楊伙盤礦區(qū)植物多樣性及土壤污染物富集分析

方松林

楊伙盤礦區(qū)植物多樣性及土壤污染物富集分析

方松林

西安石油大學(xué)生態(tài)修復(fù)研究所, 陜西 西安 710065

為探索由于礦產(chǎn)的過度開發(fā)和開采對環(huán)境鏈和生態(tài)鏈的影響，本文主要對楊伙盤礦區(qū)植物多樣性及土壤污染物富集性分析，采取蛇形采集方法和樣方法進(jìn)行試驗樣本收集。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，楊伙盤礦區(qū)植物種類稀少，僅有草本植物16種、灌木植物4種，喬木植物2種。植物距離礦坑和排土場越遠(yuǎn)，則植物多樣性指數(shù)越高。楊伙盤礦區(qū)土壤理化性質(zhì)較差，整體環(huán)境不利于植物生長。Cd、Cu、Zn和Pb的土壤重金屬污染物富集性較高。其中，Cd值累積量最高，已超過國家土壤二級環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)域部分優(yōu)勢植物對土壤重金屬污染物具有一定的富集能力和轉(zhuǎn)移能力。

礦區(qū)生態(tài); 植物多樣性; 土壤污染

我國礦產(chǎn)資源豐富，是世界上少數(shù)幾個礦種齊全、礦產(chǎn)資源總量豐富的大國之一。礦山在露天開采的過程中會使大量的微量元素裸露在地表。久而久之，土壤中累積的多重金屬元素會直接破壞當(dāng)?shù)刂参?、氣候和生態(tài)環(huán)境。礦山開采后的礦坑、排土場和尾礦堆等對周圍的景觀生態(tài)格局和土壤安全造成重要影響。陜西省位于我國西北之東部，面積20.56萬km2。含煤面積4.77萬km2，估測儲煤4200億t。陜北地區(qū)煤炭賦存條件好，埋藏淺，煤質(zhì)具有“三低一高”（特低灰、特低磷、特低硫、高發(fā)熱量）的特點。煤種以長焰煤和不粘煤為主，屬于優(yōu)質(zhì)動力煤、電力煤。楊伙盤煤礦位于陜北神府煤田東南部新民開采區(qū)，地處神府兩縣交界處的神木縣店塔鎮(zhèn)楊伙盤村，是陜北地區(qū)具有代表性的煤礦之一。分析和探索楊伙盤礦區(qū)植物多樣性并開展土壤污染物富集性分析，能夠更好地探尋煤礦開采帶來的植物生態(tài)和土壤生態(tài)問題，為礦山地區(qū)土壤環(huán)境修復(fù)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供有效參考。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

楊伙盤煤礦坐落于陜西省榆林市神木縣店塔鎮(zhèn)境內(nèi)，井田面積26.91km2，地質(zhì)儲量3.09億t。礦區(qū)地處風(fēng)沙區(qū)與丘陵溝壑區(qū)過渡地帶，地勢較為平坦，東北高、西南低。屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。多年平均氣溫為7.0 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-28.1 ℃，年平均蒸發(fā)量911.9 mm。年平均降水量為425 mm，降水的年內(nèi)年際變率均很大，主要集中在夏季，占全年總降水量的69%。礦區(qū)主要水源來自水庫和黃羊城河。因多年開采，目前礦區(qū)已形成大面積的采空區(qū)，水庫流失下滲。該煤礦仍在開采中，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境會持續(xù)受到生產(chǎn)活動的影響[1]。

圖1 研究區(qū)域地理位置

1.2 研究方法

因研究區(qū)域為黃土丘陵溝壑地形，植物較為稀少。故在礦區(qū)內(nèi)植物生長相對繁多的地點選擇三塊樣地，分別A點（東北）、B點（西南）和C點（西北）進(jìn)行土壤樣本采樣。另在楊伙盤煤礦外原生態(tài)區(qū)域選擇人為干擾較小的樣地D點（作為對照組樣本）。因蛇形采集方法適用于較大面積且地勢高差較大的場地，故使用此方法進(jìn)行土壤取樣。土壤深度為0～20cm、20～40cm，40～60cm，60～80cm。每個點每層深度用環(huán)刀取樣，共計采集土壤樣本12個。

