全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
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不同排矸年限煤矸石废弃地养分含量及重金属污染评价!
李7文&7任晓旭$7蔡体久&
"&2东北林业大学7哈尔滨 &>%%!%# $2中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所7北京 &%%%?&$
关键词&7矸石废弃地# 养分# 重金属# 污染评价
中图分类号! ’"&!2$777文献标识码!-777文章编号!&%%& B"!CC#$%&&$%# B%&#$ B%>
收稿日期& $%&% B&$ B$$# 修回日期& $%&& B%! B%$%
基金项目& 黑龙江省科技攻关项目,矿区废弃地植被恢复与生态重建技术研究- "W-%#R8%$XC$ %
!蔡体久为通讯作者%
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T%(0,I%)5(=’04H’**,&,)0H9#$’)- c,%&(
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最为严重的生态系统!矿区废弃地是一种极端裸地!
植被稀少!水土流失严重!可造成矿区水体(土壤和
大气的严重污染!引发一系列经济(生态(社会等方
面的问题"范英宏等! $%%8$% 矿区废弃地占用大量
的土地资源以及由此引发的生态破坏(环境污染等
问题已成为制约区域经济发展(妨害人类社会生存
的根本问题"王笑峰等! $%%?$% 重金属污染已成为
全球性的环境问题!由矿山开发及酸性废水引起的
土壤重金属污染的潜在危害已引起国内外学者的广
泛关注"邹晓锦等! $%%"$% 矿山开采过程中的废弃
物"如尾矿(废石等$需要大面积的堆置场所!导致
对土壤的大量占用和对堆置场原有生态系统的破
坏!从而引起自然条件的变化!并形成限制植物 B土
壤生态系统良性循环的环境因子% 虽然我国的许多
矿区对煤矸石废弃地开展植被恢复的实践!并取得
初步成效和积累一定的经验!由于产地(层位(成因
以及开采方式的不同!煤矸石的化学组成也不尽相
同"霍锋! $%%#$!目前仍然缺乏对植物生长限制因
子的系统研究和立地条件评价系统研究!国内外研
究与实践表明!表层土壤特性是矸石废弃地植被重
建成功与否的决定性因素"魏忠义等!$%%?$% 研究
矿区煤矸石废弃地的养分状况和重金属含量!对建
立合理的煤矸石环境的人工植被生态系统具有重要
的指导意义% 本文对不同排矸年限的煤矸石废弃地
的养分和重金属含量进行分析和评价!研究排矸年
限对煤矸石废弃地的养分和重金属含量的影响!为
我国东北地区煤矿废弃地的植被恢复提供基础数据
和科学依据%
@A研究地区和研究方法
&2&7研究区概况7本研究设在黑龙江省鹤岗市煤
7第 # 期 李7文等& 不同排矸年限煤矸石废弃地养分含量及重金属污染评价
矿区的煤矸石废弃地% 鹤岗市位于黑龙江省东北部
"&$?a!%b)&8$a8&b*!!"a!b)!Ca?b+$!地处小兴
安岭与三江平原的缓冲地带!本区属寒温带大陆性
气候!冬长寒冷干燥!夏短温热多雨!春季风大!秋季
降温 迅 速% 年 最 高 气 温 8"2" c! 最 低 气 温
B8$2> c!年平均气温$2C c!积温为$ >%% c!年
平均降水量 #%? AA!日照时数为$ >&% @!无霜期
&$% j&$> 天% 主要土壤为典型暗棕壤!另外还有少
量潜育暗棕壤(草甸暗棕壤和沼泽土% 植物区系为
小兴安岭植物区系"李合昌等! $%%"$%
该研究区废弃地上风化物平均风化层厚度为
!2C" NA!基质不同粒径的百分比分别为& r8 AA
占 $#2$Cd# & j8 AA占 8!2$>d# %2%> j& AA占
8#2&&d# %2%& j%2%> AA占 $82>#d# q%2%& AA
占 #2%Cd!基质质地为紧沙土% 基质自然含水量为
>2$Cd!饱和含水量为 &>2C"d!最大持水时间为 &#
天% 植被自然恢复状态极差!地表只有少量 &!$ 年
生草本生长!偶见自然恢复的榆树"@.9=7E=9%.&$(
山杨")+E=.=7:&,%:%&’&$幼苗!平均盖度为 &%d!植
物科属组成为 ! 科( ! 属( ? 种!分别为猪毛蒿
">*3#9%7%& 7-+E&*%&$(鬼针草"N%:#’7E%.+7&$(大籽蒿
">*3#9%7%& 7%#,#*7%&’&$(白头翁")=.7&3%.& -"%’#’7%7$(
狗尾草 " ;#3&*%& ,%*%:%7$(苣荬菜 " ;+’-"=7&*,#’7%7$(
蒲公英 "C&*&L&-=99+’(+.%-=9$(硬质早熟禾 ")+&
7E"+’:0.+:#7$( 毛 连 菜 " )%-*%7 "%#*&-%+%:#7$( 龙
牙草">(*%9+’%& E%.+7&$( 鸡 眼 草 " /=99#*+P%&
73*%&3&$%
&2$7研究方法7&$ 样品采集7以排矸年限为 >%!
