復(fù)墾煤矸山不同土地利用類型土壤重金屬污染評價(jià)

賀澤好, 于亞軍

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復(fù)墾煤矸山不同土地利用類型土壤重金屬污染評價(jià)

賀澤好1, 于亞軍*

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

土壤重金屬污染是礦區(qū)土壤復(fù)墾的關(guān)鍵限制因子, 而復(fù)墾地利用類型會(huì)對土壤重金屬累積狀況產(chǎn)生影響。因此, 研究不同利用類型復(fù)墾煤矸山土壤重金屬累積狀況并進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià), 可以查明土地利用類型對復(fù)墾地重金屬污染的影響, 也有助于指導(dǎo)煤矸山“因地制宜”的進(jìn)行植被復(fù)墾。以山西省霍州市曹村煤礦煤矸山復(fù)墾耕地、人工林地、草地為研究對象, 分析了3種利用類型復(fù)墾煤矸山土壤中Hg、As、Pb、Cd和Ni含量和污染程度。結(jié)果表明: (1)3種利用類型復(fù)墾地土壤重金屬積累程度存在差異, 并且不同土層情況也不同, 具體為, 在0—20 cm土層, 耕地中Hg和Pb含量高于人工林地和草地, 但Ni含量低于人工林地和草地; 在20—40 cm土層中, 耕地中Pb含量低于人工林地和草地, 人工林地中Ni含量高于耕地和草地; 并且與普通農(nóng)田相比, 3種復(fù)墾地20—40 cm土層中重金屬含量明顯偏高。(2)單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)E表明, 整體來看3種復(fù)墾地中Hg和Cd的生態(tài)危害較重, 其余較輕; 并且不同利用類型復(fù)墾地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)存在差異, Hg、Cd和As在草地中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于耕地和人工林地, Pb和Ni在耕地和人工林地高于草地。綜合污染指數(shù)表明, 3種復(fù)墾樣地土壤重金屬均達(dá)到了嚴(yán)重危害程度, 且各樣地危害程度存在著差異, 具體表現(xiàn)為草地>人工林地>耕地。

煤矸山; 復(fù)墾土壤; 土壤重金屬污染; 土地利用類型

1 前言

煤矸山堆存不僅占用土地資源[1], 而且會(huì)帶來諸多生態(tài)環(huán)境問題[2], 所以, 對煤矸山進(jìn)行復(fù)墾改造是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的迫切任務(wù)。而推平覆土后進(jìn)行植被復(fù)墾是煤矸山治理的重要措施, 并且在我國北方地區(qū)被普遍應(yīng)用[3-4], 但推平覆土后形成的“重構(gòu)土壤”可能受到下層煤矸石中Hg、Cd、Pb、As等重金屬元素遷移轉(zhuǎn)化的影響, 造成復(fù)墾土壤污染[5]。重金屬污染具有多源性、隱蔽性、毒性和不易降解等特點(diǎn)[6-7], 當(dāng)累積到一定程度, 不僅會(huì)破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能, 還可能通過食物鏈進(jìn)入人體, 威脅人類健康[8]。研究表明, 土地利用類型的不同對土壤重金屬元素遷移和富集具有強(qiáng)烈影響[9], 但當(dāng)前對于煤礦區(qū)土壤重金屬污染的研究結(jié)論更多是從礦區(qū)廢棄地和塌陷復(fù)墾區(qū)研究得到的[10-11]。針對復(fù)墾煤矸山不同土地利用類型下土壤重金屬積累情況的研究報(bào)道相對較少。因此, 研究復(fù)墾煤矸山不同土地利用類型下土壤重金屬含量并進(jìn)行污染狀況生態(tài)評價(jià)十分必要, 可以為煤矸山復(fù)墾地科學(xué)利用提供參考依據(jù)。

山西煤炭儲(chǔ)量大, 矸石產(chǎn)出多, 堆積量大, 復(fù)墾任務(wù)艱巨。近年來, 已有多座早期堆存的煤矸山采用推平覆土的方式進(jìn)行了復(fù)墾治理。因此, 以此為研究區(qū)具有典型性。本研究以山西省霍州市曹村煤礦復(fù)墾8年的煤矸山為例, 分析了3種土地利用類型(耕地、人工林地和草地)土壤重金屬Hg、As、Pb、Cd和Ni含量, 并運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行危害程度評價(jià), 研究結(jié)果可為復(fù)墾煤矸山“因地制宜”的進(jìn)行植被恢復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市曹村礦區(qū)。該礦位于臨汾盆地北緣, 霍州南端。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 冬季寒冷干燥; 夏季炎熱, 雨熱同期。年平均氣溫12.2 ℃, 年降水量為353—688 mm左右, 年蒸發(fā)量為900—1300 mm左右。土壤類型以褐土為主。

