安徽恒源煤矿区土壤肥力特征及重金属风险评价

2023-02-27何建国王新富

中国煤炭地质 2023年1期

马荣，何建国，章梅，王新富

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

我国是主要的煤炭生产国和消费国，其中96%的生产矿井以井工开采为主[1]。随着矿业生产活动进行，引起了规模不等地表塌陷区、地裂缝、崩塌、滑坡等次生地质灾害，严重破坏了土地资源和景观，其中以地表塌陷的破坏尤为严重[2-3]。在地表土层塌陷过程中，不仅破坏了土壤结构，造成水土流失，土壤肥力下降，而且地表形成的地裂缝阻断了地层水力联系，对农作物的生长发育产生严重影响[4-5]。安徽淮北位于黄淮平原，是我国重要农产品基地，也是重要的煤矿主产区，随着近几十年的开采，在煤矿区域已形成大片采空塌陷区，造成地表塌陷，土壤结构受到破坏，导致养分迁移农作物减产，制约了当地农业经济发展[6]。本文主要通过采集恒源煤矿不同区域土壤测定土壤有机质、营养元素和重金属元素，并进行对比研究，分析不同区域土壤中肥力及重金属含量特征，为采空塌陷区矸石复垦地生态恢复适宜性研究提供理论依据。

1 研究区概况

恒源煤矿位于位于安徽省淮北市濉溪县刘桥镇境内，地处淮北平原中部，矿区面积约19.1km2，区内地势平坦，沟渠纵横，水系发育，主要为河流和采空塌陷区积水，表层耕作层厚度约 20cm，质地为黏土。矿区土地利用类型主要为旱地、村庄、坑塘水面和采矿用地等，由于区内煤层开采后在地表沉陷，造成耕地土壤水土流失，耕地质量受到一定程度的影响[7]。

2 土壤样品采集

根据恒源矿区土地功能和利用现状，2021年6月分别在恒源煤矿区采空塌陷稳沉区、塌陷非稳沉区，矸石山周边区和未受采动影响的农田开展采样，共采集土壤样品30件，其中以矸石山为中心，在西北、东南及西南三个方向分别在50m、200m处采样，共采集6件(gs1-gs6)，采空塌陷稳沉区采样10件(wc1-wc10)，采空塌陷非稳沉区采样8件(fw1-fw8)，未受采动影响区采样6件(wyx1-wyx6)，采样点分布如图1所示。土壤采用对角线法采集表层 0～20 cm 的土壤样采样，在每个采样点采集5个点位土壤样品，将土壤等量均匀混合装入聚乙烯塑料袋中送至江苏地质矿产设计研究院实验室进行测试。根据测试结果，对恒源矿区不同功能区的土壤的肥力以及重金属环境质量指标应用主成分分析法、潜在生态危害指数法进行了评价分析。

3 结果与分析

3.1 土壤肥力指标分布特征

根据《土壤质量指标与评价》，结合恒源煤矿土地利用现状，本次选取土壤pH值、有机质、阳离子交换量(CEC)、总氮、总磷、速效钾、有效磷、碱解性氮作为肥力评价指标，并分析其分布特征。从图2a可以看出，土壤总体呈碱性，其中矸石周边区土壤平均pH值最低，塌陷区土壤平均pH值最高，整个恒源矿区pH值变化并未显示规律性；恒源矿区各功能区有机质含量整体偏低(图2b)，其中矸石堆周围土壤和未受采动影响区有机质的含量相对较高；恒源矿区各功能区CEC含量相差较小(图2c)，其中塌陷稳沉区和非稳沉区相对较高。对于土壤中养分指标，速效养分相对于全量养分更易被农作物吸收，也更能体现土壤的肥力现状[8]，恒源矿区各功能区中塌陷稳沉区全氮、全磷平均含量分别为767.6mg/kg和836.6mg/kg，其余功能区土壤中全氮、全磷平均含量均超过1 000mg/kg，含量达到3级指标[9]，磷、氮含量较高(图2d、e)。各功能区中土壤中速效磷、碱解性氮和速效钾含量分布状况基本一致(图2f、h、i)，均呈现矸石山区和未受影响区含量高，其他功能区含量低的特征，达到2级指标[9]；各功能区土壤中速效钾的含量整体偏高，绝大多数超过100mg/kg，其中矸石区周边土壤含量最高，均值达到331mg/kg，含量达到1级指标[9]，含量丰富。

图1 研究区土壤样品采样点分布Figure 1 Distribution of soil sample sampling sites in Hengyuan Coal Mine research area

整体来看，塌陷稳沉区和塌陷非稳沉区土壤肥力指标均低于未塌陷区，呈现出贫氮贫磷的特征，主要由于煤矿在开采过程中采空沉陷造成土壤肥力破坏，同时雨水侵蚀也加剧了土壤养分迁移流失，造成土壤质量降低[10]，后期在复垦工程中要加强对塌陷区的保水增肥措施；矸石堆周围土壤有机质、磷、氮含量均较其他区域偏高，初步分析可能由于矸石堆场的粉尘迁移到周边土壤，矸石中矿物质受雨水淋溶作用进入到土壤中，对土壤质量起到一定改善作用[11]。