!%!8%!$%!&% 年的矸石废弃地为研究对象% 选取不
同排矸年限矸石废弃地!随机抽取 &% 个采样点采集
表层"% j$% NA$煤矸石风化物!每个样点设置 8 次
重复!将 8 次重复的样品混合均匀!并用四分法取大
约 & ‘H样品带回实验室分析养分和重金属含量%
并在矸石废弃地周围选择有代表性的林地作为
对照%
$$ 测定方法7依据中华人民共和国林业行业
标准 2森林土壤分析方法 WR"C8% B"C?$ BC"3!对
全氮(全磷(全钾(水解氮(速效钾进行测定% 依据
2土壤环境质量标准 WR&>#&C)&??>3!采用 +),\+
*_-X#$%% 重金属元素分析仪对废弃物中重金属
G5!+F!(M!-;!_K!lH!(4 含量进行测定%
8$ 评价方法7分别采用单因子指数法和内梅
罗综合污染指数法进行重金属污染程度评价%
单因子指数法计算公式为&
)%G5%K;%!
式中& )%为土壤中污染物的单项污染指数# 5%为
土壤中污染物的实测含量# ;%为污染物的评价
标准#
内梅罗综合污染指数法计算公式为&
_)G5*"5%K;%$
$
A9YI"5%K;%$
$
9TD+K$6
&
$ !
式中& _)为内梅罗综合污染指数# "5%K;%$
$
A9Y为单
因子污染指数最高值# "5%K;%$
$
9TD为单因子污染指
数的算术平均值%
综合污染指数全面反映各污染物对土壤污染的
不同程度!同时又突出高含量对土壤环境质量的影
响!因此用综合污染指数评定和划分土壤质量等级
更加客观% 本文结合废弃地重金属含量状况!对土
壤污染分级标准进行划分% & 级标准为保护区域自
然生态!维护自然背景的土壤环境质量的限制值# $
级标准为保障农(牧业生产!维护人体健康的土壤限
制值# 8 级标准为保障农林业生产和植物正常生长
的土壤临界值!由于黑龙江是粮食生产基地!所以采
用 $ 级标准"王春光等! $%&%$%
表 @A内梅罗综合污染指数法分级标准
C%1D@A70%)5%&5"*-&%5’)- U,#,&"=’)5,F "*$".90’")
等级划分
(19;;FLFN9_)值
_)T914D
污染等级
_014污染水平
_014& _)-%2" 安全 ’9LD5D;; 清洁 (1D95F5H
$ %2" q_)-& 警戒级 -1DM<1DTD1 尚清洁 ’8 & q_)-$ 轻污染 .0UXHM9:DO014! $ q_)-8 中污染 =F::1DXHM9:DO014> _)r8 重污染 lFH@XHM9:DO014>A结果与分析
$2&7不同排矸年限煤矸石废弃地养分比较7对不同
排矸年限的废弃地上风化物的养分含量作了比较!可
为今后对其养分进行合理调整提供依据% 由表 $ 可
以看出不同排矸年限的废弃地养分含量具有随排矸
年限的增加而升高的趋势!全氮的含量明显符合这样
的规律% 在排矸年限 &% 年和 >% 年的水解氮含量大
8#&
林 业 科 学 !" 卷7
致相当!而且比排矸年限为 8% 年(!% 年的含量相对较
高!且排矸年限为 $% 年时!水解氮含量最低% 而全磷
含量的规律与水解氮含量的规律基本相反!在排矸年
限为 8% 年时!含量达到最大值!最小值出现的排矸年
限为 >% 年% 全钾的含量最大值出现的排矸年限为 !%
