平頂山礦區丘陵坡地土壤理化性質及質量評價

楚純潔, 周金風

(1.平頂山學院 旅游與規劃學院, 平頂山 467000;2.平頂山學院 化學與環境工程學院, 平頂山 467000; 3.南京大學 化學化工學院, 南京 210093)

煤炭是當前中國最主要的一次性能源，占一次性能源使用量的75%左右。但長期的煤炭開發活動也產生了嚴峻的安全與環境問題，使開采區的生態環境遭到嚴重破壞，土壤結構、地形地貌、景觀生態和生物群落等環境要素發生不可逆轉的變化[1]，土壤質量退化就是諸多退化過程的基礎性表現和重要限制因子。中國每年因采煤塌陷的面積就達到70 km2[2]，使得采煤塌陷區分布廣泛，影響嚴重[3]，造成地表形態的改變、地下水污染、地表土壤結構性變差，改變了原有的土壤理化性質，引起土壤侵蝕、養分流失、土攘持水能力降低、土壤污染、農業生產力下降，對農產品安全及人體健康構成直接或間接地威脅。因此，前人圍繞采煤塌陷地的土壤退化及環境問題進行了廣泛深入的研究[1,4-7]。

平頂山礦區是中國重要的能源化工基地，主要分布于豫西石質丘陵地帶。該地區是河南省生態環境最脆弱的地區之一，處于中國南北氣候地理過渡帶上。特殊的地理位置使得這一地區的土壤環境長期受到煤炭開采與水蝕風蝕的深刻影響。而長期的煤炭資源開采所造成的生態環境問題，不僅直接影響礦區周邊丘陵坡地土壤的健康與生態安全，而且還嚴重威脅著主導下風向的平頂山市城區的環境質量與生態系統功能。但是，針對這一區域土壤退化及污染問題研究仍鮮見報道，王卓理等研究了平頂山市煤礦塌陷區復墾土壤的重金屬污染問題[8]，作者曾研究過平頂山礦區丘陵坡地受采礦行為影響的丘陵坡地土壤的重金屬分布及污染特征[9]。國內有關山地丘陵地區煤炭開采活動的生態環境影響研究主要集中于采煤塌陷地的土壤理化特性、土壤侵蝕等[10-13]，而很少結合礦區周邊丘陵坡地的地形變化來分析土壤理化特性及質量變化的規律，這種同時受水蝕風蝕及煤炭開采活動影響的土壤特性與采煤塌陷地等其他退化類型土壤是否具有相似特點尚不清楚。因此，本文以平頂山礦區的平煤四礦周邊的丘陵坡地為研究對象，以地形變化為主線，以分析特殊地形條件下煤炭開采對土壤理化性質及土壤質量的影響特點及規律，為退化土壤的修復及污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于豫西石質丘陵區(33°08′—34°20′N，112°14′—113°45′E)，為北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，6—8月份盛行南風或偏南風，其他月份以北風或偏北風為主，年均氣溫14.7℃，年均降雨量759 mm。土壤具有典型的過渡性，為南方黃紅壤土向北方褐土的過渡類型，土壤粗骨性比較突出，土層淺薄，多有基巖裸露，土壤厚度多在5～45 cm[14]。

平頂山礦區主要分布于平頂山市區北部的丘陵南坡，東西長約30 km，自1956年以來共建有大型礦井11對，為中國北方重要的煤炭基地。礦區周邊丘陵多屬剝蝕侵蝕地形，工礦開發以來的土壤侵蝕速率增大了近2倍，達到了3 750 t/km2。采樣區為中平能化集團四礦所在的擂鼓臺南坡，母巖為中粗粒石英砂巖、粉砂巖及砂質頁巖。

1.2 樣品采集與處理

結合研究區地形分布，以礦區為中心，分別選取沿坡面變化(A軸)和沿礦區下風向變化(B軸)兩條采樣軸線(圖1)。A軸為研究主軸線，依據不同海拔從坡頂至坡底按土地利用類型設置采樣單元(荒草地、人工林地、坡耕地、人工草坪)，采樣單元坡度介于0°～50°，平均坡度達到20°左右，每個樣點采用蛇形取樣法采集多點表層混合樣(0—15 cm)。B軸為研究區污染主導風向的下風向(東南方向)，分別在距離礦區50，100，200，500，1 000，1 500 m處(高差相差較小)的坡下臺地(坡度介于0°～4°)按蛇形取樣法采集多點表層混合樣，除距離礦區50 m采樣單元為人工草坪外，其他均為坡耕地。

