任珊珊 ，畢 斌，郭李凱，于亞軍

（山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000）

農(nóng)業(yè)信息·農(nóng)業(yè)工程·資源環(huán)境

煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤重金屬含量及污染狀況評價

任珊珊 ，畢 斌，郭李凱，于亞軍＊

（山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000）

為給煤矸山復(fù)墾區(qū)的生態(tài)重建提供依據(jù)，以山西省霍州市曹村煤礦復(fù)墾6年的煤矸山為例，分析農(nóng)田、蔬菜地、果園和荒草地等4種利用類型復(fù)墾地土壤重金屬元素Pb、Zn、Cr、Cu含量的差異；同時運(yùn)用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，對4種樣地土壤重金屬污染狀況進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價。結(jié)果表明：Cu在4種樣地中的含量均超過山西省土壤背景值；Pb在蔬菜地未超標(biāo)，在農(nóng)田、果園和荒草地分別超標(biāo)15.7%、18.9%、20.2%；Cr在果園未超標(biāo)，在農(nóng)田、蔬菜地和荒草地分別超標(biāo)12.6%、6.9%、87.4%，而Zn在4種樣地中均未超標(biāo)。從單項污染指數(shù)評價看，Cu和Pb除在蔬菜地分別為輕度累積和未累積外，在其他3種樣地中均分別為中度累積和輕度累積；Cr除在果園未累積外，在其他3種樣地均達(dá)輕度累積，Zn 在4種樣地均未累積。從綜合污染指數(shù)看，4種樣地重金屬均出現(xiàn)不同程度的累積，其中荒草地和果園達(dá)到中度累積，玉米地和蔬菜地達(dá)輕度累積。

煤矸山；重構(gòu)土壤；土地利用類型；重金屬污染評價

煤矸石是井工開采和洗煤產(chǎn)生的廢棄物［1］，其利用率低，主要以煤矸山的形式堆放，不僅占用大量土地，而且通過揚(yáng)塵、自燃和雨水淋溶等方式導(dǎo)致嚴(yán)重的土地、水體、空氣污染［2－3］。因此，對煤矸山進(jìn)行復(fù)墾治理是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實施煤礦區(qū)生態(tài)重建的前提和核心［4－5］。采用推平覆土后進(jìn)行復(fù)墾是治理矸石山的主要措施［6－7］，但復(fù)墾過程煤矸石中含有的重金屬元素會遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)入推平覆土后形成的重構(gòu)土壤中，造成重構(gòu)土壤污染，成為矸石山植被復(fù)墾的重要限制因素。煤矸山復(fù)墾后往往被優(yōu)先利用為農(nóng)田、果園和草場等。因此，復(fù)墾后煤矸石中有害物質(zhì)或分解產(chǎn)物在土壤中逐漸積累，并通過食物鏈被人體吸收，可能危害人體健康［8－13］。研究表明，不同的土地利用類型和強(qiáng)度對土壤重金屬元素遷移富集具有強(qiáng)烈影響［14－15］。因此，開展不同土地利用類型煤矸石復(fù)墾土壤重金屬污染狀況的研究具有重要意義，可為煤矸山植被復(fù)墾類型的選擇提供理論指導(dǎo)。

山西省長期高強(qiáng)度煤炭開采，已囤積超過10億t煤矸石，形成了300多座矸石山［16］。近年來，山西省加大了矸石山復(fù)墾的治理力度，多個煤矸山通過覆土復(fù)墾的方法得到治理。因此，開展不同土地利用類型矸石山復(fù)墾土壤重金屬研究具有典型性。山西省南部產(chǎn)煤區(qū)煤矸石中重金屬Pb、Zn、Cr 和Cu的含量普遍較高［17］。故筆者以山西省霍州市曹村煤礦復(fù)墾煤矸山為例，以復(fù)墾6年的農(nóng)田、蔬菜地、果園和荒草地為研究對象，分析4種利用類型矸石山復(fù)墾地土壤重金屬Pb、Zn、Cr和Cu含量，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行重金屬污染評價，以此了解不同土地利用方式對土壤重金屬含量的影響，揭示煤矸山復(fù)墾土壤重金屬污染的風(fēng)險狀況，以期為矸石山復(fù)墾區(qū)土地利用方式的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市霍煤集團(tuán)曹村礦區(qū)，該礦區(qū)距霍州市約7km。該地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.1℃，年均降雨量437.3mm，區(qū)內(nèi)山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。土壤類型為褐土，主要作物為1年1熟的冬小麥和玉米，其次為雜糧和蔬菜。

研究樣地位于該礦南下莊矸石山（36°30′47.9″N，111°42′11.1″E），該矸石山從1959年使用，復(fù)墾時矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6hm2，垂直高度約50cm。矸石中重金屬Pb、Cu、Cr和Zn的含量分別為30.40mg／kg、74.06mg／kg、180.52mg／kg和146.33mg／kg。矸石山于2008年推平覆土綠化，覆土厚度頂部為100～120cm，復(fù)墾時覆土土壤均取自煤矸山附近。復(fù)墾后利用類型分別為農(nóng)田（種植玉米）、蔬菜地（種植大白菜、蘿卜、豆角等）、果園（種植山楂樹）和荒草地（白羊草、白胡子草和狗尾草）。

