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第 30 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.5 2014年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2014 211 煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征 徐良骥 1， 黄 璨1， 章如芹1， 刘会平1， 严家平1， Helmut Meuser2， Lutz Makowsky2 （1. 安徽理工大学测绘学院，淮南 232001； 2. University of Applied Sciences Osnabrck Oldenburger Landstrasse 24D49090 Osnabrck, Germany） 摘 要：为研究煤矸石充填复垦地农作物产量达到最佳时的覆土厚度及煤矸石充填复垦地重金属分布状况，该文 以新庄孜矿煤矸石充填复垦地作为研究对象，采取室外田间小区试验和室内试验分析方法，选取不同覆土厚度 5060，6070，7080，8090 cm 的 4 类试验地块及对照地块对其土壤理化性质及农作物根系分布、长势产 量、重金属元素含量进行调查分析，发现复垦地块各项指标与对照地块差异显著，劣于对照地块；煤矸石充填基 质土壤理化性质较差；7080 cm 的厚度是煤矸石充填复垦造地较经济合理的覆土厚度。煤矸石复垦地重金属元 素有向上迁移的趋势；复垦土壤及煤矸石基质中 Pb、Zn、Cr 元素含量处于安全水平；大部分监测的 Cu、Ni、Cd 元素含量高于淮南土壤背景值，低于中国土壤环境质量标准二级标准，对复垦土壤已构成潜在的威胁性，应予以 重视；覆土厚度 5060 cm 地块的煤矸石基质中 Cu、Ni 元素含量处于安全水平，煤矸石基质中 Cd 元素含量高于 淮南土壤土壤背景值，低于中国土壤环境质量标准二级标准，应予以重视。结果表明 7080 cm 的厚度是煤矸石 充填复垦造地最佳覆土厚度；新庄孜煤矸石充填复垦地重金属有向上迁移的趋势，复垦土壤中重金属含量符合国 家二级标准，未出现重金属污染情况，但部分重金属元素含量高于淮南市土壤背景值，应予以重视。 关键词：土地复垦；土壤；重金属；物理特性；化学特性；煤矸石充填基质 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.05.027 中图分类号：TD88 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-05-0211-09 徐良骥，黄 璨，章如芹，等. 煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征J.农业工程学报，2014，30(5)： 211219. Xu Liangji, Huang Can, Zhang Ruqin, et al. Physical and chemical properties and distribution characteristics of heavy metals in reclaimed land filled with coal gangueJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 211219. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 煤矸石是淮南矿区煤炭开采和加工利用过程 中排放量最大的固体废弃物，其排放量约占原煤产 量的 10%20%， 2010 年淮南市煤炭生产排放的煤 矸石累计堆存达 2 000 多万 t，占地 93.15 hm2，每 年生产的煤矸石 400 万 t 左右1。大量煤矸石的排 放导致土地压占和矿区生态环境的破坏问题日趋 严重，利用煤矸石充填复垦造地不仅能恢复开采沉 陷地的利用价值，而且能处理消化煤矸石，其经济 环境效益显著。 复垦施工时如何设计既经济又满足作物生长 需要的最佳覆土厚度以及煤矸石充填基质是否对 复垦土壤形成重金属污染是煤矸石充填复垦中的 2 个关键问题。覆土越厚越有利于作物的生长已被大 众所认同2-4， 但覆土多厚为最经济还在探索中没有 收稿日期：2013-08-08 修订日期：2014-01-17 基金项目：国家自然科学基金（42372369） ；安徽省国土资源科技项目 （2012-k-24） ；安徽省自然科学基金（1208085QE91） 作者简介：徐良骥（1978） ，男，安徽潜山人，博士、副教授，主要 从事矿山开采沉陷与土地复垦方面教学与研究。 淮南 安徽理工大学测 绘学院，232001。Email：ljxu 1 个相对的标准5-8。