复垦不同年限煤矸山土壤重金属污染状况评价

亢晨宇, 贺泽好, 于亚军

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000)

复垦不同年限煤矸山土壤重金属污染状况评价

亢晨宇, 贺泽好, 于亚军

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000)

为研究复垦年限对煤矸山土壤重金属的影响，以山西省霍州市曹村煤矿煤矸山复垦3 a，5 a，7 a和9 a农田为研究对象，对复垦地土壤重金属Hg，Cd，Pb，As和Ni的质量分数及其污染状况进行了分析。结果表明：(1) 煤矸山复垦农田0—20 cm和20—40 cm土层土壤重金属质量分数有随复垦年限增加而增加的趋势，其中Pb，Cd表现最明显，而Hg的增加趋势主要出现在20—40 cm土层；同时，煤矸山复垦农田土壤重金属质量分数均不同程度地高于当地普通农田，尤其在20—40 cm土层表现更明显；(2) 单因子污染指数表明，Hg和As在0—20 cm和20—40 cm土层污染程度随年限没有变化，分别为重度污染和轻微污染，Pb和Cd在0—20 cm也没有变化，分别为轻微污染和轻度污染，但在20—40 cm土层随年限增长达到轻度污染和中度污染；综合污染指数表明，复垦农田在0—20 cm和20—40 cm土层污染指数均表现为随复垦年限增加而增加的趋势，4种复垦年限农田均达到重度污染。研究结果有助于指导煤矸山植被恢复和复垦地的合理利用。

复垦土壤; 不同年限; 煤矸山; 土壤重金属; 生态风险

目前，煤矸山复垦治理在黄土高原地区多采用推平覆土后进行植被绿化的方式[1-2]。煤矸石中重金属元素含量普遍较高，随着环境条件变化，可能会引起污染物的释放，对推平覆土形成的“重构土壤”造成污染[3-5]。我国矿区大部分复垦土地被用于农业生产[6]，一旦复垦土壤重金属过度累积，会在植物体内存留和积累，并可能通过食物链给人畜造成危害[7-8]。因此，研究煤矸山复垦土壤重金属状况可有效监测复垦地土壤质量状况。研究表明，复垦煤矸山土壤重金属有随着年限增加而积累的趋势，如胡振琪等[9]研究发现随着复垦时间的增加，复垦土壤0—40 cm土层重金属污染指数呈递增趋势，但不同元素在土壤中积累的程度有所不同[10]。因此，开展不同年限煤矸山复垦土壤重金属污染状况研究，不仅可以查明复垦土壤重金属随年限变化的情况，而且可以指导煤矸山“因时制宜”地进行植被恢复。

山西省煤炭资源储量大、产量高，全省煤矿企业矸石累计堆存量8.3亿t，已形成300多座煤矸山[11]。近年来，山西省加大了矸石山复垦治理的力度，多个煤矸山通过覆土复垦的方法得到治理。本文选取山西省霍州市曹村煤矿矸石山复垦区，以复垦3 a，5 a，7 a和9 a农田为研究对象，分析4种复垦年限土壤重金属Hg，Cd，Pb，As和Ni质量分数及与普通农田(CK)的差异，并对4种复垦年限土壤重金属可能造成的污染进行评价，有效查明矸石山复垦土壤随年限变化后重金属污染情况，为当地植被恢复和土地利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省霍州市曹村矿区，该矿距离霍州市7 km。本区为侵蚀型黄土丘陵地貌，土壤类型为褐土，气候属温带大陆性气候，全年盛行偏南风和偏北风，年平均气温12.2℃，年降水量为353.3～688.9 mm。研究样地为曹村煤矿复垦的矸石山土地(36°30′N，111°42′E)，该矸石山自1959年排矸，矸石累积堆存量约为200万t，占地约1.6万m2，垂直高度约50 m。该矸石山于2006年、2008年、2010年、2012年分别对4座矸石山头进行推平覆土，操作时先采用厦工50型装载机(自重17 t)将各山头矸石堆推平压实，再上覆80～100 cm厚度土壤(覆土土壤取自煤矸山附近，其表层土壤重金属含Hg，Pb，Cd，As量分别为0.02 mg/kg，15.23 mg/kg，0.11 mg/kg，11.3 mg/kg)，然后整平土地进行植被绿化。由此形成4种年限的复垦样地，面积分别约为400 m2，300 m2，600 m2，500 m2，复垦后土地利用方式为农田，种植作物主要为玉米(ZeamaysL)和秋葵(AbelmoschusesculentusL.)等。

1.2 土样采集与分析

1.2.1 土样采集 本研究以复垦3 a，5 a，7 a和9 a农田为样地，同时以当地普通农田为对照(CK)，土壤采集时间为2015年10月，采样时为了消除因覆土作业时造成土壤性质的空间差异尽可能多选样点，结合各样地面积每样地划分3个样方，每个样方用对角线法取5～9点混合成1个样品，由此每样地样点数为15～27个点。采样工具为土钻，采集土层为0—20 cm和20—40 cm。

