青海木里煤田聚乎更矿区土壤肥力及重金属风险评价

2022-05-08张谷春王彦君方惠明

煤田地质与勘探 2022年4期

王佟，章梅，徐辉，张谷春，王彦君，方惠明，李媛

(1.中国煤炭地质总局，北京 100038；2.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏徐州 221000；3.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

木里煤田是青海省最大的煤矿区，也是西北地区重要的炼焦煤资源产地[1]，在开采煤炭资源的同时，在地表形成了规模不等的采坑和排土场，严重破坏植被和地貌景观，土壤受到挖损和压占，其中，聚乎更矿区开发强度相对较大，对生态环境扰动和破坏明显[2-3]。目前，以废渣为充填基质进行土地复垦已成为釆煤沉陷区生态恢复治理工程中的一项重要技术[4-5]，然而，在长期风化、浸泡和淋溶作用下[6-7]，废渣、废石中的重金属可能进入周边土壤及地下水中，对矿区生态环境造成危害[8]。同时，木里煤田聚乎更矿区地处黄河重要支流大通河的发源地，生态地位极为重要[9]。因此，矿区生态环境亟需修复治理。木里矿区生态修复治理是我国在高原、高寒、高海拔地区开展的大面积矿山治理的首例示范性工程[9-10]，但目前针对木里聚乎更矿区土壤肥力质量以及土壤重金属风险评价方面的研究较少[10]。因此，笔者以聚乎更矿区土壤为研究对象，分析土壤肥力指标和重金属含量的分布特征及变化规律，运用主成分分析法和潜在生态危害指数法分别对土壤肥力质量和重金属生态风险进行评价，以期为矿区生态环境综合整治、各井田采坑、排土场一体化治理工程设计提供科学的依据，因地制宜地提出切实可行的土壤重构措施和建议。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

青海木里煤田聚乎更矿区地处祁连山脉的中南部地区，在大通山以北、托莱山以南的江仓断陷盆地内，总体呈东南低、西北高的趋势，地表高程为4 000～4 300 m[11]。年平均气温-0.39℃左右，年平均降水量277 mm，属典型的高原大陆性气候。矿区土壤类型主要以高山草甸土、沼泽草甸土为主；区域内广泛发育冻土，上部土壤因降水、冰川融雪补给而发育成沼泽，高山草甸土是高山带中部地区的主要分布土壤类型[3]。植被类型分为高寒沼泽类和高寒草甸类。

1.2 土壤样品采集

木里煤田聚乎更矿区煤层埋藏浅，上覆薄层第四系松散层堆积物，或直接出露地表，属暴露式-半隐伏式煤田[12]。煤炭资源开采方式为露天开采，通过大开挖方式，在开采煤炭资源的同时，在地表形成了规模不等的采坑和排土场，破坏矿区生态环境。根据矿区采坑、排土场现状圈定本次研究范围，主要涉及哆嗦贡玛井田、三号井田、四号井田、五号井田、八号井田和九号井田，排土场现状详见表1。根据各井田排土场面积布置采样点，其分布如图1 所示。每个采样点的样品为表层0～20 cm 的混合土壤样，采用四分法取1 kg 土壤样品，共采集42 份排土场土壤样品。将采集后的土壤样品置于阴凉通风处自然风干，剔除树枝、草根、石块等杂物，碾碎过筛后留存备用。

图1 木里煤田聚乎更矿区土壤样品采样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling points in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

表1 木里矿区排土场情况Table 1 List of coal gangue situation in Muli Coalfield

1.3 测试指标及方法

主成分分析法在土壤肥力评价中的应用最为广泛[13]，能较好地体现指标信息，评价结果更为客观、全面、可靠[14]；潜在生态危害指数法能综合考虑多种重金属的协同作用，其毒性水平和环境对重金属污染敏感性等因素，在环境风险评价中得到广泛应用[15]。因此，本文选用主成分分析法、潜在生态危害指数法分别对木里煤田聚乎更矿区土壤肥力、土壤重金属风险进行评价。根据《土壤质量指标与评价》[16]提出的主导性、生产性和稳定性的肥力指标选取原则，结合木里煤田聚乎更矿区特定的环境状况，选取土壤pH 值、有机质、阳离子交换容量(CEC)、全氮、速效钾、速效氮、速效磷等重要指标作为肥力评价因子，并分析各指标的分布特征。土壤肥力评价因子和重金属风险评价因子及测试方法见表2，运用Excel、Origin、SPSS软件进行统计分析。

