張文影，姚多喜，，孟 俊，張治國(guó)，安士凱，楊 清，趙 魁

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州310029；3.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南232001）

隨著煤炭資源的大量開(kāi)采，采空區(qū)和地面沉陷區(qū)大面積形成，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定惡化，不利于土地資源的利用和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。煤矸石充填技術(shù)的應(yīng)用，既解決了煤矸石山占地面積大、污染環(huán)境的缺陷，又能保證塌陷區(qū)通過(guò)覆土造地實(shí)現(xiàn)二次利用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但由此造成的重金屬污染等環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注［1－2］。采煤沉陷復(fù)墾區(qū)一方面由于煤矸石充填技術(shù)的應(yīng)用，使得煤矸石中的重金屬元素進(jìn)入土壤；另一方面，附近煤矸石山的堆積，有害氣體及飄塵隨著雨水的降落［3－4］，導(dǎo)致土壤環(huán)境的重金屬污染日趨嚴(yán)重。近年來(lái)，大量學(xué)者［5－9］的研究表明煤矸石大量堆存和以煤矸石作為充填介質(zhì)的采煤沉陷復(fù)墾區(qū)均造成了一定程度的重金屬污染。重金屬元素進(jìn)入土壤后的轉(zhuǎn)移與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾提出多種重金屬污染指標(biāo)，如有效量指標(biāo)、綜合指標(biāo)，來(lái)表征和預(yù)報(bào)土壤的污染程度，但由于種種原因都較難推廣應(yīng)用［10］。土壤酶是土壤新陳代謝的重要因素，參與包括土壤生物化學(xué)過(guò)程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)，重金屬通過(guò)淋溶、地表徑流等途徑進(jìn)入土壤后，與土壤酶產(chǎn)生相互作用，直接影響到土壤環(huán)境質(zhì)量［11－13］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤酶與重金屬的研究都比較多，但對(duì)采煤沉陷復(fù)墾區(qū)這一特殊條件下的土壤酶與重金屬之間的耦合賦存關(guān)系研究較少。因此，本研究試圖分析采煤沉陷復(fù)墾區(qū)土壤酶與重金屬之間的相關(guān)關(guān)系，并討論在復(fù)墾區(qū)用土壤酶綜合指標(biāo)來(lái)表征土壤重金屬污染狀況的可行性。

1 研究區(qū)域概況

新莊孜礦采煤沉陷區(qū)位于安徽省淮南市煤田西翼，屬于淮南采煤塌陷區(qū)綜合整治示范工程項(xiàng)目。該區(qū)自2003年開(kāi)始復(fù)墾，采用煤矸石充填復(fù)墾技術(shù)，覆土深度約為60cm，治理塌陷地22.87hm2。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉降和復(fù)墾作用，新莊孜采煤沉陷復(fù)墾區(qū)已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。研究區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，氣候特征顯著，年平均氣溫為15.3℃，年平均降水量926mm，夏季降雨量較多，春秋次之，冬季較少。研究區(qū)域大致劃分為7個(gè)采樣單元，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)和G區(qū)?？傮w來(lái)看，東部地勢(shì)略高于西部，每部分地形比較平坦，標(biāo)高＋18.6m，農(nóng)作物以小麥、桃樹(shù)為主。研究區(qū)域和采樣分區(qū)概況如圖1所示。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與制備

采用梅花布點(diǎn)法，根據(jù)地理面積大小在每個(gè)分區(qū)均勻布設(shè)采樣點(diǎn)，混合均勻后四分法采集土壤樣品裝入采樣袋中保存，應(yīng)保證每個(gè)采樣單元的土壤盡可能均勻一致。采樣時(shí)先剝除表面浮土，用塑料锨或采樣器采集0—20cm土樣，混勻后裝入采樣袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室及時(shí)風(fēng)干處理。

