任珊珊,于亞軍
(山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041004)
煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤剖面養(yǎng)分含量和重金屬污染狀況分析
任珊珊,于亞軍*
(山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041004)
【目的】土壤養(yǎng)分狀況不佳和重金屬污染是煤矸山重構(gòu)土壤植被恢復(fù)的兩個(gè)重要限制因子。因此,分析煤矸山復(fù)墾地重構(gòu)土壤剖面養(yǎng)分及重金屬污染狀況有助于查明煤矸山植被恢復(fù)的關(guān)鍵限制因子,為煤矸山植被復(fù)墾提供理論指導(dǎo)?!痉椒ā垦芯恳陨轿魇』糁莶艽迕旱V復(fù)墾果園(OP)和復(fù)墾農(nóng)田(FL)為對(duì)象,通過(guò)與當(dāng)?shù)仄胀ü麍@(OP-CK)和普通農(nóng)田(FL-CK)對(duì)比,分析了2種復(fù)墾地土壤養(yǎng)分和重金屬(Cu、Pb、Cr和Zn)含量在1m土層剖面中的變化情況?!窘Y(jié)果】①與當(dāng)?shù)氐钠胀ü麍@和普通農(nóng)田相比,復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田1m土層中土壤養(yǎng)分含量較差,特別是有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)明顯,從養(yǎng)分狀況的剖面差異來(lái)看,復(fù)墾農(nóng)田養(yǎng)分狀況總體優(yōu)于復(fù)墾果園,兩種復(fù)墾樣地中有機(jī)質(zhì)在表層(0~20 cm)、中層(20~60 cm)和深層(60~100 cm)均偏低,復(fù)墾果園表層速效養(yǎng)分偏低,中層除速效鉀外,其余養(yǎng)分均較差,深層全量養(yǎng)分含量偏低,復(fù)墾農(nóng)田全氮含量在表層、中層和深層均較差,而堿解氮在深層較差。②從2種復(fù)墾地土壤重金屬含量與當(dāng)?shù)仄胀拥氐牟町悂?lái)看,復(fù)墾果園土壤中Cu和復(fù)墾農(nóng)田土壤中Cu、Zn含量在1m土層中均不同程度的超過(guò)普通樣地,Pb和Cr含量在某些土層也超過(guò)普通樣地;③從單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田中Cu和Pb分別達(dá)到中度污染和輕度污染,復(fù)墾農(nóng)田中Cr也達(dá)到了輕度污染。從綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,復(fù)墾果園達(dá)到了中度污染,復(fù)墾農(nóng)田達(dá)到了輕度污染。【結(jié)論】復(fù)墾樣地的養(yǎng)分含量與普通樣地相比較差,尤其是土壤有機(jī)質(zhì),復(fù)墾農(nóng)田有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分狀況優(yōu)于復(fù)墾果園,復(fù)墾果園中Cu和Pb、復(fù)墾農(nóng)田中Cu、Pb和Cr均出現(xiàn)了不同程度的累積狀況,尤其是2種復(fù)墾樣地中的Cu已達(dá)到了中度污染。
煤矸山;重構(gòu)土壤;養(yǎng)分剖面差異;重金屬污染
【研究意義】煤矸石是井工采煤排放的廢棄物,其綜合利用率低,主要以堆積的形式處理[1-3]。堆積形成的煤矸山不僅占用大量土地,還可能引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[4-5]。因此,對(duì)煤矸山進(jìn)行復(fù)墾治理是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,實(shí)施煤礦區(qū)生態(tài)重建的迫切工作[6]。【前人研究進(jìn)展】在取土條件便利的北方地區(qū),煤矸山治理多采用推平覆土后進(jìn)行植被復(fù)墾[7]。但煤矸山推平覆土?xí)r通過(guò)工程技術(shù)措施(如鏟平和碾壓)形成的“重構(gòu)土壤”打亂了原有土壤結(jié)構(gòu)和層次特點(diǎn),造成土壤性質(zhì)的很大變化[8],當(dāng)其被復(fù)墾為農(nóng)業(yè)用地類型(如農(nóng)田、果園等)時(shí),土壤肥力恢復(fù)狀況可能是植被恢復(fù)的限制因子之一。同時(shí),推平覆土后煤矸石中的重金屬可能會(huì)遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)入 “重構(gòu)土壤”中,造成重金屬污染[9],這可能是煤矸山植被恢復(fù)的另一重要限制因子?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前針對(duì)煤矸山植被復(fù)墾的研究更多集中于植被恢復(fù)技術(shù)和機(jī)制[10]、植被恢復(fù)模式[11]和植被動(dòng)態(tài)[12-14]等方面,對(duì)復(fù)墾煤矸山土壤性質(zhì)演化過(guò)程和植被復(fù)墾時(shí)關(guān)鍵限制因子方面的研究報(bào)道相對(duì)較少。