复垦煤矸山不同土地利用类型土壤重金属污染评价

贺泽好, 于亚军



复垦煤矸山不同土地利用类型土壤重金属污染评价

贺泽好1, 于亚军*

山西师范大学地理科学学院, 临汾 041000

土壤重金属污染是矿区土壤复垦的关键限制因子, 而复垦地利用类型会对土壤重金属累积状况产生影响。因此, 研究不同利用类型复垦煤矸山土壤重金属累积状况并进行生态风险评价, 可以查明土地利用类型对复垦地重金属污染的影响, 也有助于指导煤矸山“因地制宜”的进行植被复垦。以山西省霍州市曹村煤矿煤矸山复垦耕地、人工林地、草地为研究对象, 分析了3种利用类型复垦煤矸山土壤中Hg、As、Pb、Cd和Ni含量和污染程度。结果表明: (1)3种利用类型复垦地土壤重金属积累程度存在差异, 并且不同土层情况也不同, 具体为, 在0—20 cm土层, 耕地中Hg和Pb含量高于人工林地和草地, 但Ni含量低于人工林地和草地; 在20—40 cm土层中, 耕地中Pb含量低于人工林地和草地, 人工林地中Ni含量高于耕地和草地; 并且与普通农田相比, 3种复垦地20—40 cm土层中重金属含量明显偏高。(2)单因子潜在生态危害系数E表明, 整体来看3种复垦地中Hg和Cd的生态危害较重, 其余较轻; 并且不同利用类型复垦地土壤重金属污染风险存在差异, Hg、Cd和As在草地中的生态风险高于耕地和人工林地, Pb和Ni在耕地和人工林地高于草地。综合污染指数表明, 3种复垦样地土壤重金属均达到了严重危害程度, 且各样地危害程度存在着差异, 具体表现为草地>人工林地>耕地。

煤矸山; 复垦土壤; 土壤重金属污染; 土地利用类型

1 前言

煤矸山堆存不仅占用土地资源[1], 而且会带来诸多生态环境问题[2], 所以, 对煤矸山进行复垦改造是改善矿区生态环境的迫切任务。而推平覆土后进行植被复垦是煤矸山治理的重要措施, 并且在我国北方地区被普遍应用[3-4], 但推平覆土后形成的“重构土壤”可能受到下层煤矸石中Hg、Cd、Pb、As等重金属元素迁移转化的影响, 造成复垦土壤污染[5]。重金属污染具有多源性、隐蔽性、毒性和不易降解等特点[6-7], 当累积到一定程度, 不仅会破坏土壤生态系统结构和功能, 还可能通过食物链进入人体, 威胁人类健康[8]。研究表明, 土地利用类型的不同对土壤重金属元素迁移和富集具有强烈影响[9], 但当前对于煤矿区土壤重金属污染的研究结论更多是从矿区废弃地和塌陷复垦区研究得到的[10-11]。针对复垦煤矸山不同土地利用类型下土壤重金属积累情况的研究报道相对较少。因此, 研究复垦煤矸山不同土地利用类型下土壤重金属含量并进行污染状况生态评价十分必要, 可以为煤矸山复垦地科学利用提供参考依据。

山西煤炭储量大, 矸石产出多, 堆积量大, 复垦任务艰巨。近年来, 已有多座早期堆存的煤矸山采用推平覆土的方式进行了复垦治理。因此, 以此为研究区具有典型性。本研究以山西省霍州市曹村煤矿复垦8年的煤矸山为例, 分析了3种土地利用类型(耕地、人工林地和草地)土壤重金属Hg、As、Pb、Cd和Ni含量, 并运用潜在生态危害指数法进行危害程度评价, 研究结果可为复垦煤矸山“因地制宜”的进行植被恢复提供科学指导。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

研究区位于山西省霍州市曹村矿区。该矿位于临汾盆地北缘, 霍州南端。属于温带大陆性季风气候, 冬季寒冷干燥; 夏季炎热, 雨热同期。年平均气温12.2 ℃, 年降水量为353—688 mm左右, 年蒸发量为900—1300 mm左右。土壤类型以褐土为主。

