煤矸山复垦重构土壤剖面养分含量和重金属污染状况分析

任珊珊，于亚军

(山西师范大学地理科学学院,山西 临汾 041004)

煤矸山复垦重构土壤剖面养分含量和重金属污染状况分析

任珊珊，于亚军*

(山西师范大学地理科学学院,山西 临汾 041004)

【目的】土壤养分状况不佳和重金属污染是煤矸山重构土壤植被恢复的两个重要限制因子。因此，分析煤矸山复垦地重构土壤剖面养分及重金属污染状况有助于查明煤矸山植被恢复的关键限制因子，为煤矸山植被复垦提供理论指导。【方法】研究以山西省霍州曹村煤矿复垦果园(OP)和复垦农田(FL)为对象，通过与当地普通果园(OP-CK)和普通农田(FL-CK)对比，分析了2种复垦地土壤养分和重金属(Cu、Pb、Cr和Zn)含量在1m土层剖面中的变化情况。【结果】①与当地的普通果园和普通农田相比，复垦果园和复垦农田1m土层中土壤养分含量较差，特别是有机质表现明显，从养分状况的剖面差异来看，复垦农田养分状况总体优于复垦果园，两种复垦样地中有机质在表层(0～20 cm)、中层(20～60 cm)和深层(60～100 cm)均偏低，复垦果园表层速效养分偏低，中层除速效钾外，其余养分均较差，深层全量养分含量偏低，复垦农田全氮含量在表层、中层和深层均较差，而碱解氮在深层较差。②从2种复垦地土壤重金属含量与当地普通样地的差异来看，复垦果园土壤中Cu和复垦农田土壤中Cu、Zn含量在1m土层中均不同程度的超过普通样地，Pb和Cr含量在某些土层也超过普通样地；③从单项污染指数评价结果来看，复垦果园和复垦农田中Cu和Pb分别达到中度污染和轻度污染，复垦农田中Cr也达到了轻度污染。从综合污染指数评价结果来看，复垦果园达到了中度污染，复垦农田达到了轻度污染。【结论】复垦样地的养分含量与普通样地相比较差，尤其是土壤有机质，复垦农田有机质及速效养分状况优于复垦果园，复垦果园中Cu和Pb、复垦农田中Cu、Pb和Cr均出现了不同程度的累积状况，尤其是2种复垦样地中的Cu已达到了中度污染。

煤矸山；重构土壤；养分剖面差异；重金属污染

【研究意义】煤矸石是井工采煤排放的废弃物，其综合利用率低，主要以堆积的形式处理[1-3]。堆积形成的煤矸山不仅占用大量土地，还可能引发一系列的生态环境问题[4-5]。因此，对煤矸山进行复垦治理是改善矿区生态环境，实施煤矿区生态重建的迫切工作[6]。【前人研究进展】在取土条件便利的北方地区，煤矸山治理多采用推平覆土后进行植被复垦[7]。但煤矸山推平覆土时通过工程技术措施(如铲平和碾压)形成的“重构土壤”打乱了原有土壤结构和层次特点，造成土壤性质的很大变化[8]，当其被复垦为农业用地类型(如农田、果园等)时，土壤肥力恢复状况可能是植被恢复的限制因子之一。同时，推平覆土后煤矸石中的重金属可能会迁移转化进入 “重构土壤”中，造成重金属污染[9]，这可能是煤矸山植被恢复的另一重要限制因子。【本研究切入点】目前针对煤矸山植被复垦的研究更多集中于植被恢复技术和机制[10]、植被恢复模式[11]和植被动态[12-14]等方面，对复垦煤矸山土壤性质演化过程和植被复垦时关键限制因子方面的研究报道相对较少。研究煤矸山重构土壤养分和重金属污染状况有助于查明复垦煤矸山植被复垦的关键限制因子。山西省长期高强度采煤已形成了300多座矸石山[15]。近年来，多个煤矸山通过覆土复垦的方法得到治理，以此为研究区开展煤矸山复垦土壤养分和重金属状况研究具有典型性。【拟解决的问题】本研究以山西省霍州市曹村煤矿复垦多年的煤矸山为研究对象，通过与当地普通农田对比，分析复垦重构土壤的养分和重金属含量的变化特征，以及重金属在重构土壤剖面中的累积状况，以期查明煤矸山复垦后土壤中关键养分和重金属限制因子，为煤矸山的植被恢复提供基础数据和科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省霍州市霍煤集团曹村矿区，该矿区距霍州市约7 km。本区为温带季风气候，多年平均气温12.1 ℃，年均降雨量437.3 mm，区内山高岭峻，沟壑纵横，属侵蚀型黄土丘陵地貌。土壤类型为褐土。 研究样地位于该矿南下庄矸石山(36°30′47.9″N，111°42′11.1″E)，该矸石山从1959年开始使用，复垦时矸石堆存量约为2.0×106t，占地约1.6×104m2，垂直高度约50 cm。矸石山于2008年推平覆土绿化，覆土厚度顶部为100～120 cm，复垦时覆土土壤均取自煤矸山附近。复垦后形成了农田(种植玉米)和果园(种植山楂树)2种植被类型。