研究煤矸山重構(gòu)土壤養(yǎng)分和重金屬污染狀況有助于查明復(fù)墾煤矸山植被復(fù)墾的關(guān)鍵限制因子。山西省長(zhǎng)期高強(qiáng)度采煤已形成了300多座矸石山[15]。近年來(lái),多個(gè)煤矸山通過(guò)覆土復(fù)墾的方法得到治理,以此為研究區(qū)開(kāi)展煤矸山復(fù)墾土壤養(yǎng)分和重金屬狀況研究具有典型性?!緮M解決的問(wèn)題】本研究以山西省霍州市曹村煤礦復(fù)墾多年的煤矸山為研究對(duì)象,通過(guò)與當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)田對(duì)比,分析復(fù)墾重構(gòu)土壤的養(yǎng)分和重金屬含量的變化特征,以及重金屬在重構(gòu)土壤剖面中的累積狀況,以期查明煤矸山復(fù)墾后土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分和重金屬限制因子,為煤矸山的植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。
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7 km。本區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫12.1 ℃,年均降雨量437.3 mm,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。 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年開(kāi)始使用,復(fù)墾時(shí)矸石堆存量約為2.0×106t,占地約1.6×104m2,垂直高度約50 cm。矸石山于2008年推平覆土綠化,覆土厚度頂部為100~120 cm,復(fù)墾時(shí)覆土土壤均取自煤矸山附近。復(fù)墾后形成了農(nóng)田(種植玉米)和果園(種植山楂樹)2種植被類型。
1.2 樣品采集
采樣地為煤矸山推平覆土6年的復(fù)墾果園(OP)和復(fù)墾農(nóng)田(FL),同時(shí)以煤矸山附近普通果園(OP-CK)和普通農(nóng)田(FL-CK)為對(duì)照,土樣采集時(shí)間為2014年9月。復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田每年均施牛、羊糞,施肥量和施肥方式與當(dāng)?shù)仄胀ü麍@和農(nóng)田一致。采用“s”型采樣法用土鉆取土,在每個(gè)樣地各選擇5個(gè)采樣點(diǎn),混合形成一個(gè)樣品。各點(diǎn)取土深度均為100 cm,每20 cm一層,樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干后剔除大石塊、植物根系等雜物,磨細(xì)后過(guò)20、60、100目尼龍篩,裝袋密封待測(cè)。
1.3 土樣測(cè)試及污染評(píng)價(jià)方法
有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;全氮采用濃硫酸消煮半微量凱式法;全磷采用氫氧化鈉-鉬銻抗比色法;全鉀采用氫氧化鈉堿溶-火焰光度法;堿解氮用堿解擴(kuò)散法;速效磷用碳酸氫鈉浸提法;速效鉀用乙酸銨-火焰光度法[16]。重金屬含量采用HNO3-HCIO3消解,利用nov-AA400火焰-石墨爐原子吸收光譜儀進(jìn)行測(cè)定。重金屬污染狀況評(píng)價(jià)采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行,具體評(píng)價(jià)方法和污染狀況分級(jí)按照《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定(環(huán)發(fā)[2008]39號(hào))》進(jìn)行。
2.1 復(fù)墾地土壤剖面養(yǎng)分與普通農(nóng)田的差異
從表1可知,從整個(gè)1 m土層養(yǎng)分的平均含量來(lái)看,與OP-CK樣地相比,OP樣地除速效鉀偏高外,土壤有機(jī)質(zhì)、所有全量養(yǎng)分和堿解氮、有效磷均明顯偏低,特別是有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量分別偏低44.0 %和36.7 %;與FL-CK樣地相比,F(xiàn)L樣地中土壤有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分均明顯偏低,但所有速效態(tài)養(yǎng)分均不同程度偏高。
從復(fù)墾樣地與普通樣地剖面養(yǎng)分含量的差異來(lái)看,在0~20 cm土層,OP樣地中除全氮和全磷含量與OP-CK樣地相當(dāng)外,有機(jī)質(zhì)、全鉀和所有速效態(tài)養(yǎng)分含量均明顯偏低,在20~60 cm土層,OP樣地除速效鉀含量較OP-CK偏高外,其余養(yǎng)分含量均偏低。在60~100 cm土層,OP樣地除全磷、堿解氮和速效鉀外,其余養(yǎng)分均較OP-CK偏低。與FL-CK樣地相比,0~20和20~60 cm土層中FL樣地有機(jī)質(zhì)和全氮均偏低,其余養(yǎng)分含量偏高,60~100 cm土層中有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮偏低,其余養(yǎng)分含量偏高。