研究样地位于该矿南下庄矸石山(111°42′E, 36°30′N), 海拔959 m。该矸石山从1959年使用, 矸石堆存量约为200×104t, 占地约1.6×104m2, 垂直高度约50 m, 坡度约40°。矸石山于2006年进行推平覆土, 作业时先用厦工50型装载机(自重17 t)对矸石山进行推平, 压实后再覆土80—100 cm(复垦时覆土土壤均取自煤矸山附近, 其表层土壤重金属Hg、Pb、Cd、As含量分别为0.02、15.23、0.11、11.3 mg·kg-1), 然后整平土地进行植被复垦。复垦后土地利用类型包括耕地(玉米,), 人工林地(种植桃树,和山楂,)和自燃退化草地(包括虎尾草,白羊草,、狗尾草,等)3种。

2.2 土样采集与分析

样地类型包括耕地(CL)、人工林地(AF)和自燃退化草地(GL), 同时以复垦区附近普通农田为对照(CK), 各样地理化性状具体见表1。采样时间为2016年10月, 采样时为了减轻推平覆土时造成的土壤重金属空间差异的影响, 尽量按照样地形状和面积布设多个采样点, 每样地划分3个样方, 每个样方用对角线法取5—8点混合成1个样品, 由此每样地样点数为15—24个点。用土钻垂直采样, 深度为0—20 cm和20—40 cm。土样带回实验室自然风干, 剔除石砾和植物根系等杂物, 磨碎, 过100目尼龙筛, 保存于塑料袋待测。

(1)土壤理化性质: pH—电位法, 有机质—重铬酸钾法, 土壤粒度—英国Mastersizer2000型激光粒度仪, 全氮—凯氏定氮法, 全磷—酸溶钼锑抗比色法, 土壤速效氮—碱解扩散法, 速效磷—碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法, 速效钾—醋酸铵提取火焰光度法[12]。(2)重金属全量: 土样样品放入聚四氟乙烯坩埚, 采用硝酸—氢氟酸—高氯酸体系消解。Hg、As的测定用冷原子吸收分光光度法(GB/T 17136—1997), Pb、Cd、Ni的测定用KI—MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17140—1997), 重复3次, 取平均值。

表1 3种复垦样地和对照样地(CK)土壤主要理化性状

2.3 污染评价方法

潜在生态危害指数法[13]的计算公式为:

3 结果与分析

3.1 3种土地利用类型复垦样地土壤重金属含量

表3是复垦耕地(CL)、人工林地(AF)、退化草地(GL) 重金属含量及高出普通农田(CK)的比例。首先从各样地重金属含量来看, 在0—20 cm土层, 3种土地利用类型中As和Cd含量无明显差异, 但Hg、Pb和Ni差异明显, 表现为CL样地Hg、Pb含量显著高于AF和GL样地, 但Ni含量正好相反; 在20—40 cm土层, 3种土地利用类型中Hg、As和Cd含量无明显差异, 但CL样地Pb含量显著低于AF和GL样地, AF样地Ni含量高于CL和GL样地。其次从复垦样地重金属含量高出CK的比例来看, 在0—20 cm土层中, 3种土地利用类型中As和Cd含量均高于CK, 但Hg、Pb和 Ni均不同程度的低于CK; 在20—40 cm 土层除Ni外, 其余重金属含量均高于CK。

总体上看, 3种土地利用类型中, As和Cd含量无明显差异, 但Hg、Pb和Ni在0—20和20—40 cm土层中存在着差异, 其中在0—20 cm土层, CL样地Hg、Pb含量明显高于AF和GL样地, 但Ni含量低于AF和GL样地; 在20—40 cm土层, CL样地Pb含量明显低于AF和GL样地, AF样地Ni含量高于CL和GL样地; 从复垦地重金属含量与CK的差异来看, 在0—20 cm 土层复垦样地As和Cd含量均高于CK, 但在20—40 cm 土层除Ni外, 其余重金属含量均高于CK。