植物群落采取隨機取樣與典型取樣相結(jié)合的方法進(jìn)行。在三塊樣地A點、B點和C點，分別設(shè)置20 m×20 m的植物群落調(diào)查樣方。在調(diào)查樣方樣線上，每隔5m設(shè)一植物群落樣方用于調(diào)查樣地的每個類型植物（草本植物、灌木植物和喬木植物）的分布情況。每個樣點隨機選擇4株同種植物并對根際土壤取樣，土壤深度為5～30cm。

1.3 測量方法

1.3.1植物多樣性計算研究區(qū)域內(nèi)植物多樣性的計算選取以下公式：

1.3.2土壤污染物富集度使用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對樣本土壤的金屬污染元素進(jìn)行計算評定。

單項污染指數(shù)法用于計算土壤中某元素含量與該物質(zhì)最高限值的比值，公式為：

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法用于分析某區(qū)域內(nèi)多元素對環(huán)境的污染程度，公式為：

植物富集吸收系數(shù)用于計算植物對金屬的吸收富集能力，公式為：

植物轉(zhuǎn)移系數(shù)用于計算植物對金屬的轉(zhuǎn)移能力，草本植物的公式為：

灌木植物和喬木植物的公式為：

1.3.3土壤理化性質(zhì)測定使用土壤農(nóng)化分析方法對樣本土壤的理化性質(zhì)測定。分三次對目標(biāo)指標(biāo)進(jìn)行測量并取平均值。土壤的物理性質(zhì)指標(biāo)包括土壤容重（烘干法）、土壤含水量（環(huán)刀法）和土壤孔隙度（比重和容重法）。土壤的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)包括pH值（電位法）、有機質(zhì)（重鉻酸鉀容量法-外加熱法）、全氮（凱氏法消解）、全鉀（NaOH熔融-火焰光度法）、全磷（土壤NaOH熔融-鉬銻抗比色法）。

1.3.4土壤重金屬含量測定對土壤樣本鎘、鉛、錳、鉻、銅、鋅元素進(jìn)行分析。其中鎘、鉛、錳使用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17140-1997）進(jìn)行測定，鉻、銅、鋅使用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138-1997）進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

樣本數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010進(jìn)行記錄。使用SPSS 19.0對植物多樣性以及土壤相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物多樣性分析

對研究區(qū)域的3塊樣地植物信息進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見下表1。樣地A草本植物4種、灌木植物1種，喬木植物2種。樣地B草本植物4種、灌木植物3種，喬木植物1種。樣地C草本植物9種、灌木植物1種，喬木植物2種。研究區(qū)域共計草本植物16種、灌木植物4種，喬木植物2種。對研究區(qū)域的3塊樣地植物多樣性指數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見下表2。3塊樣地的多樣性指數(shù)樣地A<樣地B<樣地C。表明距離礦坑和排土場越遠(yuǎn)，則植物多樣性指數(shù)越高。綜合3塊樣地植物的多度、頻度及重要值，選出研究區(qū)域優(yōu)勢植物，結(jié)果見下表3。其中，草本植物5種，分別為硬質(zhì)早熟禾、茵陳蒿、沙打旺、沙芥和艾蒿。灌木植物2種，為胡枝子和沙柳。喬木植物1種，為楊樹。

表1 不同樣地植物種類列表

表2 不同樣地的植物多樣性指數(shù)

