青海木里煤田聚乎更礦區土壤肥力及重金屬風險評價

2022-05-08 05:51:12張谷春王彥君方惠明

煤田地質與勘探 2022年4期

王佟，章梅，徐輝，張谷春，王彥君，方惠明，李媛

(1.中國煤炭地質總局，北京 100038；2.江蘇地質礦產設計研究院(中國煤炭地質總局檢測中心)，中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室，江蘇徐州 221000；3.中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

木里煤田是青海省最大的煤礦區，也是西北地區重要的煉焦煤資源產地[1]，在開采煤炭資源的同時，在地表形成了規模不等的采坑和排土場，嚴重破壞植被和地貌景觀，土壤受到挖損和壓占，其中，聚乎更礦區開發強度相對較大，對生態環境擾動和破壞明顯[2-3]。目前，以廢渣為充填基質進行土地復墾已成為釆煤沉陷區生態恢復治理工程中的一項重要技術[4-5]，然而，在長期風化、浸泡和淋溶作用下[6-7]，廢渣、廢石中的重金屬可能進入周邊土壤及地下水中，對礦區生態環境造成危害[8]。同時，木里煤田聚乎更礦區地處黃河重要支流大通河的發源地，生態地位極為重要[9]。因此，礦區生態環境亟需修復治理。木里礦區生態修復治理是我國在高原、高寒、高海拔地區開展的大面積礦山治理的首例示范性工程[9-10]，但目前針對木里聚乎更礦區土壤肥力質量以及土壤重金屬風險評價方面的研究較少[10]。因此，筆者以聚乎更礦區土壤為研究對象，分析土壤肥力指標和重金屬含量的分布特征及變化規律，運用主成分分析法和潛在生態危害指數法分別對土壤肥力質量和重金屬生態風險進行評價，以期為礦區生態環境綜合整治、各井田采坑、排土場一體化治理工程設計提供科學的依據，因地制宜地提出切實可行的土壤重構措施和建議。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

青海木里煤田聚乎更礦區地處祁連山脈的中南部地區，在大通山以北、托萊山以南的江倉斷陷盆地內，總體呈東南低、西北高的趨勢，地表高程為4 000～4 300 m[11]。年平均氣溫-0.39℃左右，年平均降水量277 mm，屬典型的高原大陸性氣候。礦區土壤類型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主；區域內廣泛發育凍土，上部土壤因降水、冰川融雪補給而發育成沼澤，高山草甸土是高山帶中部地區的主要分布土壤類型[3]。植被類型分為高寒沼澤類和高寒草甸類。

1.2 土壤樣品采集

木里煤田聚乎更礦區煤層埋藏淺，上覆薄層第四系松散層堆積物，或直接出露地表，屬暴露式-半隱伏式煤田[12]。煤炭資源開采方式為露天開采，通過大開挖方式，在開采煤炭資源的同時，在地表形成了規模不等的采坑和排土場，破壞礦區生態環境。根據礦區采坑、排土場現狀圈定本次研究范圍，主要涉及哆嗦貢瑪井田、三號井田、四號井田、五號井田、八號井田和九號井田，排土場現狀詳見表1。根據各井田排土場面積布置采樣點，其分布如圖1 所示。每個采樣點的樣品為表層0～20 cm 的混合土壤樣，采用四分法取1 kg 土壤樣品，共采集42 份排土場土壤樣品。將采集后的土壤樣品置于陰涼通風處自然風干，剔除樹枝、草根、石塊等雜物，碾碎過篩后留存備用。

圖1 木里煤田聚乎更礦區土壤樣品采樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling points in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

表1 木里礦區排土場情況Table 1 List of coal gangue situation in Muli Coalfield

1.3 測試指標及方法

主成分分析法在土壤肥力評價中的應用最為廣泛[13]，能較好地體現指標信息，評價結果更為客觀、全面、可靠[14]；潛在生態危害指數法能綜合考慮多種重金屬的協同作用，其毒性水平和環境對重金屬污染敏感性等因素，在環境風險評價中得到廣泛應用[15]。因此，本文選用主成分分析法、潛在生態危害指數法分別對木里煤田聚乎更礦區土壤肥力、土壤重金屬風險進行評價。根據《土壤質量指標與評價》[16]提出的主導性、生產性和穩定性的肥力指標選取原則，結合木里煤田聚乎更礦區特定的環境狀況，選取土壤pH 值、有機質、陽離子交換容量(CEC)、全氮、速效鉀、速效氮、速效磷等重要指標作為肥力評價因子，并分析各指標的分布特征。土壤肥力評價因子和重金屬風險評價因子及測試方法見表2，運用Excel、Origin、SPSS軟件進行統計分析。