年!而且略大于排矸年限为 &% 年时的含量!在排矸的
>% 年间!全钾的波动最为明显% 速效钾的含量从排
矸年限为 &% 年到 !% 年!含量一直增加!并达到最大
值!随后出现含量减少的趋势% 随着排矸年限的增
加!土壤的理化性质逐渐改善%
表 >A不同排矸年限矸石废弃地及林地养分含量
C%1D>AC4,8")0,)0"*)90&’,)0(’)-%)-9,=%(0,.%)5=’04E%&’"9(<,%&(%)5*"&,(0.%)5
排矸年限
Z9;QD9M;e9
全氮
,0<915F"H’ ‘HB& $
水解氮
lQ:M01Q;9K1D
5F全磷
,0<91O@0;O@0M4;e
"H’ ‘HB& $
全钾
,0<91O0<9;;F4Ae
"H’ ‘HB& $
速效钾
-T9F19K1DO0<9;;F4Ae
"AH’ ‘HB& $
林地 S0MD;<195: $2$! &>"2? %2!" $82#% 8!$2"
>% &2## $&2C %2&% 8"2#& $?%2C
!% &28C &"28 %2&8 !%2$# 88?2>
8% &2%> &"2& %2&> 8!2C" 8%!2C
$% &2%$ &82" %2&$ 8"2?> $>"2>
&% %2C# $%2$ %2&8 8?2&& $$>2>
77将排矸年限由 &% 年到 >% 年的废弃地养分含量
取平均值!全氮(水解氮(全磷(全钾和速效钾的平均
含量分别为林地养分含量的 %2>8!%2&&!%2$"!&2#&
和 %2C8 倍% 可以看出废弃地的全氮和水解氮的含
量明显低于林地的含量!尤其是水解氮含量!所以在
矸石废弃地上栽植植物!应该优先考虑豆科植物%
养分对生长的限制作用是由于养分中的 +和 _
这 $ 种元素供应不足时!将会导致幼苗生长不良继
而死亡"胡振琪等! $%%8$% 多年生豆科植物的枯枝
落叶和 & 年生豆科植物在生长季节之后的整个枯死
植物为废弃地提供大量的有机物质!而这类有机物
质的 (e+较低!从而在分解后可以有效地增加土壤
中 +素的累计"胡振琪等! $%%8$% 水解氮和全磷
的含量低于林地含量的倍数!这将会使废弃矸石上
的植物生长缓慢!而且容易死亡% 如何提高矸石废
弃地速效氮和磷的含量是矸石废弃地恢复过程中应
该注意的问题!而矸石废弃地中全钾的含量明显高
于林地的值!速效钾的含量略低于林地水平% 除全
钾之外的其他各养分指标含量都远低于林地的
水平%
$2$7不同排矸年限煤矸石废弃地重金属含量比
较7由表 8 可知!在所测的重金属指标中!按二级国
家标准!只有 lH的含量超过国家土壤环境标准
"&2% #H’HB&$%这与王笑峰等 " $%%? $(刘文勇等
"$%%"$在东北地区矿区废弃地的研究结果一致%
排矸年限为 &% 年时!各重金属含量顺序依次表现
为& lHr+Fr(MrG5 r_K r-;r(4# 排矸年限为
$% 年时!表现为& lHr(4 r+Fr(MrG5 r_K r-;#
排矸年限为 8% 年时!表现为& lHrG5 r+Fr(Mr
-;r_K r(4# 排矸年限为 !% 年时!表现为& lHr
+FrG5 r(Mr-;r(4 r_K# 排矸年限为 >% 年时!