圖1 新莊孜復(fù)墾區(qū)地理和采樣分區(qū)概況

為保證樣品的代表性和更好地控制采樣誤差，要保證一定量的采樣點(diǎn)，然后混均，使之能充分代表采樣單元的土壤特性。另采集一個(gè)未受煤矸石污染的農(nóng)田土壤樣品作為對(duì)照。采樣點(diǎn)用手持式GPS定位（32°38′37.3″—32°38′46.9″N，116°51′04.2″—116°51′41.3″E）。

2.2 分析測(cè)試方法

脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶、纖維素酶采用比色法，過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶采用滴定法［14－15］。比色法所用儀器為T(mén)U-1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。脲酶和蔗糖酶活性分別以24h后1g土壤中NH3—N，葡萄糖的毫克數(shù)表示；磷酸酶活性以12h后每克土壤的酚毫克數(shù)表示；以每克土壤在30℃下48h內(nèi)酶解蛋白質(zhì)釋放的酪氨酸量表示蛋白酶活性；纖維素酶活性以72h，10g土壤生成葡萄糖毫克數(shù)表示；過(guò)氧化氫酶活性以單位土重消耗的0.002mol／L高錳酸鉀毫克數(shù)表示；多酚氧化酶活性，以用于滴定相當(dāng)于1g土壤的濾液的0.01NI2的毫克數(shù)表示。6種重金屬測(cè)定方法為：Hg含量采用原子熒光光譜儀（LUMINA 3300）測(cè)定，Cd和Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法，Cu，Cr，Zn采用火焰原子吸收分光光度法，所使用的設(shè)備為T(mén)AS-986型原子吸收分光光度計(jì)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)利用SPSS 16.0，Excel，Matlab 7.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制圖用MapGIS 6.5完成。

2.4 質(zhì)量控制

為保證樣品預(yù)處理及儀器分析質(zhì)量，選用了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)土壤標(biāo)準(zhǔn)參考（土壤GBW-07403）作為標(biāo)準(zhǔn)參考物，以評(píng)價(jià)分析過(guò)程的精確性。結(jié)果表明，各元素回收率均達(dá)到90%以上，符合美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)要求，分析質(zhì)量得到有效控制。

3 結(jié)果與分析

3.1 煤礦塌陷復(fù)墾區(qū)土壤酶活性分析

3.1.1 采煤復(fù)墾區(qū)土壤酶活性 從監(jiān)測(cè)所得7種土壤酶活性數(shù)據(jù)（表1）可以看出，與對(duì)照區(qū)土壤酶活性相比，采煤復(fù)墾區(qū)的7個(gè)采樣點(diǎn)土壤酶活性均受到不同程度的抑制，且7種土壤酶對(duì)重金屬污染的敏感性不一致。如脲酶活性最小值出現(xiàn)在S7號(hào)采樣點(diǎn)，酶活性比對(duì)照土壤減小了94%，比最大值減小了36.97%；與對(duì)照相比，磷酸酶的減小量在35.3%～49.5% ；蔗糖酶在2.19%～73.6%，過(guò)氧化氫酶活性的最小值和最大值分別出現(xiàn)在S2和S1號(hào)樣點(diǎn)，抑制程度為36.78%～55.64%，由此可見(jiàn)，不同的土壤酶對(duì)重金屬的抑制程度表現(xiàn)不一致。

土壤酶主成分分析全部計(jì)算成果在SPSS 16.0上完成。將表1中的土壤酶數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SPSS 16.0，利用因子分析中的主成分分析方法，提取主成分，得到相關(guān)系數(shù)的特征根和方差貢獻(xiàn)率（表2）。

表1 各采樣點(diǎn)土壤酶標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg／g

表2 相關(guān)系數(shù)的特征根和方差貢獻(xiàn)率

3.1.2 計(jì)算主成分特征向量 從表2可以看出，在旋轉(zhuǎn)之前，第一個(gè)因子的特征值是4.812，與第7個(gè)因子相比，解釋的部分大約為總體方差的68.739%，第二個(gè)因子的特征值是1.186，解釋了原變量的16.942%。兩個(gè)因子合計(jì)解釋了總變量的85.681%。旋轉(zhuǎn)之后，兩個(gè)因子的特征值之和為5.998，解釋了原變量的85.681%。

