王 夢(mèng)，張繼衛(wèi)，李昊宇，李 陽(yáng)，麻 浩，時(shí) 威，王文全

(1.國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖二礦，新疆 哈密 839000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.蘭州荒漠保護(hù)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地球的生態(tài)環(huán)境與人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有著密切的關(guān)系，人類經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致自然資源的過(guò)度破壞，造成一系列非常嚴(yán)重的社會(huì)環(huán)境問(wèn)題[1]。礦產(chǎn)資源賦存于地下，是人們生產(chǎn)生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著不可替代的作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)礦產(chǎn)資源的開采需求也在日益加大，所造成的生態(tài)地質(zhì)災(zāi)害亦在不斷加劇。如開采礦區(qū)產(chǎn)生過(guò)多的廢棄物，重金屬礦物粉的積累，對(duì)周邊土壤的潛在危害。不合理的粗放式采礦生產(chǎn)活動(dòng)，造成礦區(qū)原有的土地產(chǎn)生運(yùn)移、重新堆積，使得礦區(qū)地表呈現(xiàn)坍塌、沉陷，從而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，并且造成深層儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的破壞和地表水的大量滲漏。煤礦常見的開采方式有露天和井下兩種，前者會(huì)造成原生地表植被及表層巖土被剝離，由此會(huì)導(dǎo)致地貌的生物生產(chǎn)力喪失，進(jìn)而形成石漠化景觀。同時(shí)，還會(huì)排放出大量的剝離物，增加新的水土流失與土地沙化和干化。后者雖然不會(huì)直接造成地表植被和表層巖土的破壞，但卻會(huì)引起土地塌陷、含水層破壞等問(wèn)題[2～6]。由于礦區(qū)地處荒漠戈壁灘，且在開采過(guò)程中對(duì)地表與地層有破壞，該區(qū)域植被覆蓋率極低，難以抵抗土壤的侵蝕與搬運(yùn)，土地沙化、荒漠化加劇[7]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界針對(duì)新疆哈密農(nóng)田土進(jìn)行了研究，王妙星等[8]對(duì)哈密農(nóng)十三師農(nóng)田土壤的養(yǎng)分變化與肥力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和合理施肥提供理論依據(jù)。馬天文等[9]對(duì)哈密墾區(qū)土壤進(jìn)行了氮養(yǎng)分分析，為合理施肥提供了幫助。

有關(guān)哈密煤礦土壤基本理化性質(zhì)方面的研究報(bào)道較少。如何解決由于過(guò)度開采造成的水土流失，土地沙化和干化等問(wèn)題，以及響應(yīng)習(xí)近平總書記提出的“綠水青山，就是金山銀山”的號(hào)召，需要在礦區(qū)開采的同時(shí)注意生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，因地制宜，對(duì)礦區(qū)廢棄物的資源化利用，來(lái)達(dá)到礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的目的。筆者研究主要以干旱區(qū)露天煤礦為研究區(qū)，對(duì)其土壤進(jìn)行理化指標(biāo)的分析，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)示范區(qū)概況

研究區(qū)位于哈密市西南部，距哈密市區(qū)約84 km 。屬典型的大陸性氣候，年平均氣溫9.8℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-32℃；年降水量33.8 mm，年蒸發(fā)量3 300 mm，年均日照3 358 h，無(wú)霜期182 d[10]。

1.2 樣品采集

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)示范區(qū)位于煤礦管理和生活區(qū)附近，面積約6.67 hm2，土壤類型為荒漠土。為了后期綠化需要，對(duì)該區(qū)土壤進(jìn)行采樣，分析理化性質(zhì)。

在實(shí)驗(yàn)示范區(qū)采集了10個(gè)隨機(jī)樣，土層深度為0～30 cm；挖掘2個(gè)深度為100 cm的剖面，A剖面位于運(yùn)煤管道附近、B剖面位于職工生活區(qū)附近。兩個(gè)土壤剖面結(jié)構(gòu)為0～30 cm為E層(淋溶層，砂粒、粉砂礫相對(duì)富集)，30～100 cm為J層(礦質(zhì)結(jié)殼層，鹽殼為過(guò)渡層)。鹽殼土樣取自剖面40～50 cm處。

