青海木里煤田聚乎更礦區(qū)土壤肥力及重金屬風(fēng)險評價

王 佟，章 梅，徐 輝，張谷春，王彥君，方惠明，李 媛

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；2.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)，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；3.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

木里煤田是青海省最大的煤礦區(qū)，也是西北地區(qū)重要的煉焦煤資源產(chǎn)地[1]，在開采煤炭資源的同時，在地表形成了規(guī)模不等的采坑和排土場，嚴(yán)重破壞植被和地貌景觀，土壤受到挖損和壓占，其中，聚乎更礦區(qū)開發(fā)強(qiáng)度相對較大，對生態(tài)環(huán)境擾動和破壞明顯[2-3]。目前，以廢渣為充填基質(zhì)進(jìn)行土地復(fù)墾已成為釆煤沉陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理工程中的一項重要技術(shù)[4-5]，然而，在長期風(fēng)化、浸泡和淋溶作用下[6-7]，廢渣、廢石中的重金屬可能進(jìn)入周邊土壤及地下水中，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成危害[8]。同時，木里煤田聚乎更礦區(qū)地處黃河重要支流大通河的發(fā)源地，生態(tài)地位極為重要[9]。因此，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境亟需修復(fù)治理。木里礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理是我國在高原、高寒、高海拔地區(qū)開展的大面積礦山治理的首例示范性工程[9-10]，但目前針對木里聚乎更礦區(qū)土壤肥力質(zhì)量以及土壤重金屬風(fēng)險評價方面的研究較少[10]。因此，筆者以聚乎更礦區(qū)土壤為研究對象，分析土壤肥力指標(biāo)和重金屬含量的分布特征及變化規(guī)律，運(yùn)用主成分分析法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別對土壤肥力質(zhì)量和重金屬生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，以期為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治、各井田采坑、排土場一體化治理工程設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)，因地制宜地提出切實可行的土壤重構(gòu)措施和建議。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

青海木里煤田聚乎更礦區(qū)地處祁連山脈的中南部地區(qū)，在大通山以北、托萊山以南的江倉斷陷盆地內(nèi)，總體呈東南低、西北高的趨勢，地表高程為4 000～4 300 m[11]。年平均氣溫-0.39℃左右，年平均降水量277 mm，屬典型的高原大陸性氣候。礦區(qū)土壤類型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主；區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育凍土，上部土壤因降水、冰川融雪補(bǔ)給而發(fā)育成沼澤，高山草甸土是高山帶中部地區(qū)的主要分布土壤類型[3]。植被類型分為高寒沼澤類和高寒草甸類。

1.2 土壤樣品采集

木里煤田聚乎更礦區(qū)煤層埋藏淺，上覆薄層第四系松散層堆積物，或直接出露地表，屬暴露式-半隱伏式煤田[12]。煤炭資源開采方式為露天開采，通過大開挖方式，在開采煤炭資源的同時，在地表形成了規(guī)模不等的采坑和排土場，破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。根據(jù)礦區(qū)采坑、排土場現(xiàn)狀圈定本次研究范圍，主要涉及哆嗦貢瑪井田、三號井田、四號井田、五號井田、八號井田和九號井田，排土場現(xiàn)狀詳見表1。根據(jù)各井田排土場面積布置采樣點，其分布如圖1 所示。每個采樣點的樣品為表層0～20 cm 的混合土壤樣，采用四分法取1 kg 土壤樣品，共采集42 份排土場土壤樣品。將采集后的土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，剔除樹枝、草根、石塊等雜物，碾碎過篩后留存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 木里煤田聚乎更礦區(qū)土壤樣品采樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling points in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

表1 木里礦區(qū)排土場情況Table 1 List of coal gangue situation in Muli Coalfield

1.3 測試指標(biāo)及方法

主成分分析法在土壤肥力評價中的應(yīng)用最為廣泛[13]，能較好地體現(xiàn)指標(biāo)信息，評價結(jié)果更為客觀、全面、可靠[14]；潛在生態(tài)危害指數(shù)法能綜合考慮多種重金屬的協(xié)同作用，其毒性水平和環(huán)境對重金屬污染敏感性等因素，在環(huán)境風(fēng)險評價中得到廣泛應(yīng)用[15]。因此，本文選用主成分分析法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別對木里煤田聚乎更礦區(qū)土壤肥力、土壤重金屬風(fēng)險進(jìn)行評價。根據(jù)《土壤質(zhì)量指標(biāo)與評價》[16]提出的主導(dǎo)性、生產(chǎn)性和穩(wěn)定性的肥力指標(biāo)選取原則，結(jié)合木里煤田聚乎更礦區(qū)特定的環(huán)境狀況，選取土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換容量(CEC)、全氮、速效鉀、速效氮、速效磷等重要指標(biāo)作為肥力評價因子，并分析各指標(biāo)的分布特征。土壤肥力評價因子和重金屬風(fēng)險評價因子及測試方法見表2，運(yùn)用Excel、Origin、SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

