煤矸山复垦重构土壤重金属含量及污染状况评价

任珊珊 ，毕 斌，郭李凯，于亚军

（山西师范大学地理科学学院，山西临汾041000）

农业信息·农业工程·资源环境

煤矸山复垦重构土壤重金属含量及污染状况评价

任珊珊 ，毕 斌，郭李凯，于亚军＊

（山西师范大学地理科学学院，山西临汾041000）

为给煤矸山复垦区的生态重建提供依据，以山西省霍州市曹村煤矿复垦6年的煤矸山为例，分析农田、蔬菜地、果园和荒草地等4种利用类型复垦地土壤重金属元素Pb、Zn、Cr、Cu含量的差异；同时运用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法，对4种样地土壤重金属污染状况进行生态风险评价。结果表明：Cu在4种样地中的含量均超过山西省土壤背景值；Pb在蔬菜地未超标，在农田、果园和荒草地分别超标15.7%、18.9%、20.2%；Cr在果园未超标，在农田、蔬菜地和荒草地分别超标12.6%、6.9%、87.4%，而Zn在4种样地中均未超标。从单项污染指数评价看，Cu和Pb除在蔬菜地分别为轻度累积和未累积外，在其他3种样地中均分别为中度累积和轻度累积；Cr除在果园未累积外，在其他3种样地均达轻度累积，Zn 在4种样地均未累积。从综合污染指数看，4种样地重金属均出现不同程度的累积，其中荒草地和果园达到中度累积，玉米地和蔬菜地达轻度累积。

煤矸山；重构土壤；土地利用类型；重金属污染评价

煤矸石是井工开采和洗煤产生的废弃物［1］，其利用率低，主要以煤矸山的形式堆放，不仅占用大量土地，而且通过扬尘、自燃和雨水淋溶等方式导致严重的土地、水体、空气污染［2－3］。因此，对煤矸山进行复垦治理是改善矿区生态环境，实施煤矿区生态重建的前提和核心［4－5］。采用推平覆土后进行复垦是治理矸石山的主要措施［6－7］，但复垦过程煤矸石中含有的重金属元素会迁移转化进入推平覆土后形成的重构土壤中，造成重构土壤污染，成为矸石山植被复垦的重要限制因素。煤矸山复垦后往往被优先利用为农田、果园和草场等。因此，复垦后煤矸石中有害物质或分解产物在土壤中逐渐积累，并通过食物链被人体吸收，可能危害人体健康［8－13］。研究表明，不同的土地利用类型和强度对土壤重金属元素迁移富集具有强烈影响［14－15］。因此，开展不同土地利用类型煤矸石复垦土壤重金属污染状况的研究具有重要意义，可为煤矸山植被复垦类型的选择提供理论指导。

山西省长期高强度煤炭开采，已囤积超过10亿t煤矸石，形成了300多座矸石山［16］。近年来，山西省加大了矸石山复垦的治理力度，多个煤矸山通过覆土复垦的方法得到治理。因此，开展不同土地利用类型矸石山复垦土壤重金属研究具有典型性。山西省南部产煤区煤矸石中重金属Pb、Zn、Cr 和Cu的含量普遍较高［17］。故笔者以山西省霍州市曹村煤矿复垦煤矸山为例，以复垦6年的农田、蔬菜地、果园和荒草地为研究对象，分析4种利用类型矸石山复垦地土壤重金属Pb、Zn、Cr和Cu含量，运用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行重金属污染评价，以此了解不同土地利用方式对土壤重金属含量的影响，揭示煤矸山复垦土壤重金属污染的风险状况，以期为矸石山复垦区土地利用方式的选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省霍州市霍煤集团曹村矿区，该矿区距霍州市约7km。该地区为温带大陆性季风气候，多年平均气温12.1℃，年均降雨量437.3mm，区内山高岭峻，沟壑纵横，属侵蚀型黄土丘陵地貌。土壤类型为褐土，主要作物为1年1熟的冬小麦和玉米，其次为杂粮和蔬菜。

研究样地位于该矿南下庄矸石山（36°30′47.9″N，111°42′11.1″E），该矸石山从1959年使用，复垦时矸石堆存量约为200万t，占地约1.6hm2，垂直高度约50cm。矸石中重金属Pb、Cu、Cr和Zn的含量分别为30.40mg／kg、74.06mg／kg、180.52mg／kg和146.33mg／kg。矸石山于2008年推平覆土绿化，覆土厚度顶部为100～120cm，复垦时覆土土壤均取自煤矸山附近。复垦后利用类型分别为农田（种植玉米）、蔬菜地（种植大白菜、萝卜、豆角等）、果园（种植山楂树）和荒草地（白羊草、白胡子草和狗尾草）。

