淮南市煤矿矸石山周边农田土壤理化性质研究

薛晓燕，王兴明,2，刘少敏，周 鑫，柏 鑫

(1.安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001；2.中钢集团马鞍山矿山研究有限公司，安徽 马鞍山 243000)

1 引言

近年来，煤碳资源在促进社会经济快速发展的同时，也给区域生态环境造成了一定程度的污染和破坏。大规模的采煤活动已经造成地面塌陷、水土流失、土壤重金属污染、土壤结构破坏和养分变化等情况[1-3]。为了研究和解决上述问题，许多国内外学者们在矿区土地利用[4]、土壤理化性质[5]及土壤质量变化及改良[6]等领域展开深入研究。其中，在土壤理化性质变化方面，郭二果等[7]在对锡盟胜利煤矿土壤质量测定中发现煤矿开采5年后，周边草原土壤有机质含量较采矿前增加。郑永红等[8]对淮南潘一矿矸石山风化物有机碳分布规律的初步研究中发现在煤矸石山堆积风化淋溶作用下，已经出现有机碳向周边土壤迁移趋势的现象。以淮南市某煤矿为例，对煤矿周围农田土壤根际与非根际及不同深度有机质和有机碳含量进行分析，查明煤矿矸石山周边农田土壤中有机质和有机碳分布规律，以探明煤矿开采、矸石堆积对周围农田土壤养分的初步影响。

2 样品与方法

2.1 研究区域概况

淮南市属于煤炭资源型城市，位于安徽省中部偏北，淮河中游，地处东经116°21′21″～117°11′59″与北纬32°32′45″～33°0′24″之间，研究矿区位于淮南市西部，煤矿所属区域为季风暖温带半湿润气候，全年一般春、夏季多东及东南风，冬季多东北及西北风，平均风速1.3～2.9 m/s，最大风速8 m/s，年降雨量922.6 mm，最大达1612 mm。该煤矿后方有一座较大矸石山，周边有不少农田。

2.2 样品采集与处理

土壤样品采自淮南某煤矿邻近农田，土壤类型为水稻土。以煤矿为参照，布设两条采样线(L1和L2，见图1)，以距离煤矿100、300、500、700、900、1100、1300 m为采样点，分别设置大小1 m×1 m的样方，按照表层(0～10 cm)和深层(10～20 cm)采样，在样方内采取距离植物根表面小于5 mm土作为根际土，同时，采集校园周围农田土壤(CK-NT)作为对照样。将土样编号，贴上标签，带回实验室内进行风干，去除石块、腐叶等杂质，然后用木棍将土样辗碎，过筛(20、100目)，密封保存，土壤样品基本理化性质采用常规方法：电位测定法(水土比5∶1)测定土壤pH、光度法测定土壤有机质、重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳。

2.3 数据处理与统计分析

原始数据利用Excel和SPSS软件进行系统分析，用Coredraw软件制图。

3 结果与讨论

3.1 煤矿周边农田中有机质和有机碳含量特征

从表1可以看出：对照农田土壤呈中性，表层土壤pH值明显高于深层土壤pH值(P<0.05)，而矿区农田pH值均大于7.00，表明该矿区农田土壤偏碱性，这可能是由于矿区周围土壤环境中物质多以碱性氧化物或者弱酸性盐的形式存在[9]，其表层土壤pH值略小于深层土壤pH(P>0.05)，这可能与表层土壤被煤粉污染有关，与高宏樟等[10]的研究结果一致。

矿区农田中有机质和有机碳均值含量为21.57～27.69 g/kg和12.27～18.19 g/kg，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[11]，矿区农田土壤养分处于中等水平。矿区农田和对照农田土壤中有机质和有机碳含量均是随土壤深度的增加呈现递减趋势，根际含量明显高于非根际(P<0.05)，但是对照农田中有机质含量与深度及根际情况无显著性差异(P>0.05)，有机碳含量与根际情况差异不显著(P=0.05)。矿区农田表层与深层土壤对有机质和有机碳富集率达16.25%、6.95%和25.53%、6.16%，其主要原因是在煤炭开采及矸石堆放过程中部分煤粉、煤矸粉掺杂使得土壤中有机质和有机碳含量较高，与杨居荣等[12]、郑永红等[13]的结论一致。

图1 淮南某煤矿区采样图

样点pH值有机质/(g/kg)有机碳/(g/kg)表层根际7.790.01b19.350.87cd11.410.92d对照农田非根际7.100.16c18.150.49d11.200.56d深层根际7.350.47d17.700.34d 8.301.89e非根际6.630.28e16.800.05d 7.441.21e表层根际8.010.16a27.696.13a18.193.96a矿区农田非根际7.950.17a23.824.96b14.493.56b深层根际8.250.19a23.073.71b14.133.05bc非根际8.190.19a21.575.28bc12.273.49cd