1.3 分析方法

土壤樣品經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，具體見表1。

表1 土壤分析指標(biāo)及方法

土壤樣品電鏡和能譜分析采用配備EDS的Quanta 250 FEI場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡。

1.4 土壤理化指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

參照第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)，土壤pH分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和鹽分組成類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2、表3和表4。

表2 土壤pH分級(jí)[14]

表3 土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量分級(jí)[15]

表4 鹽分組成類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

各項(xiàng)土壤理化指標(biāo)經(jīng)分析測(cè)試后，結(jié)果采用Microsoft Excel 2016軟件作圖表，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)測(cè)定此礦區(qū)土壤pH值為8.62，屬于堿性土壤。從表5中可以發(fā)現(xiàn)作為土壤養(yǎng)分主要來(lái)源的有機(jī)質(zhì)平均值為21.13 g·kg-1，在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量分級(jí)中為中級(jí)，但變異系數(shù)較大，分布不均。總鹽含量處在3.98～37.14 g·kg-1的范圍內(nèi)，平均值9.72 g·kg-1，變異系數(shù)為101.52%。全氮含量極低，堿解氮含量變異系數(shù)較大，中值極低。全磷含量很低，中值和平均值處于很低水平；速效磷處于極低水平。土壤中全鉀含量處于極低水平，速效鉀含量很高。總體來(lái)看說(shuō)明此土壤中氮、磷元素較為缺乏，鉀元素中主要以速效鉀為主。

表5 土壤基本理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果(隨機(jī)樣)

從表6可以看出在A點(diǎn)剖面土壤有機(jī)質(zhì)0～25 cm處為低水平，在其余土層均為高水平?？傷}含量差異不大。土壤全氮分布較為均勻并未隨土壤深度增加而發(fā)生改變，均處于極低水平。堿解氮含量隨土壤深度增加而增加，含量由極低變?yōu)楹艿?。全磷含量處于低與極低水平。速效磷整體含量極低。全鉀含量隨土壤深度增加而減少，整體含量極低。速效鉀含量變化和全鉀相同，但整體含量很高。

在B點(diǎn)剖面土壤有機(jī)質(zhì)和總鹽含量在60～100 cm處遠(yuǎn)高于其它土層，分別為89.90 g·kg-1和79.67g·kg-1。而土壤全氮差異不大，水平極低；堿解氮含量隨著土層深度的增加而增加，含量由極低到低。全磷在0～25 cm處含量多于其它土層，但仍處于很低水平。速效磷在25～60 cm的土層含量較多，但仍處于極低水平。全鉀含量隨土壤深度增加而減少，整體含量極低。速效鉀整體處于很高水平。

鹽殼土中有機(jī)質(zhì)含量為49.16 g·kg-1?？傷}含量為79.81 g·kg-1。全氮和堿解氮含量分別為極低和很低。全磷和速效磷含量均為極低。全鉀含量極低，速效鉀含量很高。

表6 土壤基本理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果(剖面樣)

表7 土壤八大離子測(cè)定結(jié)果(隨機(jī)樣) (mg·kg-1)

注：表中nd值皆表示“未檢出”

土壤八大離子反映了土壤可溶性鹽的含量。從表8可知CO32-和HCO3-含量極低，陰離子主要以Cl-和SO42-為主，分別為0.05和0.09 mg ·kg-1。Mg2+、 Ca2+含量較低，Na++K+含量在0.14 mg.·kg-1，中值為0.12 mg·kg-1。Cl-與SO42-的比值為0.49，根據(jù)鹽分組成類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，此研究區(qū)土壤鹽分組成為氯化物—硫酸鹽。

根據(jù)表9可知，A、B兩個(gè)剖面CO32-、HCO3-含量較低，Cl-含量隨土壤深度的增加而增加。各土層之間SO42-含量差異不大。Cl-與SO42-的比值隨土壤深度的增加而增加。兩個(gè)土壤剖面的鹽分組成均是隨土壤深度增加，A剖面的鹽分組成由硫酸鹽—氯化物向氯化物過(guò)渡，B剖面的鹽分組成由氯化物—硫酸鹽向硫酸鹽—氯化物過(guò)渡。