表1 不同植被利用類型樣地土壤養(yǎng)分含量的剖面差異Table 1 Soil nutrients of soil profile in 1 m between different sample plots
從復(fù)墾樣地與普通樣地剖面養(yǎng)分變化趨勢(shì)的差異來(lái)看,F(xiàn)L樣地較OP樣地更接近普通樣地的剖面養(yǎng)分的變化趨勢(shì),在FL樣地中,除土壤有效磷外,其他養(yǎng)分含量在1 m土層中均隨著土層深度的增加而降低,而OP樣地中,僅土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀符合這種趨勢(shì)。
由此可見(jiàn),從1 m重構(gòu)土層養(yǎng)分的平均狀況來(lái)看,與普通果園和普通農(nóng)田相比,復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田養(yǎng)分含量較差,特別是有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)明顯。但不同土層復(fù)墾樣地與普通樣地養(yǎng)分含量的差異有所不同,2種復(fù)墾樣地中有機(jī)質(zhì)在3個(gè)土層均偏低,復(fù)墾果園表層(0~20 cm)速效養(yǎng)分含量偏低,中層(20~60 cm)除速效鉀含量偏高外,其余養(yǎng)分均偏低,而深層(60~100 cm)全量養(yǎng)分含量偏低;復(fù)墾農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量相比復(fù)墾果園相對(duì)較好,有機(jī)質(zhì)和全氮在3個(gè)土層均偏低,而堿解氮在土壤深層偏低。 復(fù)墾農(nóng)田的養(yǎng)分剖面狀況優(yōu)于復(fù)墾果園。
2.2 復(fù)墾地土壤剖面重金屬污染狀況與普通農(nóng)田的差異
從表2可知,從整個(gè)1 m土層的平均狀況來(lái)看,與普通果園(OP-CK)和普通農(nóng)田(FL-CK)相比,OP樣地和FL樣地中Cu、Zn元素的含量偏高,Pb、Cr元素含量偏低。再?gòu)?種復(fù)墾樣地不同土層重金屬含量與普通樣地差異來(lái)看,在表層(0~20 cm),OP樣地和FL樣地Cu、Zn含量均偏高, 但Pb、Cr含量均偏低;在中層(20~60 cm),OP樣地僅有Cu含量偏高且差異較小,F(xiàn)L樣地除Cr含量偏低外,Cu、Pb和Zn含量均偏高,且Pb和Zn的差異分別達(dá)到19.69 %和19.06 %;在深層(60~100 cm),OP樣地除Cr偏低外,Cu、Pb和Zn含量均偏高,且Pb差異達(dá)到27.35 %,F(xiàn)L樣地Pb、Cr含量偏低,Cu、Zn含量偏高。
可見(jiàn),與普通果園和普通農(nóng)田相比,從整個(gè)1 m土層來(lái)看,復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田Cu和Zn的含量均偏高。從不同土層來(lái)看,復(fù)墾果園Cu和復(fù)墾農(nóng)田Cu、Zn含量在3個(gè)土層均偏高,Pb和Cr在個(gè)別土層含量偏高。復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田分別在深層和中層均出現(xiàn)Cu、Pb和Zn含量偏高。
從單項(xiàng)污染指數(shù)(表3)來(lái)看,在整個(gè)1 m土層,2種復(fù)墾樣地中Cu、Pb和Zn表現(xiàn)一致,但Cr存在差異,Cu、Pb、Zn分別為中度累積、輕度累積和清潔狀態(tài),Cr在OP樣地中為清潔狀態(tài), FL樣地中為輕度累積;從不同土層來(lái)看,在表層(0~20 cm),OP樣地和FL樣地Cr和Zn均未出現(xiàn)累積,但Pb均為輕度累積,Cu的污染程度分別為重度和中度累積;在中層和深層土壤中,OP樣地Pb、Cr和Zn的污染狀況與表層一致,Cu達(dá)到中度累積,F(xiàn)L樣地除Cr為輕度累積外,其他重金屬元素污染狀況與表層一致。從綜合污染指數(shù)來(lái)看,1 m土層的整體平均狀況與不同土層間的狀況一致,OP樣地達(dá)到中度累積,F(xiàn)L樣地為輕度累積。
表2 2種植被利用類型復(fù)墾地土壤重金屬含量及高出對(duì)照的比例Table 2 Content of heavy metals in soil with different sample plots and the ratio higher than the CK
可見(jiàn),就單項(xiàng)污染指數(shù)而言,復(fù)墾果園Cu、Pb的污染狀況較嚴(yán)重,Cu達(dá)到了中度累積,在表層甚至達(dá)到重度累積,Pb達(dá)到了輕度累積,復(fù)墾農(nóng)田Cu、Pb、Cr的污染狀況較嚴(yán)重,Cu達(dá)到中度累積,Pb和Cr達(dá)到輕度累積,但Cr在表層卻表現(xiàn)為清潔狀態(tài);就綜合污染指數(shù)而言,在整個(gè)1 m土層,復(fù)墾果園達(dá)到了中度累積,復(fù)墾農(nóng)田為輕度累積。
