淮南市煤礦矸石山周邊農田土壤理化性質研究

薛曉燕，王興明,2，劉少敏，周 鑫，柏 鑫

(1.安徽理工大學 地球與環境學院， 安徽 淮南 232001；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 引言

近年來，煤碳資源在促進社會經濟快速發展的同時，也給區域生態環境造成了一定程度的污染和破壞。大規模的采煤活動已經造成地面塌陷、水土流失、土壤重金屬污染、土壤結構破壞和養分變化等情況[1-3]。為了研究和解決上述問題，許多國內外學者們在礦區土地利用[4]、土壤理化性質[5]及土壤質量變化及改良[6]等領域展開深入研究。其中，在土壤理化性質變化方面，郭二果等[7]在對錫盟勝利煤礦土壤質量測定中發現煤礦開采5年后，周邊草原土壤有機質含量較采礦前增加。鄭永紅等[8]對淮南潘一礦矸石山風化物有機碳分布規律的初步研究中發現在煤矸石山堆積風化淋溶作用下，已經出現有機碳向周邊土壤遷移趨勢的現象。以淮南市某煤礦為例，對煤礦周圍農田土壤根際與非根際及不同深度有機質和有機碳含量進行分析，查明煤礦矸石山周邊農田土壤中有機質和有機碳分布規律，以探明煤礦開采、矸石堆積對周圍農田土壤養分的初步影響。

2 樣品與方法

2.1 研究區域概況

淮南市屬于煤炭資源型城市，位于安徽省中部偏北，淮河中游，地處東經116°21′21″～117°11′59″與北緯32°32′45″～33°0′24″之間，研究礦區位于淮南市西部，煤礦所屬區域為季風暖溫帶半濕潤氣候，全年一般春、夏季多東及東南風，冬季多東北及西北風，平均風速1.3～2.9 m/s，最大風速8 m/s，年降雨量922.6 mm，最大達1612 mm。該煤礦后方有一座較大矸石山，周邊有不少農田。

2.2 樣品采集與處理

土壤樣品采自淮南某煤礦鄰近農田，土壤類型為水稻土。以煤礦為參照，布設兩條采樣線(L1和L2，見圖1)，以距離煤礦100、300、500、700、900、1100、1300 m為采樣點，分別設置大小1 m×1 m的樣方，按照表層(0～10 cm)和深層(10～20 cm)采樣，在樣方內采取距離植物根表面小于5 mm土作為根際土，同時，采集校園周圍農田土壤(CK-NT)作為對照樣。將土樣編號，貼上標簽，帶回實驗室內進行風干，去除石塊、腐葉等雜質，然后用木棍將土樣輾碎，過篩(20、100目)，密封保存，土壤樣品基本理化性質采用常規方法：電位測定法(水土比5∶1)測定土壤pH、光度法測定土壤有機質、重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳。

2.3 數據處理與統計分析

原始數據利用Excel和SPSS軟件進行系統分析，用Coredraw軟件制圖。

3 結果與討論

3.1 煤礦周邊農田中有機質和有機碳含量特征

從表1可以看出：對照農田土壤呈中性，表層土壤pH值明顯高于深層土壤pH值(P<0.05)，而礦區農田pH值均大于7.00，表明該礦區農田土壤偏堿性，這可能是由于礦區周圍土壤環境中物質多以堿性氧化物或者弱酸性鹽的形式存在[9]，其表層土壤pH值略小于深層土壤pH(P>0.05)，這可能與表層土壤被煤粉污染有關，與高宏樟等[10]的研究結果一致。

礦區農田中有機質和有機碳均值含量為21.57～27.69 g/kg和12.27～18.19 g/kg，根據全國第二次土壤普查養分分級標準[11]，礦區農田土壤養分處于中等水平。礦區農田和對照農田土壤中有機質和有機碳含量均是隨土壤深度的增加呈現遞減趨勢，根際含量明顯高于非根際(P<0.05)，但是對照農田中有機質含量與深度及根際情況無顯著性差異(P>0.05)，有機碳含量與根際情況差異不顯著(P=0.05)。礦區農田表層與深層土壤對有機質和有機碳富集率達16.25%、6.95%和25.53%、6.16%，其主要原因是在煤炭開采及矸石堆放過程中部分煤粉、煤矸粉摻雜使得土壤中有機質和有機碳含量較高，與楊居榮等[12]、鄭永紅等[13]的結論一致。

