煤矸山復墾重構土壤重金屬含量及污染狀況評價

任珊珊 ，畢 斌，郭李凱，于亞軍

（山西師范大學地理科學學院，山西臨汾041000）

農業(yè)信息·農業(yè)工程·資源環(huán)境

煤矸山復墾重構土壤重金屬含量及污染狀況評價

任珊珊 ，畢 斌，郭李凱，于亞軍＊

（山西師范大學地理科學學院，山西臨汾041000）

為給煤矸山復墾區(qū)的生態(tài)重建提供依據，以山西省霍州市曹村煤礦復墾6年的煤矸山為例，分析農田、蔬菜地、果園和荒草地等4種利用類型復墾地土壤重金屬元素Pb、Zn、Cr、Cu含量的差異；同時運用單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數法，對4種樣地土壤重金屬污染狀況進行生態(tài)風險評價。結果表明：Cu在4種樣地中的含量均超過山西省土壤背景值；Pb在蔬菜地未超標，在農田、果園和荒草地分別超標15.7%、18.9%、20.2%；Cr在果園未超標，在農田、蔬菜地和荒草地分別超標12.6%、6.9%、87.4%，而Zn在4種樣地中均未超標。從單項污染指數評價看，Cu和Pb除在蔬菜地分別為輕度累積和未累積外，在其他3種樣地中均分別為中度累積和輕度累積；Cr除在果園未累積外，在其他3種樣地均達輕度累積，Zn 在4種樣地均未累積。從綜合污染指數看，4種樣地重金屬均出現(xiàn)不同程度的累積，其中荒草地和果園達到中度累積，玉米地和蔬菜地達輕度累積。

煤矸山；重構土壤；土地利用類型；重金屬污染評價

煤矸石是井工開采和洗煤產生的廢棄物［1］，其利用率低，主要以煤矸山的形式堆放，不僅占用大量土地，而且通過揚塵、自燃和雨水淋溶等方式導致嚴重的土地、水體、空氣污染［2－3］。因此，對煤矸山進行復墾治理是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實施煤礦區(qū)生態(tài)重建的前提和核心［4－5］。采用推平覆土后進行復墾是治理矸石山的主要措施［6－7］，但復墾過程煤矸石中含有的重金屬元素會遷移轉化進入推平覆土后形成的重構土壤中，造成重構土壤污染，成為矸石山植被復墾的重要限制因素。煤矸山復墾后往往被優(yōu)先利用為農田、果園和草場等。因此，復墾后煤矸石中有害物質或分解產物在土壤中逐漸積累，并通過食物鏈被人體吸收，可能危害人體健康［8－13］。研究表明，不同的土地利用類型和強度對土壤重金屬元素遷移富集具有強烈影響［14－15］。因此，開展不同土地利用類型煤矸石復墾土壤重金屬污染狀況的研究具有重要意義，可為煤矸山植被復墾類型的選擇提供理論指導。

山西省長期高強度煤炭開采，已囤積超過10億t煤矸石，形成了300多座矸石山［16］。近年來，山西省加大了矸石山復墾的治理力度，多個煤矸山通過覆土復墾的方法得到治理。因此，開展不同土地利用類型矸石山復墾土壤重金屬研究具有典型性。山西省南部產煤區(qū)煤矸石中重金屬Pb、Zn、Cr 和Cu的含量普遍較高［17］。故筆者以山西省霍州市曹村煤礦復墾煤矸山為例，以復墾6年的農田、蔬菜地、果園和荒草地為研究對象，分析4種利用類型矸石山復墾地土壤重金屬Pb、Zn、Cr和Cu含量，運用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法進行重金屬污染評價，以此了解不同土地利用方式對土壤重金屬含量的影響，揭示煤矸山復墾土壤重金屬污染的風險狀況，以期為矸石山復墾區(qū)土地利用方式的選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市霍煤集團曹村礦區(qū)，該礦區(qū)距霍州市約7km。該地區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫12.1℃，年均降雨量437.3mm，區(qū)內山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。土壤類型為褐土，主要作物為1年1熟的冬小麥和玉米，其次為雜糧和蔬菜。