表现为& lHrG5 r+F!(Mr_K r(4 r-;%
表 BA不同排矸年限矸石废弃地重金属含量
C%1DBAC4,8")0,)0"*4,%E< #,0%.(’)-%)-9,=%(0,.%)5=’04E%&’"9(<,%&( #H(HB&
排矸年限
Z9;_K -; lH G5 (4 +F (M
>% %2%?> %2%"& &2&$& %2$># %2%C# %2$8$ %2$8$
!% %2&&! %2&>? &2C?# %2$>> %2&$! %2$>" %2$&!
8% %2&$# %2&!8 &2&"> %2$?# %2%?" %2$!& %2&C$
$% %2&8? %2&&C &2"># %2$#" %2C%& C %288> %28%#
&% %2&$> %2&%" &2">> %2$>! %2%?? %28># %2$?&
77各重金属在不同排矸年限的矸石中的含量变化
趋势各不相同!但大致都有随排矸年限的增加而减
少的趋势% 其中 +F的变化规律最为明显% (M的变
化趋势也是随排矸年限的增加而减少!只是排矸年
限为 $% 年的含量要高于排矸年限 $% 年以上的含
量% G5 的变化趋势和 (M基本一致% (4 在排矸年
限为 $% 年和 !% 年的含量高于其他年限!但总的趋
势也是随排矸年限为 !% 年的增加而减少!虽然 lH
在排矸年限为 !% 年的含量稍微高于其他排矸年限!
但也可以大概看出随排矸年限的增加含量减少的趋
!#&
7第 # 期 李7文等& 不同排矸年限煤矸石废弃地养分含量及重金属污染评价
势% _K 的变化趋势和 (4 基本一致!而且随排矸年
限的波动现象最为明显% -;在排矸的前 !% 年内有
递增的趋势!但在排矸 >% 年的含量急减!约为排矸
&% 年的一半% 造成这样现象的原因可能是与矸石
的淋溶有关!煤矸石中有害元素原生含量的多少是
影响元素析出的基础!原生含量越高!经过动态淋溶
后析出量越大# 而且煤矸石的风化程度对于其有害
元素的析出有较大影响!所有检测元素在中等风化
程度下析出量最多"张祥雨等! $%%?$% 随着排出矸
石年限的增加!矸石受到降水淋溶影响的效果就会
越明显!从而重金属的含量就会减少!而其中有些重
金属在某一排矸年限的含量突然增加可能是因为矸
石的风化作用使重金属聚集!从而产生增加的现象%
$287不同排矸年限矸石废弃地的重金属污染评
价7分别采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数
法进行重金属污染程度评价% 综合污染指数全面反
映各污染物对土壤污染的不同程度!同时又突出高含
量对土壤环境质量的影响!因此用综合污染指数评定
和划分土壤质量等级更加客观% 经试验测定该研究
区的矸石废弃地风化物的 Ol值均在 C2% 以上%
表 KA不同排矸年限矸石单因子污染指数和内梅罗综合污染指数
C%1DKAC4,(’)-.,*%80"&’)5,F %)5U,#,&"=’)0,-&%0,5’)5,F ’)-%)-9,=%(0,.%)5=’04E%&’"9(<,%&(
排矸年限
Z9;QD9M;e9
单因子污染指数 ’F5H1DL9N<0MF5:DY
_K -; lH G5 (4 +F (M
综合污染指数
(0AOMD@D5;FTD
O014污染等级
_014>% %2%?> %2%"% &2&$& %2$># %2%C# %2$8$ %2$8$ &2&#% 轻污染 .0UXHM9:DO014!% %2&&! %2&>? &2C?# %2$>> %2&$! %2$>" %2$&! &2?!! 轻污染 .0UXHM9:DO0148% %2&$# %2&!8 &2&"> %2$?# %2%?" %2$!& %2&C$ &2$&? 轻污染 .0UXHM9:DO014$% %2&8? %2&&C &2"># %2$#" %2C%$ %288> %28%# &2C8> 轻污染 .0UXHM9:DO014&% %2&$> %2&%" &2">> %2$>!8 %2%?? %28>" %2$?& &2C%# 轻污染 .0UXHM9:DO01477根据内梅罗综合污染指数法对不同排矸年限的
矸石中重金属含量进行计算!得出的结论是所测的
矸石都处于轻污染的等级!随着排矸年限的增加!重
