江山，劉煥煥，張菁，王改玲

(山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

煤礦區(qū)復墾土壤的環(huán)境質量狀況關系到礦區(qū)農業(yè)生產能否正常進行以及人體的健康安全，隨著人們環(huán)保意識的提升，礦區(qū)復墾土壤的環(huán)境質量已引起廣泛關注。土壤中的重金屬主要包括汞、鎘、鉻、砷、鉛、銅、鋅、鎳等，在土壤環(huán)境中是研究較多的一類重要的污染物。通過采礦、礦物冶煉、污水灌溉、大氣沉降等途徑進入土壤，隱蔽性和潛伏性的特性使其不易被發(fā)覺。而重金屬含量一旦過量，在生物體內積累產生毒害后，可引起植物生理功能紊亂、營養(yǎng)失調且不能被降解，繼而使土壤環(huán)境質量下降，并通過食物鏈向人體遷移，對人體造成潛在危害[1]。

煤炭露天開采，雖然帶來了巨大的經濟效益，但由于直接挖掘引起地表挖損和巖土排棄等原因，原地貌形態(tài)、地層結構已不復存在，原有土壤的層次結構及物質組成已徹底改變，形成所謂的“礦山土”[2]。在開采過程中產生的大量污水、煤矸石等廢棄物未經處理排放到環(huán)境中會直接或間接造成重金屬在土壤中的遷移和富集[3]。目前，金屬礦產開采、冶煉對土壤重金屬含量的影響已引起普遍關注，對露天煤礦復墾土壤肥力亦有較多研究[4-6]，而露天煤礦復墾土壤的環(huán)境質量研究則鮮有報道。

安太堡露天煤礦是我國大型的露天煤礦，地處于朔州市區(qū)與平魯區(qū)交界處的干旱、半干旱生態(tài)脆弱區(qū)，經過20余年的土地復墾，已形成集林地、草地和耕地為一體的綜合復墾工程[7]。為了有效地保護人體的健康，降低復墾土壤利用的潛在風險，本文以山西平朔安太堡露天煤礦復墾耕地和草地為研究對象，測定土壤中重金屬含量并對復墾土壤環(huán)境質量進行分析評價，旨在為安太堡露天煤礦的土地復墾及復墾土壤合理利用提供依據。

1 研究區(qū)概況

安太堡露天煤礦地處黃土高原東部，與黃土高原的晉陜蒙“黑三角”相連[8]，地理坐標為E 112°11′～113°30′，N 39°23′～39°37′，勘探面積380平方公里，探明地質儲量127.5億噸。地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡類型，土壤物理風化作用強烈，土質偏砂；礦區(qū)對環(huán)境變化敏感，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，目前總體上呈農業(yè)耕作景觀[7]。

在復墾土壤土體重構[9]過程中，安太堡露天煤礦采用巖土混排、厚層黃土覆蓋工藝-采煤過程中剝離的巖土由大型自卸車運來，卸車后推平、壓實后，表層覆蓋50～150 cm土壤。因此，原地貌地表被第四紀黃土廣泛覆蓋，堆墊形成的排土場呈平臺、邊坡相間分布的階梯式地形，相對高度100～150 m，臺階坡面高度20～40 m，臺階坡面角大于30°。目前，已形成了4座相對高度45～190 m的排土場 (內排、南排、西排、西排擴大區(qū))[10]。植被重建工藝為種草、農作物、灌木林、喬灌混交林、草灌喬。

2 研究方法

2.1 樣地選擇和采樣

經過翻閱資料、野外調查，本文根據采礦、復墾的先后順序，選取復墾方向為草地和耕地、復墾年限分別為3年、8年、20年的8塊樣地采集土壤樣品。樣地基本信息見表1與圖1。

表1 采樣地基本信息Table 1 Basic information of sampling points

圖1 安太堡煤礦區(qū)采樣地分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in Antaibao Opencast Mine

2.2 樣品采集與處理

按照HJ/T166-2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》的要求，于2016年9月對8塊采樣地進行了土壤樣品采集。將每個采樣地大致分為3個小區(qū)，每個小區(qū)按“S”型5點法隨機采集0～20 cm土層土樣，混合均勻后按四分法取足量土壤，同時記錄標簽、坐標和高程。將土樣帶回實驗室，待土壤自然風干后經簡單的前處理，采用四分法取適量土壤樣品并磨碎過100目(孔徑0.149 mm)的尼龍篩，裝袋備用。