研究樣地位于該礦南下莊矸石山（36°30′47.9″N，111°42′11.1″E），該矸石山從1959年使用，復墾時矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6hm2，垂直高度約50cm。矸石中重金屬Pb、Cu、Cr和Zn的含量分別為30.40mg／kg、74.06mg／kg、180.52mg／kg和146.33mg／kg。矸石山于2008年推平覆土綠化，覆土厚度頂部為100～120cm，復墾時覆土土壤均取自煤矸山附近。復墾后利用類型分別為農田（種植玉米）、蔬菜地（種植大白菜、蘿卜、豆角等）、果園（種植山楂樹）和荒草地（白羊草、白胡子草和狗尾草）。

1.2 樣品采集與分析

研究以復墾6年的農田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）、荒草地（WL）為樣地，土壤樣品采集時間為2014年10月，采用S型采樣法，在每個樣地中各選擇5個采樣點，混合形成一個樣品，最后形成3個重復樣。各點取土深度均為100cm，每20cm一層，樣品帶回實驗室，自然風干后剔除大石塊、植物根系等雜物，磨細后過100目（0.160mm）尼龍篩，裝袋密封待測。樣品測定時間為2014年11—12月，測定時稱取約0.5g土壤樣品，采用HNO3－HCIO3消解，利用nov－AA400火焰－石墨爐原子吸收光譜儀測定其含量，3次重復，取平均值［18］。

1.3 評價方法

超標比例的計算

超標比例＝（重金屬含量值－山西省土壤重金屬含量背景值）／背景值×100%

單因子污染指數法的計算公式［19］：

式中：Pi為重金屬i的累積指數，Ci為重金屬i的實測值，Si為重金屬i的評價參比值，試驗以山西省土壤背景值（Cu、Pb、Cr、Zn的含量分別為22.9mg／kg、14.7mg／kg、55.3mg／kg和63.5mg／kg）作為評價標準［20－21］。

綜合污染指數采用內梅羅綜合指數法，計算公式：

式中：P為內梅羅綜合指數，Pmax為單項指數最大值，Pave為單項指數算數平均值。土壤重金屬評價具體分級標準見表1。

表1 土壤重金屬評價單項指數和綜合指數法分級標準Table 1 Classification standards of single factor index and multi－factor index of heavy metals in soil

2 結果與分析

2.1 4種利用類型煤矸山復墾土壤重金屬的含量差異

從表2可知農田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）和荒草地（WL）的土壤重金屬含量及超標情況。

2.1.1 1m土層平均狀況Cu在4種樣地中的含量均超過山西省土壤背景值（22.9mg／kg），其中，果園超標比例最高，為175.7%；而蔬菜地最低，為97%；Pb和Cr除分別在蔬菜地和果園未超標外，其他3種樣地均超標，且兩者均在荒草地超標比例最高分別為20.2%和87.4%，而Zn在4種樣地均未超標。

2.1.2 不同土層Cu在果園、農田、蔬菜地各土層中的含量和超標情況與其1m土層的平均狀況一致，但荒草地深層（60～80cm和80～100cm土層）土壤中的含量遠高于1m土層的平均含量；Pb 在4種樣地中各土層含量和超標情況與平均狀況基本一致，但在農田20～40cm、蔬菜地20～40cm、果園40～60cm和荒草地0～20cm及20～40cm土層卻存在差異；Cr在荒草地中各層的含量和超標情況與1m土層的平均狀況一致，但農田深層（60～80cm和80～100cm土層）土壤和蔬菜地中層土壤以上（0～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤中的含量明顯高于1m土層的平均狀況；Zn雖在4種樣地1m土層的平均含量均不超標，但在農田40～60cm土層和荒草地60～80cm土層中出現(xiàn)超標情況。

表2 煤矸山4種復墾土壤的重金屬含量及超標比例Table 2 Content and excessive proportion of heavy metals in the four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

2.2 4種利用類型煤矸山復墾土壤重金屬污染狀況

2.2.1 單項污染指數

從表3可知農田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）和荒草地（WL）土壤重金屬單項污染指數評價結果存在差異。

表3 煤矸山4種復墾土壤重金屬的單項污染指數Table 3 Single－factor index in four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

1）1m土層單項重金屬的平均累積狀況。Cu 和Pb在蔬菜地分別為輕度累積和未累積，在其他3種樣地中均分別為中度累積和輕度累積，Cr除在果園未累積外，其他3種樣地均達到輕度累積，Zn在4種樣地均未累積。