1.2 样品采集与分析

研究以复垦6年的农田（CL）、蔬菜地（VL）、果园（OL）、荒草地（WL）为样地，土壤样品采集时间为2014年10月，采用S型采样法，在每个样地中各选择5个采样点，混合形成一个样品，最后形成3个重复样。各点取土深度均为100cm，每20cm一层，样品带回实验室，自然风干后剔除大石块、植物根系等杂物，磨细后过100目（0.160mm）尼龙筛，装袋密封待测。样品测定时间为2014年11—12月，测定时称取约0.5g土壤样品，采用HNO3－HCIO3消解，利用nov－AA400火焰－石墨炉原子吸收光谱仪测定其含量，3次重复，取平均值［18］。

1.3 评价方法

超标比例的计算

超标比例＝（重金属含量值－山西省土壤重金属含量背景值）／背景值×100%

单因子污染指数法的计算公式［19］：

式中：Pi为重金属i的累积指数，Ci为重金属i的实测值，Si为重金属i的评价参比值，试验以山西省土壤背景值（Cu、Pb、Cr、Zn的含量分别为22.9mg／kg、14.7mg／kg、55.3mg／kg和63.5mg／kg）作为评价标准［20－21］。

综合污染指数采用内梅罗综合指数法，计算公式：

式中：P为内梅罗综合指数，Pmax为单项指数最大值，Pave为单项指数算数平均值。土壤重金属评价具体分级标准见表1。

表1 土壤重金属评价单项指数和综合指数法分级标准Table 1 Classification standards of single factor index and multi－factor index of heavy metals in soil

2 结果与分析

2.1 4种利用类型煤矸山复垦土壤重金属的含量差异

从表2可知农田（CL）、蔬菜地（VL）、果园（OL）和荒草地（WL）的土壤重金属含量及超标情况。

2.1.1 1m土层平均状况Cu在4种样地中的含量均超过山西省土壤背景值（22.9mg／kg），其中，果园超标比例最高，为175.7%；而蔬菜地最低，为97%；Pb和Cr除分别在蔬菜地和果园未超标外，其他3种样地均超标，且两者均在荒草地超标比例最高分别为20.2%和87.4%，而Zn在4种样地均未超标。

2.1.2 不同土层Cu在果园、农田、蔬菜地各土层中的含量和超标情况与其1m土层的平均状况一致，但荒草地深层（60～80cm和80～100cm土层）土壤中的含量远高于1m土层的平均含量；Pb 在4种样地中各土层含量和超标情况与平均状况基本一致，但在农田20～40cm、蔬菜地20～40cm、果园40～60cm和荒草地0～20cm及20～40cm土层却存在差异；Cr在荒草地中各层的含量和超标情况与1m土层的平均状况一致，但农田深层（60～80cm和80～100cm土层）土壤和蔬菜地中层土壤以上（0～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤中的含量明显高于1m土层的平均状况；Zn虽在4种样地1m土层的平均含量均不超标，但在农田40～60cm土层和荒草地60～80cm土层中出现超标情况。

表2 煤矸山4种复垦土壤的重金属含量及超标比例Table 2 Content and excessive proportion of heavy metals in the four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

2.2 4种利用类型煤矸山复垦土壤重金属污染状况

2.2.1 单项污染指数

从表3可知农田（CL）、蔬菜地（VL）、果园（OL）和荒草地（WL）土壤重金属单项污染指数评价结果存在差异。

表3 煤矸山4种复垦土壤重金属的单项污染指数Table 3 Single－factor index in four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

1）1m土层单项重金属的平均累积状况。Cu 和Pb在蔬菜地分别为轻度累积和未累积，在其他3种样地中均分别为中度累积和轻度累积，Cr除在果园未累积外，其他3种样地均达到轻度累积，Zn在4种样地均未累积。

2）不同土层中单项重金属累积状况的差异。4种重金属在4种样地各土层中的累积状况与其1m土层整体平均累积状况基本一致，但在个别土层存在差异。Cu在蔬菜地0～20cm及40～60cm土层中达中度累积；在果园0～20cm土层及荒草地深层（60～80cm、80～100cm）土壤中达重度累积；Pb在农田20～40cm土层、果园40～60cm土层、荒草地0～20cm和20～40cm土层中未出现累积；Cr在农田0～20cm、20～40cm土层和荒草地0～20cm土层分别为未累积和中度累积；Zn在农田40～60cm土层和荒草地60～80cm土层中达轻度累积。