圖1 研究區地形及采樣點位

1.3 測試方法

將土樣自然風干后研磨，全部通過2 mm土壤篩；再分取部分樣品繼續研磨，分別通過1 mm和0.149 mm土壤篩，備測。土壤理化性質采用常規分析方法[15]：土壤顆粒組成采用比重計法，電導率(EC)采用電導法，pH值用2.5∶1水土比電位法，土壤有機質(SOM)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法，全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法，全磷(TP)采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法，全鉀(TK)采用火焰分光光度計法，堿解氮(AN)采用堿解擴散法測定，速效磷(AP)采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—硫酸鉬銻抗比色法測定，速效鉀(AK)采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度計法測定。重金屬元素主要測試Cu，Zn，Cr，Ni，Pb共5種，其中Cu，Zn依據GB/T17138—1997測定，Cr，Ni分別依據GB/T17137—1997和GB/T17139—1997測定，Pb依據GB/T17141—1997測定，所用儀器為日本島津AA—6601F原子吸收分光光度計，用氘燈作背景校正。

1.4 土壤質量評價

本文采用熵權TOPSIS法進行土壤質量評價。該評價方法先由熵權法確定評價指標權重，再基于逼近理想解的技術，確定評價對象的排序[16-17]。具體方法如下[18-19]：

(1) 構建判斷矩陣 假設有n個評價對象(樣本)，每個樣本的評價指標有m個，則所形成的初始判斷矩陣為：

A=(Aij)m×n(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

(2) 初始判斷矩陣的標準化 由于各評價指標的評價單位及量綱可能不同，不具有可比性，為使各指標具有可比性及可計算性，需要對判斷矩陣進行歸一化處理，即標準化，方法如下：

xij=Aij/Amax(Amax為同一標準下的最大值)

(5) 構建加權判斷矩陣R=(rij)n×m，

式中：rij=xij·wj(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

(6) 依據加權判斷矩陣獲取評估目標的正負理想解

式中：J+為效益型指標；J-為成本型指標。

(7) 計算各樣本目標值與理想值之間的歐式距離

(8) 計算綜合評價指標，即各樣本目標值與理想值之間的貼近度，如下式：

式中：Ci∈[0,1]，i=1，2，…，n

(9) 依照相對貼近度Ci的大小對目標進行排序，形成決策依據，Ci值越大，所反映的土壤質量越健康。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質統計特征

對土壤理化性質進行分類統計，見表1。由表1可以看出，平頂山礦區丘陵坡地A軸和B軸土壤機械組成存在顯著差異。雖然兩類軸線方向的土壤均以粉粒為主，但沿坡面不同海拔處的坡地土壤(A軸)砂粒含量遠比礦區下風向不同距離處平緩耕地(B軸)高，平均含量達到了33.14%，而A軸黏粒含量則遠比B軸低，平均值僅為8.43%，且變幅較大。研究區土壤普遍呈弱酸性至堿性，A軸土壤pH值和EC均略低于B軸。A軸土壤SOM，AP和AK含量顯著低于B軸，而土壤TN，AN和TK平均含量高于B軸，TP含量與B軸接近。除粉粒和pH值外，A軸土壤大部分理化性質指標的變異系數明顯大于B軸。這些特征顯然與坡面土壤風蝕、水蝕對細粒物質、養分物質的遷移流失有關。在地形條件影響下，土壤細粒物質、可溶性物質等沿坡面的遷移較為活躍，可通過淋濾入滲或大氣沉降遷移、淋失或累積。土壤重金屬元素含量及其沿A軸和B軸分布在文獻[9]中已有詳盡分析，此處不再贅述。