2）不同土層中單項重金屬累積狀況的差異。4種重金屬在4種樣地各土層中的累積狀況與其1m土層整體平均累積狀況基本一致，但在個別土層存在差異。Cu在蔬菜地0～20cm及40～60cm土層中達中度累積；在果園0～20cm土層及荒草地深層（60～80cm、80～100cm）土壤中達重度累積；Pb在農田20～40cm土層、果園40～60cm土層、荒草地0～20cm和20～40cm土層中未出現(xiàn)累積；Cr在農田0～20cm、20～40cm土層和荒草地0～20cm土層分別為未累積和中度累積；Zn在農田40～60cm土層和荒草地60～80cm土層中達輕度累積。

2.2.2 綜合污染指數 從表4可知農田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）和荒草地（WL）4種重金屬的綜合污染指數評價結果也存在一定差異。

1）1m土層平均狀況。綜合污染指數依次為荒草地、果園、玉米地和蔬菜地，荒草地和果園達中度累積，玉米地和蔬菜地達輕度累積。

表4 煤矸山4種樣地土壤重金屬綜合污染指數評價結果Table 4 Evaluation results of Nemerow integrated index in four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

2）不同土層狀況。農田、蔬菜地各層綜合污染狀況與其1m土層整體平均狀況一致，而果園40～60cm土層和荒草地中層土壤（0～20cm、20～40cm和40～60cm）綜合污染狀況低于其整體平均狀況為輕度累積。

3 結論

1）4種樣地的重金屬含量中，Cu在4種樣地中的含量均超過山西省土壤背景值，其中果園中超標比例最高，而蔬菜地中最低；Pb和Cr除分別在蔬菜地和果園中未超標外，其他3種樣地均超標，且兩者均在荒草地中超標比例最高；而Zn在4種樣地中均未超標。

2）單項污染指數中，Cu和Pb除在蔬菜地分別為輕度累積和未累積外，在其他3種樣地中均分別為中度累積和輕度累積；Cr除在果園為未累積外，其他3種樣地均達輕度累積；Zn在4種樣地均為未累積。綜合污染指數由依次為荒草地＞果園＞玉米地＞蔬菜地，荒草地和果園達到中度累積，玉米地和蔬菜地達輕度累積。從單項污染指數看，種植蔬菜對復墾土壤中重金屬元素Cu和Pb的改善效果最好，種植果樹對復墾土壤中重金屬元素Cr的改善效果最好。4種植被類型對復墾土壤中重金屬元素Zn的改善效果相差不大。從綜合污染狀況看，蔬菜地復墾土壤的污染指數最低，種植蔬菜有利于復墾土壤的改善。

［1］胡振琪，魏忠義.煤礦區(qū)采動與復墾土壤存在的問題與對策［J］.能源環(huán)境保護，2003，17（3）：3－7.

［2］劉海龍.采礦廢棄地的生態(tài)恢復與可持續(xù)景觀設計［J］.生態(tài)學報，2004，24（2）：323－329.

［3］胡振琪.半干旱地區(qū)煤矸石山綠化技術研究［J］.煤炭學報，1995，20（3）：322－327.

［4］卞正富.國內外煤礦區(qū)土地復墾研究綜述［J］.中國土地科學，2000，14（1）：6－11.

［5］彭少麟.恢復生態(tài)學與植被重建［J］.生態(tài)科學，1996，15（2）：26－31.

［6］蘇光全，何書金，郭煥成.礦區(qū)廢棄土地資源適宜性評價［J］.地理科學進展，1998，17（4）：39－46.

［7］郭小娟，賈 萍，劉 霞.煤矸石山環(huán)境問題及其治理的研究［J］.山西農業(yè)大學學報，1998，18（2）：139－141.

［8］郭 偉，趙仁鑫，張 君，等.內蒙古包頭鐵礦區(qū)土壤重金屬污染特征及其評價［J］.環(huán)境科學，2011，32 （10）：3099－3105.

［9］付 華，吳雁華，魏立華.北京南部地區(qū)農業(yè)土壤重金屬分布特征與評價［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2006，25 （1）：182－185.