研究發(fā)現(xiàn),從復(fù)墾樣地與普通樣地1m土層養(yǎng)分平均含量的差異來(lái)看,復(fù)墾果園(OP)中土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全量和速效養(yǎng)分含量均較普通果園差(OP-CK),并且復(fù)墾農(nóng)田(FL)中土壤有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分也較普通農(nóng)田(FL-CK)差。同時(shí),從復(fù)墾樣地與普通樣地養(yǎng)分狀況的剖面差異來(lái)看,OP樣地在0~20、20~60和60~100 cm 3個(gè)土層中均較OP-CK樣地的對(duì)應(yīng)土層差,尤其是0~20和20~60 cm土層中有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的含量表現(xiàn)更為明顯,并且FL樣地中土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在3個(gè)土層中也均低于FL-CK樣地,由此說(shuō)明本研究區(qū)2種復(fù)墾樣地土壤養(yǎng)分含量總體狀況仍未達(dá)到與普通樣地相當(dāng)?shù)乃?。此外,研究還發(fā)現(xiàn),2種普通樣地中土壤養(yǎng)分的剖面分布呈現(xiàn)為隨土層深度增加而降低的趨勢(shì),但是在復(fù)墾樣地中,尤其在復(fù)墾果園并非如此,這也說(shuō)明煤矸山推平覆土形成的“重構(gòu)土壤”打亂了原有土壤養(yǎng)分的層次特點(diǎn)[8]。
同時(shí),從復(fù)墾樣地與普通樣地土壤重金屬含量及污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,2種復(fù)墾樣地中Cu和Zn的含量均高于普通樣地,并且就單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果而言,2種復(fù)墾樣地中Cu均達(dá)到中度累積,這可能是煤矸石中的重金屬元素遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)入上層“重構(gòu)土壤”中造成的[9]。
表3 2種植被利用類型復(fù)墾地復(fù)墾土壤重金屬污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of heavy metal pollution index of reclaimed soil with different sample plots
從1 m土層養(yǎng)分含量的平均狀況看, 2種復(fù)墾樣地均低于普通樣地,特別是有機(jī)質(zhì)。從養(yǎng)分狀況的剖面差異看,復(fù)墾農(nóng)田養(yǎng)分狀況總體優(yōu)于復(fù)墾果園,復(fù)墾果園表層速效養(yǎng)分偏低,中層中除速效鉀外,其余養(yǎng)分均較差,深層中全量養(yǎng)分含量偏低;而復(fù)墾農(nóng)田有機(jī)質(zhì)和全氮含量在3個(gè)土層中較差,而堿解氮在深層較差。復(fù)墾農(nóng)田的養(yǎng)分剖面狀況優(yōu)于復(fù)墾果園。
與普通果園和普通農(nóng)田相比,復(fù)墾果園中Cu偏高,復(fù)墾農(nóng)田Cu、Zn的含量均偏高,Pb和Cr在某些土層含量偏高。復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田分別在深層和中層均出現(xiàn)Cu、Pb和Zn 3種重金屬含量偏高。從單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,復(fù)墾果園和復(fù)墾農(nóng)田中Cu和Pb均達(dá)到中度累積和輕度累積,復(fù)墾農(nóng)田的Cr也達(dá)到了輕度累積。從綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,復(fù)墾果園達(dá)到了中度累積,復(fù)墾農(nóng)田為輕度累積。
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StudyonSoilNutrientsandHeavyMetalContentsinReconstructedSoilonCoalWastePile
REN Shan-shan,YU Ya-jun*
(College of Geography Sciences,Shanxi Normal University,Shanxi Linfen 041004,China)