圖1 淮南某煤礦區采樣圖

樣點pH值有機質/(g/kg)有機碳/(g/kg)表層根際7.790.01b19.350.87cd11.410.92d對照農田非根際7.100.16c18.150.49d11.200.56d深層根際7.350.47d17.700.34d 8.301.89e非根際6.630.28e16.800.05d 7.441.21e表層根際8.010.16a27.696.13a18.193.96a礦區農田非根際7.950.17a23.824.96b14.493.56b深層根際8.250.19a23.073.71b14.133.05bc非根際8.190.19a21.575.28bc12.273.49cd

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

如表2所示，與其他礦區相比，本礦區農田的有機質和有機碳(除撫順礦區)含量較高，一方面是由于本礦區周圍有很多肥沃農田，人為活動及長期施肥所致，另一方面本礦區農田位于煤礦和矸石山的下風，長時間的風化及淋溶作用使得有機質和有機碳含量增加，而新疆西溝煤礦是3個廢棄礦，土壤中有機質含量相對較低，相比其他三個礦區較高，是由于附近牧民長期放牧，在表層土壤留下了畜生糞便等有機物質造成的。而焦作市煤礦土壤有機質和有機碳較低，主要是煤炭的長期開采活動破壞了周圍土壤生態系統的穩定導致土壤質量下降。山西平朔和內蒙鄂爾多斯礦區有機質和有機碳含量較為接近，該區域土壤中的有機質和有機碳的含量普遍偏低,表明在后期復墾過程中仍需加大有機肥的施用。與撫順礦區相比，本礦區有機碳含量較低，主要是由于撫順礦區周圍堆放廢棄的矸石，而矸石中有一些含碳礦物和少量煤塊致使有機碳含量較高，不利于植物吸收利用。而本礦區周圍有圍欄，并且距離農田有一段距離，使得周圍土壤肥力處于中等水平，基本符合礦區的植物生長需要，與王興明等[22]的研究結論相符。

表2 本研究區有機碳和有機質含量與國內其它區域農田比較

3.2 煤礦周邊農田土壤中有機質和有機碳分布特征

本研究中(圖2～圖5)土壤表層中有機質和有機碳含量均在樣線L1和L2上距離煤礦區300 m和500 m處達到峰值，之后隨距離增大，有機質和有機碳含量有所降低。而土壤深層中有機質和有機碳含量在樣線上L1和L2上距離煤礦區500 m和500、700 m處達到峰值，之后隨距離增大，有機質和有機碳含量大體上減少并趨于正常農田含量。表層土壤有機質和有機碳含量大于深層土壤中有機質和有機碳含量，而對于深層土壤有機質和有機碳的分布則較為均勻。

根際土壤中有機質和有機碳含量在L1線和L2線上分別距煤礦300、500 m處達到最大值，隨后大體上呈降低趨勢，在距離矸石山1100～1300 m處，土壤中有機質和有機碳含量接近于對照農田；非根際土壤中有機質和有機碳含量在L1線和L2線上分別在距煤礦500、700 m處達到最大值，之后隨距煤礦越遠，有機質和有機碳的含量降低。

圖2 表層和深層土壤中有機質含量隨距離變化關系

圖3 根際和非根孫土壤中有機質含量隨距離變化關系

圖4 表層和深層土壤中有機碳含量隨距離變化關系

圖5 根際和非根際土壤中有機碳含量隨距離變化關系

3.3 煤礦周圍農田土壤中有機質和有機碳分布的影響因素

煤炭開采及矸石堆積會對其周圍環境產生一定程度的影響，土壤中有機質和有機碳含量受地形、植被、土壤屬性等多種自然因素和人為因素的影響。本研究為中年礦區，農田位于礦區下風向，隨著距離的增加土壤中有機質和有機碳的含量呈現先增加后降低的趨勢。可推斷出，礦區粉塵在風力或淋溶作用下向周圍農田遷移，并對周邊土壤有一定的增肥作用。此外，該礦區周圍農田作為農地使用時間已久，人類后期土地耕作方式及農田管理措施的變化對土壤有機質和有機碳含量有一定影響。所以及時了解礦區土壤有機質和有機碳含量分布特征是合理利用土地，實現土地資源可持續發展的基礎。

4 結論

(1)煤礦周圍農田土壤偏堿性，土壤表層和深層中有機質和有機碳含量均為表層大于深層，根際大于非根際，該礦區農田土壤處于中等水平。相比其他礦區，本礦區周圍農田土壤更利于作物的生長。

(2)礦區土壤表層中有機質和有機碳含量均在距離煤礦一定距離后達到峰值，隨后距煤礦越遠含量呈降低趨勢，并接近淮南地區正常農田水平，主要是由煤礦產生的粉塵顆粒物隨大氣遷移造成。

(3)煤礦影響了周圍農田表層土壤中有機質和有機碳的分布，在風力或淋溶作用下，煤粉塵對周圍農田有遷移趨勢，對周圍農田有增肥作用。