表3 研究區(qū)域優(yōu)勢植物列表

2.2 土壤污染物富集性分析

2.2.1土壤理化性質(zhì)分析對3個樣地土壤理化性質(zhì)的綜合數(shù)值進(jìn)行分析，并與對照區(qū)域的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行比較（見表4），結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的孔隙度大于對照區(qū)域，容重和含水量均小于對照區(qū)域。除全鉀外，研究區(qū)域的pH值、有機質(zhì)、全氮和全磷均明顯低于對照區(qū)域。這表明因多年開采，研究區(qū)域的孔隙度的變化強烈，物理性質(zhì)受到了影響。研究區(qū)域土壤pH平均值為7.42，接近峰值7.5，有機質(zhì)含量相對較低，全氮和全磷水平較低，研究區(qū)域的土壤理化性質(zhì)較不適于植物生長。

表4 研究區(qū)域和對照區(qū)域土壤理化性質(zhì)的比較結(jié)果

2.2.2土壤污染物富集性分析研究區(qū)域和標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域土壤污染物重金屬含量的比較結(jié)果見下表5。可見，研究區(qū)域Cd、Cu、Zn和Pb的污染物平均值均明顯高于陜西土壤元素含量平均值和中國土壤元素含量平均值。其中，Cd值累積量最高，已超過國家土壤二級環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。而Cr和Mn的含量低于比標(biāo)準(zhǔn)值，表明土壤中未檢出以上兩種元素的污染物。對研究區(qū)域優(yōu)勢植物土壤污染物富集性分析，結(jié)果見下表6。發(fā)現(xiàn)茵陳蒿對Cd、Cu的富集能力較高，沙打旺、沙柳和楊樹對Cd的富集能力較高，艾蒿對Cd、Zn的富集能力較高，胡枝子對Cu的富集能力較高。茵陳蒿和沙柳對Cd的轉(zhuǎn)移能力較強，沙打旺和胡枝子對Cr的轉(zhuǎn)移能力較強，楊樹對Cd、Cr和Zn的轉(zhuǎn)移能力較強。

表5 研究區(qū)域和標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域重金屬含量的比較結(jié)果

表6 研究區(qū)域優(yōu)勢植物土壤污染物富集性分析

3 討論

在楊伙盤礦區(qū)植物多樣性方面，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域共計發(fā)現(xiàn)草本植物16種、灌木植物4種，喬木植物2種，植物種類稀少。3塊樣地的多樣性指數(shù)為樣地A<樣地B<樣地C。距離礦坑和排土場越遠(yuǎn)，則植物生長環(huán)境越佳，植物多樣性指數(shù)越高。這與張?zhí)鹛?、焦曉亮等和王東麗等對于露天采煤區(qū)和風(fēng)沙黃土礦區(qū)植物多樣性的變化趨勢分析結(jié)果保持一致[2-4]。另外，楊伙盤礦區(qū)東北高、西南低。地勢的高差也對植物多樣性產(chǎn)生了影響，發(fā)現(xiàn)地勢較低的西南部分植物多樣性更高。這與韓旭等和李向磊等對我國西部露天礦區(qū)植物多樣性的分析結(jié)果高度類似[5,6]。在楊伙盤礦區(qū)土壤污染物富集性方面，研究區(qū)域土地物理性質(zhì)如孔隙度、容重和含水量受到了直接負(fù)面影響，土壤理化性質(zhì)較差，有機質(zhì)、全氮和全磷水平較低，表明多年的煤礦開采對當(dāng)?shù)赝寥览砘再|(zhì)影響較大，不利于植物生長。劉釗等和Zhu G等在對煤礦區(qū)土壤理化性質(zhì)分析后得到了同樣結(jié)果[7,8]。另外，戴文婷等、杜古爾·衛(wèi)衛(wèi)等和Zhao X等的研究成果發(fā)現(xiàn)，由于多年開采，煤礦區(qū)土壤重金屬污染情況較為嚴(yán)重，累積含量一般都會超出常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[9-11]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Zn和Pb的污染物平均值均明顯高于陜西土壤元素含量平均值和中國土壤元素含量平均值，符合以上學(xué)者的判斷。本研究發(fā)現(xiàn)，植物對于外界土壤重金屬污染情況具有一定的富集能力和轉(zhuǎn)移能力，但是不同植物對不同元素的富集能力和轉(zhuǎn)移能力各不相同。比如，茵陳蒿對Cd、Cu的富集能力較高，對Cd的轉(zhuǎn)移能力較強。在葉洪嶺和張金堯，張燕樂等、Kapusta P等以及Hao J等針對礦區(qū)土壤重金屬污染情況以及植物富集能力和轉(zhuǎn)移能力研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的研究結(jié)論[12-15]。