研究樣地位于該礦南下莊矸石山(111°42′E, 36°30′N), 海拔959 m。該矸石山從1959年使用, 矸石堆存量約為200×104t, 占地約1.6×104m2, 垂直高度約50 m, 坡度約40°。矸石山于2006年進(jìn)行推平覆土, 作業(yè)時(shí)先用廈工50型裝載機(jī)(自重17 t)對矸石山進(jìn)行推平, 壓實(shí)后再覆土80—100 cm(復(fù)墾時(shí)覆土土壤均取自煤矸山附近, 其表層土壤重金屬Hg、Pb、Cd、As含量分別為0.02、15.23、0.11、11.3 mg·kg-1), 然后整平土地進(jìn)行植被復(fù)墾。復(fù)墾后土地利用類型包括耕地(玉米,), 人工林地(種植桃樹,和山楂,)和自燃退化草地(包括虎尾草,白羊草,、狗尾草,等)3種。

2.2 土樣采集與分析

樣地類型包括耕地(CL)、人工林地(AF)和自燃退化草地(GL), 同時(shí)以復(fù)墾區(qū)附近普通農(nóng)田為對照(CK), 各樣地理化性狀具體見表1。采樣時(shí)間為2016年10月, 采樣時(shí)為了減輕推平覆土?xí)r造成的土壤重金屬空間差異的影響, 盡量按照樣地形狀和面積布設(shè)多個(gè)采樣點(diǎn), 每樣地劃分3個(gè)樣方, 每個(gè)樣方用對角線法取5—8點(diǎn)混合成1個(gè)樣品, 由此每樣地樣點(diǎn)數(shù)為15—24個(gè)點(diǎn)。用土鉆垂直采樣, 深度為0—20 cm和20—40 cm。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干, 剔除石礫和植物根系等雜物, 磨碎, 過100目尼龍篩, 保存于塑料袋待測。

(1)土壤理化性質(zhì): pH—電位法, 有機(jī)質(zhì)—重鉻酸鉀法, 土壤粒度—英國Mastersizer2000型激光粒度儀, 全氮—?jiǎng)P氏定氮法, 全磷—酸溶鉬銻抗比色法, 土壤速效氮—堿解擴(kuò)散法, 速效磷—碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法, 速效鉀—醋酸銨提取火焰光度法[12]。(2)重金屬全量: 土樣樣品放入聚四氟乙烯坩堝, 采用硝酸—?dú)浞帷呗人狍w系消解。Hg、As的測定用冷原子吸收分光光度法(GB/T 17136—1997), Pb、Cd、Ni的測定用KI—MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17140—1997), 重復(fù)3次, 取平均值。

表1 3種復(fù)墾樣地和對照樣地(CK)土壤主要理化性狀

2.3 污染評價(jià)方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法[13]的計(jì)算公式為:

3 結(jié)果與分析

3.1 3種土地利用類型復(fù)墾樣地土壤重金屬含量

表3是復(fù)墾耕地(CL)、人工林地(AF)、退化草地(GL) 重金屬含量及高出普通農(nóng)田(CK)的比例。首先從各樣地重金屬含量來看, 在0—20 cm土層, 3種土地利用類型中As和Cd含量無明顯差異, 但Hg、Pb和Ni差異明顯, 表現(xiàn)為CL樣地Hg、Pb含量顯著高于AF和GL樣地, 但Ni含量正好相反; 在20—40 cm土層, 3種土地利用類型中Hg、As和Cd含量無明顯差異, 但CL樣地Pb含量顯著低于AF和GL樣地, AF樣地Ni含量高于CL和GL樣地。其次從復(fù)墾樣地重金屬含量高出CK的比例來看, 在0—20 cm土層中, 3種土地利用類型中As和Cd含量均高于CK, 但Hg、Pb和 Ni均不同程度的低于CK; 在20—40 cm 土層除Ni外, 其余重金屬含量均高于CK。

總體上看, 3種土地利用類型中, As和Cd含量無明顯差異, 但Hg、Pb和Ni在0—20和20—40 cm土層中存在著差異, 其中在0—20 cm土層, CL樣地Hg、Pb含量明顯高于AF和GL樣地, 但Ni含量低于AF和GL樣地; 在20—40 cm土層, CL樣地Pb含量明顯低于AF和GL樣地, AF樣地Ni含量高于CL和GL樣地; 從復(fù)墾地重金屬含量與CK的差異來看, 在0—20 cm 土層復(fù)墾樣地As和Cd含量均高于CK, 但在20—40 cm 土層除Ni外, 其余重金屬含量均高于CK。

3.2 不同土地利用類型中重金屬生態(tài)危害評價(jià)

表2 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)程度的關(guān)系

表3 3種土地利用類型復(fù)墾煤矸山土壤重金屬含量及其與CK對比

Tab.3 Heavy metals content of 3 land use types and its comparison with CK

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

表4 3種土地利用類型樣地土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價(jià)結(jié)果

Tab.4 Evaluation results of potential ecological risk of heavy metals in 3 land use types

