安徽恒源煤礦區(qū)土壤肥力特征及重金屬風險評價

馬 榮，何建國，章 梅，王新富

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設計研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)，江蘇徐州 221000；2.中國煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點實驗室，江蘇徐州221000 )

我國是主要的煤炭生產(chǎn)國和消費國，其中96%的生產(chǎn)礦井以井工開采為主[1]。隨著礦業(yè)生產(chǎn)活動進行，引起了規(guī)模不等地表塌陷區(qū)、地裂縫、崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災害，嚴重破壞了土地資源和景觀，其中以地表塌陷的破壞尤為嚴重[2-3]。在地表土層塌陷過程中，不僅破壞了土壤結構，造成水土流失，土壤肥力下降，而且地表形成的地裂縫阻斷了地層水力聯(lián)系，對農(nóng)作物的生長發(fā)育產(chǎn)生嚴重影響[4-5]。安徽淮北位于黃淮平原，是我國重要農(nóng)產(chǎn)品基地，也是重要的煤礦主產(chǎn)區(qū)，隨著近幾十年的開采，在煤礦區(qū)域已形成大片采空塌陷區(qū)，造成地表塌陷，土壤結構受到破壞，導致養(yǎng)分遷移農(nóng)作物減產(chǎn)，制約了當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展[6]。本文主要通過采集恒源煤礦不同區(qū)域土壤測定土壤有機質(zhì)、營養(yǎng)元素和重金屬元素，并進行對比研究，分析不同區(qū)域土壤中肥力及重金屬含量特征，為采空塌陷區(qū)矸石復墾地生態(tài)恢復適宜性研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

恒源煤礦位于位于安徽省淮北市濉溪縣劉橋鎮(zhèn)境內(nèi)，地處淮北平原中部，礦區(qū)面積約19.1km2，區(qū)內(nèi)地勢平坦，溝渠縱橫，水系發(fā)育，主要為河流和采空塌陷區(qū)積水，表層耕作層厚度約 20cm，質(zhì)地為黏土。礦區(qū)土地利用類型主要為旱地、村莊、坑塘水面和采礦用地等，由于區(qū)內(nèi)煤層開采后在地表沉陷，造成耕地土壤水土流失，耕地質(zhì)量受到一定程度的影響[7]。

2 土壤樣品采集

根據(jù)恒源礦區(qū)土地功能和利用現(xiàn)狀，2021年6月分別在恒源煤礦區(qū)采空塌陷穩(wěn)沉區(qū)、塌陷非穩(wěn)沉區(qū)，矸石山周邊區(qū)和未受采動影響的農(nóng)田開展采樣，共采集土壤樣品30件，其中以矸石山為中心，在西北、東南及西南三個方向分別在50m、200m處采樣，共采集6件(gs1-gs6)，采空塌陷穩(wěn)沉區(qū)采樣10件(wc1-wc10)，采空塌陷非穩(wěn)沉區(qū)采樣8件(fw1-fw8)，未受采動影響區(qū)采樣6件(wyx1-wyx6)，采樣點分布如圖1所示。土壤采用對角線法采集表層 0～20 cm 的土壤樣采樣，在每個采樣點采集5個點位土壤樣品，將土壤等量均勻混合裝入聚乙烯塑料袋中送至江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設計研究院實驗室進行測試。根據(jù)測試結果，對恒源礦區(qū)不同功能區(qū)的土壤的肥力以及重金屬環(huán)境質(zhì)量指標應用主成分分析法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行了評價分析。

3 結果與分析

3.1 土壤肥力指標分布特征

根據(jù)《土壤質(zhì)量指標與評價》，結合恒源煤礦土地利用現(xiàn)狀，本次選取土壤pH值、有機質(zhì)、陽離子交換量(CEC)、總氮、總磷、速效鉀、有效磷、堿解性氮作為肥力評價指標，并分析其分布特征。從圖2a可以看出，土壤總體呈堿性，其中矸石周邊區(qū)土壤平均pH值最低，塌陷區(qū)土壤平均pH值最高，整個恒源礦區(qū)pH值變化并未顯示規(guī)律性；恒源礦區(qū)各功能區(qū)有機質(zhì)含量整體偏低(圖2b)，其中矸石堆周圍土壤和未受采動影響區(qū)有機質(zhì)的含量相對較高；恒源礦區(qū)各功能區(qū)CEC含量相差較小(圖2c)，其中塌陷穩(wěn)沉區(qū)和非穩(wěn)沉區(qū)相對較高。對于土壤中養(yǎng)分指標，速效養(yǎng)分相對于全量養(yǎng)分更易被農(nóng)作物吸收，也更能體現(xiàn)土壤的肥力現(xiàn)狀[8]，恒源礦區(qū)各功能區(qū)中塌陷穩(wěn)沉區(qū)全氮、全磷平均含量分別為767.6mg/kg和836.6mg/kg，其余功能區(qū)土壤中全氮、全磷平均含量均超過1 000mg/kg，含量達到3級指標[9]，磷、氮含量較高(圖2d、e)。各功能區(qū)中土壤中速效磷、堿解性氮和速效鉀含量分布狀況基本一致(圖2f、h、i)，均呈現(xiàn)矸石山區(qū)和未受影響區(qū)含量高，其他功能區(qū)含量低的特征，達到2級指標[9]；各功能區(qū)土壤中速效鉀的含量整體偏高，絕大多數(shù)超過100mg/kg，其中矸石區(qū)周邊土壤含量最高，均值達到331mg/kg，含量達到1級指標[9]，含量豐富。