2.2.2 综合污染指数 从表4可知农田（CL）、蔬菜地（VL）、果园（OL）和荒草地（WL）4种重金属的综合污染指数评价结果也存在一定差异。

1）1m土层平均状况。综合污染指数依次为荒草地、果园、玉米地和蔬菜地，荒草地和果园达中度累积，玉米地和蔬菜地达轻度累积。

表4 煤矸山4种样地土壤重金属综合污染指数评价结果Table 4 Evaluation results of Nemerow integrated index in four kinds of reclaimed soil of coal waste pile

2）不同土层状况。农田、蔬菜地各层综合污染状况与其1m土层整体平均状况一致，而果园40～60cm土层和荒草地中层土壤（0～20cm、20～40cm和40～60cm）综合污染状况低于其整体平均状况为轻度累积。

3 结论

1）4种样地的重金属含量中，Cu在4种样地中的含量均超过山西省土壤背景值，其中果园中超标比例最高，而蔬菜地中最低；Pb和Cr除分别在蔬菜地和果园中未超标外，其他3种样地均超标，且两者均在荒草地中超标比例最高；而Zn在4种样地中均未超标。

2）单项污染指数中，Cu和Pb除在蔬菜地分别为轻度累积和未累积外，在其他3种样地中均分别为中度累积和轻度累积；Cr除在果园为未累积外，其他3种样地均达轻度累积；Zn在4种样地均为未累积。综合污染指数由依次为荒草地＞果园＞玉米地＞蔬菜地，荒草地和果园达到中度累积，玉米地和蔬菜地达轻度累积。从单项污染指数看，种植蔬菜对复垦土壤中重金属元素Cu和Pb的改善效果最好，种植果树对复垦土壤中重金属元素Cr的改善效果最好。4种植被类型对复垦土壤中重金属元素Zn的改善效果相差不大。从综合污染状况看，蔬菜地复垦土壤的污染指数最低，种植蔬菜有利于复垦土壤的改善。

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（责任编辑：孙小岚）

Heavy Metal Contents and Pollution Assessment in Reclaimed Soil of Coal Waste Pile

REN Shanshan，BI Bin，GUO Likai，YU Yajun＊
（College of Geography Sciences，Shanxi Normal University，Linfen，Shanxi 041000，China）

In order to effectively guide the ecological reconstruction of coal mine area，taking the coal waste pile reclaimed for six years in Cao village，Huozhou Country，Shanxi Province as an example，the authors analyzed the contents of heavy metals（Cu，Pb，Cr，Zn）in the reconstructed soil of four kinds of soil samples，including farmland，vegetable land，orchard and weeds land.The ecological risk of heavy metal pollution in the four kinds of soil samples was evaluated by adopting the single factor index and Nemerow integrated index.Results：Content of Cu in four kinds of soil samples exceeded the soil background values in Shanxi Province，the content of Pb in vegetable land did not exceed the standard，but the over standard rate of farmland，orchard and weeds land were respectively 15.7%，18.9%and 20.2%；The content of Cr in orchard did not exceed the standard，but the over standard rate of farmland，vegetable land and weeds land were respectively 12.6%，6.9%and 87.4%.The content of Zn in the four kinds of soil samples did not exceed the soil background values in Shanxi Province.From the point of single pollution index evaluation results，Cu and Pb in vegetable land reached respectively light accumulation and no accumulation，in the other three soil samples reached respectively moderate accumulation and light accumulation，Cr in orchard reached no accumulation，in the other three soil samples reached light accumulation，Zn in the four kinds of soil samples was no accumulation.From the point of comprehensive pollution index evaluation results，four types of soil samples accumulated in different degrees，orchard and weeds land reached moderate accumulation，farmland and vegetable land reached light accumulation.

coal waste pile；reconstruction soil；land use type；heavy metal pollution assessment

S－1

A

1001－3601（2016）07－0313－0117－04

2015－12－09；2016－06－27修回

国家自然科学基金青年项目（41301304）

任珊珊（1991－），女，在读硕士，研究方向：土壤生态恢复。E－mail：642386049＠qq.com

＊通讯作者：于亚军（1978－），男，副教授，博士，从事区域环境与生态恢复方面的教学与研究。E－mail：yuyajun0211＠126.com