表1 土壤理化性狀與重金屬元素統計特征

2.2 不同海拔土壤理化性質變化

土壤顆粒組成沿坡面變化(A軸)見圖2A。結果顯示，平頂山礦區丘陵坡地不同海拔處土壤中的砂粒含量均顯著高于黏粒，介于22.90%～57.16%之間，而且砂粒在礦區附近形成了最大的峰值，這顯然與采礦活動對土壤的擾動有關。自礦區沿A軸隨著海拔上升，砂粒含量迅速降低且穩定在23%左右。坡面土壤黏粒含量普遍較低，介于1.84%～17.11%之間，變異系數達到了0.44(表1)。黏粒的坡面變化過程與砂粒相反，在礦區附近含量最低，礦區以下坡面黏粒含量有所增多，而礦區以上則增大顯著，且在近坡頂附近(海拔383～434 m)形成了明顯的峰值，黏粒最大含量達到了17.11%。由此可以推斷，礦區以上坡面黏粒的相對富集與長期采礦活動中所釋放的粉煤灰、粉塵的空氣傳輸有關，受地形阻滯影響，部分細粒物質在礦區以上坡面及近坡頂附近沉降并出現一定程度的累積。

土壤化學性質沿坡面變化(A軸)見圖3。結果顯示，土壤pH值在不同海拔處存在明顯的分異，海拔356 m以上土壤呈酸性，且隨海拔上升而酸性增強，坡頂土壤pH值僅為5.22。坡底海拔154 m處pH值也較低，略呈弱酸性，而海拔介于163～356 m之間的礦區及其周邊坡面土壤則呈堿性，pH值平均達到了7.75，且波動較小。土壤EC值在礦區附近最大，其次為礦區以下坡面，礦區以上坡面相對較小，但與黏粒相似，也在近坡頂附近出現了小幅峰值。由圖3B可以看出，土壤SOM在礦區及以下坡面含量較高，在礦區附近達到了最大值(173.61 g/kg)。隨著海拔上升土壤SOM趨于減小，但在海拔394～450 m的坡上出現了土壤SOM的小幅富集，平均含量達到了78.14 g/kg。土壤AK沿坡面的分布與有機質相似。土壤TP與AP含量沿坡面變化一致，與SOM也具有一定的相似性，在礦區及其坡下100 m范圍內含量最高，礦區以上坡面隨海拔上升而迅速降低，但在近坡頂附近也出現了一定程度的累積。土壤TN沿坡面波動較大，尤其在礦區以下坡面隨海拔降低呈先減小后增大再減小的波動特點，在礦區以上246～356 m的坡面含量較低，而在356 m以上的坡上及近坡頂附近TN含量也較高。土壤TK與AN沿坡面變化相似，在礦區附近含量最低，在坡下及坡底較高，而在礦區以上坡面隨海拔上升而大幅增大，在近坡頂附近含量最高。

由以上分析可以看出，平頂山礦區丘陵坡地不同海拔處土壤的顆粒組成、pH值、EC及土壤肥力等指標大多具有相似的變化特點，在礦區、近坡頂及坡底附近出現了不同程度的富集，這與土壤重金屬Pb，Zn，Cu，Cr和Ni等元素的坡面分布特點一致[9]。由此說明，土壤養分與土壤重金屬元素具有同源性，均與長期采礦活動所釋放的大量粉煤灰、粉塵有關。同時，土壤養分與土壤重金屬元素也具有相似的坡面遷移特點，在近坡頂附近的富集主要與粉塵、粉煤灰的大氣傳播與地形阻滯、沉降有關，而在近坡底附近的富集則可能受地形侵蝕因子與粉塵大氣傳播的雙重影響。