3.2 土壤质量评价

3.2.1 土壤肥力指标相关性分析

由表1可以看出，土壤各肥力指标之间关系密切，其中，土壤pH值除了与阳离子交换量(CEC)呈正相关外，与其他肥力指标均呈负相关，可以看出恒源矿区pH值是影响植物生长的主要营养障碍之一，因此在塌陷区在复垦过程中要合理控制土壤pH值变化，减少复垦土壤酸碱变化对肥力指标的影响，避免农作物营养失调导致减产。土壤中有机质除了与pH值和CEC呈负正相关外，与其他肥力指标均呈显著正相关，所以在土壤中提高有机质对增加N、P、速效钾、破解性氮和速效磷含量有一定的作用，反之增加这些肥力指标含量也有助于土壤有机质的提高，由此可见，恒源矿区不同功能区土壤各肥力指标之间存在显著相关性，可开展主成分分析。

图2 不同功能区肥力指标分布特征

表1 土壤肥力指标相关系数

3.2.2 土壤肥力质量因子分析

通过KMO和巴特利球形(Bartlett)统计学检验，结果显示KMO取值大于0.5，且Bartlett球形检验统计量的Sig<0.001，表明各变量之间存在着显著相关性，可以用因子分析法对恒源矿区不同功能土壤肥力进行综合评价，结果如表2所示。据主成分特征值大于1的原则[12]，提取前2个主成分均在1.0以上特征值，其中，第1主成分特征根为5.163，方差贡献率为64.536%，第2主成分特征根为1.019，方差贡献率为12.735%，第1和2主成分方差累积贡献率超过75%，可以解释8个各原始变量所包含的信息，可用于评价土壤综合肥力。

通过对土壤不同肥力指标与主成分矩阵进行空间正交旋转，得到旋转成分矩阵(表3)，由旋转后的因子矩阵可以看出，有机质、全氮、全磷、速效钾、碱解性氮、速效磷在成分1中贡献较大，pH值、CEC在成分2中的贡献较大。因此，可以将土壤肥力指标大致分为两类：pH值、CEC一类；有机质、全氮、碱解性氮、速效磷、速效钾、全磷一类。通过成分得分系数矩阵可计算得到各类煤矸石主因子得分雷达图可以看出，未受影响区和矸石山周边区归为第一因子(F1)，土壤肥力以有机质、全氮、破解性氮、速效磷为主导；塌陷稳沉区和非稳沉区归为第二因子(F2)，土壤肥力以pH值、CEC为主导。

计算F1、F2两个主成分的得分，并辅以方差贡献率为权重进行加权求和，得到恒源矿区不同功能区土壤的综合得分，结果如表4所示。结果表明恒源矿区土壤肥力质量从高到低依次为矸石山周边区、未受影响区、塌陷非稳沉区、塌陷稳沉区。

表2 总方差分析

表3 旋转后的成分矩阵和成分得分系数矩阵

图3 主因子得分雷达Figure 3 Radar chart of main factor scores for soil fertility index

表4 不同功能区土壤肥力综合得分

3.3 不同功能区土壤重金属含量

土壤中各功能区重金属统计特征见表5，可以看出，Cd含量变化在在塌陷稳沉区含量最低，其他三个区域含量略高；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn等重金属平均含量分别为0.029mg/kg、14.22mg/kg、27.3mg/kg、78.5mg/kg、28.2mg/kg、36.7mg/kg、76.2mg/kg，初步分析矸石山周边农地土壤可能受到矸石粉尘及公路扬尘沉降在农田土壤中，导致土壤中重金属含量偏高，同时矸石山周边均有交通干道，公路扬尘落入土壤中也是导致重金属含量偏高的原因之一[13]；塌陷稳沉区及塌陷沉降区重金属含量相对较高，可能由于地面塌陷导致土壤肥力降低，农田减产，耕作过程中大量使用含有少量金属元素的有机肥，在土壤与水的一系列物化作用条件下，导致重金属元素易残留富集于土壤中[14]。参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[15]，恒源煤矿各功能区土壤中重金属含量的均低于标准风险筛选值，属于低风险状态，且重金属的变异程度均小于0.3，受污染影响程度较轻。

表5 不同功能区土壤重金属含量

采用潜在生态危害指数法评价不同功能区土壤多种重金属的浓度和毒性效应[16]，计算公式：

(1)

从表6可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的Ei值均小于40，表明这8种重金属存在轻微污染，恒源煤矿区土壤重金属对生态危害程度较低。8种重金属的生态危害强度由强到弱的顺序为Cd、As、Cu、Pb、Cr、Hg、Ni、Zn，其中，矸石山区域重金属的Ei值均高于其他功能区，说明该区域的生态危害强度高于其他区域。结合根据Ei与RI值可判断，矿区土壤重金属对生态危害程度较低。

表6 不同功能区土壤重金属生态危害评价指数

3.4 综合评价

恒源煤矿塌陷区和塌陷非稳沉区中氮、磷、钾等肥力指标平均含量偏低，而重金属含量生态危害程度风险轻微，在复垦过程中塌陷区可用矸石初步回填，在回填层上覆0.3～0.5m厚土壤层可加入特定的微生物群落[18]，辅以有机肥和少量煤基混合物来改善土壤肥力和农地质量[19]，同时在肥料中添加草木灰和蒙脱石等重金属钝化剂[20-21]，降低土壤中重金属含量；对于矸石山周边土壤需要加强动态监测，施肥过程中加入金属钝化剂，降低土壤中重金属含量，同时对矿区矸石进行复垦造田筑路及矿区离层注浆等综合利用，消减矸石，减少对矿区周边农地和地下水体的影响。