本文在前人研究的基础上，综 合考虑土壤养分、容重、水分、作物根系分布及长 势产量等各项因素，进一步确定煤矸石充填复垦的 最佳覆土厚度范围，旨在为煤矸石充填复垦工程提 供一定的理论依据。煤矸石充填基质中含有多种重 金属元素。有研究提出在一定条件下，煤矸石充填 复垦是安全的，但随着环境条件的变化，可能会引 起污染物的释放，对土壤环境造成污染9-14。因此 需要对矿区土壤环境质量进行跟踪监测评价，这对 复垦区的可持续利用有重要的意义。 1 研究区域概况及样品的采集与测定 1.1 研究区域概况 新庄孜矿建于 1947 年 5 月， 面积为 20.23 km2， 位于安徽省淮南市八公山区东部。为解决矿区耕地 资源紧张，修复矿区生态环境，处理煤矸石占地问 题，2005 年选择新庄孜矿 19541993 年已开采的 32 采区、 42 采区及 44 采区 B7a-C13煤层上方基本稳 定的沉陷区，利用煤矸石进行回填覆土造地。复垦 区域地势较平坦， 但覆土厚度不均匀， 厚度范围 40 到 90 cm 不等。复垦面积 23 hm2，目前用作耕地， 农业工程学报 2014 年 212 以大豆、玉米、小麦轮作为主，复垦区域按一般大 田进行施肥及田间管理，但小麦产量较低，不同地 块小麦产量出现显著差异。2010 年 4 月，挖取土壤 剖面，分析得覆土层土壤质地为砂质黏壤土，煤矸 石层为砂壤土，复垦区域地下水水位距地表 4 m。 充填煤矸石来源于新庄孜矿区地面煤矸石山 和部分选煤厂矸石，覆土来源于剥离表土，首先用 推土机将原地表土推至工作面，然后填充矸石，用 振动碾压机进行振动碾压，再用推土机将堆放的地 表土覆盖矸石。在附近正常农田按照 H1 层（0 20 cm） ； H2 层 （2040 cm） ； H3 层 （4060 cm） 采集土壤样品，测定其土壤理化性质及重金属含 量，结果见表 1，正常农田以及复垦地块土壤分层 情况见图 1。 表 1 覆土来源区域土壤理化性质及土壤重金属含量 Table 1 Soil physical and chemical properties and soil heavy metal content of mulching soil in source area 土壤重金属质量分数 Soil heavy metal content/(mgkg-1) 土壤层位 Soil horizon /cm pH 值 pH value 有机质质 量分数 Organic matter/ (gkg-1) 全氮质量 分数 Total nitrogen/ (gkg-1) 全磷质量分 数 Total phosphorus/ (gkg-1) 全钾质量 分数 Total potassium/ (gkg-1) 土壤自然 含水率 Soil natural water content/ % 土壤容重 Soil bulk density/ (gcm-3) Cu Cd Pb Zn Ni Cr H1 7.4 19 1.39 0.92 19.31 15.4 1.14 21.000.04113.98 43.56 23.4850.22 H2 7.5 13.4 1.01 0.70 16.49 23.8 1.40 21.350.05613.18 47.42 23.3548.36 H3 7.5 11.4 0.76 0.47 11.86 20.9 1.52 19.360.06114.76 38.58 19.7447.01 注：H1 层（020 cm）；H2 层（2040 cm）；H3 层（4060 cm）。 Note: H1 layer (0-20 cm); H2 layer (20-40 cm); H3 layer (40-60 cm). 注：H1 层（020 cm）；H2 层（2040 cm）；H3 层（4060 cm） Note: H1 layer（0-20 cm）; H2 layer (20-40 cm); H3 layer (40-60 cm) 图 1 正常农田及复垦土壤分层方法 Fig.1 Soil layer method of normal and reclamation farmland 1.2 材料准备 采用格网法确定覆土厚度调查点，用土壤采样 器确定覆土厚度分别为：5060，6070，7080， 8090 cm 的 A、B、C、D 4 类地块，为使结果精 确可靠，在不同覆土厚度的区域选取 3 个平行样地 块记为 A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3、 D1、D2、D3。每块样地利用采样器采集土样，对 其颜色、质地等观察记录。同时，在附近未沉陷区 正常农田选取面积大小相同的对照样地。为验证煤 矸石充填复垦地覆土厚度的不同对小麦产量的影 响，在上述地块的四边每 100 cm 划线，纵横线相 交得出多个面积 1 m2的小块，选择 3 个小块，观察 小麦长势及产量。试验地块确定后，播种前施农家 肥 1 000 g/m2， 尿素 10 g/m2， 高浓度复混肥 30 g/m2 作为底肥，其他田间管理措施同大田生产 15。