3.2 不同土地利用类型中重金属生态危害评价

表2 潜在生态危害系数和危害指数与风险程度的关系

表3 3种土地利用类型复垦煤矸山土壤重金属含量及其与CK对比

Tab.3 Heavy metals content of 3 land use types and its comparison with CK

注: 同列不同小写字母上标表示数据间差异显著(<0.05), (下同)

表4 3种土地利用类型样地土壤重金属潜在生态危害评价结果

Tab.4 Evaluation results of potential ecological risk of heavy metals in 3 land use types

4 讨论

另外, 从复垦样地与普通农田(CK)的含量对比研究发现, CK在0—20 cm土层中Hg、Pb和Ni含量要明显高于复垦地, 其中Pb表现最明显, 达到45.1%, 其次为Ni和Hg元素, 分别为33.5%和27.6%。有研究表明, 煤矿区周围农田土壤的重金属污染主要来源于含重金属粉尘沉降[16]。由此推断, CK在0—20 cm土层中Hg、Pb和Ni含量高于复垦样地的原因可能与含重金属粉尘沉降相关。而与CK不同的是, 复垦地通过推平覆土形成的重构土壤, 打乱了原有的土层结构, 受粉尘沉降影响时间短, 所以造成CK在0—20 cm土层中Hg、Pb和Ni的含量高于复垦样地, 这也从侧面反映了矿区表层土壤存在明显的重金属污染。

5 结论

(1)3种土地类型中Hg、Pb和Ni的累积差异显著, 在0—20 cm土层, 耕地Hg、Pb含量明显高于人工林地和草地, 但Ni正好相反; 在20—40 cm土层, 草地Hg含量显著高于人工林地和耕地, 人工林地Pb、Ni含量高于草地和耕地; 与普通农田相比, 复垦地20—40 cm土层重金属累积状况高于0—20 cm 土层。

(2)从单因子潜在生态危害系数Eir看, 3种复垦地中Hg和Cd的生态危害程度较重, 且草地中Hg、Cd的生态风险显著高于其他两种样地, 其余元素的生态危害程度均较轻; 从综合风险指数上看, 3种复垦样地土壤重金属均达到严重危害程度, 且各样地危害程度存在着差异, 由大到小依次为草地、人工林地、耕地。

[1] 王尚义, 石瑛, 牛俊杰, 等. 煤矸石山不同植被恢复模式对土壤养分的影响—以山西省河东矿区1号煤矸石山为例[J]. 地理学报, 2013, 68(3): 372–379.

[2] 束文圣, 张志权, 蓝崇钰. 中国矿业废弃地的复垦对策研究[J]．生态科学, 2000, 19( 2) : 24–28.

[3] 苏光全, 何书金, 郭焕成. 矿区废弃土地资源适宜性评价[J]. 地理科学进展, 1998, 17(4): 39–46.

[4] 郭小娟, 贾萍, 刘霞. 煤矸石山环境问题及其治理的研究[J]. 山西农业大学学报, 1998, 18(2): 139– 141.

[5] 曹斌, 何松洁, 夏建新. 重金属污染现状分析及其对策研究[J]. 中央民族大学学报: 自然科学版, 2009, (1): 29–33.

[6] FU Fenglian, WANG Qi. Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review[J]. Journal of Environmental Management, 2011, 92(3): 407–418.

[7] RODRIGUEZ L, RUIZ E, ALONSO-AZARATE J, et al. Heavy metal distribution and chemical speciation in tailings and soils around a Pb–Zn mine in Spain[J]. Journal of Environmental Management, 2008, 90(2). 1106–1116.

[8] MUMTAZ O, HARNEET B M. HAJIVALIEI, et al. Singh. Trace elements of soil samples from mining area[J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B, 2010, 268(11). 2138–2140.

[9] 贾亚男, 袁道先. 不同土地利用方式对贵州岩溶土壤微量重金属元素含量的影响[J]. 土壤通报, 2007, 38(6): 1174–1177.