表2 測定指標(biāo)及測定方法Table 2 Measurement indexes and methods

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤肥力指標(biāo)分布特征

圖2 為木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田土壤pH 值分布柱狀，整個研究區(qū)的土壤呈堿性，這是由于研究區(qū)內(nèi)土壤中鹽分含量較高，使其土壤呈堿性；其次，在淋濾作用下，排土場滲濾液進(jìn)入土壤使土壤pH 值升高。五號井田土壤pH 平均值最低(7.34)，為弱堿性；四號井田土壤pH 平均值最高(8.64)，呈強(qiáng)堿性。圖3 為木里煤田聚乎更礦區(qū)其他土壤肥力指標(biāo)分布特征。從圖3a 可以看出，研究區(qū)內(nèi)九號井田土壤CEC 最低，平均值為10.48 cmol/kg(+)，三號井田土壤樣品CEC 平均值最高，為22.63 cmol/kg(+)；CEC 代表了土壤保肥能力的高低，說明三號井田土壤保肥能力最強(qiáng)，九號井田保肥能力最弱。這是因為自2014 年以來三號井田采用客土進(jìn)行了土壤重構(gòu)，取得一定的積極效果，其他井田由于煤田開采破壞表土，受礦渣影響導(dǎo)致其保肥能力較差[12]。

圖2 木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田土壤pH 值分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil pH value minefields in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量的分布狀況如圖3b 所示，各井田有機(jī)質(zhì)平均含量介于10%～15%，查閱對照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[17]，有機(jī)質(zhì)含量屬于四級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，表明木里煤田聚乎更礦區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低，受人類采礦活動及排土場的影響，有機(jī)質(zhì)含量有所降低，這與王銳等[18]在青海圣雄煤礦的研究結(jié)果一致。全量養(yǎng)分標(biāo)志著土壤養(yǎng)分供應(yīng)的最大潛力，而速效養(yǎng)分標(biāo)志著能供植物直接吸收的潛力[19]。從圖3c 可知，聚乎更礦區(qū)九號、三號井田土壤全氮含量超過2 000 mg/kg(一級)，哆嗦貢瑪井田全氮含量介于1 500～2 000 mg/kg(二級)，八號、五號、四號井田全氮含量介于1 000～1 500 mg/kg(三級)，說明各井田排土場土壤全氮含量豐富。從圖3e 可以看出，三號、九號井田土壤速效氮含量較高，達(dá)二級及以上標(biāo)準(zhǔn)，哆嗦貢瑪、八號、五號井田速效氮含量介于60～90 mg/kg(四級)，而四號井田速效氮含量僅有31.18 mg/kg(五級)，說明哆嗦貢瑪、八號、五號、四號井田土壤中供植物直接吸收的氮含量不足，后續(xù)土壤重構(gòu)和植被復(fù)墾需施一定量的氮肥。從圖3d、圖3f 可知，聚乎更礦區(qū)內(nèi)土壤中速效鉀的含量均較高，達(dá)三級以上標(biāo)準(zhǔn)；而速效磷的含量低。綜合上述分析可知，聚乎更礦區(qū)整體呈現(xiàn)出富氮富鉀貧磷的特征，煤炭開采、礦渣堆存對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生了一定的破壞。

圖3 木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田肥力指標(biāo)分布特征Fig.3 Distribution characteristics of fertility indexes of various minefields in Jvhugeng mining area,Muli Coalfield