根據(jù)主成分分析原理［16］及成分?jǐn)?shù)—特征值碎石圖可以得出，前兩個(gè)因子解釋了總方差的大部分，提取這兩個(gè)因子作為主因子是合理的，能夠比較好的保留原有變量所包含的信息。

由初始因子載荷矩陣計(jì)算得到2個(gè)主成分特征向量值及這2個(gè)主成分與各個(gè)變量的線性組合為：

式 中，F(xiàn)1，2——總 體 酶 活 性；x1——脲 酶 活 性；x2——磷酸酶活性；x3——蔗糖酶活性；x4——過(guò)氧化氫酶活性。

3.1.3 計(jì)算主成分得分及綜合得分 采用因子加權(quán)總和計(jì)算各采樣點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)值，將各變量的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入方程，計(jì)算出2個(gè)主成分得分F1，F(xiàn)2以及綜合得分F并排序。以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算其綜合得分并排序詳見(jiàn)表3，計(jì)算綜合得分表達(dá)式為：

由主成分的定義及2個(gè)主成分的線性組合與綜合得分公式，求得8個(gè)采樣點(diǎn)的綜合得分（表3）。綜合得分越高說(shuō)明該采樣點(diǎn)的重金屬污染程度越低。

表3 主成分得分及排序

由主成分分析算得F值（表3）。由表3可以看出，F(xiàn)值大小順序?yàn)椋篎K＞S3＞S1＞S6＞S5＞S2＞S4＞S7。

由F值及樣品聚類(lèi)分析結(jié)果，顯示出土壤樣品FK的值最高，表明其代表的土壤受到重金屬污染，采樣點(diǎn)S3，S1，S6，S5，S2土樣次之，污染程度較輕；采樣點(diǎn)S4和S7土壤樣品F值最小，污染較嚴(yán)重。

3.2 煤礦塌陷復(fù)墾區(qū)重金屬污染分析

總結(jié)前人［17－20］對(duì)淮南礦區(qū)重金屬污染的研究結(jié)果，選取新莊孜采煤復(fù)墾區(qū)中的 Hg，Cd，Pb，Cu，Cr和Zn共6種重金屬作為污染評(píng)價(jià)因子。重金屬污染分析全部計(jì)算成果在Matlab 7.0上完成。通過(guò)對(duì)各種重金屬污染評(píng)價(jià)方法及模型的優(yōu)劣及適用范圍［21－25］的綜合比較，選擇基于灰色理論的灰色聚類(lèi)法進(jìn)行本次重金屬評(píng)價(jià)。

3.2.1 構(gòu)建空間特征矩陣A 8個(gè)樣品空間包含了6個(gè)聚類(lèi)指標(biāo)，構(gòu)成了空間指標(biāo)特性矩陣A8×6。每一列代表一種重金屬濃度，從左至右分別代表Hg，Cd，Pb，Cu，Cr和Zn這6種重金屬，每一行代表每一采樣點(diǎn)的一組重金屬濃度數(shù)據(jù)。

3.2.2 劃分污染級(jí)別 根據(jù)研究區(qū)域的土壤背景值和臨界值確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［26－28］，將土壤等級(jí)從清潔至重污染劃分為為5種級(jí)別，對(duì)應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣β6×5：

3.2.3 初始指標(biāo)的白化 根據(jù)矩陣A8×6和β6×5，利用白化的基本計(jì)算公式，計(jì)算各樣品的白化矩陣，得到白化矩陣，如樣品S1和樣品FK的白化矩陣D1及D8：

將白化矩陣與矩陣A8×6和β6×5比對(duì)，可發(fā)現(xiàn)矩陣中的白化函數(shù)值，可以準(zhǔn)確地反映重金屬對(duì)不同污染等級(jí)的隸屬關(guān)系。