4 討論

另外, 從復(fù)墾樣地與普通農(nóng)田(CK)的含量對比研究發(fā)現(xiàn), CK在0—20 cm土層中Hg、Pb和Ni含量要明顯高于復(fù)墾地, 其中Pb表現(xiàn)最明顯, 達(dá)到45.1%, 其次為Ni和Hg元素, 分別為33.5%和27.6%。有研究表明, 煤礦區(qū)周圍農(nóng)田土壤的重金屬污染主要來源于含重金屬粉塵沉降[16]。由此推斷, CK在0—20 cm土層中Hg、Pb和Ni含量高于復(fù)墾樣地的原因可能與含重金屬粉塵沉降相關(guān)。而與CK不同的是, 復(fù)墾地通過推平覆土形成的重構(gòu)土壤, 打亂了原有的土層結(jié)構(gòu), 受粉塵沉降影響時(shí)間短, 所以造成CK在0—20 cm土層中Hg、Pb和Ni的含量高于復(fù)墾樣地, 這也從側(cè)面反映了礦區(qū)表層土壤存在明顯的重金屬污染。

5 結(jié)論

(1)3種土地類型中Hg、Pb和Ni的累積差異顯著, 在0—20 cm土層, 耕地Hg、Pb含量明顯高于人工林地和草地, 但Ni正好相反; 在20—40 cm土層, 草地Hg含量顯著高于人工林地和耕地, 人工林地Pb、Ni含量高于草地和耕地; 與普通農(nóng)田相比, 復(fù)墾地20—40 cm土層重金屬累積狀況高于0—20 cm 土層。

(2)從單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir看, 3種復(fù)墾地中Hg和Cd的生態(tài)危害程度較重, 且草地中Hg、Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)顯著高于其他兩種樣地, 其余元素的生態(tài)危害程度均較輕; 從綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)上看, 3種復(fù)墾樣地土壤重金屬均達(dá)到嚴(yán)重危害程度, 且各樣地危害程度存在著差異, 由大到小依次為草地、人工林地、耕地。

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Evaluation of heavy metal pollution in different reclamation land types on coal waste pile

HE Zehao1, YU Yajun*

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

Soil pollution by heavy metals is the key limiting factor in reclaiming mine area, and the land use types of reclamation have an effect on the accumulation of heavy metals in soil. Investigating the contents of heavy metals in different land use types and assessing ecological risks can find out the effect of the land use types on soil pollution by heavy metals in coal waste pile, and also provide guideline to the reclamation of soil “according to the local condition”. Three land use types of cultivated land, artificial forest and grass land in reclamation coal waste pile in Cao Village of Huozhou City in Shanxi Province are selected as research objects to analyze the contents and pollution degree of five heavy metals, Hg, As, Pb, Cd and Ni in soil three reclaimed soil on coal waste pile. The resultsare as follows. (1) There was a difference in the degree of heavy metal accumulation in the 3 types of land reclamation,and different soil conditions are also different. Specifically, in 0-20 cm soil layer, the content of Hg and Pb in cultivated land is obviously higher than that of artificial forest and grassland, but the content of Ni is lower than that of artificial forest and grassland; in 20-40 cm soil layer, the content of Pb in the cultivated land is significantly lower than that of artificial forest and grassland, while the content of Ni in FL is higher than that of cultivated land and grassland. Compared with ordinary farmland,the content of heavy metal in 20-40 cm soil layer of 3 land reclamation land is obviously higher. (2) The single factor of potential ecological risk coefficientEshows that on the whole the ecological risk of Hg and Cd in 3 reclaimed soil is higher, while that of the rest is low risk; as to the risk differences of heavy metals in different land use types, the ecological risk of Hg, Cd and As in grassland is significantly higher than that of the other two kinds of land, and the ecological risk of Pb in cultivated land and Ni in artificial forest is higher that in grass land; the comprehensive pollution index shows that the heavy metals in reclaimed soil have reached to serious risk level, and there are differences among risk levels in 3 reclaimed soil, from high to low being grassland, artificial forest and cultivated land.

coal waste pile; reclaimed soil; soil heavy metal contamination; land use types

X829

A

1008-8873(2018)01-145-05

2017-03-21;

2017-04-07

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41301304)

賀澤好(1988—), 男, 山西應(yīng)縣人, 碩士研究生, 主要從事土壤生態(tài)恢復(fù)方面的研究。E-mail: 470161650@qq.com

于亞軍(1978—), 男, 甘肅靈臺(tái)人, 副教授, 博士, 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

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.019

賀澤好, 于亞軍. 復(fù)墾煤矸山不同土地利用類型土壤重金屬污染評價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(1): 145-149.

HE Zehao, YU Yajun. Evaluation of heavy metal pollution in different reclamation land types on coal waste pile[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 145-149.