试 验样地分布图见图 2。 图 2 试验样地分布图 Fig.2 Distribution map of test field 1.3 采样及分析方法 本试验中用采样器采集土壤样品。考虑到充填 基质煤矸石的颗粒大且紧实，无法用土钻取样，采 用挖剖面法采集煤矸石样本。 1） 土壤物理指标分析：各样地挖取土壤剖 面，A 类地块按照 H1 层（020 cm） 、H2 层（ 2040 cm） 、H3 层（4050 cm） 、H4 层（煤矸 石）分层，其余地块按照 H1 层（020 cm） ；H2 层（2040 cm） ；H3 层（4060 cm）分层， 各层次用环刀采集 4 份土壤样品，土壤样品为 15 地块3 层4 份样品，总计 180 个土壤样品，煤 矸石样品为1地块4份样品， 总计4份煤矸石样品， 土壤容重采用环刀法测定16-18。采用“塑膜覆坑称 质量法”测矸石的容重19。 土壤自然含水量样品采集方法及样品数目同 第 5 期 徐良骥等：煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征 213 土壤容重，总计 180 个土壤样品，4 份煤矸石样品， 采用烘干法测定土壤自然含水量20-21，采用“改良 的重量法”测定煤矸石含水量19。 2）土壤化学指标与重金属指标分析：从各地 块选取 4 个采样点， 分层方法同土壤物理指标分析， 总计 180 个土壤样品，4 个煤矸石样品，用于测定 土壤化学性质及重金属含量。取样完成后，样品经 过风干磨细过筛即可进行相关试验。pH 值采用玻 璃电极法检测22-23，有机质采用重铬酸钾容量法检 测24，全氮采用半微量开氏蒸馏法25，全磷采用 NaOH 熔融钼锑抗比色法25，全钾采用 NaOH 熔融火焰光度法25。重金属指标有：Cu、Cd、Pb、 Zn、Ni、Cr，采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解法 测定26-27。 3）农作物指标分析：小麦生长发育期（3 月 6 月）观察小麦长势，采用尺量法量取各地块小麦 株高并取其平均值 4 次。小麦成熟时期，分别挖取 对照地块、A、B、C、D 地块的土壤剖面，观察记 录土壤剖面分层情况，并量取小麦根系长度。分别 用环刀按照前述分层方法采集 3 个样品，共计 39 份样品， 烘干称量， 计算根长密度28。 小麦成熟后， 分别从试验地块和对照地块分块收割采集小麦样 本，共计 39 份样本。脱穗烘干至恒质量，称质量 计算小麦产量。 2 结果与分析 用 t 检验法29对 4 类地块各层位与对照地块相 应层位处各项指标进行差异性分析， 其中 A 类地块 H4 层无对照组， 未进行差异显著性分析； 显著性 P 值见表 2。 表 2 不同地块与对照地块各项指标差异显著性分析 Table 2 Significance analysis of indicators in different block and control block 试验 地块 Test plots 土壤 层位 Soil horizon 容重 Soil bulk density 土壤自然 含水率 Soil natural water content PH 值 pH value 有机质 Organic matter 全氮 Total nitrogen 全磷 Total phosphorus 全钾 Total potassium 小麦根 系密度 Wheat root density 小麦根系 总长 Wheat root length Cu Cd Pb Zn Ni Cr H1 0.012 0.005 0.044 0.046 0.0240.035 0.034 0.0390.0420.034 0.011 0.052 0.0150.024 H2 0.039 0.049 0.009 0.025 0.0420.003 0.045 0.0450.0350.022 0.013 0.014 0.0230.017A H3 0.042 0.008 0.032 0.005 0.0250.034 0.002 0.034 0.032 0.0140.034 0.043 0.044 0.0340.045 H1 0.049 0.009 0.019 0.027 0.0040.045 0.019 0.0110.0500.012 0.014 0.054 0.0380.031 H2 0.048 0.042 0.042 0.040 0.0480.023 0.032 0.0190.0430.042 0.025 0.033 0.0210.032B H3 0.008 0.038 0.030 0.038 0.0280.019 0.027 0.052 0.036 0.0490.002 0.046 0.027 0.0260.011 H1 0.053 0.013 0.047 0.019 