［10］仇榮亮，仇 浩，雷 梅，等.礦山及周邊地區(qū)多金屬污染土壤修復研究進展［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28（6）：1085－1091.

［11］張靜靜，張永清.大寨海綿田土壤重金屬污染評價［J］.貴州農業(yè)科學，2015，43（7）：186－189.

［12］李貴祥，方向京，邵金平，等.個舊錫礦山廢棄地不同土地利用方式土壤重金屬的影響［J］.西北林學院學報，2014，29（3）：48－52.

［13］寧曉波，項文化，方 晰，等.貴陽花溪區(qū)石灰土林地土壤重金屬含量特征及其污染評價［J］.生態(tài)學報，2009，29（4）：2169－2177.

［14］雷 梅，岳慶玲，陳同斌，等.湖南柿竹園礦區(qū)土壤重金屬含量及植物吸收特征［J］.生態(tài)學報，2005，25 （5）：1146－1151.

［15］賈亞男，袁道先.不同土地利用方式對貴州巖溶土壤微量重金屬元素含量的影響［J］.土壤通報，2007，38 （6）：1174－1177.

［16］汪文霞.黃土區(qū)不同土壤微生物量碳，氮的含量及其影響因素［D］.咸陽：西北農林科技大學，2007.

［17］張晶晶.山西省煤矸石中重金屬元素含量的空間差異研究［D］.太原：山西大學，2011.

［18］高小茵，黃齊林，白紅梅，等.固相萃取富集－火焰原子吸收分光光度法測定水中的鎘［J］.光譜實驗室，2004，21（5）：886－888.

［19］胡克寬，王英俊，張玉岱，等.渭北黃土高原蘋果園土壤重金屬空間分布及其累積性評價［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2012，31（5）：934－941.

［20］史崇文，趙玲芝，郭新波.山西土壤元素背景值及其特征［J］.華北地質礦產雜志，1994，9（2）：188－196.

［21］中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，1990.

（責任編輯：孫小嵐）

Heavy Metal Contents and Pollution Assessment in Reclaimed Soil of Coal Waste Pile

REN Shanshan，BI Bin，GUO Likai，YU Yajun＊
（College of Geography Sciences，Shanxi Normal University，Linfen，Shanxi 041000，China）

In order to effectively guide the ecological reconstruction of coal mine area，taking the coal waste pile reclaimed for six years in Cao village，Huozhou Country，Shanxi Province as an example，the authors analyzed the contents of heavy metals（Cu，Pb，Cr，Zn）in the reconstructed soil of four kinds of soil samples，including farmland，vegetable land，orchard and weeds land.The ecological risk of heavy metal pollution in the four kinds of soil samples was evaluated by adopting the single factor index and Nemerow integrated index.Results：Content of Cu in four kinds of soil samples exceeded the soil background values in Shanxi Province，the content of Pb in vegetable land did not exceed the standard，but the over standard rate of farmland，orchard and weeds land were respectively 15.7%，18.9%and 20.2%；The content of Cr in orchard did not exceed the standard，but the over standard rate of farmland，vegetable land and weeds land were respectively 12.6%，6.9%and 87.4%.The content of Zn in the four kinds of soil samples did not exceed the soil background values in Shanxi Province.From the point of single pollution index evaluation results，Cu and Pb in vegetable land reached respectively light accumulation and no accumulation，in the other three soil samples reached respectively moderate accumulation and light accumulation，Cr in orchard reached no accumulation，in the other three soil samples reached light accumulation，Zn in the four kinds of soil samples was no accumulation.From the point of comprehensive pollution index evaluation results，four types of soil samples accumulated in different degrees，orchard and weeds land reached moderate accumulation，farmland and vegetable land reached light accumulation.

coal waste pile；reconstruction soil；land use type；heavy metal pollution assessment

S－1

A

1001－3601（2016）07－0313－0117－04

2015－12－09；2016－06－27修回

國家自然科學基金青年項目（41301304）

任珊珊（1991－），女，在讀碩士，研究方向：土壤生態(tài)恢復。E－mail：642386049＠qq.com

＊通訊作者：于亞軍（1978－），男，副教授，博士，從事區(qū)域環(huán)境與生態(tài)恢復方面的教學與研究。E－mail：yuyajun0211＠126.com