金属综合污染指数有所降低% 而且排矸 !% 年($%
年和 &% 年时已经接近中污染的等级程度% 排矸 >%
年的矸石为轻污染中程度最低的!说明排矸年限的
时间越长污染状况将会有减轻的趋势!这是由于长
时间的风化和淋溶使矸石内的重金属转移到其他地
方% 重金属在析出过程中随时间变化也有阶段性的
波动% 煤矸石在风化(淋滤作用下!可以产生大量粉
尘(酸性水和携带有重金属的离子水!污染大气(土
壤和水源!其中对土壤造成重金属污染主要有 $ 种
途径& 一是经风蚀后的矸石扬尘悬浮于大气中!随
风降落于矸石堆周围土壤# 二是矸石受大气降水的
冲刷和淋溶作用而使重金属随地表径流进入土壤%
进入土壤的重金属具有滞后性(隐蔽性和长期性!使
矿区土壤重金属污染愈来愈严重"杨建等! $%%C$%
所以在矸石废弃地植被恢复过程中要考虑选择吸收
重金属能力较强的植物!以防止矸石内的重金属转
移到其他土壤或农作物中!从而可以减轻重金属对
人的伤害%
BA结论与讨论
82&7讨论7土壤养分是植被生长发育所必需的物
质基础!是植物正常生理代谢必不可少的营养物质!
也是土壤因子中易于被控制和调节的因子% 因此!
矸石废弃地土壤养分的含量状况是废弃地上植物能
否正常生长发育的关键% 煤矸石风化物颗粒粗!养
分含量少!特别是速效养分元素贫乏!但与黄土相
比!煤矸石中有机质和全氮含量较丰富!分别是黄土
的 $% 倍和 > j" 倍"王晓春等! $%%"$% 氮素是植物
养分中最重要的元素之一!没有氮素植物就不能生
长!氮素不足植物就生长不良!而水解氮能较好反映
矸石废弃地土壤的供氮状况以及近期可被植物吸收
利用的有效性氮% 虽然矸石中含有部分的营养元
素!但如何调整废弃地的养分和有效地供给植物!是
改良废弃地肥力的关键问题% 不同排矸年限的废弃
地养分含量有随排矸年限的增加而升高的规律% 这
与谷金锋"$%%!$(吴祥云等"$%%#$的结论是基本一
致的% 煤矿区地表矸石中含有吸附状态的硝态氮!
而这部分氮比较容易被水所溶出!特别是中性水比
酸性水更容易使其溶出% 随着淋滤时间的延长!滤
液中硝态氮的含量迅速降低"刘钦甫等! $%&%$% 煤
矸石中各养分元素由于风化(分解作用!表现出随着
排矸年限的增加其含量有所增加!而随着地表水的
淋溶(在风力作用下的转移造成养分含量出现波动%
因此!在对矸石废弃地植被恢复时要考虑排出矸石
的成分和排矸年限!采取相应的工程和生物措施!施
加相应的养分!为植被的存活提供保障%
矸石中重金属元素对土壤的影响主要有 $ 种途
径& 一是含微量有毒重金属元素的矸石粉尘直接降
落于土壤# 二是矸石淋溶液进入土壤% 有关研究认
>#&
林 业 科 学 !" 卷7
为& 自然界多数煤矿区内没有某微量元素的地球化
学异常区"带$!只有特殊地质条件方可形成煤中某
微量元素的地球化学异常区"带$!这些认识同样适
用于研究煤矸石里的微量元素 "孙长安等! $%%##
常明亮等! $%%"# 刘玉荣等! $%%8$% 从这一理论出
发!可以认为在大多数区域!煤矸石微量元素不致造
成严重的环境污染!但这是煤矸石微量元素研究的
一般意义上的结论% 对于如何有效地进行矿区废弃
煤矸石废弃地的植被恢复!应加强植被对矸石废弃
地养分含量的研究!以及生物复垦措施对煤矸石废
弃地生境影响机制的研究% 这样才有利于形成煤矸
石废弃地的良性生态循环!建立一个稳定的生态系
统% 对于矸石废弃地的重金属应加强其迁移规律的
研究!从而选取合理的生物或工程措施进行改善!将
矿区的重金属污染尽可能地降低% 建议今后对重金
属在土壤(植物体内的迁移转化规律以及去除的机
理做进一步研究%
82$7结论7&$ 排矸年限由 &% 年到 >% 年的废弃地
中全氮(水解氮(全磷(全钾和速效钾的平均含量分
别为林地养分含量的 %2>8!%2&&!%2$"!&2#& 和 %2C8
倍% 速效钾和磷元素在矸石中的含量远远小于林地
的含量!这是限制植被在矸石废弃地上正常生长的
主要因素% $$ 本研究中不同排矸年限的废弃地重
金属大致都有随排矸年限的增加而减少的趋势% 研
究区中只有 lH超标!其他所测的重金属养分不超
标!且重金属含量也有随排矸时间呈现波动现象%
从所测重金属的综合污染评价来看!都属于轻污染!