0.0730.036 0.026 0.0410.0150.004 0.029 0.001 0.0140.025 H2 0.063 0.047 0.032 0.032 0.0560.004 0.040 0.0530.0420.030 0.020 0.044 0.0370.005C H3 0.007 0.018 0.044 0.029 0.0220.049 0.025 0.023 0.023 0.0090.025 0.029 0.001 0.0390.021 H1 0.066 0.012 0.046 0.035 0.0230.002 0.033 0.0100.0260.028 0.009 0.007 0.0190.049 H2 0.028 0.043 0.006 0.049 0.0380.042 0.008 0.0450.0390.029 0.045 0.030 0.0440.028D H3 0.005 0.049 0.016 0.042 0.0250.034 0.028 0.047 0.031 0.0340.022 0.015 0.016 0.0230.041 注：地块 A 覆土厚度为 5060cm；地块 B 覆土厚度为 6070cm；地块 C 覆土厚度为 7080cm；地块 D 覆土厚度为 8090cm。H1 层（020 cm） ； H2 层（2040 cm）；H3 层（4060 cm），下同。 Note: Thickness of cover soil of A plot is 50-60cm; Thickness of cover soil of B plot is 50-60cm; Thickness of cover soil of C plot is 50-60cm; Thickness of cover soil of D plot is 50-60cm. H1 layer (0-20 cm); H2 layer (20-40 cm); H3 layer (40-60 cm). The same as blow. 2.1 不同覆土厚度地块土壤容重与土壤自然含水 量分析 从表 2、3 得出：A 类地块土壤容重平均值在 1.161.61 g/cm3之间，与对照地块土壤容重差异显 著， 变异系数范围为 9.94%11.21%， B 类地块土壤 容重平均值在 1.091.55 g/cm3之间，与对照地块土 壤容重差异显著，变异系数范围为 5.41%10.32%； C 类地块土壤容重平均值在 1.111.61 g/cm3之间， 变异系数范围为 1.99%6.31%，H1、H2 层位土壤 容重含量与对照地块无显著差异（P0.05）；D 类 地块土壤容重平均值在 1.161.65 g/cm3之间，变异 系数 1.99%6.31%，H1 层位土壤容重与对照地块 无显著差异 （P0.05） ， 对照地块土壤容重平均值在 1.141.52 g/cm3之间，C 类地块各层次土壤容重均 值接近对照地块，变异系数较小，无显著差异，说 明 C 类地块土壤压实度比较均匀，优于其它 3 类地 块； A 类地块 H4 层煤矸石容重 2.05 g/cm3， 变异系 数 13.66%，煤矸石基质容重偏大，压实度不均匀。 对照地块 H1、H2、H3 层土壤自然含水率分别 为：15.4%、23.8%、20.9%，A 类和 B 类地块土壤 自然含水量偏低，与对照地块土壤含水量差异显著 （P0.05） ，C 类地块各层次土壤自然含水率分别 为：14.7%、22.9%、16.1%，D 类地块各层次土壤 自然含水率分别为：14.3%、23.1%、15.4%，C 类 农业工程学报 2014 年 214 和 D 类地块各层次土壤自然含水率与对照地块差 异显著，土壤自然含水率高于其它 2 类地块。各地 块土壤自然含水率变异系数范围在 5.20%10.74% 之间， 说明各地块土壤自然含水率变化不大； 其中， A 类地块 H4 层煤矸石自然含水率 9.5%，说明煤矸 石基质持水性能弱30-31。 2.2 不同覆土厚度地块土壤 pH 值与养分含量分析 由表 2 得出，复垦地块土壤 pH 值与对照地块 差异显著。由表 4 得出：同一层位上，4 类复垦地 块土壤 pH 值均高于对照地块。 