1.2.2 土样分析 土壤中Hg的测定用冷原子吸收分光光度法(GB/T17136—1997)，As的测定用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法(GB/T17134—1997)，Pb，Cd的测定用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法(GB/T17140—1997)，Ni的测定用火焰原子分光光度法(GB/T17139—1997)。土壤重金属质量分数平均值采用Excel 2007软件进行，差异显著性分析采用SPSS 17.0中单因素方差分析的LSD法。

1.3 污染评价方法

1.3.1 评价方法 复垦煤矸山土壤重金属污染评价采用单因子污染指数法和综合污染指数法进行(国家环境保护总局)。其评价公式如下：

单项污染指数Pi=Ci/Si

式中：Pi为重金属i的累积指数；Ci为重金属i的实测值；Si为重金属i的评价参比值，

式中：P为内梅罗综合指数；Pmax为单项指数最大值；Pave为单项指数算数平均值。

1.3.2 评价标准 本研究单因子污染指数法评价时以山西省土壤背景值为标准[12]，分级标准按照《全国土壤污染状况评价技术规定(环发[2008]39号)》。综合评价分级标准参照国家土壤环境质量标准(HJ/T166—2004)。

2 结果与分析

2.1 不同复垦年限土壤重金属质量分数分析

表1是复垦3 a，5 a，7 a和9 a样地土壤重金属质量分数及超出普通农田(CK)的比例。首先，从各样地重金属质量分数来看，在0—20 cm土层，4种复垦年限农田含Hg，As量均无明显差异，但含Pb，Cd量在7 a和9 a农田中显著高于3 a和5 a农田，而含Ni量在9 a农田中显著低于3 a，5 a，7 a农田；在20—40 cm土层，4种复垦年限农田As和Ni含量均无明显差异，但Hg，Cd含量在9 a农田中显著高于3 a，5 a，7 a农田，Pb含量随年限变化与0—20 cm一致。其次，从各样地重金属质量分数高出CK的比例来看，0—20 cm土层4种复垦年限农田除Cd，As质量分数偏高外，其余重金属质量分数均低于或等于CK样地；但20—40 cm土层4种复垦年限农田均高于CK。

整体来看，复垦农田中Pb，Cd含量在0—40 cm土层中呈现随复垦年限增加而增加的趋势，Hg在20—40 cm也呈现类似趋势；与CK的对比来看，复垦农田0—20 cm土层只有Cd，As质量分数超出当地普通农田，但20—40 cm土层4种复垦年限农田重金属质量分数均超出当地普通农田。

表1 4种复垦年限土壤重金属质量分数及高出普通农田(CK)的比例

注：同列不同小写字母表示数据间差异显著(p<0.05)，下同。

2.2 不同复垦年限土壤重金属污染评价

表2是复垦3 a，5 a，7 a和9 a农田重金属单因子污染指数和综合污染指数的评价结果。首先，从单因子污染指数的差异来看，在0—20 cm土层，4种复垦年限农田中Hg，As和Ni均无明显差异，但Pb，Cd在7 a，9 a农田中显著高于3 a，5 a农田。其污染程度表现为Hg，Pb，Cd和As在4种复垦年限农田中一致，分别为重度污染、轻微污染、轻度污染和轻微污染，Ni在3 a农田中为轻微污染，5 a，7 a，9 a农田中为未污染，尤其在9 a农田中污染指数最低。在20—40 cm土层，4种复垦年限农田中Cd，As和Ni污染指数均无明显差异，而Hg在9 a农田中显著高于3 a，5 a和7 a农田，Pb在7 a和9 a农田中明显高于3 a和5 a农田。在污染程度上，Hg和As在4种复垦年限农田中均相同，并且与0—20 cm土层一致，Pb在3 a和5 a农田中为轻微污染，在7 a和9 a农田中为轻度污染，Cd在3 a，5 a和7 a农田为轻度污染，在9 a农田中为中度污染，Ni在5 a和7 a农田中为轻微污染，9 a农田中未污染。4种复垦年限农田单因子污染状况总体表现为：Pb在0—20 cm和20—40 cm土层均表现为随复垦年限增加的趋势；Cd在0—20 cm呈现随复垦年限加重的趋势，Hg在20—40 cm也呈现此种趋势；As在4种复垦年限两个土层中均无明显差异；Ni在4种复垦年限两个土层中均呈现随复垦年限降低趋势。其次，从综合污染指数来看，4种复垦年限农田0—20 cm和20—40 cm土层污染指数均表现为随复垦年限增加而增加的趋势，并且污染程度均达到重度污染。