表2 測定指標及測定方法Table 2 Measurement indexes and methods

2 結果與討論

2.1 土壤肥力指標分布特征

圖2 為木里煤田聚乎更礦區各井田土壤pH 值分布柱狀，整個研究區的土壤呈堿性，這是由于研究區內土壤中鹽分含量較高，使其土壤呈堿性；其次，在淋濾作用下，排土場滲濾液進入土壤使土壤pH 值升高。五號井田土壤pH 平均值最低(7.34)，為弱堿性；四號井田土壤pH 平均值最高(8.64)，呈強堿性。圖3 為木里煤田聚乎更礦區其他土壤肥力指標分布特征。從圖3a 可以看出，研究區內九號井田土壤CEC 最低，平均值為10.48 cmol/kg(+)，三號井田土壤樣品CEC 平均值最高，為22.63 cmol/kg(+)；CEC 代表了土壤保肥能力的高低，說明三號井田土壤保肥能力最強，九號井田保肥能力最弱。這是因為自2014 年以來三號井田采用客土進行了土壤重構，取得一定的積極效果，其他井田由于煤田開采破壞表土，受礦渣影響導致其保肥能力較差[12]。

圖2 木里煤田聚乎更礦區各井田土壤pH 值分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil pH value minefields in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

研究區內土壤有機質含量的分布狀況如圖3b 所示，各井田有機質平均含量介于10%～15%，查閱對照全國第二次土壤普查養分分級標準[17]，有機質含量屬于四級標準范圍內，表明木里煤田聚乎更礦區有機質含量較低，受人類采礦活動及排土場的影響，有機質含量有所降低，這與王銳等[18]在青海圣雄煤礦的研究結果一致。全量養分標志著土壤養分供應的最大潛力，而速效養分標志著能供植物直接吸收的潛力[19]。從圖3c 可知，聚乎更礦區九號、三號井田土壤全氮含量超過2 000 mg/kg(一級)，哆嗦貢瑪井田全氮含量介于1 500～2 000 mg/kg(二級)，八號、五號、四號井田全氮含量介于1 000～1 500 mg/kg(三級)，說明各井田排土場土壤全氮含量豐富。從圖3e 可以看出，三號、九號井田土壤速效氮含量較高，達二級及以上標準，哆嗦貢瑪、八號、五號井田速效氮含量介于60～90 mg/kg(四級)，而四號井田速效氮含量僅有31.18 mg/kg(五級)，說明哆嗦貢瑪、八號、五號、四號井田土壤中供植物直接吸收的氮含量不足，后續土壤重構和植被復墾需施一定量的氮肥。從圖3d、圖3f 可知，聚乎更礦區內土壤中速效鉀的含量均較高，達三級以上標準；而速效磷的含量低。綜合上述分析可知，聚乎更礦區整體呈現出富氮富鉀貧磷的特征，煤炭開采、礦渣堆存對土壤養分產生了一定的破壞。

圖3 木里煤田聚乎更礦區各井田肥力指標分布特征Fig.3 Distribution characteristics of fertility indexes of various minefields in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

2.2 土壤肥力質量評價

2.2.1 指標相關性分析

由表3 可以看出，土壤中各肥力指標之間具有較強的相關性。土壤pH 值與全氮、速效氮、速效磷呈顯著負相關。有機質除與CEC 呈負相關外，與其他肥力指標均呈正相關，與速效氮、速效鉀相關性較強。全氮受速效鉀的影響較小，與速效氮、速效磷影響較大，與二者均呈顯著正相關。速效鉀的含量與其他肥力指標相關系數均較小，說明其含量受其他指標的影響較小；而速效磷受全氮、速效氮的影響較大，與二者呈極顯著正相關，與pH 值呈顯著負相關。上述分析表明，聚乎更礦區土壤肥力指標之間存在較強的相關性，符合主成分分析的前提條件。

表3 土壤肥力指標相關系數Table 3 Correlation coefficients of soil fertility indexes

2.2.2 質量評價因子主成分分析

通過KMO 和Bartlett 統計學檢驗，結果KMO=0.612＞0.5，Sig＜0.001，故可采用主成分分析法對木里煤田聚乎更礦區各井田土壤肥力質量進行綜合評價。各因子所解釋的方差及其累積和的結果見表4，據主成分特征值大于1 的原則[20-21]，選取前3 個特征值。其中，第1、第2、第3 主成分特征根分別為2.680、1.334、1.033，其方差貢獻率分別為38.288%、19.060%、14.757%。分析發現前3 個成分方差累積貢獻率達72.106%，說明提取這3 個公因子就能夠比較好地解釋原7 個變量所包含的信息，可用于評價土壤綜合肥力[22-23]。

