矸山的植被恢復提供基礎數據和科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省霍州市霍煤集團曹村礦區，該礦區距霍州市約7 km。本區為溫帶季風氣候，多年平均氣溫12.1 ℃，年均降雨量437.3 mm，區內山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。土壤類型為褐土。 研究樣地位于該礦南下莊矸石山(36°30′47.9″N，111°42′11.1″E)，該矸石山從1959年開始使用，復墾時矸石堆存量約為2.0×106t，占地約1.6×104m2，垂直高度約50 cm。矸石山于2008年推平覆土綠化，覆土厚度頂部為100～120 cm，復墾時覆土土壤均取自煤矸山附近。復墾后形成了農田(種植玉米)和果園(種植山楂樹)2種植被類型。

1.2 樣品采集

采樣地為煤矸山推平覆土6年的復墾果園(OP)和復墾農田(FL)，同時以煤矸山附近普通果園(OP-CK)和普通農田(FL-CK)為對照，土樣采集時間為2014年9月。復墾果園和復墾農田每年均施牛、羊糞，施肥量和施肥方式與當地普通果園和農田一致。采用“s”型采樣法用土鉆取土，在每個樣地各選擇5個采樣點，混合形成一個樣品。各點取土深度均為100 cm，每20 cm一層，樣品帶回實驗室，自然風干后剔除大石塊、植物根系等雜物，磨細后過20、60、100目尼龍篩，裝袋密封待測。

1.3 土樣測試及污染評價方法

有機質用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮采用濃硫酸消煮半微量凱式法；全磷采用氫氧化鈉-鉬銻抗比色法；全鉀采用氫氧化鈉堿溶-火焰光度法；堿解氮用堿解擴散法；速效磷用碳酸氫鈉浸提法；速效鉀用乙酸銨-火焰光度法[16]。重金屬含量采用HNO3-HCIO3消解，利用nov-AA400火焰-石墨爐原子吸收光譜儀進行測定。重金屬污染狀況評價采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法進行，具體評價方法和污染狀況分級按照《全國土壤污染狀況評價技術規定(環發[2008]39號)》進行。

2 結果與分析

2.1 復墾地土壤剖面養分與普通農田的差異

從表1可知，從整個1 m土層養分的平均含量來看，與OP-CK樣地相比，OP樣地除速效鉀偏高外，土壤有機質、所有全量養分和堿解氮、有效磷均明顯偏低，特別是有機質和堿解氮含量分別偏低44.0 %和36.7 %；與FL-CK樣地相比，FL樣地中土壤有機質和全量養分均明顯偏低，但所有速效態養分均不同程度偏高。

從復墾樣地與普通樣地剖面養分含量的差異來看，在0～20 cm土層，OP樣地中除全氮和全磷含量與OP-CK樣地相當外，有機質、全鉀和所有速效態養分含量均明顯偏低，在20～60 cm土層，OP樣地除速效鉀含量較OP-CK偏高外，其余養分含量均偏低。在60～100 cm土層，OP樣地除全磷、堿解氮和速效鉀外，其余養分均較OP-CK偏低。與FL-CK樣地相比，0～20和20～60 cm土層中FL樣地有機質和全氮均偏低，其余養分含量偏高，60～100 cm土層中有機質、全氮和堿解氮偏低，其余養分含量偏高。

表1 不同植被利用類型樣地土壤養分含量的剖面差異Table 1 Soil nutrients of soil profile in 1 m between different sample plots

從復墾樣地與普通樣地剖面養分變化趨勢的差異來看，FL樣地較OP樣地更接近普通樣地的剖面養分的變化趨勢，在FL樣地中，除土壤有效磷外，其他養分含量在1 m土層中均隨著土層深度的增加而降低，而OP樣地中，僅土壤有機質、全氮和全鉀符合這種趨勢。

由此可見，從1 m重構土層養分的平均狀況來看，與普通果園和普通農田相比，復墾果園和復墾農田養分含量較差，特別是有機質表現明顯。但不同土層復墾樣地與普通樣地養分含量的差異有所不同，2種復墾樣地中有機質在3個土層均偏低，復墾果園表層(0～20 cm)速效養分含量偏低，中層(20～60 cm)除速效鉀含量偏高外，其余養分均偏低，而深層(60～100 cm)全量養分含量偏低；復墾農田土壤養分含量相比復墾果園相對較好，有機質和全氮在3個土層均偏低，而堿解氮在土壤深層偏低。 復墾農田的養分剖面狀況優于復墾果園。