2.3 分析項目及方法

鎘：經HNO3-HF-HCl消解后，采用石墨爐原子吸收-分光光度法；

砷、汞：王水水浴-原子熒光測定；

鉻、鉛、銅、鋅、鎳：酸消解(HNO3-HF-HClO4)-ICP測定[11]。

2.4 評價方法

2.4.1 單因子指數法

單因子指數法[12]是利用實測數據和標準數據進行對比分類，對土壤中的某一污染物的污染程度進行評價，是國內外普遍采用的方法之一。公式1如下:

Pi=Ci/Si

(1)

其中，Pi表示重金屬i的環(huán)境質量指數；Ci為重金屬i的測量濃度(mg·kg-1)；Si為重金屬i的評價標準(mg·kg-1)，本文選用GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》的土壤風險篩選值[13]。由于采樣地復墾利用方向為耕地和牧草地，土壤pH大于7.5，各指標選用的標準值見表2。

表2 農用地土壤污染風險篩選值/mg·kg-1Table 2 Farmland soil pollution risk screening value

2.4.2 內梅羅(Nemerow)綜合污染指數法

內梅羅(Nemerow)綜合污染指數法是評價土壤中多種污染物綜合效應的環(huán)境質量指數[14]，它可以較為全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，突出了污染最嚴重的污染物的危害，相較于單一的單因子污染指數法，該方法更為全面和準確。其公式2為:

(2)

式中，PN表示土壤的綜合污染指數;(Ci/Si)max為重金屬中污染指數的最大值;(Ci/Si)ave表示重金屬污染指數的算數平均值。依據單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法將土壤重金屬污染劃分為 5 個等級[15]，見表3。

2.4.3 潛在生態(tài)風險指數法

潛在生態(tài)風險指數法是瑞典科學家 HaKanson[16]于1980 年提出的，將重金屬含量因素、生態(tài)效應、環(huán)境效應皆考慮其中，并與毒理學聯系在一起(納入了重金屬的生物毒性系數)，定量的劃分出土壤中重金屬對生態(tài)環(huán)境的危害潛力，對土壤環(huán)境污染的預控有重要意義。其計算公式為：

表3 土壤重金屬污染分級標準Table 3 Soil heavy metal pollution grading standard

(3)

表4 潛在生態(tài)風險參數和風險指數與風險程度的對應關系Table 4 Corresponding relationship between potential ecological risk parameters and risk index and risk degree

3 結果分析

3.1 復墾土壤重金屬含量分析

重金屬含量是反映土壤環(huán)境質量的重要指標。各采樣地表層土壤(0～20 cm)重金屬含量測定結果表明，各樣地土壤的Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn、Ni平均含量分別為0.021 mg·kg-1、0.094 mg·kg-1、15.04 mg·kg-1、11.12 mg·kg-1、64.69 mg·kg-1、33.55 mg·kg-1、69.76 mg·kg-1、36.90 mg·kg-1(表5)。同一元素在不同樣地的含量存在明顯差異。其中Hg的含量以原地貌耕地最高，為0.037 mg·kg-1，顯著高于其它樣地(P<0.05，n=9，下同)，而以復墾3年耕地最低，這可能與Hg可通過大氣沉降等途徑進入土壤環(huán)境有關。各樣地中Cd含量以復墾8年耕地最高，顯著高于其它樣地，其余樣地間差異不顯著。Pb、As、Cr、Cu、Zn、Ni含量均以復墾3年草地最高，Pb、Cu、Zn、Ni含量復墾3年耕地最低，As、Cr含量亦在復墾3年耕地較低。草地與耕地兩種復墾模式下各重金屬含量隨復墾年限延長均未呈現明顯變化規(guī)律；相同復墾年限條件下，各重金屬含量亦未隨復墾模式的不同呈現明顯的變化規(guī)律。除Hg含量在原地貌耕地最高、Cr在原地貌耕地最低外，其它各重金屬元素含量在原地貌耕地和3年自然恢復地中均位于最高值和最低值之間。