表4 總方差分析結果Table 4 Interpretation of total variance

為更明顯表示出不同肥力指標與主成分之間的相關關系，對成分矩陣進行正交旋轉，得到旋轉矩陣及成分得分系數矩陣，計算結果見表5。從表5 旋轉后的成分矩陣中可以看出，pH 值、全氮、速效氮、速效磷在成分1 中貢獻較大，有機質、速效鉀在成分2 中的貢獻較大，CEC 在成分3 中的貢獻較大。因此，可以將土壤肥力指標大致分為3 類：pH 值、全氮、速效氮、速效磷一類；有機質、速效鉀一類；CEC 一類。

表5 旋轉后的成分矩陣和成分得分系數矩陣Table 5 Rotated component matrix and component score coefficient matrix

根據表5 成分得分系數矩陣可計算出主成分的綜合得分公式：

計算F1、F2、F3三個主成分的得分，結果表明，三號、八號、九號井田土壤的第1 因子得分最高，表明其pH 值、全氮、速效氮、速效磷含量較高；五號井田土壤的第2 因子得分最高，體現其有機質、速效鉀含量豐富；哆嗦貢瑪、四號井田土壤的第3 因子得分較高，表明其保肥能力方面有突出優勢。為了探究各井田周邊土壤的綜合肥力情況，將3 個因子得分輔以方差貢獻率為權重進行加權求和，得到各井田土壤的綜合得分表達式ZF=0.383F1+0.191F2+0.148F3，ZF值越高，代表其肥力越好，相反地，其值越低，肥力越差。計算結果見表6。結果表明木里煤田聚乎更礦區各井田土壤肥力質量從高到低依次為：三號、九號、五號、哆嗦貢瑪、四號、八號井田。

表6 木里煤田聚乎更礦區各井田土壤肥力綜合得分Table 6 Comprehensive score of soil fertility of minefields in Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

綜合上述分析可知，聚乎更礦區除三號井田之外，其余井田土壤綜合肥力狀況均較差，因此，聚乎更礦區后期礦山生態修復時，利用粉煤灰、渣石、煤矸石等進行土壤重構時，需混合大量的牲畜糞便、有機肥、牧草專用肥等提高重構土壤的肥力質量。需要注意的是，排土場土壤中速效磷含量較低而速效鉀的含量較高，后續要施加一定量的磷肥且需嚴格控制鉀肥的施加量，以防重構土壤硬化板結。此外，三號、九號、哆嗦貢瑪井田排土場土壤中全氮、速效氮的含量均較高，土壤重構時應嚴格控制氮肥的施加量，防止后續植被復墾時出現燒苗現象。

2.3 土壤重金屬風險評價

聚乎更礦區土壤中重金屬含量主要受堆存的礦渣和人為采煤活動的影響[3]。各井田土壤中重金屬質量濃度統計特征見表7，可以看出，Hg 質量濃度在三號井田最低(0.05 mg/kg)，在九號井田最高(0.15 mg/kg)，其標準差小于1，離散程度較小，但是受平均值的影響，Hg 的變異系數較大，屬于中等變異；礦區各井田土壤中Cd 質量濃度平均值超過研究區土壤本底值和青海省土壤背景值，說明廢石、廢渣、矸石中的Cd 在長期淋濾作用下有一部分進入土壤中，Cd 質量濃度在哆嗦貢瑪、九號井田最高，在八號井田最低；As 質量濃度在不同井田土壤中的變化范圍較大，為3.54～16.70 mg/kg，均值為8.57 mg/kg，變異系數較大；Pb、Cu、Cr 質量濃度平均值分別為25.11、27.61、83.41 mg/kg。綜合上述分析，并參照GB 15618－2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[24]可知，礦區土壤中重金屬含量的最大值均未超過標準中的風險篩選值，屬于低風險狀態，但Cd、As 質量濃度最大值接近篩選值，需要重點關注并采取有效措施。

表7 木里煤田聚乎更礦區各井田土壤重金屬含量統計特征Table 7 Statistical characteristics of heavy metals in soils of Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

潛在生態危害指數(RI)法由HAKANSON 基于沉積學角度構建而來，其結果能反映土壤多種重金屬的濃度、協同和毒性效應[26]，計算方法如下：

式中：Ei為重金屬i的生態危害系數；Ti為重金屬i的毒性系數，其值參照徐爭啟等[26]的研究；為重金屬i質量濃度的實測值；為重金屬i質量濃度參比值，參照GB 15618－2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》風險篩選值來確定參比值。

表8 為木里煤田聚乎更礦區土壤重金屬生態危害評價指數結果。從表8 可知，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr的Ei值均小于10，表明這6 種重金屬存在輕微污染，生態危害強度由弱到強的順序依次為Cr、Pb、Cu、Hg、As、Cd。其中，哆嗦貢瑪和九號井田土壤中多種重金屬的Ei值高于其他井田，說明該區域的生態危害強度高于其他區域。結合Ei與RI 值可判斷，礦區土壤重金屬對生態危害程度較低。