4 結(jié)論

本研究對楊伙盤礦區(qū)植物多樣性及土壤污染物富集性開展研究。研究發(fā)現(xiàn)楊伙盤礦區(qū)植物種類稀少，共有草本植物16種、灌木植物4種，喬木植物2種。植物多樣性與礦坑和排土場距離和地勢高差具有直接聯(lián)系。距離礦坑和排土場越遠(yuǎn)、地勢較低的土壤植物多樣性指數(shù)越高。多年煤礦開采對楊伙盤礦區(qū)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了直接的負(fù)面影響。孔隙度較高、容重和含水量較低，土壤土壤理化性質(zhì)較差，整體環(huán)境不利于植物生長。楊伙盤礦區(qū)Cd、Cu、Zn和Pb的土壤重金屬污染物富集性較高。其中，Cd值累積量最高，已超過國家土壤二級環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。對優(yōu)勢植物富集能力和轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)茵陳蒿對Cd、Cu的富集能力較高，沙打旺、沙柳和楊樹對Cd的富集能力較高，艾蒿對Cd、Zn的富集能力較高，胡枝子對Cu的富集能力較高（富集系數(shù)均大于0.5）。茵陳蒿和沙柳對Cd的轉(zhuǎn)移能力較強，沙打旺和胡枝子對Cr的轉(zhuǎn)移能力較強，楊樹對Cd、Cr和Zn的轉(zhuǎn)移能力較強（轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1.0）。研究結(jié)論證明了，礦山在露天開采的過程中會使大量的微量元素裸露在地表并產(chǎn)生累積。土壤中富集的多重金屬元素會直接破壞當(dāng)?shù)刂参?、氣候和生態(tài)環(huán)境。在未來應(yīng)重點關(guān)注礦區(qū)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，依據(jù)植物土壤重金屬污染物轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行大范圍種植，采取相關(guān)措施改善地方礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

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Analysis of PlantsDiversity and Soil Pollutant Enrichment in Yanghuopan Mining Area

FANG Song-lin

710065,

In order to explore the impact of over-exploitation and exploitation of minerals on the environmental chain and ecological chain, this paper mainly analyzed the plant diversity and soil pollutant enrichment in Yanghupan mining area, and adopted mixed sampling, random sampling and typical sampling methods to collect test samples. The results showed that there were only 16 species of herbaceous plants, 4 species of shrub plants and 2 species of arbor plants in Yanghupan mining area. The farther the plant is from the mine and the dump, the higher the plant diversity index. The soil physical and chemical properties of Yanghupan mining area are poor, and the overall environment is not conducive to plant growth. Cd, Cu, Zn and Pb concentrations of soil heavy metal pollutants are higher. Among them, the accumulation of Cd value is the highest, which has exceeded the national soil secondary environmental standards. Some of the dominant plants in the region have a certain ability to accumulate and transfer heavy metal pollutants in soil.

Mining area ecology; plants diversity; soil contamination

Q948.116

A

1000-2324(2023)05-0758-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.016

2023-10-30

2023-11-14

西安石油大學(xué)青年科研創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)項目:西北能源富集區(qū)景觀生態(tài)修復(fù)與農(nóng)旅景觀介入研究(2019QNKYCXTD22)

方松林(1980-),男,工學(xué)博士,副教授,能源礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究. E-mail:932206402@qq.com