3.2 復墾土壤重金屬污染評價

以GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》作為評價標準，計算出的各樣地土壤重金屬的污染指數如表6所示。結果顯示，各樣地土壤重金屬單項污染指數在0.004～0.496之間，單項污染指數總體表現為PAs>PCu>PCr>PZn>PNi>PCd>PPb>PHg；內梅羅綜合污染指數為0.318～0.389，復墾3年草地的重金屬綜合污染指數最高，復墾3年耕地的重金屬綜合污染指數為最低，3年自然恢復和原地貌耕地分別為0.365和0.333，與各樣地均值相近?？傮w上講，各樣地土壤單項污染指數和綜合污染指數均小于0.7，土壤未受到重金屬污染，屬于安全級。

表5 采樣地重金屬全量含量/mg·kg-1Table 5 Total content of heavy metals in the sampled area

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。
Note：Different lowercase letters show significant difference at the 0.05 level in the same column.

表6 采樣地土壤重金屬污染指數及污染等級Table 6 Heavy metal pollution index and pollution level of reclaimed soil

3.3 復墾土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

根據潛在生態(tài)風險參數與潛在生態(tài)風險指數，可對比出不同復墾模式與年限下各采樣地中重金屬的生態(tài)風險程度(表7)。不同元素的生態(tài)風險指數為：EAs>ECd>ECu>ENi>ECr>EPb>EHg>EZn。對于各樣地來說，所采地塊的土壤皆為輕微生態(tài)風險程度，其潛在生態(tài)風險指數在9.93～12.65之間，略有差異。復墾3年草地土壤RI潛在生態(tài)風險指數最大，復墾3年耕地潛在生態(tài)風險指數最??；原地貌耕地和3年自然恢復地潛在生態(tài)風險指數處于最高值和最低值之間?？梢钥闯?，隨著復墾年限的增加以及復墾模式的變化，土壤潛在生態(tài)風險指數無明顯變化規(guī)律。

3.4 重金屬元素相關系分析

圖2為各個重金屬間的相似性矩陣即Pearson相關系數矩陣。從相關性系數中可以看出數值大部分為正值且數值較大，說明各個重金屬有各自不同的相關性。其中，Hg、Cd與其它重金屬元素間的相關系數較小，無顯著相關性；Ni與Cu的相關系數最大為0.957，Pb與Cu相關系數第二為0.945；Pb與Cr、Zn、Ni達到極顯著相關(P<0.01)、與As在0.05水平下顯著相關；As與Cu、Ni間為0.796和0.773；Cr與Cu、Zn和Ni間也分別為顯著或極顯著的相關關系；Cu-Zn、Cu-Ni、Zn-Ni間也呈現顯著的相關性。綜上可得，Cu-Ni、Pb與Cu、Zn、Ni和Cr，Cr與Cu、Ni間的關系最為緊密，Hg-Cr間相似性最小，表明安太堡煤礦復墾區(qū)中的不同復墾方式下土壤中重金屬可能存在共同來源，復墾治理時需要考慮重金屬間的相關性與內在聯系，實行重金屬的綜合預防、治理，以減少人力、物力的損耗。

表7 土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數Table 7 Potential ecological risk index of heavy metals in reclaimed soil in mining area

為進一步分析平朔復墾地區(qū)土壤重金屬的相似性，采用因子分析法對采樣地的復墾耕地土壤的10種重金屬進行主成分分析，在距離分析的基礎上經KMO與Bartlett球形度檢驗結果見圖3。成分1、成分2與成分3的主體分析累加貢獻率為62.1%、80.85%和93.6%，相比之下可認為該區(qū)域土壤重金屬來源主要包含成分1與成分2兩個方面。由圖可知，As、Ni在成分1上有較高的荷載，Hg在成分2上具有最高荷載，而Cd在成分3上荷載較高。說明As、Hg、Cd與其他重金屬具有差異性，在礦區(qū)復墾土壤中需要重點關注。

圖2 重金屬元素相關系數可視化矩陣Fig.2 Heavy metal elements correlation coefficient visualization matrix注：*表示相關性顯著(P<0.05),**表示相關性極顯著(P<0.01)。Note:* indicates a significant correlation (p <0.05),** indicates a extremely significant correlation (P<0.01).