圖2 研究區土壤顆粒組成分布

圖3 不同海拔土壤化學肥力指標含量分布

2.3 礦區下風向不同距離處土壤理化性質變化

圖2B為B軸不同距離處土壤顆粒組成的變化，可以看出，礦區下風向黏粒和砂粒呈相反的分布規律。距離礦區越近，砂粒含量越高，黏粒含量越低，隨著距離的增大，砂粒含量趨于減小，而黏粒含量趨于增大。砂粒在礦區附近含量最高，達到了50.87%，距離礦區500 m以上砂粒含量趨于穩定，平均為24.64%；黏粒在礦區附近含量最低，距離礦區200 m以上黏粒含量趨于穩定，平均達到了7.26%。這一特點反映了礦區煤炭開采活動對下風向土壤的人為擾動，距離礦區越近，地表土壤受采礦活動影響越顯著，由于石質丘陵坡地土層淺薄，母巖多為粉砂巖、砂頁巖，且下伏煤層，極易受到風化剝蝕、水力沖蝕等自然因素及煤炭開采活動等人為因素影響，致使礦區附近粗顆粒物質富集，而細粒物質則受水流沖刷向坡下遷移或在通過氣流攜帶向高空或遠距離傳播，在較高海拔的近坡頂附近及礦區下風向一定距離處沉降、富集。B軸土壤化學性質分布見圖4。結果顯示，土壤pH值、EC，SOM，TN，TP變化趨勢一致，均隨著與礦區距離的增大而減小，其他化學指標的含量變化總體上也具有隨距離增大而減小的特點，與土壤顆粒組成相似，揭示了影響礦區土壤理化性質變化的物質來源及驅動力，以粉煤灰、粉塵為主要物質來源，在煤炭開采活動的直接影響下，以風力傳輸、沉降、水蝕遷移、淋濾入滲為主要遷移途徑。粉煤灰作為一種土壤添加劑在農業、林業領域應用廣泛，對于提高土壤養分有一定作用。有研究認為，粉煤灰中的TP和AP含量均高于土壤，粉煤灰在土壤中的施用可明顯提高土壤中有效磷的含量[20]。因此，本研究中礦區下風向不同距離處土壤的養分含量一般具有隨距離增大而減小的特點。土壤TK與速效養分AN，AP及AK具有相似的變化特點，均在距離礦區100～200 m的范圍內含量最高，之后趨于波動性減小。由于B軸沿線地勢相對平坦、各樣點之間海拔相差不大，且土地利用方式均為耕地，土壤養分尤其速效養分受農業耕作活動影響相對較大，不同地塊之間化肥的不均勻施用可能會造成各采樣區之間土壤養分出現明顯的波動性變化。但是，土壤養分總體上均趨于隨著與礦區距離的增大而減小，則顯然與礦區煤炭開采活動中粉煤灰、粉塵的傳播有關。

2.4 土壤質量評價

由于礦區土壤的特殊性，其質量評價不同于一般性土壤質量評價，重金屬污染應是不可忽視的重要評價因子。基于以上考慮，以表1中各指標為評價因子，依據熵權TOPSIS法進行土壤質量評價，結果見圖5。為綜合反映礦區丘陵坡地土壤的質量變化及采礦活動中重金屬污染對土壤質量的影響，圖5中分別用實線和虛線表示考慮重金屬污染和不考慮重金屬污染兩種情況。通過對比發現，兩種情況下礦區坡地土壤質量基本上呈相似的變化特點，反映了礦區丘陵坡地土壤質量影響因素的同源性。A軸沿礦區不同海拔處虛實兩條線所反映的土壤Ci指數平均值分別為0.30，0.33，實線Ci值略低于虛線，其中，在礦區以上坡面虛實線相非常接近，說明重金屬污染對礦區以上坡面土壤質量不產生明顯影響，而在礦區以坡面實線明顯低于虛線，這顯然與重金屬元素長期的坡面遷移、積累對土壤質量的降低有關；而對于B軸礦區下風向不同距離處，由于重金屬污染疊加影響所導致的土壤質量Ci指數相比不考慮重金屬因素時也略有減小，Ci平均值分別為0.38，0.43，表明采礦活動中重金屬的釋放與污染在一定程度上降低了礦區下風向相對平緩的坡耕地土壤質量。