1.2 样品采集

采样地为煤矸山推平覆土6年的复垦果园(OP)和复垦农田(FL)，同时以煤矸山附近普通果园(OP-CK)和普通农田(FL-CK)为对照，土样采集时间为2014年9月。复垦果园和复垦农田每年均施牛、羊粪，施肥量和施肥方式与当地普通果园和农田一致。采用“s”型采样法用土钻取土，在每个样地各选择5个采样点，混合形成一个样品。各点取土深度均为100 cm，每20 cm一层，样品带回实验室，自然风干后剔除大石块、植物根系等杂物，磨细后过20、60、100目尼龙筛，装袋密封待测。

1.3 土样测试及污染评价方法

有机质用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮采用浓硫酸消煮半微量凯式法；全磷采用氢氧化钠-钼锑抗比色法；全钾采用氢氧化钠碱溶-火焰光度法；碱解氮用碱解扩散法；速效磷用碳酸氢钠浸提法；速效钾用乙酸铵-火焰光度法[16]。重金属含量采用HNO3-HCIO3消解，利用nov-AA400火焰-石墨炉原子吸收光谱仪进行测定。重金属污染状况评价采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行，具体评价方法和污染状况分级按照《全国土壤污染状况评价技术规定(环发[2008]39号)》进行。

2 结果与分析

2.1 复垦地土壤剖面养分与普通农田的差异

从表1可知，从整个1 m土层养分的平均含量来看，与OP-CK样地相比，OP样地除速效钾偏高外，土壤有机质、所有全量养分和碱解氮、有效磷均明显偏低，特别是有机质和碱解氮含量分别偏低44.0 %和36.7 %；与FL-CK样地相比，FL样地中土壤有机质和全量养分均明显偏低，但所有速效态养分均不同程度偏高。

从复垦样地与普通样地剖面养分含量的差异来看，在0～20 cm土层，OP样地中除全氮和全磷含量与OP-CK样地相当外，有机质、全钾和所有速效态养分含量均明显偏低，在20～60 cm土层，OP样地除速效钾含量较OP-CK偏高外，其余养分含量均偏低。在60～100 cm土层，OP样地除全磷、碱解氮和速效钾外，其余养分均较OP-CK偏低。与FL-CK样地相比，0～20和20～60 cm土层中FL样地有机质和全氮均偏低，其余养分含量偏高，60～100 cm土层中有机质、全氮和碱解氮偏低，其余养分含量偏高。

表1 不同植被利用类型样地土壤养分含量的剖面差异Table 1 Soil nutrients of soil profile in 1 m between different sample plots

从复垦样地与普通样地剖面养分变化趋势的差异来看，FL样地较OP样地更接近普通样地的剖面养分的变化趋势，在FL样地中，除土壤有效磷外，其他养分含量在1 m土层中均随着土层深度的增加而降低，而OP样地中，仅土壤有机质、全氮和全钾符合这种趋势。

