安徽恒源煤矿区土壤肥力特征及重金属风险评价_马荣.pdf

第 35 卷 1 期2023 年 1 月中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.35 No.1Jan.2023doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.01.09文章编号:1674-1803(2023)01-0050-07安徽恒源煤矿区土壤肥力特征及重金属风险评价马 荣1,2,何建国1,2,章 梅1,王新富1(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心),江苏徐州 221000;2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室,江苏徐州 221000)摘 要:为全面了解煤矿区不同功能区土壤质量和重金属含量特征,为后续煤矸石土地复垦提供决策依据,以恒源矿区为研究区域,分别采集采空塌陷区稳定区、采空塌陷沉降区、矸石堆场区和未受采动影响区四个区域的土壤样品共计 30 组,开展土壤肥力及重金属含量分析,研究表明:恒源矿区土壤整体呈碱性,塌陷稳沉区和塌陷非稳沉区由于地表沉降,土壤质量受到破坏,土壤中总氮、总磷、速效钾、有效磷、碱解氮等养分流失严重,土壤肥力较差,矸石山周边区土壤肥力最好,未受影响区次之;恒源矿区重金属生态危害强度由强到弱的顺序为 Cd、As、Cu、Pb、Cr、Hg、Ni、Zn,重金属均低于风险筛选值,土壤重金属处于低风险状态。关键词:煤矿开采区;地表塌陷;土地复垦;土壤肥力;重金属污染;风险评价中图分类号:X171 文献标识码:ASoil Fertility Characteristics and Heavy Metal Risk Assessment in Hengyuan Coal Mine Area,Anhui ProvinceMA Rong1,2,HE Jianguo1,2,ZHANG Mei1,WANG Xinfu1(1.Jiangsu Geology and Mineral Resources Design and Research Institute(Testing Center,CNACG),Xuzhou Jiangsu,221006;2.Key Laboratory of Coal Resources and Mineral Resources,CNACG,Xuzhou Jiangsu,221006)Abstract:In order to comprehensively understand the characteristics of soil quality and heavy metal content in different functional areas of the coal mining area,and to provide decision-making basis for subsequent coal gangue land reclamation,the Hengyuan mining area was chosen as the study area.And a total of 30 groups of soil samples were collected from four sites:goaf stability area,goaf subsid-ence area,gangue yard area and unaffected area to analyze soil fertility and heavy metal content.The results showed that the overall soil in Hengyuan mining area is alkaline and the soil quality in the stable and unstable subsidence areas was damaged due to the surface subsidence.In particular,the soil nutrients such as total nitrogen,total phosphorus,available potassium,available phosphorus and al-kali-hydrolyzed nitrogen was seriously lost,and the soil fertility was poor.However,the surrounding area of gangue mountain had the best soil fertility,followed by the unaffected area.The ecological hazard intensity of heavy metals in Hengyuan mining area from strong to weak was Cd,As,Cu,Pb,Cr,Hg,Ni and Zn.The heavy metals were all lower than the risk screening value,and the heavy met-als in soil were in a low risk state.Keywords:coal mining area;ground subsidence;land reclamation;soil fertility;heavy metal pollution;risk assessment基金项目:中国煤炭地质总局科研资助项目(ZMKJ-2020-J044),徐州市重点研发计划(社会发展 KC201059)第一作者简介:马荣(1983),女,陕西临潼人,硕士,高级工程师,主要从事地质测试及科研工作。