圖3 重金屬KMO與Bartlett球形度檢驗Fig.3 Heavy metals’ KMO and Bartlett sphericity test

4 討論

安太堡礦區(qū)復墾土壤作為一種人工土壤，復墾基質來源于不同地質年代形成的巖土，在地形重塑、土地再造過程中，有一定的隨意性。本文研究表明，各樣地土壤重金屬Cr、As、Hg、Cd、Ni、Cu、Zn 和Pb的含量均未超過國家土壤環(huán)境質量標準，可以作為耕地或草地利用。草地與耕地兩種復墾模式下,隨著復墾年限的增加各重金屬含量未呈現明顯變化規(guī)律；相同復墾年限條件下，各重金屬含量亦未隨復墾模式的不同呈現明顯的變化規(guī)律。表明造成土壤重金屬含量差異的主要原因在于復墾基質本身，而不同基質中重金屬含量及其對復墾土壤環(huán)境質量的影響還有待進一步探討。

復墾3年草地土壤Pb、As、Cr、Cu、Zn、Ni含量顯著高于其它樣地，綜合污染指數及潛在生態(tài)風險指數亦最高，經實地調查發(fā)現，該樣地處于內排畦狀整地微地形設計區(qū)，田間道路主要由煤矸石堆墊而成，矸石中重金屬可能經長期釋放淋溶而進入土壤。張世鑫等[18]亦得出相同結論；張明亮等[19]也通過淋溶模擬試驗發(fā)現矸石山周邊表層土壤中重金屬含量隨著距煤矸石堆的距離減小而呈明顯的上升趨勢。煤矸石是我國當前(煤礦開采中)排棄量最大的工業(yè)固體廢棄物，常被作為礦區(qū)土地復墾中的基質或鋪路材料；作為復墾基質，矸石中的重金屬直接污染土壤[20]；煤矸石露天堆放，在大氣降水的沖刷、淋溶作用下裸露的煤矸石中重金屬將會隨著地表徑流進入土壤中，或經風蝕以揚塵而懸浮于大氣中，飄落于煤矸石堆周邊的土壤中而對其形成污染[21]。如何防治矸石風化過程中重金屬的釋放、淋溶是值得考慮的問題。另外，煤矸石中含有的FeS經氧化后常常引發(fā)自燃，產生的有害氣體對大氣有直接的影響，所以還應注意對其進行包埋等處理。

土壤環(huán)境重金屬污染現狀評價和潛在生態(tài)風險評價結果顯示，樣地土壤生態(tài)風險參數在9.93～12.65之間，屬于輕微生態(tài)風險程度。與其它元素相比，As、Cd、Ni不僅具有較高的生物毒性，其單項污染指數亦較高，致使其潛在風險參數高于其它元素，可能與采礦和燃煤等產生的粉塵污染及復墾基質有關。結合重金屬的相關性與因子分析亦可看出As、Hg、Cd與其他重金屬具有差異性，是礦區(qū)復墾土壤中需要持續(xù)關注的元素?？撼坑頪22]對比0～20 cm與20～40 cm 土層重金屬含量表明，底層矸石內As元素隨年限增長有逐漸向上遷移的趨勢，其他研究[23]也有類似情況。徐良驥等[24]的試驗數值顯示煤矸石基質中Cd元素含量高于該地區(qū)土壤背景值，對復墾土壤已構成潛在的威脅性；崔龍鵬等采用元素富集系數法已證明:礦區(qū)土壤已表現來自采礦活動的重金屬污染貢獻，且具有累積性[25]。

5 結論

(1)研究區(qū)各樣地土壤Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn和Ni重金屬含量均未超過國家GB 15618—2018土壤環(huán)境質量標準，可作為耕地或草地的復墾利用。各重金屬元素含量均未隨復墾年限或復墾模式的變化呈明顯變化規(guī)律，說明復墾基質是影響復墾土壤重金屬含量的主要原因。

(2)由矸石堆墊道路圍繞的復墾3年草地中Pb、As、Cr、Cu、Zn、Ni含量顯著高于其它樣地，內梅羅綜合污染指數和潛在生態(tài)風險指數亦高于其它樣地，說明煤矸石堆墊后重金屬的釋放、淋溶是影響土壤重金屬含量和土壤環(huán)境質量的重要原因。

(3)各樣地土壤As、Cd 和Ni潛在風險參數高于其它元素、因子分析中亦有較高的荷載，所以在安太堡采煤過程中需要持續(xù)關注。