圖1 研究區(qū)土壤樣品采樣點分布Figure 1 Distribution of soil sample sampling sites in Hengyuan Coal Mine research area

整體來看，塌陷穩(wěn)沉區(qū)和塌陷非穩(wěn)沉區(qū)土壤肥力指標均低于未塌陷區(qū)，呈現(xiàn)出貧氮貧磷的特征，主要由于煤礦在開采過程中采空沉陷造成土壤肥力破壞，同時雨水侵蝕也加劇了土壤養(yǎng)分遷移流失，造成土壤質(zhì)量降低[10]，后期在復墾工程中要加強對塌陷區(qū)的保水增肥措施；矸石堆周圍土壤有機質(zhì)、磷、氮含量均較其他區(qū)域偏高，初步分析可能由于矸石堆場的粉塵遷移到周邊土壤，矸石中礦物質(zhì)受雨水淋溶作用進入到土壤中，對土壤質(zhì)量起到一定改善作用[11]。

3.2 土壤質(zhì)量評價

3.2.1 土壤肥力指標相關性分析

由表1可以看出，土壤各肥力指標之間關系密切，其中，土壤pH值除了與陽離子交換量(CEC)呈正相關外，與其他肥力指標均呈負相關，可以看出恒源礦區(qū)pH值是影響植物生長的主要營養(yǎng)障礙之一，因此在塌陷區(qū)在復墾過程中要合理控制土壤pH值變化，減少復墾土壤酸堿變化對肥力指標的影響，避免農(nóng)作物營養(yǎng)失調(diào)導致減產(chǎn)。土壤中有機質(zhì)除了與pH值和CEC呈負正相關外，與其他肥力指標均呈顯著正相關，所以在土壤中提高有機質(zhì)對增加N、P、速效鉀、破解性氮和速效磷含量有一定的作用，反之增加這些肥力指標含量也有助于土壤有機質(zhì)的提高，由此可見，恒源礦區(qū)不同功能區(qū)土壤各肥力指標之間存在顯著相關性，可開展主成分分析。

圖2 不同功能區(qū)肥力指標分布特征

表1 土壤肥力指標相關系數(shù)

3.2.2 土壤肥力質(zhì)量因子分析

通過KMO和巴特利球形(Bartlett)統(tǒng)計學檢驗，結果顯示KMO取值大于0.5，且Bartlett球形檢驗統(tǒng)計量的Sig<0.001，表明各變量之間存在著顯著相關性，可以用因子分析法對恒源礦區(qū)不同功能土壤肥力進行綜合評價，結果如表2所示。據(jù)主成分特征值大于1的原則[12]，提取前2個主成分均在1.0以上特征值，其中，第1主成分特征根為5.163，方差貢獻率為64.536%，第2主成分特征根為1.019，方差貢獻率為12.735%，第1和2主成分方差累積貢獻率超過75%，可以解釋8個各原始變量所包含的信息，可用于評價土壤綜合肥力。

通過對土壤不同肥力指標與主成分矩陣進行空間正交旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣(表3)，由旋轉(zhuǎn)后的因子矩陣可以看出，有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀、堿解性氮、速效磷在成分1中貢獻較大，pH值、CEC在成分2中的貢獻較大。因此，可以將土壤肥力指標大致分為兩類：pH值、CEC一類；有機質(zhì)、全氮、堿解性氮、速效磷、速效鉀、全磷一類。通過成分得分系數(shù)矩陣可計算得到各類煤矸石主因子得分雷達圖可以看出，未受影響區(qū)和矸石山周邊區(qū)歸為第一因子(F1)，土壤肥力以有機質(zhì)、全氮、破解性氮、速效磷為主導；塌陷穩(wěn)沉區(qū)和非穩(wěn)沉區(qū)歸為第二因子(F2)，土壤肥力以pH值、CEC為主導。