表2 4种复垦年限单因子污染指数和综合污染指数评价结果

3 讨 论

3.1 年限和矸石中重金属迁移对复垦农田20-40 cm土层重金属质量分数影响明显

煤矸山复垦3 a，5 a，7 a和9 a农田土壤重金属质量分数及超出对照差异显示，煤矸山复垦农田土壤重金属质量分数均不同程度地高于当地普通农田，尤其在20—40 cm土层中表现更明显。并且其超出对照的比例也随年限增长而加大，其中表现最为明显的是Pb，其次为Cd和Hg，这说明，复垦年限对土壤重金属积累有明显影响；除此之外，复垦农田的0—20 cm土层只有Cd，As含量超出对照，20—40 cm土层中5种重金属元素全部超过对照，这同时也说明底层矸石内重金属元素随年限增长有逐渐向上迁移趋势，其他研究也有类似情况[13-14]。

3.2 矿区干湿沉降导致普通农田土壤0-20 cm重金属质量分数高于复垦农田

研究发现，此样区普通农田(CK)0—20 cm土层重金属质量分数明显高于复垦农田，其中表现最为明显的是Pb，高出普通农田51.2%，其次为Hg和Ni，分别为35.4%，27.4%。同时，研究测得CK中含Hg，Pb，Ni量明显高于山西省土壤背景值(分别为20倍、2倍、1倍)，但这种趋势在20—40 cm土层并未出现。研究表明，土壤中Hg，Pb和Ni主要来自采矿和燃煤等产生的粉尘以及运煤排出的尾气和矸石自燃、风化和淋溶[15-16]，因此，造成本区普通农田土壤表层重金属质量分数较高的原因可能是重金属颗粒物通过干湿沉降的形式积累在土壤表层。而在复垦地，原有土壤层次结构被打乱，重金属分布状况可能变化，同时煤矸山复垦地由于接受粉尘时间短，因而污染相对较轻，所以复垦地表层土壤重金属质量分数低于普通农田。

4 结 论

(1) 煤矸山复垦农田土壤重金属质量分数随复垦时间增加而增加，其中Pb，Cd表现最为明显，而Hg的增加趋势主要出现在20—40 cm土层；其次，煤矸山复垦农田土壤重金属质量分数均不同程度地高于当地普通农田，尤其在20—40 cm土层表现更明显。

(2) 从单因子污染指数看,Hg和As在0—20 cm和20—40 cm土层污染程度随年限增长均没有变化，分别为重度污染和轻微污染，Pb和Cd在0—20 cm土层也没有变化，分别为轻微污染和轻度污染，但Pb和Cd在20—40 cm土层随年限增长发生改变，其中Pb在3 a和5 a农田为轻微污染，在7 a和9 a农田为轻度污染，Cd在3 a，5 a和7 a农田为轻度污染，在9 a农田为中度污染；再从综合污染指数来看，4种复垦年限农田在0—20 cm和20—40 cm土层污染指数均表现为随复垦年限增加而增加的趋势，并且均达到重度污染。

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EvaluationonHeavyMetalContentsofSoilinCoalWastePileAfterReclamation

KANG Chenyu, HE Zehao, YU Yajun

(CollegeofGeographySciences,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041000,China)

To evaluate the effects of reclamation years on heavy metals in coal waste pile soil, coal mine reclamation soils with reclamation years of 3 years, 5 years, 7 years and 9 years were examined in Cao village in Huozhou, Shanxi Province, the contents and pollution status of heavy metals Hg, Cd, Pb, As and Ni in reclamation soil were analyzed. The results showed that: (1) the contents of soil heavy metals in soil layers of 0—20 cm and 20—40 cm had the increasing trend over years, the contents of Pb and Cd increased most obviously, while the increasing trend of Hg content occurred in 20—40 cm soil layer; meanwhile, the heavy metal contents in coal waste pile reclamation soil were higher than those in farmland soil in different degrees, especially in 20—40 cm soil layer; (2) single factor pollution index showed that the contents of Hg and As in 0—20 cm and 20—40 cm soil layers did not change with years, which were severe pollution and slight pollution, respectively; the contents of Pb and Cd in 0—20 cm soil layers did not change, which were slight pollution and light pollution, respectively, but increased with years to light pollution and moderate pollution in the 20—40 cm soil layer; the comprehensive pollution index showed that heavy metal pollution in reclaimed land in 0—20 cm and 20—40 cm soil layers presented the increasing trend with the reclamation years, and 4 types of reclaimed lands all suffered the severe pollution. The research results are helpful to guide the rational use of coal waste pile reclamation land and vegetation restoration.

reclaimed soil; reclamation year; coal waste pile; heavy metals in soil; ecological risk

2016-12-13

：2017-02-20

国家自然科学基金青年项目“煤矿塌陷区重构土壤性质演化及植被恢复的限制因子研究”(41301304)

亢晨宇(1992—),男,山西原平人,硕士研究生,主要研究方向为土壤生态恢复。E-mail:kcy9233@163.com

于亚军(1978—),男,甘肃灵台人,博士,副教授,主要从事区域环境与生态恢复方面的教学与科研工作。E-mail:yuyajun0211@126.com

X53；X752

：A

：1005-3409(2017)05-0343-04