【Objective】Poor soil nutrient and heavy metal pollution are two important effect factors for reclaimed vegetation in coal waste pile.Therefore,it helps to identify the key limiting factor and provids the basis evidence for reclaimed vegetation of coal waste pile by studying the soil nutrient and heavy metal pollution of reconstructed soil on coal waste pile.【Method】The study was conducted in two types of reclamation agro-forestry land as reclamation orchard (OP) and farmland reclamation (FL) on a coal waste pile in Cao village,Huozhou county,Shanxi province.The difference of soil nutrients and heavy metal contents in 1m soil layers between OP and FL were analyzed by contrast with conventional orchard (OP-CK) and conventional farmland (FL-CK).【Result】 (i) The soil nutrients contents in OP and FL were poor than OP-CK and FL-CK,the organic matter contents were obvious,especially and nutrients difference in profile showed: the soil nutrients in FL were better than OP,soil organic matter contents were poor in soil layers as 0-20,20-60 and 60-100 cm of two types reclaimed land.In OP,soil available N,P and K were poor in top-soil,soil nutrients in middle soil layer were poor,except of soil available K.Soil total N,P and K were poor in deep layer.In FL,soil total N were poor in the three soil layers,soil available N was poor in deep layer.(ii) The content of Cu in OP and Cu,Zn in FL were higher than that of conventional land,Pb and Cr content in OP and FL were also higher than that of OP-CK and FL-CK in some soil layer.(iii) The single pollution index results showed: Cu and Zn in OP and FL reached moderate accumulation and slight accumulation,Cr in FL reached slight accumulation.OP reached moderate accumulation and FL reached slight accumulation in comprehensive pollution index.【Conclusion】The soil nutrients contents in reclamation were poor than that of in ordinary land,especially the organic matter.The organic matter and available nutrients in FL were better than in OP,they appear the accumulation of different degrees which is the content of Cu,Pb in OP and Cu,Pb,Cr in FL,especially the content of Cu in OP and FL reached moderate accumulation.
Coal waste pile; Reconstructed soil; Nutrient difference in profile; Heavy metal pollution
1001-4829(2017)4-0842-05
10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.022
2016-06-01
國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41301304)
任珊珊(1991-),女,山西晉城人,碩士研究生,主要從事土壤生態(tài)恢復(fù)方面的研究,E-mail:642386049@qq.com,*為通訊作者:于亞軍(1978-),男,甘肅靈臺(tái)人,副教授,博士,主要從事區(qū)域環(huán)境與生態(tài)恢復(fù)方面的教學(xué)與科研工作,E-mail:yuyajun0211@126.com。
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(責(zé)任編輯 李 潔)