1.2 樣品采集與分析

研究以復(fù)墾6年的農(nóng)田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）、荒草地（WL）為樣地，土壤樣品采集時間為2014年10月，采用S型采樣法，在每個樣地中各選擇5個采樣點(diǎn)，混合形成一個樣品，最后形成3個重復(fù)樣。各點(diǎn)取土深度均為100cm，每20cm一層，樣品帶回實驗室，自然風(fēng)干后剔除大石塊、植物根系等雜物，磨細(xì)后過100目（0.160mm）尼龍篩，裝袋密封待測。樣品測定時間為2014年11—12月，測定時稱取約0.5g土壤樣品，采用HNO3－HCIO3消解，利用nov－AA400火焰－石墨爐原子吸收光譜儀測定其含量，3次重復(fù)，取平均值［18］。

1.3 評價方法

超標(biāo)比例的計算

超標(biāo)比例＝（重金屬含量值－山西省土壤重金屬含量背景值）／背景值×100%

單因子污染指數(shù)法的計算公式［19］：

式中：Pi為重金屬i的累積指數(shù)，Ci為重金屬i的實測值，Si為重金屬i的評價參比值，試驗以山西省土壤背景值（Cu、Pb、Cr、Zn的含量分別為22.9mg／kg、14.7mg／kg、55.3mg／kg和63.5mg／kg）作為評價標(biāo)準(zhǔn)［20－21］。

綜合污染指數(shù)采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法，計算公式：

式中：P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，Pmax為單項指數(shù)最大值，Pave為單項指數(shù)算數(shù)平均值。土壤重金屬評價具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤重金屬評價單項指數(shù)和綜合指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of single factor index and multi－factor index of heavy metals in soil

2 結(jié)果與分析

2.1 4種利用類型煤矸山復(fù)墾土壤重金屬的含量差異

從表2可知農(nóng)田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）和荒草地（WL）的土壤重金屬含量及超標(biāo)情況。

2.1.1 1m土層平均狀況Cu在4種樣地中的含量均超過山西省土壤背景值（22.9mg／kg），其中，果園超標(biāo)比例最高，為175.7%；而蔬菜地最低，為97%；Pb和Cr除分別在蔬菜地和果園未超標(biāo)外，其他3種樣地均超標(biāo)，且兩者均在荒草地超標(biāo)比例最高分別為20.2%和87.4%，而Zn在4種樣地均未超標(biāo)。

2.1.2 不同土層Cu在果園、農(nóng)田、蔬菜地各土層中的含量和超標(biāo)情況與其1m土層的平均狀況一致，但荒草地深層（60～80cm和80～100cm土層）土壤中的含量遠(yuǎn)高于1m土層的平均含量；Pb 在4種樣地中各土層含量和超標(biāo)情況與平均狀況基本一致，但在農(nóng)田20～40cm、蔬菜地20～40cm、果園40～60cm和荒草地0～20cm及20～40cm土層卻存在差異；Cr在荒草地中各層的含量和超標(biāo)情況與1m土層的平均狀況一致，但農(nóng)田深層（60～80cm和80～100cm土層）土壤和蔬菜地中層土壤以上（0～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤中的含量明顯高于1m土層的平均狀況；Zn雖在4種樣地1m土層的平均含量均不超標(biāo)，但在農(nóng)田40～60cm土層和荒草地60～80cm土層中出現(xiàn)超標(biāo)情況。

表2 煤矸山4種復(fù)墾土壤的重金屬含量及超標(biāo)比例Table 2 Content and excessive proportion of heavy metals in the four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

2.2 4種利用類型煤矸山復(fù)墾土壤重金屬污染狀況

2.2.1 單項污染指數(shù)

從表3可知農(nóng)田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）和荒草地（WL）土壤重金屬單項污染指數(shù)評價結(jié)果存在差異。

表3 煤矸山4種復(fù)墾土壤重金屬的單項污染指數(shù)Table 3 Single－factor index in four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

1）1m土層單項重金屬的平均累積狀況。Cu 和Pb在蔬菜地分別為輕度累積和未累積，在其他3種樣地中均分別為中度累積和輕度累積，Cr除在果園未累積外，其他3種樣地均達(dá)到輕度累積，Zn在4種樣地均未累積。

2）不同土層中單項重金屬累積狀況的差異。4種重金屬在4種樣地各土層中的累積狀況與其1m土層整體平均累積狀況基本一致，但在個別土層存在差異。Cu在蔬菜地0～20cm及40～60cm土層中達(dá)中度累積；在果園0～20cm土層及荒草地深層（60～80cm、80～100cm）土壤中達(dá)重度累積；Pb在農(nóng)田20～40cm土層、果園40～60cm土層、荒草地0～20cm和20～40cm土層中未出現(xiàn)累積；Cr在農(nóng)田0～20cm、20～40cm土層和荒草地0～20cm土層分別為未累積和中度累積；Zn在農(nóng)田40～60cm土層和荒草地60～80cm土層中達(dá)輕度累積。

