哈密大南湖二矿区土壤理化性质分析

王 梦，张继卫，李昊宇，李 阳，麻 浩，时 威，王文全

(1.国网能源哈密煤电有限公司大南湖二矿，新疆 哈密 839000；2.新疆农业大学 草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；3.兰州荒漠保护研究院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

地球的生态环境与人类的社会经济活动有着密切的关系，人类经济快速发展导致自然资源的过度破坏，造成一系列非常严重的社会环境问题[1]。矿产资源赋存于地下，是人们生产生活的重要物质基础，对社会经济发展有着不可替代的作用。随着社会经济的不断发展和科学技术的进步，对矿产资源的开采需求也在日益加大，所造成的生态地质灾害亦在不断加剧。如开采矿区产生过多的废弃物，重金属矿物粉的积累，对周边土壤的潜在危害。不合理的粗放式采矿生产活动，造成矿区原有的土地产生运移、重新堆积，使得矿区地表呈现坍塌、沉陷，从而诱发地质灾害，并且造成深层储水结构的破坏和地表水的大量渗漏。煤矿常见的开采方式有露天和井下两种，前者会造成原生地表植被及表层岩土被剥离，由此会导致地貌的生物生产力丧失，进而形成石漠化景观。同时，还会排放出大量的剥离物，增加新的水土流失与土地沙化和干化。后者虽然不会直接造成地表植被和表层岩土的破坏，但却会引起土地塌陷、含水层破坏等问题[2～6]。由于矿区地处荒漠戈壁滩，且在开采过程中对地表与地层有破坏，该区域植被覆盖率极低，难以抵抗土壤的侵蚀与搬运，土地沙化、荒漠化加剧[7]。目前，国内学术界针对新疆哈密农田土进行了研究，王妙星等[8]对哈密农十三师农田土壤的养分变化与肥力进行了分析评价，为高标准农田建设和合理施肥提供理论依据。马天文等[9]对哈密垦区土壤进行了氮养分分析，为合理施肥提供了帮助。

有关哈密煤矿土壤基本理化性质方面的研究报道较少。如何解决由于过度开采造成的水土流失，土地沙化和干化等问题，以及响应习近平总书记提出的“绿水青山，就是金山银山”的号召，需要在矿区开采的同时注意生态环境的保护，因地制宜，对矿区废弃物的资源化利用，来达到矿区生态修复的目的。笔者研究主要以干旱区露天煤矿为研究区，对其土壤进行理化指标的分析，为矿区生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验示范区概况

研究区位于哈密市西南部，距哈密市区约84 km 。属典型的大陆性气候，年平均气温9.8℃，极端最高气温43℃，极端最低气温-32℃；年降水量33.8 mm，年蒸发量3 300 mm，年均日照3 358 h，无霜期182 d[10]。

1.2 样品采集

项目实验示范区位于煤矿管理和生活区附近，面积约6.67 hm2，土壤类型为荒漠土。为了后期绿化需要，对该区土壤进行采样，分析理化性质。

在实验示范区采集了10个随机样，土层深度为0～30 cm；挖掘2个深度为100 cm的剖面，A剖面位于运煤管道附近、B剖面位于职工生活区附近。两个土壤剖面结构为0～30 cm为E层(淋溶层，砂粒、粉砂砾相对富集)，30～100 cm为J层(矿质结壳层，盐壳为过渡层)。盐壳土样取自剖面40～50 cm处。

1.3 分析方法

土壤样品经过处理后进行各项指标的测定，具体见表1。

表1 土壤分析指标及方法

土壤样品电镜和能谱分析采用配备EDS的Quanta 250 FEI场发射环境扫描电镜。

1.4 土壤理化指标分级标准

参照第二次土壤普查标准，土壤pH分级标准、土壤营养物质含量分级标准和盐分组成类型的划分标准见表2、表3和表4。

表2 土壤pH分级[14]

表3 土壤营养物质含量分级[15]

表4 盐分组成类型的划分标准[16]

1.5 数据处理方法

各项土壤理化指标经分析测试后，结果采用Microsoft Excel 2016软件作图表，统计分析采用SPSS 19.0软件。

2 结果与分析

经测定此矿区土壤pH值为8.62，属于碱性土壤。从表5中可以发现作为土壤养分主要来源的有机质平均值为21.13 g·kg-1，在营养物质含量分级中为中级，但变异系数较大，分布不均。总盐含量处在3.98～37.14 g·kg-1的范围内，平均值9.72 g·kg-1，变异系数为101.52%。全氮含量极低，碱解氮含量变异系数较大，中值极低。全磷含量很低，中值和平均值处于很低水平；速效磷处于极低水平。土壤中全钾含量处于极低水平，速效钾含量很高。总体来看说明此土壤中氮、磷元素较为缺乏，钾元素中主要以速效钾为主。

表5 土壤基本理化指标测定结果(随机样)

从表6可以看出在A点剖面土壤有机质0～25 cm处为低水平，在其余土层均为高水平。总盐含量差异不大。土壤全氮分布较为均匀并未随土壤深度增加而发生改变，均处于极低水平。碱解氮含量随土壤深度增加而增加，含量由极低变为很低。全磷含量处于低与极低水平。速效磷整体含量极低。全钾含量随土壤深度增加而减少，整体含量极低。速效钾含量变化和全钾相同，但整体含量很高。