2.2 復墾地土壤剖面重金屬污染狀況與普通農田的差異

從表2可知，從整個1 m土層的平均狀況來看，與普通果園(OP-CK)和普通農田(FL-CK)相比，OP樣地和FL樣地中Cu、Zn元素的含量偏高，Pb、Cr元素含量偏低。再從2種復墾樣地不同土層重金屬含量與普通樣地差異來看，在表層(0～20 cm)，OP樣地和FL樣地Cu、Zn含量均偏高， 但Pb、Cr含量均偏低；在中層(20～60 cm)，OP樣地僅有Cu含量偏高且差異較小，FL樣地除Cr含量偏低外，Cu、Pb和Zn含量均偏高，且Pb和Zn的差異分別達到19.69 %和19.06 %；在深層(60～100 cm)，OP樣地除Cr偏低外，Cu、Pb和Zn含量均偏高，且Pb差異達到27.35 %，FL樣地Pb、Cr含量偏低，Cu、Zn含量偏高。

可見，與普通果園和普通農田相比，從整個1 m土層來看，復墾果園和復墾農田Cu和Zn的含量均偏高。從不同土層來看，復墾果園Cu和復墾農田Cu、Zn含量在3個土層均偏高，Pb和Cr在個別土層含量偏高。復墾果園和復墾農田分別在深層和中層均出現Cu、Pb和Zn含量偏高。

從單項污染指數(表3)來看，在整個1 m土層，2種復墾樣地中Cu、Pb和Zn表現一致，但Cr存在差異，Cu、Pb、Zn分別為中度累積、輕度累積和清潔狀態，Cr在OP樣地中為清潔狀態， FL樣地中為輕度累積；從不同土層來看，在表層(0～20 cm)，OP樣地和FL樣地Cr和Zn均未出現累積，但Pb均為輕度累積，Cu的污染程度分別為重度和中度累積；在中層和深層土壤中，OP樣地Pb、Cr和Zn的污染狀況與表層一致，Cu達到中度累積，FL樣地除Cr為輕度累積外，其他重金屬元素污染狀況與表層一致。從綜合污染指數來看，1 m土層的整體平均狀況與不同土層間的狀況一致，OP樣地達到中度累積，FL樣地為輕度累積。

表2 2種植被利用類型復墾地土壤重金屬含量及高出對照的比例Table 2 Content of heavy metals in soil with different sample plots and the ratio higher than the CK

可見，就單項污染指數而言，復墾果園Cu、Pb的污染狀況較嚴重，Cu達到了中度累積，在表層甚至達到重度累積，Pb達到了輕度累積，復墾農田Cu、Pb、Cr的污染狀況較嚴重，Cu達到中度累積，Pb和Cr達到輕度累積，但Cr在表層卻表現為清潔狀態；就綜合污染指數而言，在整個1 m土層，復墾果園達到了中度累積，復墾農田為輕度累積。

3 討 論

研究發現，從復墾樣地與普通樣地1m土層養分平均含量的差異來看，復墾果園(OP)中土壤有機質、土壤全量和速效養分含量均較普通果園差(OP-CK)，并且復墾農田(FL)中土壤有機質和全量養分也較普通農田(FL-CK)差。同時，從復墾樣地與普通樣地養分狀況的剖面差異來看，OP樣地在0～20、20～60和60～100 cm 3個土層中均較OP-CK樣地的對應土層差，尤其是0～20和20～60 cm土層中有機質和速效養分的含量表現更為明顯，并且FL樣地中土壤有機質和全氮在3個土層中也均低于FL-CK樣地，由此說明本研究區2種復墾樣地土壤養分含量總體狀況仍未達到與普通樣地相當的水平。此外，研究還發現，2種普通樣地中土壤養分的剖面分布呈現為隨土層深度增加而降低的趨勢，但是在復墾樣地中，尤其在復墾果園并非如此，這也說明煤矸山推平覆土形成的“重構土壤”打亂了原有土壤養分的層次特點[8]。