計算F1、F2兩個主成分的得分，并輔以方差貢獻率為權重進行加權求和，得到恒源礦區(qū)不同功能區(qū)土壤的綜合得分，結果如表4所示。結果表明恒源礦區(qū)土壤肥力質(zhì)量從高到低依次為矸石山周邊區(qū)、未受影響區(qū)、塌陷非穩(wěn)沉區(qū)、塌陷穩(wěn)沉區(qū)。

表2 總方差分析

表3 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣和成分得分系數(shù)矩陣

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

表4 不同功能區(qū)土壤肥力綜合得分

3.3 不同功能區(qū)土壤重金屬含量

土壤中各功能區(qū)重金屬統(tǒng)計特征見表5，可以看出，Cd含量變化在在塌陷穩(wěn)沉區(qū)含量最低，其他三個區(qū)域含量略高；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn等重金屬平均含量分別為0.029mg/kg、14.22mg/kg、27.3mg/kg、78.5mg/kg、28.2mg/kg、36.7mg/kg、76.2mg/kg，初步分析矸石山周邊農(nóng)地土壤可能受到矸石粉塵及公路揚塵沉降在農(nóng)田土壤中，導致土壤中重金屬含量偏高，同時矸石山周邊均有交通干道，公路揚塵落入土壤中也是導致重金屬含量偏高的原因之一[13]；塌陷穩(wěn)沉區(qū)及塌陷沉降區(qū)重金屬含量相對較高，可能由于地面塌陷導致土壤肥力降低，農(nóng)田減產(chǎn)，耕作過程中大量使用含有少量金屬元素的有機肥，在土壤與水的一系列物化作用條件下，導致重金屬元素易殘留富集于土壤中[14]。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[15]，恒源煤礦各功能區(qū)土壤中重金屬含量的均低于標準風險篩選值，屬于低風險狀態(tài)，且重金屬的變異程度均小于0.3，受污染影響程度較輕。

表5 不同功能區(qū)土壤重金屬含量

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價不同功能區(qū)土壤多種重金屬的濃度和毒性效應[16]，計算公式：

(1)

從表6可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的Ei值均小于40，表明這8種重金屬存在輕微污染，恒源煤礦區(qū)土壤重金屬對生態(tài)危害程度較低。8種重金屬的生態(tài)危害強度由強到弱的順序為Cd、As、Cu、Pb、Cr、Hg、Ni、Zn，其中，矸石山區(qū)域重金屬的Ei值均高于其他功能區(qū)，說明該區(qū)域的生態(tài)危害強度高于其他區(qū)域。結合根據(jù)Ei與RI值可判斷，礦區(qū)土壤重金屬對生態(tài)危害程度較低。

表6 不同功能區(qū)土壤重金屬生態(tài)危害評價指數(shù)

3.4 綜合評價

恒源煤礦塌陷區(qū)和塌陷非穩(wěn)沉區(qū)中氮、磷、鉀等肥力指標平均含量偏低，而重金屬含量生態(tài)危害程度風險輕微，在復墾過程中塌陷區(qū)可用矸石初步回填，在回填層上覆0.3～0.5m厚土壤層可加入特定的微生物群落[18]，輔以有機肥和少量煤基混合物來改善土壤肥力和農(nóng)地質(zhì)量[19]，同時在肥料中添加草木灰和蒙脫石等重金屬鈍化劑[20-21]，降低土壤中重金屬含量；對于矸石山周邊土壤需要加強動態(tài)監(jiān)測，施肥過程中加入金屬鈍化劑，降低土壤中重金屬含量，同時對礦區(qū)矸石進行復墾造田筑路及礦區(qū)離層注漿等綜合利用，消減矸石，減少對礦區(qū)周邊農(nóng)地和地下水體的影響。

4 結論

1)恒源礦區(qū)內(nèi)土壤整體呈堿性，塌陷穩(wěn)沉區(qū)和塌陷非穩(wěn)沉區(qū)由于地表沉降，土壤質(zhì)量受到破壞，土壤中總氮、總磷、速效鉀、有效磷、堿解氮等養(yǎng)分流失較遠高于其他功能區(qū)。

2)通過對不同功能區(qū)類型土壤的肥力指標因子分析，恒源礦區(qū)土壤肥力質(zhì)量順序從高到低依次為矸石山周邊區(qū)、未受影響區(qū)、塌陷非穩(wěn)沉區(qū)、塌陷穩(wěn)沉區(qū)。

3)恒源礦區(qū)8種重金屬的生態(tài)危害強度由強到弱的順序為Cd、As、Cu、Pb、Cr、Hg、Ni、Zn，礦區(qū)土壤中重金屬的最大值均不超過風險篩選值，且潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果表明8種重金屬對生態(tài)危害程度較低，土壤重金屬處于低風險狀態(tài)。