由此可见，从1 m重构土层养分的平均状况来看，与普通果园和普通农田相比，复垦果园和复垦农田养分含量较差，特别是有机质表现明显。但不同土层复垦样地与普通样地养分含量的差异有所不同，2种复垦样地中有机质在3个土层均偏低，复垦果园表层(0～20 cm)速效养分含量偏低，中层(20～60 cm)除速效钾含量偏高外，其余养分均偏低，而深层(60～100 cm)全量养分含量偏低；复垦农田土壤养分含量相比复垦果园相对较好，有机质和全氮在3个土层均偏低，而碱解氮在土壤深层偏低。 复垦农田的养分剖面状况优于复垦果园。

2.2 复垦地土壤剖面重金属污染状况与普通农田的差异

从表2可知，从整个1 m土层的平均状况来看，与普通果园(OP-CK)和普通农田(FL-CK)相比，OP样地和FL样地中Cu、Zn元素的含量偏高，Pb、Cr元素含量偏低。再从2种复垦样地不同土层重金属含量与普通样地差异来看，在表层(0～20 cm)，OP样地和FL样地Cu、Zn含量均偏高， 但Pb、Cr含量均偏低；在中层(20～60 cm)，OP样地仅有Cu含量偏高且差异较小，FL样地除Cr含量偏低外，Cu、Pb和Zn含量均偏高，且Pb和Zn的差异分别达到19.69 %和19.06 %；在深层(60～100 cm)，OP样地除Cr偏低外，Cu、Pb和Zn含量均偏高，且Pb差异达到27.35 %，FL样地Pb、Cr含量偏低，Cu、Zn含量偏高。

可见，与普通果园和普通农田相比，从整个1 m土层来看，复垦果园和复垦农田Cu和Zn的含量均偏高。从不同土层来看，复垦果园Cu和复垦农田Cu、Zn含量在3个土层均偏高，Pb和Cr在个别土层含量偏高。复垦果园和复垦农田分别在深层和中层均出现Cu、Pb和Zn含量偏高。

从单项污染指数(表3)来看，在整个1 m土层，2种复垦样地中Cu、Pb和Zn表现一致，但Cr存在差异，Cu、Pb、Zn分别为中度累积、轻度累积和清洁状态，Cr在OP样地中为清洁状态， FL样地中为轻度累积；从不同土层来看，在表层(0～20 cm)，OP样地和FL样地Cr和Zn均未出现累积，但Pb均为轻度累积，Cu的污染程度分别为重度和中度累积；在中层和深层土壤中，OP样地Pb、Cr和Zn的污染状况与表层一致，Cu达到中度累积，FL样地除Cr为轻度累积外，其他重金属元素污染状况与表层一致。从综合污染指数来看，1 m土层的整体平均状况与不同土层间的状况一致，OP样地达到中度累积，FL样地为轻度累积。

表2 2种植被利用类型复垦地土壤重金属含量及高出对照的比例Table 2 Content of heavy metals in soil with different sample plots and the ratio higher than the CK

可见，就单项污染指数而言，复垦果园Cu、Pb的污染状况较严重，Cu达到了中度累积，在表层甚至达到重度累积，Pb达到了轻度累积，复垦农田Cu、Pb、Cr的污染状况较严重，Cu达到中度累积，Pb和Cr达到轻度累积，但Cr在表层却表现为清洁状态；就综合污染指数而言，在整个1 m土层，复垦果园达到了中度累积，复垦农田为轻度累积。

3 讨 论

研究发现，从复垦样地与普通样地1m土层养分平均含量的差异来看，复垦果园(OP)中土壤有机质、土壤全量和速效养分含量均较普通果园差(OP-CK)，并且复垦农田(FL)中土壤有机质和全量养分也较普通农田(FL-CK)差。同时，从复垦样地与普通样地养分状况的剖面差异来看，OP样地在0～20、20～60和60～100 cm 3个土层中均较OP-CK样地的对应土层差，尤其是0～20和20～60 cm土层中有机质和速效养分的含量表现更为明显，并且FL样地中土壤有机质和全氮在3个土层中也均低于FL-CK样地，由此说明本研究区2种复垦样地土壤养分含量总体状况仍未达到与普通样地相当的水平。此外，研究还发现，2种普通样地中土壤养分的剖面分布呈现为随土层深度增加而降低的趋势，但是在复垦样地中，尤其在复垦果园并非如此，这也说明煤矸山推平覆土形成的“重构土壤”打乱了原有土壤养分的层次特点[8]。

