于亞軍，賀澤好

(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)墾土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險評價

于亞軍，賀澤好

(山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041004)

【目的】土壤重金屬污染是煤矸山復(fù)墾地植被恢復(fù)的重要障礙因素。因此，查明煤矸山復(fù)墾土壤重金屬污染程度對指導(dǎo)煤矸山植被復(fù)墾具有重要作用。【方法】以山西省長治王莊煤矸山復(fù)墾6年的林地(SL)和草地(GL)為研究對象，分析了2種植被類型煤矸山土壤重金屬Hg、As、Pb、Cd和Ni污染的生態(tài)風(fēng)險?！窘Y(jié)果】①從2種復(fù)墾地重金屬含量的差異來看，在20～40 cm土層，復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)Pb、Hg、As和Ni不同程度偏高，其中Pb最明顯，但在0～20 cm土層，2 種復(fù)墾地土壤重金屬含量低于CK樣地。②從土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險單個污染要素看，復(fù)墾煤矸山土壤中Hg和Cd是主要的污染元素，其中Hg屬于極強的生態(tài)危害，Cd屬于中等生態(tài)危害；在0～20 cm土層，GL樣地和SL樣地污染狀況差異較小，但在20～40 cm土層污染程度差異較大；從土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)來看，0～20 cm土層危害程度表現(xiàn)為GL>SL；20～40 cm土層為 SL>GL。【結(jié)論】可見，2種復(fù)墾樣地20～40 cm土層重金屬含量高于普通灌草林地，并且Hg和Cd是復(fù)墾樣地中主要的污染元素；2種復(fù)墾樣地重金屬綜合污染程度在0～20 cm土層表現(xiàn)為復(fù)墾草地高于復(fù)墾林地，但在20～40 cm土層正好相反。

煤矸山；重構(gòu)土壤；重金屬污染；植被恢復(fù)；土地利用類型

【研究意義】目前，我國采煤過程中累計堆存煤矸石約40億t，形成煤矸山1500多座[1]，占地面積超過1.33萬hm2[2-3]。煤矸石在堆放過程中不僅占用大量土地，而且通過揚塵、自燃、雨水淋溶等方式導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤、水體和空氣污染[4]。因此，對煤矸山進行復(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[5]。采取推平覆土后進行植被綠化是我國北方地區(qū)治理矸石山的主要措施[6]，但復(fù)墾后煤矸石中的重金屬元素會遷移轉(zhuǎn)化進入推平覆土后形成的“重構(gòu)土壤”中，造成其重金屬污染，成為復(fù)墾煤矸山植被恢復(fù)的重要限制因素。研究表明復(fù)墾地利用類型和強度對土壤重金屬元素遷移富集具有強烈影響[7-8]。因此，開展不同土地利用類型煤矸山土壤重金屬污染狀況的研究可為煤矸山植被復(fù)墾類型的選擇提供理論指導(dǎo)?！厩叭搜芯窟M展】研究表明，復(fù)墾地利用類型不同會對土壤重金屬積累產(chǎn)生影響，并且不同元素積累程度也有所差異[9]，但目前關(guān)于煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤重金屬污染情況的報道并不多見。山西省已形成300多座煤矸山[10]。近年來，多個煤矸山通過覆土復(fù)墾的方法得到治理，是煤矸山復(fù)墾地土壤重金屬污染狀況研究典型區(qū)域?！颈狙芯壳腥朦c】本研究以山西省長治潞安礦區(qū)復(fù)墾多年的煤矸山為研究對象，分析了2種利用類型復(fù)墾煤矸山土壤重金屬Hg、As、Pb、Cd和Ni的含量，運用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行重金屬污染程度評價?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以此查明林草地2種利用類型煤矸山土壤重金屬的污染狀況，為今后復(fù)墾煤矸山土地利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省長治市潞安礦區(qū)，地處黃土高原東南部太行山脈，上黨盆地，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.5 ℃，年均降水量550～650 mm，年日照時數(shù)為2518 h，無霜期160 d左右。研究樣地位于該礦區(qū)王莊煤礦，其煤矸山(36°22′02.2″N，113°01′29.1″E，海拔959 m)形成于20世紀(jì)90年代，矸石堆存量約156 萬m3，占地約7.7萬m2，垂直高度35 m。此矸石山于2009年完成推平覆土和植被綠化。推平覆土?xí)r覆土土壤均來自矸石山附近，覆土厚度為80～100 cm。復(fù)墾類型包括灌木林地和草地2種，灌木林地主要栽植火炬樹(RhustyphinaNutt)連翹(Forsythiasuspensa) 和荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)；草地主要為白羊草[Bothriochloaischaemum(L.)Keng]、羊胡子草(Carexrigescens)和狗尾草[Setairaviridis(L.)Beauv][11]。