所以在矸石废弃地植被恢复过程中要注意选择吸收
重金属能力较强的植物%
参 考 文 献
常明亮!王海霞6$%%"6煤矿区矸石山周边土壤重金属污染特征与规
律6水土保持学报!$&"!$ & &C? B&?$6
范英宏!陆兆华6$%%86中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技
术6生态学报!$#"&%$ & $&!! B$&>$6
谷金锋6$%%!6煤矿矸石山植被恢复机理研究& 以鸡西市滴道矿区和
城子河矿区为例6东北林业大学硕士学位论文6
胡振琪!张光灿!魏忠义!等6$%%86煤矸石山的植物种群生长及其对
土壤理化特性的影响6中国矿业大学学报!8$">$ & !?& B!??6
霍7锋6$%%#6矸石废弃地土壤养分与有毒元素对植被恢复的影响6
西北农林科技大学硕士学位论文6
李合昌!李金友!胡安英6$%%"6天然次生林恢复和培育技术6防护林
科技!"8$ & &$& B&$$6
刘钦甫!郑丽华!张金山!等6$%&%6煤矸石中氮溶出的动态淋滤实验6
煤炭学报!8>"#$ & &%%? B&%&!6
刘文勇!满秀玲6$%%"6鸡西矿区废弃地重金属含量及其污染评价6水
土保持学报!$&"#$ & "% B"!6
刘玉荣!党7志!尚爱安6$%%86煤矸石风化土壤中重金属的环境效应
研究6农业环境科学学报!$"&$ & #! B##6
孙长安!尹忠动!周心澄6$%%#6煤矸石重金属元素研究进展6中国水
土保持科学!!"增$ & ?& B?!6
王春光!张思冲!辛7蕊!等6$%&%6哈尔滨市东郊菜地土壤重金属环
境质量评价6中国农学通报!$#"$$ & $#$ B$##6
王晓春!蔡体久!谷金锋6$%%"6鸡西煤矿矸石山植被自然恢复规律及
其环境解释6生态学报!$""?$ & 8"!! B8">&6
王笑峰!蔡体久!张思冲!等6$%%?6不同类型工矿废弃地基质肥力与
重金属污染特征及其评价6水土保持学报!$8"$$ & &>" B$&C6
魏忠义!王秋兵6$%%?6大型煤矸石山植被重建的土壤限制性因子分
析6水土保持研究!&#"&$ & &"? B&C$6
吴祥云!孙广树!卢7慧!等6$%%#6阜新矿区矸石废弃地立地质量的
研究6辽宁工程技术大学学报!$>"$$ & 8%& B8%86
杨7建!陈家军!王心义6$%%C6煤矸石堆周围土壤重金属污染空间分
布及评价6农业环境科学学报!$""8$ & C"8 BC"C6
张祥雨!梁7冰!姜立国6$%%?6煤矸石中重金属元素释放的动态淋溶
规律6辽宁工程技术大学学报!$C"增$ & &?? B$%&6
邹晓锦!仇荣亮!黄穗虹6$%%"6大宝山矿区重金属污染对作物的生态
毒性研究6农业环境科学学报!$#"增$ & !"? B!C86
!责任编辑7郭广荣"
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