2.2.2 綜合污染指數(shù) 從表4可知農(nóng)田（CL）、蔬菜地（VL）、果園（OL）和荒草地（WL）4種重金屬的綜合污染指數(shù)評價結(jié)果也存在一定差異。

1）1m土層平均狀況。綜合污染指數(shù)依次為荒草地、果園、玉米地和蔬菜地，荒草地和果園達(dá)中度累積，玉米地和蔬菜地達(dá)輕度累積。

表4 煤矸山4種樣地土壤重金屬綜合污染指數(shù)評價結(jié)果Table 4 Evaluation results of Nemerow integrated index in four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

2）不同土層狀況。農(nóng)田、蔬菜地各層綜合污染狀況與其1m土層整體平均狀況一致，而果園40～60cm土層和荒草地中層土壤（0～20cm、20～40cm和40～60cm）綜合污染狀況低于其整體平均狀況為輕度累積。

3 結(jié)論

1）4種樣地的重金屬含量中，Cu在4種樣地中的含量均超過山西省土壤背景值，其中果園中超標(biāo)比例最高，而蔬菜地中最低；Pb和Cr除分別在蔬菜地和果園中未超標(biāo)外，其他3種樣地均超標(biāo)，且兩者均在荒草地中超標(biāo)比例最高；而Zn在4種樣地中均未超標(biāo)。

2）單項污染指數(shù)中，Cu和Pb除在蔬菜地分別為輕度累積和未累積外，在其他3種樣地中均分別為中度累積和輕度累積；Cr除在果園為未累積外，其他3種樣地均達(dá)輕度累積；Zn在4種樣地均為未累積。綜合污染指數(shù)由依次為荒草地＞果園＞玉米地＞蔬菜地，荒草地和果園達(dá)到中度累積，玉米地和蔬菜地達(dá)輕度累積。從單項污染指數(shù)看，種植蔬菜對復(fù)墾土壤中重金屬元素Cu和Pb的改善效果最好，種植果樹對復(fù)墾土壤中重金屬元素Cr的改善效果最好。4種植被類型對復(fù)墾土壤中重金屬元素Zn的改善效果相差不大。從綜合污染狀況看，蔬菜地復(fù)墾土壤的污染指數(shù)最低，種植蔬菜有利于復(fù)墾土壤的改善。

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（責(zé)任編輯：孫小嵐）

Heavy Metal Contents and Pollution Assessment in Reclaimed Soil of Coal Waste Pile

REN Shanshan，BI Bin，GUO Likai，YU Yajun＊
（College of Geography Sciences，Shanxi Normal University，Linfen，Shanxi 041000，China）

In order to effectively guide the ecological reconstruction of coal mine area，taking the coal waste pile reclaimed for six years in Cao village，Huozhou Country，Shanxi Province as an example，the authors analyzed the contents of heavy metals（Cu，Pb，Cr，Zn）in the reconstructed soil of four kinds of soil samples，including farmland，vegetable land，orchard and weeds land.The ecological risk of heavy metal pollution in the four kinds of soil samples was evaluated by adopting the single factor index and Nemerow integrated index.Results：Content of Cu in four kinds of soil samples exceeded the soil background values in Shanxi Province，the content of Pb in vegetable land did not exceed the standard，but the over standard rate of farmland，orchard and weeds land were respectively 15.7%，18.9%and 20.2%；The content of Cr in orchard did not exceed the standard，but the over standard rate of farmland，vegetable land and weeds land were respectively 12.6%，6.9%and 87.4%.The content of Zn in the four kinds of soil samples did not exceed the soil background values in Shanxi Province.From the point of single pollution index evaluation results，Cu and Pb in vegetable land reached respectively light accumulation and no accumulation，in the other three soil samples reached respectively moderate accumulation and light accumulation，Cr in orchard reached no accumulation，in the other three soil samples reached light accumulation，Zn in the four kinds of soil samples was no accumulation.From the point of comprehensive pollution index evaluation results，four types of soil samples accumulated in different degrees，orchard and weeds land reached moderate accumulation，farmland and vegetable land reached light accumulation.

coal waste pile；reconstruction soil；land use type；heavy metal pollution assessment

S－1

A

1001－3601（2016）07－0313－0117－04

2015－12－09；2016－06－27修回

國家自然科學(xué)基金青年項目（41301304）

任珊珊（1991－），女，在讀碩士，研究方向：土壤生態(tài)恢復(fù)。E－mail：642386049＠qq.com

＊通訊作者：于亞軍（1978－），男，副教授，博士，從事區(qū)域環(huán)境與生態(tài)恢復(fù)方面的教學(xué)與研究。E－mail：yuyajun0211＠126.com