表8 土壤八大離子測(cè)定結(jié)果(剖面樣) (mg·kg-1)

注：表中nd值皆表示“未檢出”。

表9和表10為土壤中重金屬分析結(jié)果。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB 15618-2018)》[17]和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB 36600-2018)》[18]，表10和表11中重金屬含量均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地的標(biāo)準(zhǔn)(GB 36600-2018)。

根據(jù)表10可以看出，在A和B兩個(gè)剖面中重金屬含量沒有發(fā)生大的變化。在A剖面中，F(xiàn)e、Mn含量隨土壤深度的增加而降低。Cu、Zn、As主要在25～45 cm土層含量較高，分別是128.77、38.69和17.50 mg·kg-1；且Cu在25～45 cm處的含量超出了土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地篩選值的標(biāo)準(zhǔn)(100 mg·kg-1，pH>7.5)。Pb含量隨土壤深度的增加而降低。Cd含量在各土層差異不大，但超出土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地中篩選值的標(biāo)準(zhǔn)(0.6 mg·kg-1，pH>7.5)，未超過(guò)管控值的標(biāo)準(zhǔn)(4.0 mg·kg-1，pH>7.5)；Cr含量隨土壤深度的增加而降低。

在B剖面中土壤各層Fe含量差異不大，Zn含量隨土壤深度的增加而降低。Mn、Cu、As、Cr在25～45 cm土層含量較高，分別是146.26、2.22、11.66和4.60 mg·kg-1；Cu整體含量超出了土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地篩選值的標(biāo)準(zhǔn)。而Pb和Cd含量隨土壤深度的增加而升高?？傮w來(lái)看位于生活區(qū)的B剖面在0～25 cm處Fe、Mn、Cu、Zn、As含量高于位于運(yùn)煤管道附近的A剖面，而Pb、Cd、Cr含量低于A剖面。

在鹽殼土壤中Cd超出土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地中篩選值的標(biāo)準(zhǔn)，未超過(guò)管控值的標(biāo)準(zhǔn)。Cu超出土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地中篩選值的標(biāo)準(zhǔn)。其余重金屬含量未超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表9 土壤重金屬測(cè)定結(jié)果(隨機(jī)樣) (mg·kg-1)

表10 土壤重金屬測(cè)定結(jié)果(剖面樣) (mg·kg-1)

表11 荒漠土能譜測(cè)定結(jié)果

表12 鹽殼能譜測(cè)定結(jié)果

圖1可以反映出在荒漠土這一點(diǎn)處金屬元素有Na、Mg 、Al、K、Ca的存在。根據(jù)表12可以看出Na的比重為4.98%，K的比重為1.74%，低于Na的比重。

圖2反映出在鹽殼土中金屬元素Na、Mg 、Al、Ca的存在，與圖1相比缺少了K元素。在鹽殼中Na元素比重為3.43%。Cl元素比重為0.36%，K值比為0.0025。

3 結(jié)論

所測(cè)礦區(qū)土壤pH為8.62屬于堿性土壤，其中陽(yáng)離子以Na+為主，陰離子以Cl-為主，鹽分組成整體上為氯化物—硫酸鹽，可以通過(guò)化學(xué)改良措施來(lái)降低土壤pH。土壤中全氮含量極低；堿解氮含量很低。全磷含量很低；速效磷處于極低水平。土壤中全鉀含量處于極低水平，速效鉀含量很高。有機(jī)質(zhì)含量中等但分布不均，可通過(guò)種植綠肥來(lái)提高土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，增加土壤微生物數(shù)量，將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，為植物提供養(yǎng)分。土壤重金屬Cu、Cd含量超出土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地中篩選值的標(biāo)準(zhǔn)，未超過(guò)管控值的標(biāo)準(zhǔn)，也未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地的標(biāo)準(zhǔn)。土壤總鹽含量較高，建議種植耐鹽、抗鹽植物。