1.2 土樣采集及數(shù)據(jù)分析

樣地為2009年復(fù)墾的林地(SL)和草地(GL)，同時選擇樣地附近普通灌草混生地(原地貌)為對照(CK)，土樣采集時間為2015年4月，采樣時按S型五點采樣法用土鉆分別采集0～20 和20～40 cm土層樣品，將5個子樣混合均勻后按四分法獲取足夠的樣品裝入塑料袋，標(biāo)明采樣信息后帶回實驗室，經(jīng)自然風(fēng)干后剔除植物的殘根和石塊等雜物，磨碎后過100目(孔徑0.150 mm)尼龍篩，保存于塑料袋待測。

測定時稱取約0.5 g 風(fēng)干土樣，放入聚四氟乙烯坩堝，加入10 mL 硝酸、8 mL 氫氟酸和1 mL 高氯酸(3種試劑均為優(yōu)級純)，加蓋，放在電熱板上消解，得到樣品消解液，利用Nov-AA400火焰-石墨爐原子吸收光譜儀測定其含量，重復(fù)3次，取平均值[12]。

1.3 污染評價方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法[14]的計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 2種復(fù)墾樣地土壤重金屬含量與普通灌草地(CK)的差異

表2是復(fù)墾草地(GL)、復(fù)墾林地(SL)和普通灌草地(CK)0～20 和20～40 cm土層重金屬含量情況。①在0～20 cm土層， GL和SL樣地除Ni含量有差異外，其余Hg、As、Pb和Cd含量無明顯差異。與CK樣地比，2種復(fù)墾樣地除Ni含量偏高外，其余Hg、As、Pb和Cd含量均偏低。②在20～40 cm土層， GL和SL樣地Hg、As和Ni的含量差異明顯，但Pb和Cd的含量相近。其中， SL樣地Hg和Ni含量較高， 但GL樣地As含量較高。與CK樣地比， GL樣地As、Pb和Ni的含量較高，但Hg和Cd的含量相近； SL樣地Hg、As、Pb和Ni含量偏高，但Cd含量相近。

表1 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)與風(fēng)險程度的關(guān)系

表2 2種復(fù)墾樣地(GL和SL)和普通灌草地(CK)土壤重金屬含量

注：表中同列不同大寫字母上標(biāo)表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note: Different capital letters in the same column mean significant differences at 0.01 levels. The same as below.

表3 2種復(fù)墾樣地和普通灌草地(CK)重金屬生態(tài)危害指數(shù)評價

2.2 2種復(fù)墾樣地土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險與普通灌草地(CK)的差異

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，2種復(fù)墾地土壤重金屬積累程度存在差異，特別是在20～40 cm土層，如Hg和Ni含量在復(fù)墾林地(SL)中明顯高于復(fù)墾草地(GL)，而As含量在GL樣地高于SL樣地，同時，2種復(fù)墾地土壤重金屬綜合污染程度也表現(xiàn)出差異，如在0～20 cm土層，重金屬危害程度為GL>SL，但在20～40 cm土層為 SL>GL，可見，植被類型的差異會在一定程度上影響復(fù)墾地重金屬污染狀況，這可能在于，復(fù)墾煤矸山土壤中重金屬含量變化主要在于土壤中重金屬淋溶量和下層煤矸石中重金屬向上遷移量的對比狀況，而不同植被類型會通過不同的根系作用對土壤孔隙狀況產(chǎn)生影響，從而造成重金屬遷移轉(zhuǎn)化量的差異[13]。這也說明，選擇合適的植被類型對減輕復(fù)墾地土壤重金屬積累有重要作用。