表2 测定指标及测定方法Table 2 Measurement indexes and methods

2 结果与讨论

2.1 土壤肥力指标分布特征

图2 为木里煤田聚乎更矿区各井田土壤pH 值分布柱状，整个研究区的土壤呈碱性，这是由于研究区内土壤中盐分含量较高，使其土壤呈碱性；其次，在淋滤作用下，排土场渗滤液进入土壤使土壤pH 值升高。五号井田土壤pH 平均值最低(7.34)，为弱碱性；四号井田土壤pH 平均值最高(8.64)，呈强碱性。图3 为木里煤田聚乎更矿区其他土壤肥力指标分布特征。从图3a 可以看出，研究区内九号井田土壤CEC 最低，平均值为10.48 cmol/kg(+)，三号井田土壤样品CEC 平均值最高，为22.63 cmol/kg(+)；CEC 代表了土壤保肥能力的高低，说明三号井田土壤保肥能力最强，九号井田保肥能力最弱。这是因为自2014 年以来三号井田采用客土进行了土壤重构，取得一定的积极效果，其他井田由于煤田开采破坏表土，受矿渣影响导致其保肥能力较差[12]。

图2 木里煤田聚乎更矿区各井田土壤pH 值分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil pH value minefields in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

研究区内土壤有机质含量的分布状况如图3b 所示，各井田有机质平均含量介于10%～15%，查阅对照全国第二次土壤普查养分分级标准[17]，有机质含量属于四级标准范围内，表明木里煤田聚乎更矿区有机质含量较低，受人类采矿活动及排土场的影响，有机质含量有所降低，这与王锐等[18]在青海圣雄煤矿的研究结果一致。全量养分标志着土壤养分供应的最大潜力，而速效养分标志着能供植物直接吸收的潜力[19]。从图3c 可知，聚乎更矿区九号、三号井田土壤全氮含量超过2 000 mg/kg(一级)，哆嗦贡玛井田全氮含量介于1 500～2 000 mg/kg(二级)，八号、五号、四号井田全氮含量介于1 000～1 500 mg/kg(三级)，说明各井田排土场土壤全氮含量丰富。从图3e 可以看出，三号、九号井田土壤速效氮含量较高，达二级及以上标准，哆嗦贡玛、八号、五号井田速效氮含量介于60～90 mg/kg(四级)，而四号井田速效氮含量仅有31.18 mg/kg(五级)，说明哆嗦贡玛、八号、五号、四号井田土壤中供植物直接吸收的氮含量不足，后续土壤重构和植被复垦需施一定量的氮肥。从图3d、图3f 可知，聚乎更矿区内土壤中速效钾的含量均较高，达三级以上标准；而速效磷的含量低。综合上述分析可知，聚乎更矿区整体呈现出富氮富钾贫磷的特征，煤炭开采、矿渣堆存对土壤养分产生了一定的破坏。

图3 木里煤田聚乎更矿区各井田肥力指标分布特征Fig.3 Distribution characteristics of fertility indexes of various minefields in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

2.2 土壤肥力质量评价

2.2.1 指标相关性分析

由表3 可以看出，土壤中各肥力指标之间具有较强的相关性。土壤pH 值与全氮、速效氮、速效磷呈显著负相关。有机质除与CEC 呈负相关外，与其他肥力指标均呈正相关，与速效氮、速效钾相关性较强。全氮受速效钾的影响较小，与速效氮、速效磷影响较大，与二者均呈显著正相关。速效钾的含量与其他肥力指标相关系数均较小，说明其含量受其他指标的影响较小；而速效磷受全氮、速效氮的影响较大，与二者呈极显著正相关，与pH 值呈显著负相关。上述分析表明，聚乎更矿区土壤肥力指标之间存在较强的相关性，符合主成分分析的前提条件。

表3 土壤肥力指标相关系数Table 3 Correlation coefficients of soil fertility indexes

2.2.2 质量评价因子主成分分析

通过KMO 和Bartlett 统计学检验，结果KMO=0.612＞0.5，Sig＜0.001，故可采用主成分分析法对木里煤田聚乎更矿区各井田土壤肥力质量进行综合评价。各因子所解释的方差及其累积和的结果见表4，据主成分特征值大于1 的原则[20-21]，选取前3 个特征值。其中，第1、第2、第3 主成分特征根分别为2.680、1.334、1.033，其方差贡献率分别为38.288%、19.060%、14.757%。分析发现前3 个成分方差累积贡献率达72.106%，说明提取这3 个公因子就能够比较好地解释原7 个变量所包含的信息，可用于评价土壤综合肥力[22-23]。