表 3 不同地块土壤容重与土壤自然含水率 Table 3 Soil bulk density and soil water content of different plots 土壤容重 Soil bulk density/(gcm-3) 土壤自然含水率 Natural water content of soil/% 试验地块 Test plots 土壤层位 Soil horizon 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系数 CV Coefficient of variation/% 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系数 CV Coefficient of variation/% H1 1.14 0.07 6.14 15.4 1.43 9.29 H2 1.40 0.12 8.57 23.8 1.57 6.60 CK H3 1.52 0.05 3.29 20.9 1.74 8.33 H1 1.16 0.13 11.21 10.2 0.53 5.20 H2 1.50 0.15 10.00 18.5 1.09 5.89 H3 1.61 0.16 9.94 15.4 1.53 9.94 A H4 2.05 0.28 13.66 9.5 0.92 9.68 H1 1.09 0.09 8.26 13.5 1.45 10.74 H2 1.48 0.08 5.41 20.8 1.59 7.64 B H3 1.55 0.16 10.32 14.4 1.29 8.96 H1 1.11 0.07 6.31 14.7 1.02 6.94 H2 1.51 0.03 1.99 22.9 1.63 7.12 C H3 1.61 0.05 3.11 16.1 1.12 6.96 H1 1.16 0.04 3.45 14.3 1.29 9.02 H2 1.50 0.11 7.33 23.1 1.55 6.71 D H3 1.65 0.08 4.85 15.4 1.38 8.96 注：CK 为对照地块。地块 A 覆土厚度为 5060 cm；地块 B 覆土厚度为 6070 cm；地块 C 覆土厚度为 7080 cm；地块 D 覆土厚度为 8090 cm。 Note: CK is control block.Thickness of cover soil of A plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of B plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of C plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of D plot is 50-60 cm. 表 4 不同地块土壤 pH 值及养分含量 Table 4 pH value and soil nutrition contents of different plots pH 值 pH value 有机质质量分数 Organic matter/(gkg-1) 全氮质量分数 Total nitrogen/(gkg-1) 全磷质量分数 Total phosphorus/(gkg-1) 全钾质量分数 Total potassium/(gkg-1) 试验地 块 Test Plots 土壤 层位 Soil horizon 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系数 CV Coeffici- ent of variation /% 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数 CV Coeffici- ent of variation /% 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数 CV Coeffici- ent of variation /% 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数 CV Coeffici- ent of variation /% 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数 CV Coeffici- ent of variation /% H1 7.4 0.15 2.03 19.0 1.5 7.89 1.390.06 4.32 0.920.05 5.43 19.31 1.61 8.34 H2 7.5 0.47 6.27 13.4 1.28 9.55 1.010.09 8.91 0.700.05 7.14 16.49 1.12 6.79CK H3 7.5 0.25 3.33 11.4 1.19 10.440.760.01 1.32 0.470.04 8.51 11.86 0.99 8.35 H1 7.8 0.59 7.56 15.12 0.83 5.49 0.910.05 5.49 0.630.06 9.52 9.43 0.91 9.65 H2 7.9 1.01 12.78 12.54 0.83 6.62 0.510.05 9.80 0.450.07 15.56 6.83 0.54 7.91 H3 7.9 0.53 6.70 9.42 0.65 6.24 0.450.03 6.67 0.260.02 7.69 4.26 0.43 10.09 A H4 8.3 