此外，本樣區(qū)普通灌草地(CK)0～20 cm土層重金屬含量明顯高于2種復(fù)墾樣地，其中Pb最明顯，分別較SL和GL樣地高45.6 %和49.5 %，其次為Hg、Cd和As。同時，若與山西省土壤背景值相比，CK樣地Hg和Pb分別高出22.48 和1.54倍，但此趨勢在20～40 cm土層并未出現(xiàn)。由此推斷，造成普通灌草地重金屬含量高于2種復(fù)墾樣地的原因可能由于礦區(qū)劇烈的重金屬粉塵沉降造成普通灌草地表層重金屬大量積累，這與筆者在霍州礦區(qū)研究的結(jié)果類似[14]。

4 結(jié) 論

(1)復(fù)墾草地(GL)和復(fù)墾林地(SL)在0～20 cm土層除Ni含量存在差異外，其余Hg、As、Pb和Cd含量均無明顯差異，與普通灌草地(CK)相比，2 種復(fù)墾樣地Hg、As、Pb和Cd含量均偏低。在20～40 cm土層，GL和SL樣地Hg、As和Ni含量差異明顯，Pb和Cd含量相近；與CK相比， GL樣地 As、Pb和Ni含量偏高， SL樣地Hg、As、Pb和Ni含量偏高。

(2)復(fù)墾草地(GL)和復(fù)墾林地(SL)污染狀況在0～20 cm土層沒有明顯差異，均表現(xiàn)為Hg 和 Cd 屬極強的生態(tài)危害；Cd屬中等生態(tài)危害；As、Pb和Ni屬輕微生態(tài)危害。在20～40 cm土層，GL和SL樣地污染狀況存在較大差異，尤其是Hg、As、Cd和Ni元素；從土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)看，在0～20 cm土層，GL樣地的RI值最高，危害程度為GL>SL，但在20～40 cm土層，SL樣地RI值最高，危害程度為 SL>GL。

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HeavyMetalsPollutionandEcologicalRiskinReclaimedSoilofCoalWastePile

YU Ya-jun， HE Ze-hao

(College of Geography Sciences, Shanxi Normal University, Shanxi Linfen 041004, China)

【Objective】The heavy metal pollution is the key limiting to vegetation reclamation in reconstruction coal waste pile. Therefore, it is very important to identify the pollution status in reclaimed soil of the coal waste pile. 【Method】Taken the coal waste pile reclamation of shrubland (SL) and grassland (GL) of 6 years after reclamation in Wang village Changzhi city Shanxi province as a case, the pollution ecological risk of Hg, As, Pb, Cd and Ni in the two kinds of soil were analyzed. 【Result】(i) From the difference of heavy metal content in the 2 sampling plots, in 20-40 cm soil layer, the Pb, Hg, As and Ni in SL and GL were higher than that in CK, and Pb was the most obvious, but in 0-20 cm soil layer, the heavy metal content was lower than that in CK. (ii) From the point of view of soil heavy metal potential ecological risk of individual pollution elements, Hg and Cd in reclamation soil were the main pollution elements, Hg was very strong ecological risk, and Cd was medium ecological risk; In 0-20 cm soil layer, the difference of pollution risk in the 2 sampling plots was small, but it was obvious in 20-40 cm soil layer. The results of comprehensive pollution index indicated that, the pollution degree was GL>SL in 0-20 cm, but it was SL>GL in 20-40 cm soil layer. 【Conclusion】The soil heavy metal contents in SL and GL was higher than CK in 20-40 cm soil layer, and Hg and Cd were the main pollution elements in 2 sampling plots; The comprehensive heavy metals pollution index was higher in GL than that in SL in 0-20 cm soil layer, but it was opposite in 20-40 cm soil layer.

Coal waste pile; Reconstruction soil; Heavy metal pollution; Vegetation restoration; Land use type

1001-4829(2017)10-2367-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.10.034

2016-09-20

國家自然科學(xué)基金青年項目(41301304)

于亞軍(1978-)，男，甘肅靈臺人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，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 陳 虹)