2.2 土壤肥力質(zhì)量評價

2.2.1 指標(biāo)相關(guān)性分析

由表3 可以看出，土壤中各肥力指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。土壤pH 值與全氮、速效氮、速效磷呈顯著負(fù)相關(guān)。有機(jī)質(zhì)除與CEC 呈負(fù)相關(guān)外，與其他肥力指標(biāo)均呈正相關(guān)，與速效氮、速效鉀相關(guān)性較強(qiáng)。全氮受速效鉀的影響較小，與速效氮、速效磷影響較大，與二者均呈顯著正相關(guān)。速效鉀的含量與其他肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)均較小，說明其含量受其他指標(biāo)的影響較??；而速效磷受全氮、速效氮的影響較大，與二者呈極顯著正相關(guān)，與pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)。上述分析表明，聚乎更礦區(qū)土壤肥力指標(biāo)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，符合主成分分析的前提條件。

表3 土壤肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of soil fertility indexes

2.2.2 質(zhì)量評價因子主成分分析

通過KMO 和Bartlett 統(tǒng)計學(xué)檢驗，結(jié)果KMO=0.612＞0.5，Sig＜0.001，故可采用主成分分析法對木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。各因子所解釋的方差及其累積和的結(jié)果見表4，據(jù)主成分特征值大于1 的原則[20-21]，選取前3 個特征值。其中，第1、第2、第3 主成分特征根分別為2.680、1.334、1.033，其方差貢獻(xiàn)率分別為38.288%、19.060%、14.757%。分析發(fā)現(xiàn)前3 個成分方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)72.106%，說明提取這3 個公因子就能夠比較好地解釋原7 個變量所包含的信息，可用于評價土壤綜合肥力[22-23]。

表4 總方差分析結(jié)果Table 4 Interpretation of total variance

為更明顯表示出不同肥力指標(biāo)與主成分之間的相關(guān)關(guān)系，對成分矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)矩陣及成分得分系數(shù)矩陣，計算結(jié)果見表5。從表5 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣中可以看出，pH 值、全氮、速效氮、速效磷在成分1 中貢獻(xiàn)較大，有機(jī)質(zhì)、速效鉀在成分2 中的貢獻(xiàn)較大，CEC 在成分3 中的貢獻(xiàn)較大。因此，可以將土壤肥力指標(biāo)大致分為3 類：pH 值、全氮、速效氮、速效磷一類；有機(jī)質(zhì)、速效鉀一類；CEC 一類。

表5 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣和成分得分系數(shù)矩陣Table 5 Rotated component matrix and component score coefficient matrix

根據(jù)表5 成分得分系數(shù)矩陣可計算出主成分的綜合得分公式：

計算F1、F2、F3三個主成分的得分，結(jié)果表明，三號、八號、九號井田土壤的第1 因子得分最高，表明其pH 值、全氮、速效氮、速效磷含量較高；五號井田土壤的第2 因子得分最高，體現(xiàn)其有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量豐富；哆嗦貢瑪、四號井田土壤的第3 因子得分較高，表明其保肥能力方面有突出優(yōu)勢。為了探究各井田周邊土壤的綜合肥力情況，將3 個因子得分輔以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，得到各井田土壤的綜合得分表達(dá)式ZF=0.383F1+0.191F2+0.148F3，ZF值越高，代表其肥力越好，相反地，其值越低，肥力越差。計算結(jié)果見表6。結(jié)果表明木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田土壤肥力質(zhì)量從高到低依次為：三號、九號、五號、哆嗦貢瑪、四號、八號井田。

表6 木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田土壤肥力綜合得分Table 6 Comprehensive score of soil fertility of minefields in Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

綜合上述分析可知，聚乎更礦區(qū)除三號井田之外，其余井田土壤綜合肥力狀況均較差，因此，聚乎更礦區(qū)后期礦山生態(tài)修復(fù)時，利用粉煤灰、渣石、煤矸石等進(jìn)行土壤重構(gòu)時，需混合大量的牲畜糞便、有機(jī)肥、牧草專用肥等提高重構(gòu)土壤的肥力質(zhì)量。需要注意的是，排土場土壤中速效磷含量較低而速效鉀的含量較高，后續(xù)要施加一定量的磷肥且需嚴(yán)格控制鉀肥的施加量，以防重構(gòu)土壤硬化板結(jié)。此外，三號、九號、哆嗦貢瑪井田排土場土壤中全氮、速效氮的含量均較高，土壤重構(gòu)時應(yīng)嚴(yán)格控制氮肥的施加量，防止后續(xù)植被復(fù)墾時出現(xiàn)燒苗現(xiàn)象。