E-mail:收稿日期:2022-06-09责任编辑:樊小舟 我国是主要的煤炭生产国和消费国,其中 96%的生产矿井以井工开采为主1。随着矿业生产活动进行,引起了规模不等地表塌陷区、地裂缝、崩塌、滑坡等次生地质灾害,严重破坏了土地资源和景观,其中以地表塌陷的破坏尤为严重2-3。在地表土层塌陷过程中,不仅破坏了土壤结构,造成水土流失,土壤肥力下降,而且地表形成的地裂缝阻断了地层水力联系,对农作物的生长发育产生严重影响4-5。安徽淮北位于黄淮平原,是我国重要农产品基地,也是重要的煤矿主产区,随着近几十年的开采,在煤矿区域已形成大片采空塌陷区,造成地表塌陷,土壤结构受到破坏,导致养分迁移农作物减产,制约了当地农业经济发展6。本文主要通过采集恒源煤矿不同区域土壤测定土壤有机质、营养元素和重金属元素,并进行对比研究,分析不同区域土壤中肥力及重金属含量特征,为采空塌陷区矸石复垦地生态恢复适宜性研究提供理论依据。1 研究区概况恒源煤矿位于位于安徽省淮北市濉溪县刘桥镇境内,地处淮北平原中部,矿区面积约 19.1km2,区1 期马 荣,等:安徽恒源煤矿区土壤肥力特征及重金属风险评价51 内地势平坦,沟渠纵横,水系发育,主要为河流和采空塌陷区积水,表层耕作层厚度约 20cm,质地为黏土。矿区土地利用类型主要为旱地、村庄、坑塘水面和采矿用地等,由于区内煤层开采后在地表沉陷,造成耕地土壤水土流失,耕地质量受到一定程度的影响7。2 土壤样品采集根据恒源矿区土地功能和利用现状,2021 年 6月分别在恒源煤矿区采空塌陷稳沉区、塌陷非稳沉区,矸石山周边区和未受采动影响的农田开展采样,共采集土壤样品 30 件,其中以矸石山为中心,在西北、东南及西南三个方向分别在 50m、200m 处采样,共采集 6 件(gs1-gs6),采空塌陷稳沉区采样 10 件(wc1-wc10),采空塌陷非稳沉区采样 8 件(fw1-fw8),未受采动影响区采样 6 件(wyx1-wyx6),采样点分布如图 1 所示。土壤采用对角线法采集表层 020 cm 的土壤样采样,在每个采样点采集 5 个点位土壤样品,将土壤等量均匀混合装入聚乙烯塑料袋中送至江苏地质矿产设计研究院实验室进行测试。根据测试结果,对恒源矿区不同功能区的土壤的肥力以及重金属环境质量指标应用主成分分析法、潜在生态危害指数法进行了评价分析。3 结果与分析3.1 土壤肥力指标分布特征根据土壤质量指标与评价,结合恒源煤矿土地利用现状,本次选取土壤 pH 值、有机质、阳离子交换量(CEC)、总氮、总磷、速效钾、有效磷、碱解性氮作为肥力评价指标,并分析其分布特征。从图 2a可以看出,土壤总体呈碱性,其中矸石周边区土壤平均 pH 值最低,塌陷区土壤平均 pH 值最高,整个恒源矿区 pH 值变化并未显示规律性;恒源矿区各功能区有机质含量整体偏低(图 2b),其中矸石堆周围土壤和未受采动影响区有机质的含量相对较高;恒源矿区各功能区 CEC 含量相差较小(图 2c),其中塌陷稳沉区和非稳沉区相对较高。对于土壤中养分指标,速效养分相对于全量养分更易被农作物吸收,也更能体现土壤的肥力现状8,恒源矿区各功能区中塌陷稳沉区全氮、全磷平均含量分别为 767.6mg/kg 和 836.6mg/kg,其余功能区土壤中全氮、全磷平均含量均超过 1 000mg/kg,含量达到 3 级指标9,磷、氮含量较高(图 2d、e)。各功能区中土壤中速效磷、碱解性氮和速效钾含量分布状况基本一致(图 2f、h、i),均呈现矸石山区和未受影响区含量高,其他功能区含量低的特征,达到 2 级指标9;各功能区土壤中速效钾的含量整体偏高,绝大多数超过 100mg/kg,其中矸石区周边土壤含量最高,均值达到 331mg/kg,含量达到 1 级指标9,含量丰富。图 1 研究区土壤样品采样点分布Figure 1 Distribution of soil sample sampling sites in HengyuanCoal Mine research area整体来看,塌陷稳沉区和塌陷非稳沉区土壤肥力指标均低于未塌陷区,呈现出贫氮贫磷的特征,主要由于煤矿在开采过程中采空沉陷造成土壤肥力破坏,同时雨水侵蚀也加剧了土壤养分迁移流失,造成土壤质量降低10,后期在复垦工程中要加强对塌陷区的保水增肥措施;矸石堆周围土壤有机质、磷、氮含量均较其他区域偏高,初步分析可能由于矸石堆场的粉尘迁移到周边土壤,矸石中矿物质受雨水淋溶作用进入到土壤中,对土壤质量起到一定改善作用11。3.2 土壤质量评价3.2.1 土壤肥力指标相关性分析由表 1 可以看出,土壤各肥力指标之间关系密切,其中,土壤 pH 值除了与阳离子交换量(CEC)呈正相关外,与其他肥力指标均呈负相关,可以看出恒源矿区 pH 值是影响植物生长的主要营养障碍之一,因此在塌陷区在复垦过程中要合理控制土壤 pH 值变化,减少复垦土壤酸碱变化对肥力指52 中 国 煤 炭 地 质第 35 卷标的影响,避免农作物营养失调导致减产。土壤中有机质除了与 pH 值和 CEC 呈负正相关外,与其他肥力指标均呈显著正相关,所以在土壤中提高有机质对增加 N、P、速效钾、破解性氮和速效磷含量有一定的作用,反之增加这些肥力指标含量也有助于土壤有机质的提高,由此可见,恒源矿区不同功能区土壤各肥力指标之间存在显著相关性,可开展主成分分析。1 期马 荣,等:安徽恒源煤矿区土壤肥力特征及重金属风险评价53 图 2 不同功能区肥力指标分布特征Figure 2 Distribution characteristics of fertility index in different functional areas表 1 土壤肥力指标相关系数Table 1 Correlation coefficients of soil fertility indexpH 值有机质NP速效钾破解性氮速效磷CECpH 值1有机质-0.4231N-0.4660.877 1P-0.566 0.738 0.828 1速效钾-0.568 0.822 0.712 0.616 1破解性氮-0.5000.722 0.766 0.644 0.814 1速效磷-0.581 0