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

如表2所示，与其他矿区相比，本矿区农田的有机质和有机碳(除抚顺矿区)含量较高，一方面是由于本矿区周围有很多肥沃农田，人为活动及长期施肥所致，另一方面本矿区农田位于煤矿和矸石山的下风，长时间的风化及淋溶作用使得有机质和有机碳含量增加，而新疆西沟煤矿是3个废弃矿，土壤中有机质含量相对较低，相比其他三个矿区较高，是由于附近牧民长期放牧，在表层土壤留下了畜生粪便等有机物质造成的。而焦作市煤矿土壤有机质和有机碳较低，主要是煤炭的长期开采活动破坏了周围土壤生态系统的稳定导致土壤质量下降。山西平朔和内蒙鄂尔多斯矿区有机质和有机碳含量较为接近，该区域土壤中的有机质和有机碳的含量普遍偏低,表明在后期复垦过程中仍需加大有机肥的施用。与抚顺矿区相比，本矿区有机碳含量较低，主要是由于抚顺矿区周围堆放废弃的矸石，而矸石中有一些含碳矿物和少量煤块致使有机碳含量较高，不利于植物吸收利用。而本矿区周围有围栏，并且距离农田有一段距离，使得周围土壤肥力处于中等水平，基本符合矿区的植物生长需要，与王兴明等[22]的研究结论相符。

表2 本研究区有机碳和有机质含量与国内其它区域农田比较

3.2 煤矿周边农田土壤中有机质和有机碳分布特征

本研究中(图2～图5)土壤表层中有机质和有机碳含量均在样线L1和L2上距离煤矿区300 m和500 m处达到峰值，之后随距离增大，有机质和有机碳含量有所降低。而土壤深层中有机质和有机碳含量在样线上L1和L2上距离煤矿区500 m和500、700 m处达到峰值，之后随距离增大，有机质和有机碳含量大体上减少并趋于正常农田含量。表层土壤有机质和有机碳含量大于深层土壤中有机质和有机碳含量，而对于深层土壤有机质和有机碳的分布则较为均匀。

根际土壤中有机质和有机碳含量在L1线和L2线上分别距煤矿300、500 m处达到最大值，随后大体上呈降低趋势，在距离矸石山1100～1300 m处，土壤中有机质和有机碳含量接近于对照农田；非根际土壤中有机质和有机碳含量在L1线和L2线上分别在距煤矿500、700 m处达到最大值，之后随距煤矿越远，有机质和有机碳的含量降低。

图2 表层和深层土壤中有机质含量随距离变化关系

图3 根际和非根孙土壤中有机质含量随距离变化关系

图4 表层和深层土壤中有机碳含量随距离变化关系

图5 根际和非根际土壤中有机碳含量随距离变化关系

3.3 煤矿周围农田土壤中有机质和有机碳分布的影响因素

煤炭开采及矸石堆积会对其周围环境产生一定程度的影响，土壤中有机质和有机碳含量受地形、植被、土壤属性等多种自然因素和人为因素的影响。本研究为中年矿区，农田位于矿区下风向，随着距离的增加土壤中有机质和有机碳的含量呈现先增加后降低的趋势。可推断出，矿区粉尘在风力或淋溶作用下向周围农田迁移，并对周边土壤有一定的增肥作用。此外，该矿区周围农田作为农地使用时间已久，人类后期土地耕作方式及农田管理措施的变化对土壤有机质和有机碳含量有一定影响。所以及时了解矿区土壤有机质和有机碳含量分布特征是合理利用土地，实现土地资源可持续发展的基础。

4 结论

(1)煤矿周围农田土壤偏碱性，土壤表层和深层中有机质和有机碳含量均为表层大于深层，根际大于非根际，该矿区农田土壤处于中等水平。相比其他矿区，本矿区周围农田土壤更利于作物的生长。

(2)矿区土壤表层中有机质和有机碳含量均在距离煤矿一定距离后达到峰值，随后距煤矿越远含量呈降低趋势，并接近淮南地区正常农田水平，主要是由煤矿产生的粉尘颗粒物随大气迁移造成。

(3)煤矿影响了周围农田表层土壤中有机质和有机碳的分布，在风力或淋溶作用下，煤粉尘对周围农田有迁移趋势，对周围农田有增肥作用。