[10] 李贵祥, 方向京, 邵金平, 等. 个旧锡矿山废弃地不同土地利用方式土壤重金属的影响[J]. 西北林学院学报, 2014, 29(3): 48–52.

[11] 江培龙, 方凤满, 张杰琼, 等. 淮南煤矿复垦区土壤重金属含量分布及潜在生态风险评价[J]. 水土保持通报, 2013, 33(6): 161–165.

[12] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1999.

[13] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control: A scdimcntological approach[J]. Water Rescarch, 1980, 8(14) (14): 975–1001.

[14] 史崇文, 赵玲芝, 郭新波, 等. 山西土壤元素背景值及其特征[J]. 华北地质矿产杂志, 1994, 9(2): 188–196.

[15] 樊文华, 李慧峰, 白中科, 等. 黄土区大型露天煤矿煤矸石自燃对复垦土壤质量的影响[J]. 农业工程学报, 2010, 26(2): 319–324.

[16] 王丽, 王力, 王梅, 等. 神木煤矿区土壤重金属污染特征研究[J]. 生态环境学报, 2011, 20(8/9): 1343–1347.

Evaluation of heavy metal pollution in different reclamation land types on coal waste pile

HE Zehao1, YU Yajun*

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

Soil pollution by heavy metals is the key limiting factor in reclaiming mine area, and the land use types of reclamation have an effect on the accumulation of heavy metals in soil. Investigating the contents of heavy metals in different land use types and assessing ecological risks can find out the effect of the land use types on soil pollution by heavy metals in coal waste pile, and also provide guideline to the reclamation of soil “according to the local condition”. Three land use types of cultivated land, artificial forest and grass land in reclamation coal waste pile in Cao Village of Huozhou City in Shanxi Province are selected as research objects to analyze the contents and pollution degree of five heavy metals, Hg, As, Pb, Cd and Ni in soil three reclaimed soil on coal waste pile. The resultsare as follows. (1) There was a difference in the degree of heavy metal accumulation in the 3 types of land reclamation,and different soil conditions are also different. Specifically, in 0-20 cm soil layer, the content of Hg and Pb in cultivated land is obviously higher than that of artificial forest and grassland, but the content of Ni is lower than that of artificial forest and grassland; in 20-40 cm soil layer, the content of Pb in the cultivated land is significantly lower than that of artificial forest and grassland, while the content of Ni in FL is higher than that of cultivated land and grassland. Compared with ordinary farmland,the content of heavy metal in 20-40 cm soil layer of 3 land reclamation land is obviously higher. (2) The single factor of potential ecological risk coefficientEshows that on the whole the ecological risk of Hg and Cd in 3 reclaimed soil is higher, while that of the rest is low risk; as to the risk differences of heavy metals in different land use types, the ecological risk of Hg, Cd and As in grassland is significantly higher than that of the other two kinds of land, and the ecological risk of Pb in cultivated land and Ni in artificial forest is higher that in grass land; the comprehensive pollution index shows that the heavy metals in reclaimed soil have reached to serious risk level, and there are differences among risk levels in 3 reclaimed soil, from high to low being grassland, artificial forest and cultivated land.

coal waste pile; reclaimed soil; soil heavy metal contamination; land use types

X829

A

1008-8873(2018)01-145-05

2017-03-21;

2017-04-07

国家自然科学基金青年项目(41301304)

贺泽好(1988—), 男, 山西应县人, 硕士研究生, 主要从事土壤生态恢复方面的研究。E-mail: 470161650@qq.com

于亚军(1978—), 男, 甘肃灵台人, 副教授, 博士, 主要从事区域环境与生态恢复方面的教学与科研工作。E-mail: yuyajun0211@126.com

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.019

贺泽好, 于亚军. 复垦煤矸山不同土地利用类型土壤重金属污染评价[J]. 生态科学, 2018, 37(1): 145-149.

HE Zehao, YU Yajun. Evaluation of heavy metal pollution in different reclamation land types on coal waste pile[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 145-149.