2.3 土壤重金屬風(fēng)險評價

聚乎更礦區(qū)土壤中重金屬含量主要受堆存的礦渣和人為采煤活動的影響[3]。各井田土壤中重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計特征見表7，可以看出，Hg 質(zhì)量濃度在三號井田最低(0.05 mg/kg)，在九號井田最高(0.15 mg/kg)，其標(biāo)準(zhǔn)差小于1，離散程度較小，但是受平均值的影響，Hg 的變異系數(shù)較大，屬于中等變異；礦區(qū)各井田土壤中Cd 質(zhì)量濃度平均值超過研究區(qū)土壤本底值和青海省土壤背景值，說明廢石、廢渣、矸石中的Cd 在長期淋濾作用下有一部分進(jìn)入土壤中，Cd 質(zhì)量濃度在哆嗦貢瑪、九號井田最高，在八號井田最低；As 質(zhì)量濃度在不同井田土壤中的變化范圍較大，為3.54～16.70 mg/kg，均值為8.57 mg/kg，變異系數(shù)較大；Pb、Cu、Cr 質(zhì)量濃度平均值分別為25.11、27.61、83.41 mg/kg。綜合上述分析，并參照GB 15618－2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[24]可知，礦區(qū)土壤中重金屬含量的最大值均未超過標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險篩選值，屬于低風(fēng)險狀態(tài)，但Cd、As 質(zhì)量濃度最大值接近篩選值，需要重點關(guān)注并采取有效措施。

表7 木里煤田聚乎更礦區(qū)各井田土壤重金屬含量統(tǒng)計特征Table 7 Statistical characteristics of heavy metals in soils of Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)法由HAKANSON 基于沉積學(xué)角度構(gòu)建而來，其結(jié)果能反映土壤多種重金屬的濃度、協(xié)同和毒性效應(yīng)[26]，計算方法如下：

式中：Ei為重金屬i的生態(tài)危害系數(shù)；Ti為重金屬i的毒性系數(shù)，其值參照徐爭啟等[26]的研究；為重金屬i質(zhì)量濃度的實測值；為重金屬i質(zhì)量濃度參比值，參照GB 15618－2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》風(fēng)險篩選值來確定參比值。

表8 為木里煤田聚乎更礦區(qū)土壤重金屬生態(tài)危害評價指數(shù)結(jié)果。從表8 可知，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr的Ei值均小于10，表明這6 種重金屬存在輕微污染，生態(tài)危害強(qiáng)度由弱到強(qiáng)的順序依次為Cr、Pb、Cu、Hg、As、Cd。其中，哆嗦貢瑪和九號井田土壤中多種重金屬的Ei值高于其他井田，說明該區(qū)域的生態(tài)危害強(qiáng)度高于其他區(qū)域。結(jié)合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8 木里煤田聚乎更礦區(qū)土壤重金屬生態(tài)危害評價指數(shù)結(jié)果Table 8 Results of soil heavy metal ecological hazard assessment indexes in Jvhugeng mining area, Muli Coalfield

綜合上述分析可知，木里聚乎更礦區(qū)排土場土壤重金屬處于低風(fēng)險狀態(tài)。在利用煤矸石、廢渣等進(jìn)行土壤重構(gòu)時，可少量添加鈍化劑如石灰、麥飯石、草木灰、沸石等，將重金屬污染風(fēng)險降至最低。同時，應(yīng)定期監(jiān)測土壤中Cd、As 含量。

3 結(jié) 論

a.木里煤田聚乎更礦區(qū)土壤整體呈堿性，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量較豐富而速效磷含量較缺乏，總體呈現(xiàn)富氮富鉀貧磷的特點。通過主成分分析土壤肥力質(zhì)量順序從高到低依次為：三號、九號、五號、哆嗦貢瑪、四號、八號井田。

b.重金屬的生態(tài)危害強(qiáng)度由弱到強(qiáng)的順序依次為Cr、Pb、Cu、Hg、As、Cd，土壤重金屬處于低風(fēng)險狀態(tài)。

c.木里聚乎更礦區(qū)生態(tài)修復(fù)可利用粉煤灰、渣石、煤矸石等作為基質(zhì)進(jìn)行土壤重構(gòu)，但需混合大量的牲畜糞便、有機(jī)肥、牧草專用肥等提高重構(gòu)土壤的肥力質(zhì)量。