圖4 礦區下風向不同距離處土壤化學肥力指標含量分布

圖5 研究區土壤歐式貼近度分布

綜合考慮土壤理化性質與重金屬污染因素，從A軸和B軸土壤Ci值的變化來看，A軸和B軸土壤Ci平均值分別為0.30，0.38，土壤質量總體上不高，這主要與平頂山礦區丘陵坡地土層淺薄、質地偏粗等自身特點以及長期的土壤侵蝕有關，還與長期采礦活動所產生的重金屬污染元素積累有關。由圖5A可知，Ci值沿坡面(A軸)在不同海拔處存在顯著差異。在礦區及其坡下100 m范圍內的坡面Ci值最大，平均達到了0.58，土壤質量相比其他海拔處的坡面土壤明顯較好。這是因為，礦區附近受煤炭開采活動影響最大，直接所釋放的粉煤灰對土壤養分條件及提高土壤質量具有關鍵作用。礦區以下100 m范圍內為多年種植楊樹林的臺地，地勢較平，礦區所產生的粉煤灰等受長期的水流沖刷及風力近距離沉降影響而在此處富集，在一定程度上改善了土壤質量，使得該處Ci值達到了最大值(0.63)。礦區以下近坡底附近土壤Ci值也較高，平均值為0.36，主要與礦區粉煤灰、重金屬污染元素沿坡面向下遷移、積累有關。與此相反，礦區以上坡面土壤Ci值最低，平均值僅0.18，且隨海拔上升而趨于減小，土壤質量較差，這與礦區丘陵坡地長期的坡面土壤侵蝕有關。另外，在海拔394～434 m之間的近坡頂附近土壤Ci值略有增大，與土壤黏粒(圖2)、養分指標(圖3)、重金屬元素[9]等在此處的小幅累積相似，這顯然與礦區所產生的粉煤灰、重金屬元素等通過氣流的高空傳輸、地形阻滯截留、沉降有關。

由圖5B可知，礦區下風向(B軸)不同距離處Ci值在礦區附近100 m范圍內最大，土壤質量相對較好，隨著距離的增大Ci值總體趨于減小，土壤質量變差，但在距離礦區下風向1 000 m處Ci值波動性增大，這種波動變化與土壤速效養分相似(圖4)，說明礦區下風向土壤質量的變化不僅與礦區煤炭開采活動中粉煤灰、粉塵的傳播有關，而且可能與耕地農業活動有關，從虛線與實線的對比可以看出，礦區下風向土壤質量不高還與采礦活動引起的重金屬污染疊加有關。雖然礦區下風向100 m以外的采樣區均為耕地，但受石質丘陵坡地土壤自身特性的限制，耕地土壤質量較差。據現場入戶調查，研究區耕地小麥平均產量為3 750～4 500 kg/hm2，僅為當地平原地帶小麥產量的一半。

3 結 論

(1) 平頂山礦區丘陵坡地不同海拔土壤中的砂粒含量顯著高于黏粒，介于22.90%～57.16%之間，砂粒在礦區附近含量最高，而黏粒含量最低，礦區以上砂粒迅速減小而黏粒增多，且在近坡頂附近最高，達到了17.11%。礦區附近坡面土壤呈堿性，而礦區以上海拔高于356 m的坡面土壤則呈酸性，且隨海拔上升而酸性增強。土壤EC，SOM，AK，TP與AP含量在礦區附近含量最高，礦區以上坡面含量最低，但在近坡頂附近略有富集。土壤TN沿坡面波動較大，但近坡頂附近明顯富集。土壤TK與AN在礦區附近含量最低，而在礦區以上坡面大幅增大，在近坡頂附近含量最高。

(2) 在礦區下風向，距離礦區越近，砂粒含量越高，黏粒含量越低；隨著距離的增大，砂粒含量趨于減小，而黏粒含量趨于增大。土壤pH值、EC，SOM，TN及TP隨著與礦區距離的增大而減小，土壤TK，AN，AP及AK在距離礦區100～200 m的范圍內含量最高，之后趨于波動性減小。

(3) 平頂山礦區丘陵坡地土壤質量總體上不高。不同海拔下，礦區及其坡下100 m范圍內的坡面土壤質量較好，近坡底附近土壤質量一般，而礦區以上坡面則較差，但在近坡頂附近土壤質量略有改善。礦區下風向隨著與礦區距離的增大，土壤質量趨于波動性變差。

(4) 平頂山礦區丘陵坡地土壤質量及其分布除了與土層淺薄及土壤自身特點有關以外，還主要與礦區長期的煤炭開采活動對周邊土壤的擾動及其釋放的粉煤灰、粉塵、重金屬元素等的坡面徑流遷移、高空氣流傳輸、地形阻滯沉降有關，而且與耕地農業活動也有一定關系。

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