表4 总方差分析结果Table 4 Interpretation of total variance

为更明显表示出不同肥力指标与主成分之间的相关关系，对成分矩阵进行正交旋转，得到旋转矩阵及成分得分系数矩阵，计算结果见表5。从表5 旋转后的成分矩阵中可以看出，pH 值、全氮、速效氮、速效磷在成分1 中贡献较大，有机质、速效钾在成分2 中的贡献较大，CEC 在成分3 中的贡献较大。因此，可以将土壤肥力指标大致分为3 类：pH 值、全氮、速效氮、速效磷一类；有机质、速效钾一类；CEC 一类。

表5 旋转后的成分矩阵和成分得分系数矩阵Table 5 Rotated component matrix and component score coefficient matrix

根据表5 成分得分系数矩阵可计算出主成分的综合得分公式：

计算F1、F2、F3三个主成分的得分，结果表明，三号、八号、九号井田土壤的第1 因子得分最高，表明其pH 值、全氮、速效氮、速效磷含量较高；五号井田土壤的第2 因子得分最高，体现其有机质、速效钾含量丰富；哆嗦贡玛、四号井田土壤的第3 因子得分较高，表明其保肥能力方面有突出优势。为了探究各井田周边土壤的综合肥力情况，将3 个因子得分辅以方差贡献率为权重进行加权求和，得到各井田土壤的综合得分表达式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。计算结果见表6。结果表明木里煤田聚乎更矿区各井田土壤肥力质量从高到低依次为：三号、九号、五号、哆嗦贡玛、四号、八号井田。

表6 木里煤田聚乎更矿区各井田土壤肥力综合得分Table 6 Comprehensive score of soil fertility of minefields in Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

综合上述分析可知，聚乎更矿区除三号井田之外，其余井田土壤综合肥力状况均较差，因此，聚乎更矿区后期矿山生态修复时，利用粉煤灰、渣石、煤矸石等进行土壤重构时，需混合大量的牲畜粪便、有机肥、牧草专用肥等提高重构土壤的肥力质量。需要注意的是，排土场土壤中速效磷含量较低而速效钾的含量较高，后续要施加一定量的磷肥且需严格控制钾肥的施加量，以防重构土壤硬化板结。此外，三号、九号、哆嗦贡玛井田排土场土壤中全氮、速效氮的含量均较高，土壤重构时应严格控制氮肥的施加量，防止后续植被复垦时出现烧苗现象。

2.3 土壤重金属风险评价

聚乎更矿区土壤中重金属含量主要受堆存的矿渣和人为采煤活动的影响[3]。各井田土壤中重金属质量浓度统计特征见表7，可以看出，Hg 质量浓度在三号井田最低(0.05 mg/kg)，在九号井田最高(0.15 mg/kg)，其标准差小于1，离散程度较小，但是受平均值的影响，Hg 的变异系数较大，属于中等变异；矿区各井田土壤中Cd 质量浓度平均值超过研究区土壤本底值和青海省土壤背景值，说明废石、废渣、矸石中的Cd 在长期淋滤作用下有一部分进入土壤中，Cd 质量浓度在哆嗦贡玛、九号井田最高，在八号井田最低；As 质量浓度在不同井田土壤中的变化范围较大，为3.54～16.70 mg/kg，均值为8.57 mg/kg，变异系数较大；Pb、Cu、Cr 质量浓度平均值分别为25.11、27.61、83.41 mg/kg。综合上述分析，并参照GB 15618－2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[24]可知，矿区土壤中重金属含量的最大值均未超过标准中的风险筛选值，属于低风险状态，但Cd、As 质量浓度最大值接近筛选值，需要重点关注并采取有效措施。

表7 木里煤田聚乎更矿区各井田土壤重金属含量统计特征Table 7 Statistical characteristics of heavy metals in soils of Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

潜在生态危害指数(RI)法由HAKANSON 基于沉积学角度构建而来，其结果能反映土壤多种重金属的浓度、协同和毒性效应[26]，计算方法如下：

式中：Ei为重金属i的生态危害系数；Ti为重金属i的毒性系数，其值参照徐争启等[26]的研究；为重金属i质量浓度的实测值；为重金属i质量浓度参比值，参照GB 15618－2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》风险筛选值来确定参比值。

表8 为木里煤田聚乎更矿区土壤重金属生态危害评价指数结果。从表8 可知，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr的Ei值均小于10，表明这6 种重金属存在轻微污染，生态危害强度由弱到强的顺序依次为Cr、Pb、Cu、Hg、As、Cd。其中，哆嗦贡玛和九号井田土壤中多种重金属的Ei值高于其他井田，说明该区域的生态危害强度高于其他区域。结合Ei与RI 值可判断，矿区土壤重金属对生态危害程度较低。