在B点剖面土壤有机质和总盐含量在60～100 cm处远高于其它土层，分别为89.90 g·kg-1和79.67g·kg-1。而土壤全氮差异不大，水平极低；碱解氮含量随着土层深度的增加而增加，含量由极低到低。全磷在0～25 cm处含量多于其它土层，但仍处于很低水平。速效磷在25～60 cm的土层含量较多，但仍处于极低水平。全钾含量随土壤深度增加而减少，整体含量极低。速效钾整体处于很高水平。

盐壳土中有机质含量为49.16 g·kg-1。总盐含量为79.81 g·kg-1。全氮和碱解氮含量分别为极低和很低。全磷和速效磷含量均为极低。全钾含量极低，速效钾含量很高。

表6 土壤基本理化指标测定结果(剖面样)

表7 土壤八大离子测定结果(随机样) (mg·kg-1)

注：表中nd值皆表示“未检出”

土壤八大离子反映了土壤可溶性盐的含量。从表8可知CO32-和HCO3-含量极低，阴离子主要以Cl-和SO42-为主，分别为0.05和0.09 mg ·kg-1。Mg2+、 Ca2+含量较低，Na++K+含量在0.14 mg.·kg-1，中值为0.12 mg·kg-1。Cl-与SO42-的比值为0.49，根据盐分组成类型的划分标准可知，此研究区土壤盐分组成为氯化物—硫酸盐。

根据表9可知，A、B两个剖面CO32-、HCO3-含量较低，Cl-含量随土壤深度的增加而增加。各土层之间SO42-含量差异不大。Cl-与SO42-的比值随土壤深度的增加而增加。两个土壤剖面的盐分组成均是随土壤深度增加，A剖面的盐分组成由硫酸盐—氯化物向氯化物过渡，B剖面的盐分组成由氯化物—硫酸盐向硫酸盐—氯化物过渡。

表8 土壤八大离子测定结果(剖面样) (mg·kg-1)

注：表中nd值皆表示“未检出”。

表9和表10为土壤中重金属分析结果。参照《土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618-2018)》[17]和《土壤环境质量标准 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 36600-2018)》[18]，表10和表11中重金属含量均未超过土壤环境质量建设用地的标准(GB 36600-2018)。

根据表10可以看出，在A和B两个剖面中重金属含量没有发生大的变化。在A剖面中，Fe、Mn含量随土壤深度的增加而降低。Cu、Zn、As主要在25～45 cm土层含量较高，分别是128.77、38.69和17.50 mg·kg-1；且Cu在25～45 cm处的含量超出了土壤环境质量农用地筛选值的标准(100 mg·kg-1，pH>7.5)。Pb含量随土壤深度的增加而降低。Cd含量在各土层差异不大，但超出土壤环境质量农用地中筛选值的标准(0.6 mg·kg-1，pH>7.5)，未超过管控值的标准(4.0 mg·kg-1，pH>7.5)；Cr含量随土壤深度的增加而降低。

在B剖面中土壤各层Fe含量差异不大，Zn含量随土壤深度的增加而降低。Mn、Cu、As、Cr在25～45 cm土层含量较高，分别是146.26、2.22、11.66和4.60 mg·kg-1；Cu整体含量超出了土壤环境质量农用地筛选值的标准。而Pb和Cd含量随土壤深度的增加而升高。总体来看位于生活区的B剖面在0～25 cm处Fe、Mn、Cu、Zn、As含量高于位于运煤管道附近的A剖面，而Pb、Cd、Cr含量低于A剖面。

在盐壳土壤中Cd超出土壤环境质量农用地中筛选值的标准，未超过管控值的标准。Cu超出土壤环境质量农用地中筛选值的标准。其余重金属含量未超国家标准。

表9 土壤重金属测定结果(随机样) (mg·kg-1)

表10 土壤重金属测定结果(剖面样) (mg·kg-1)

表11 荒漠土能谱测定结果

表12 盐壳能谱测定结果

图1可以反映出在荒漠土这一点处金属元素有Na、Mg 、Al、K、Ca的存在。根据表12可以看出Na的比重为4.98%，K的比重为1.74%，低于Na的比重。

图2反映出在盐壳土中金属元素Na、Mg 、Al、Ca的存在，与图1相比缺少了K元素。在盐壳中Na元素比重为3.43%。Cl元素比重为0.36%，K值比为0.0025。

3 结论

所测矿区土壤pH为8.62属于碱性土壤，其中阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-为主，盐分组成整体上为氯化物—硫酸盐，可以通过化学改良措施来降低土壤pH。土壤中全氮含量极低；碱解氮含量很低。全磷含量很低；速效磷处于极低水平。土壤中全钾含量处于极低水平，速效钾含量很高。有机质含量中等但分布不均，可通过种植绿肥来提高土壤肥力，改善土壤理化性质，促进土壤微生物的活动，增加土壤微生物数量，将有机质转化为腐殖质，为植物提供养分。土壤重金属Cu、Cd含量超出土壤环境质量农用地中筛选值的标准，未超过管控值的标准，也未超过土壤环境质量建设用地的标准。土壤总盐含量较高，建议种植耐盐、抗盐植物。