淮南市煤礦矸石山周邊農(nóng)田土壤理化性質(zhì)研究

薛曉燕，王興明,2，劉少敏，周 鑫，柏 鑫

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.中鋼集團(tuán)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(jìn)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，也給區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的污染和破壞。大規(guī)模的采煤活動已經(jīng)造成地面塌陷、水土流失、土壤重金屬污染、土壤結(jié)構(gòu)破壞和養(yǎng)分變化等情況[1-3]。為了研究和解決上述問題，許多國內(nèi)外學(xué)者們在礦區(qū)土地利用[4]、土壤理化性質(zhì)[5]及土壤質(zhì)量變化及改良[6]等領(lǐng)域展開深入研究。其中，在土壤理化性質(zhì)變化方面，郭二果等[7]在對錫盟勝利煤礦土壤質(zhì)量測定中發(fā)現(xiàn)煤礦開采5年后，周邊草原土壤有機(jī)質(zhì)含量較采礦前增加。鄭永紅等[8]對淮南潘一礦矸石山風(fēng)化物有機(jī)碳分布規(guī)律的初步研究中發(fā)現(xiàn)在煤矸石山堆積風(fēng)化淋溶作用下，已經(jīng)出現(xiàn)有機(jī)碳向周邊土壤遷移趨勢的現(xiàn)象。以淮南市某煤礦為例，對煤礦周圍農(nóng)田土壤根際與非根際及不同深度有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，查明煤礦矸石山周邊農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳分布規(guī)律，以探明煤礦開采、矸石堆積對周圍農(nóng)田土壤養(yǎng)分的初步影響。

2 樣品與方法

2.1 研究區(qū)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(jīng)116°21′21″～117°11′59″與北緯32°32′45″～33°0′24″之間，研究礦區(qū)位于淮南市西部，煤礦所屬區(qū)域為季風(fēng)暖溫帶半濕潤氣候，全年一般春、夏季多東及東南風(fēng)，冬季多東北及西北風(fēng)，平均風(fēng)速1.3～2.9 m/s，最大風(fēng)速8 m/s，年降雨量922.6 mm，最大達(dá)1612 mm。該煤礦后方有一座較大矸石山，周邊有不少農(nóng)田。

2.2 樣品采集與處理

土壤樣品采自淮南某煤礦鄰近農(nóng)田，土壤類型為水稻土。以煤礦為參照，布設(shè)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(shè)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(nèi)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(nóng)田土壤(CK-NT)作為對照樣。將土樣編號，貼上標(biāo)簽，帶回實驗室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，去除石塊、腐葉等雜質(zhì)，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(zhì)采用常規(guī)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(jī)質(zhì)、重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

原始數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析，用Coredraw軟件制圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤礦周邊農(nóng)田中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量特征

從表1可以看出：對照農(nóng)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(qū)農(nóng)田pH值均大于7.00，表明該礦區(qū)農(nóng)田土壤偏堿性，這可能是由于礦區(qū)周圍土壤環(huán)境中物質(zhì)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(guān)，與高宏樟等[10]的研究結(jié)果一致。

礦區(qū)農(nóng)田中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳均值含量為21.57～27.69 g/kg和12.27～18.19 g/kg，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[11]，礦區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分處于中等水平。礦區(qū)農(nóng)田和對照農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量均是隨土壤深度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，根際含量明顯高于非根際(P<0.05)，但是對照農(nóng)田中有機(jī)質(zhì)含量與深度及根際情況無顯著性差異(P>0.05)，有機(jī)碳含量與根際情況差異不顯著(P=0.05)。礦區(qū)農(nóng)田表層與深層土壤對有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳富集率達(dá)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(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量較高，與楊居榮等[12]、鄭永紅等[13]的結(jié)論一致。

圖1 淮南某煤礦區(qū)采樣圖

樣點pH值有機(jī)質(zhì)/(g/kg)有機(jī)碳/(g/kg)表層根際7.790.01b19.350.87cd11.410.92d對照農(nóng)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(qū)農(nóng)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(qū)相比，本礦區(qū)農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳(除撫順礦區(qū))含量較高，一方面是由于本礦區(qū)周圍有很多肥沃農(nóng)田，人為活動及長期施肥所致，另一方面本礦區(qū)農(nóng)田位于煤礦和矸石山的下風(fēng)，長時間的風(fēng)化及淋溶作用使得有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量增加，而新疆西溝煤礦是3個廢棄礦，土壤中有機(jī)質(zhì)含量相對較低，相比其他三個礦區(qū)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(jī)物質(zhì)造成的。而焦作市煤礦土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳較低，主要是煤炭的長期開采活動破壞了周圍土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。山西平朔和內(nèi)蒙鄂爾多斯礦區(qū)有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量較為接近，該區(qū)域土壤中的有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的含量普遍偏低,表明在后期復(fù)墾過程中仍需加大有機(jī)肥的施用。與撫順礦區(qū)相比，本礦區(qū)有機(jī)碳含量較低，主要是由于撫順礦區(qū)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(jī)碳含量較高，不利于植物吸收利用。而本礦區(qū)周圍有圍欄，并且距離農(nóng)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(qū)的植物生長需要，與王興明等[22]的研究結(jié)論相符。

表2 本研究區(qū)有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量與國內(nèi)其它區(qū)域農(nóng)田比較

3.2 煤礦周邊農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳分布特征

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

根際土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量在L1線和L2線上分別距煤礦300、500 m處達(dá)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(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量接近于對照農(nóng)田；非根際土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量在L1線和L2線上分別在距煤礦500、700 m處達(dá)到最大值，之后隨距煤礦越遠(yuǎn)，有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的含量降低。

圖2 表層和深層土壤中有機(jī)質(zhì)含量隨距離變化關(guān)系

圖3 根際和非根孫土壤中有機(jī)質(zhì)含量隨距離變化關(guān)系

圖4 表層和深層土壤中有機(jī)碳含量隨距離變化關(guān)系

圖5 根際和非根際土壤中有機(jī)碳含量隨距離變化關(guān)系

3.3 煤礦周圍農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳分布的影響因素

煤炭開采及矸石堆積會對其周圍環(huán)境產(chǎn)生一定程度的影響，土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)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(qū)，農(nóng)田位于礦區(qū)下風(fēng)向，隨著距離的增加土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。可推斷出，礦區(qū)粉塵在風(fēng)力或淋溶作用下向周圍農(nóng)田遷移，并對周邊土壤有一定的增肥作用。此外，該礦區(qū)周圍農(nóng)田作為農(nóng)地使用時間已久，人類后期土地耕作方式及農(nóng)田管理措施的變化對土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量有一定影響。所以及時了解礦區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量分布特征是合理利用土地，實現(xiàn)土地資源可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

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

(2)礦區(qū)土壤表層中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量均在距離煤礦一定距離后達(dá)到峰值，隨后距煤礦越遠(yuǎn)含量呈降低趨勢，并接近淮南地區(qū)正常農(nóng)田水平，主要是由煤礦產(chǎn)生的粉塵顆粒物隨大氣遷移造成。

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