3.2.4 標(biāo)定空間樣品的權(quán)值矩陣V 根據(jù)權(quán)值計(jì)算公式，得到權(quán)值矩陣：

3.2.5 計(jì)算聚類(lèi)系數(shù)U 對(duì)于聚類(lèi)對(duì)象Ak，根據(jù)聚類(lèi)權(quán)值Vk和白化矩陣Dk，按照下式計(jì)算其聚類(lèi)系數(shù)矩陣Uk：

3.2.6 劃分污染等級(jí) 由上聚類(lèi)系數(shù)矩陣，依據(jù)擇大原則，可得出各樣品的污染級(jí)別（表4）。

表4 污染等級(jí)劃分

4 結(jié)果討論

對(duì)比兩種分析結(jié)果可以看出，除S2號(hào)樣點(diǎn)外，其它樣點(diǎn)分析結(jié)果基本一致。S2號(hào)樣點(diǎn)用土壤酶信息得到的結(jié)果是輕污染，而利用灰色聚類(lèi)法的重金屬污染評(píng)價(jià)等級(jí)為中污染。可能原因是土壤具有保護(hù)土壤酶的能力，對(duì)重金屬污染具有一定的緩沖能力，所以利用土壤酶信息得到的結(jié)果比直接利用重金屬評(píng)價(jià)的結(jié)果略小一些?？傮w來(lái)看，土壤酶活性大小綜合反映了土壤重金屬污染程度的高低，采用主成分分析法得到的土壤酶信息來(lái)判別土壤樣品受重金屬污染狀況是可行的。這與前人對(duì)非采煤沉陷區(qū)土壤的研究結(jié)論基本一致，說(shuō)明該方法是可行的，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

（1）兩種評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，說(shuō)明用土壤酶綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)判別采煤沉陷復(fù)墾區(qū)的重金屬污染程度是可行的，土壤酶活性大小綜合反映了土壤重金屬污染程度的高低。評(píng)價(jià)結(jié)果和評(píng)價(jià)方法為新莊孜礦復(fù)墾區(qū)及相似礦區(qū)復(fù)墾地的土壤重金屬污染治理對(duì)策的提出和重點(diǎn)治理區(qū)域的確定提供參考和理論依據(jù)。

（2）評(píng)價(jià)結(jié)果表明采煤沉陷區(qū)植物修復(fù)表現(xiàn)出一定的成效。采煤復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量逐步由重污染等級(jí)向輕污染等級(jí)轉(zhuǎn)化演變，最后趨于穩(wěn)定的演變過(guò)程。這與眾多研究者對(duì)新莊孜礦復(fù)墾區(qū)近幾年的研究成果變化趨勢(shì)相一致。

（3）采用土壤酶作為采煤復(fù)墾區(qū)重金屬污染評(píng)價(jià)的指標(biāo)，可以解決實(shí)驗(yàn)儀器和技術(shù)要求較高、成本較大等缺陷，為重金屬綜合污染評(píng)價(jià)提供一種簡(jiǎn)單易行的手段，同時(shí)也為采煤復(fù)墾區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和生態(tài)修復(fù)保護(hù)提供了一種科學(xué)依據(jù)，具有重要的監(jiān)測(cè)價(jià)值。

（4）測(cè)定土壤酶活性不僅可以綜合評(píng)價(jià)土壤重金屬污染狀況，同時(shí)土壤酶活性可以對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)狀況做出一定判別。如脲酶與土壤供氮能力密切相關(guān)，直接參與土壤中含氮化合物的轉(zhuǎn)化，其活性大小可以表示土壤的氮素供應(yīng)狀況；磷酸酶促進(jìn)土壤有機(jī)磷礦化分解，參與土壤磷循環(huán)，其活性大小可以作為土壤提供磷能力和土壤磷素有效化強(qiáng)度的重要指標(biāo)；蔗糖酶參與土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化，對(duì)增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起著關(guān)鍵作用，常用來(lái)表示土壤的熟化程度和肥力水平；過(guò)氧化氫酶活性可以表征土壤的腐殖化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累程度等等。

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