同时，从复垦样地与普通样地土壤重金属含量及污染程度评价结果来看，2种复垦样地中Cu和Zn的含量均高于普通样地，并且就单项污染指数评价结果而言，2种复垦样地中Cu均达到中度累积，这可能是煤矸石中的重金属元素迁移转化进入上层“重构土壤”中造成的[9]。

表3 2种植被利用类型复垦地复垦土壤重金属污染指数评价结果Table 3 Evaluation results of heavy metal pollution index of reclaimed soil with different sample plots

4 结 论

从1 m土层养分含量的平均状况看， 2种复垦样地均低于普通样地，特别是有机质。从养分状况的剖面差异看，复垦农田养分状况总体优于复垦果园，复垦果园表层速效养分偏低，中层中除速效钾外，其余养分均较差，深层中全量养分含量偏低；而复垦农田有机质和全氮含量在3个土层中较差，而碱解氮在深层较差。复垦农田的养分剖面状况优于复垦果园。

与普通果园和普通农田相比，复垦果园中Cu偏高，复垦农田Cu、Zn的含量均偏高，Pb和Cr在某些土层含量偏高。复垦果园和复垦农田分别在深层和中层均出现Cu、Pb和Zn 3种重金属含量偏高。从单项污染评价结果来看，复垦果园和复垦农田中Cu和Pb均达到中度累积和轻度累积，复垦农田的Cr也达到了轻度累积。从综合污染指数评价结果来看，复垦果园达到了中度累积，复垦农田为轻度累积。

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StudyonSoilNutrientsandHeavyMetalContentsinReconstructedSoilonCoalWastePile

REN Shan-shan，YU Ya-jun*

(College of Geography Sciences,Shanxi Normal University,Shanxi Linfen 041004,China)

【Objective】Poor soil nutrient and heavy metal pollution are two important effect factors for reclaimed vegetation in coal waste pile.Therefore,it helps to identify the key limiting factor and provids the basis evidence for reclaimed vegetation of coal waste pile by studying the soil nutrient and heavy metal pollution of reconstructed soil on coal waste pile.【Method】The study was conducted in two types of reclamation agro-forestry land as reclamation orchard (OP) and farmland reclamation (FL) on a coal waste pile in Cao village,Huozhou county,Shanxi province.The difference of soil nutrients and heavy metal contents in 1m soil layers between OP and FL were analyzed by contrast with conventional orchard (OP-CK) and conventional farmland (FL-CK).【Result】 (i) The soil nutrients contents in OP and FL were poor than OP-CK and FL-CK,the organic matter contents were obvious,especially and nutrients difference in profile showed: the soil nutrients in FL were better than OP,soil organic matter contents were poor in soil layers as 0-20,20-60 and 60-100 cm of two types reclaimed land.In OP,soil available N,P and K were poor in top-soil,soil nutrients in middle soil layer were poor,except of soil available K.Soil total N,P and K were poor in deep layer.In FL,soil total N were poor in the three soil layers,soil available N was poor in deep layer.(ii) The content of Cu in OP and Cu，Zn in FL were higher than that of conventional land,Pb and Cr content in OP and FL were also higher than that of OP-CK and FL-CK in some soil layer.(iii) The single pollution index results showed: Cu and Zn in OP and FL reached moderate accumulation and slight accumulation,Cr in FL reached slight accumulation.OP reached moderate accumulation and FL reached slight accumulation in comprehensive pollution index.【Conclusion】The soil nutrients contents in reclamation were poor than that of in ordinary land,especially the organic matter.The organic matter and available nutrients in FL were better than in OP,they appear the accumulation of different degrees which is the content of Cu,Pb in OP and Cu,Pb,Cr in FL,especially the content of Cu in OP and FL reached moderate accumulation.

Coal waste pile; Reconstructed soil; Nutrient difference in profile; Heavy metal pollution

1001-4829(2017)4-0842-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.022

2016-06-01

国家自然科学基金青年项目(41301304)

任珊珊(1991-)，女，山西晋城人，硕士研究生，主要从事土壤生态恢复方面的研究，E-mail：642386049@qq.com，*为通讯作者：于亚军(1978-)，男，甘肃灵台人，副教授，博士，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。

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(责任编辑 李 洁)