同時，從復墾樣地與普通樣地土壤重金屬含量及污染程度評價結果來看，2種復墾樣地中Cu和Zn的含量均高于普通樣地，并且就單項污染指數評價結果而言，2種復墾樣地中Cu均達到中度累積，這可能是煤矸石中的重金屬元素遷移轉化進入上層“重構土壤”中造成的[9]。

表3 2種植被利用類型復墾地復墾土壤重金屬污染指數評價結果Table 3 Evaluation results of heavy metal pollution index of reclaimed soil with different sample plots

4 結 論

從1 m土層養分含量的平均狀況看， 2種復墾樣地均低于普通樣地，特別是有機質。從養分狀況的剖面差異看，復墾農田養分狀況總體優于復墾果園，復墾果園表層速效養分偏低，中層中除速效鉀外，其余養分均較差，深層中全量養分含量偏低；而復墾農田有機質和全氮含量在3個土層中較差，而堿解氮在深層較差。復墾農田的養分剖面狀況優于復墾果園。

與普通果園和普通農田相比，復墾果園中Cu偏高，復墾農田Cu、Zn的含量均偏高，Pb和Cr在某些土層含量偏高。復墾果園和復墾農田分別在深層和中層均出現Cu、Pb和Zn 3種重金屬含量偏高。從單項污染評價結果來看，復墾果園和復墾農田中Cu和Pb均達到中度累積和輕度累積，復墾農田的Cr也達到了輕度累積。從綜合污染指數評價結果來看，復墾果園達到了中度累積，復墾農田為輕度累積。

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StudyonSoilNutrientsandHeavyMetalContentsinReconstructedSoilonCoalWastePile

REN Shan-shan，YU Ya-jun*

(College of Geography Sciences,Shanxi Normal University,Shanxi Linfen 041004,China)

【Objective】Poor soil nutrient and heavy metal pollution are two important effect factors for reclaimed vegetation in coal waste pile.Therefore,it helps to identify the key limiting factor and provids the basis evidence for reclaimed vegetation of coal waste pile by studying the soil nutrient and heavy metal pollution of reconstructed soil on coal waste pile.【Method】The study was conducted in two types of reclamation agro-forestry land as reclamation orchard (OP) and farmland reclamation (FL) on a coal waste pile in Cao village,Huozhou county,Shanxi province.The difference of soil nutrients and heavy metal contents in 1m soil layers between OP and FL were analyzed by contrast with conventional orchard (OP-CK) and conventional farmland (FL-CK).【Result】 (i) The soil nutrients contents in OP and FL were poor than OP-CK and FL-CK,the organic matter contents were obvious,especially and nutrients difference in profile showed: the soil nutrients in FL were better than OP,soil organic matter contents were poor in soil layers as 0-20,20-60 and 60-100 cm of two types reclaimed land.In OP,soil available N,P and K were poor in top-soil,soil nutrients in middle soil layer were poor,except of soil available K.Soil total N,P and K were poor in deep layer.In FL,soil total N were poor in the three soil layers,soil available N was poor in deep layer.(ii) The content of Cu in OP and Cu，Zn in FL were higher than that of conventional land,Pb and Cr content in OP and FL were also higher than that of OP-CK and FL-CK in some soil layer.(iii) The single pollution index results showed: Cu and Zn in OP and FL reached moderate accumulation and slight accumulation,Cr in FL reached slight accumulation.OP reached moderate accumulation and FL reached slight accumulation in comprehensive pollution index.【Conclusion】The soil nutrients contents in reclamation were poor than that of in ordinary land,especially the organic matter.The organic matter and available nutrients in FL were better than in OP,they appear the accumulation of different degrees which is the content of Cu,Pb in OP and Cu,Pb,Cr in FL,especially the content of Cu in OP and FL reached moderate accumulation.

Coal waste pile; Reconstructed soil; Nutrient difference in profile; Heavy metal pollution

1001-4829(2017)4-0842-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.022

2016-06-01

國家自然科學基金青年項目(41301304)

任珊珊(1991-)，女，山西晉城人，碩士研究生，主要從事土壤生態恢復方面的研究，E-mail：642386049@qq.com，*為通訊作者：于亞軍(1978-)，男，甘肅靈臺人，副教授，博士，主要從事區域環境與生態恢復方面的教學與科研工作，E-mail：yuyajun0211@126.com。

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(責任編輯 李 潔)