0.87 10.48 7.91 0.72 7.27 0.310.01 3.23 0.130.01 7.69 3.16 0.15 4.75 H1 7.9 0.67 8.48 13.59 0.79 5.81 0.810.1 12.350.540.02 3.70 8.93 0.39 4.37 H2 7.8 0.45 5.77 10.47 0.99 9.67 0.690.05 7.25 0.420.03 7.14 7.25 0.11 1.52B H3 7.9 0.75 9.49 8.47 0.52 4.97 0.490.04 8.16 0.270.02 7.41 5.27 0.26 4.93 H1 7.7 0.54 7.01 15.39 1.01 6.56 1.120.06 5.36 0.810.01 1.23 13.82 0.52 3.76 H2 7.8 0.74 9.49 14.72 0.68 4.62 0.800.05 6.25 0.540.03 5.56 8.36 0.62 7.42C H3 7.9 0.39 4.94 12.81 0.76 5.93 0.610.03 4.92 0.490.04 8.16 7.20 0.59 8.19 H1 7.6 0.69 9.08 15.4 1.01 6.56 1.200.06 5.00 0.790.02 2.53 13.79 0.29 2.10 H2 7.8 0.76 9.74 15.26 0.67 4.39 0.780.06 7.69 0.550.05 9.09 9.22 0.94 10.20D H3 7.9 0.56 7.09 12.59 0.52 4.13 0.510.04 7.84 0.480.03 6.25 6.99 0.38 5.44 注：CK 为对照地块。地块 A 覆土厚度为 5060 cm；地块 B 覆土厚度为 6070 cm；地块 C 覆土厚度为 7080 cm；地块 D 覆土厚度为 8090 cm。 Note: CK is control block.Thickness of cover soil of A plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of B plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of C plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of D plot is 50-60 cm. 第 5 期 徐良骥等：煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征 215 对照地块与复垦地块土壤养分含量均随深度 的增加而减少。依照第 2 次全国土壤养分分级标准 （如表 5 所示），对照地块有机质含量均处于 4 级 水平，有机质稍缺；由表 2 得出，4 类地块有机质 含量与对照地块差异显著， A 类与 B 类地块有机质 含量处于 45 级水平，有机质缺乏；C、D 类地块 处于 4 级水平，有机质稍缺。 表 5 土壤养分分级标准 Table 5 Soil nutrient classification standard 级别 丰缺度 有机质 质量分数 Organic matter/ (gkg-1) 全氮 质量分数 Total nitrogen/ (gkg-1) 全磷 质量分数 Total phosphorus/ (gkg-1) 全钾 质量分数 Total potassium/ (gkg-1) 1 丰 40 2.0 1.0 25.0 2 稍丰 3040 1.52.0 0.811.0 20.125.0 3 中等 2030 1.01.5 0.610.80 15.120.0 4 稍缺 1020 0.751.0 0.410.60 10.115.0 5 缺 610 0.50.75 0.200.40 5.110 6 极缺 6 0.5 0.2 5.0 注：第 2 次全国土壤普查技术规程。引自参考文献32。 Note: 2nd national soil survey technology procedures. Cited from reference 32. 对照地块全氮含量处于 34 级水平；处于稍 缺到中等范围内；C 类地块 H1、H2 层位全氮含量 与对照地块无显著差异，其余各类地块各层位全氮 含量与对照地块差异显著；A、B 类地块全氮含量 处于 46 级水平， 处于极缺到稍缺范围内； C 类地 块处于 35 级水平，处于缺乏到中等范围内。 对照地块全磷含量处于 24 级水平，处于稍 缺到中等范围内；4 类复垦地块土壤全磷含量与对 照地块差异显著；A 类地块全磷含量处于 35 级 水平， 处于缺乏到中等范围内； B 类处于 45 级水 平，全磷缺乏；C 类处于 24 级水平，处于稍缺到 稍丰范围内；D 类处于 34 级水平，处于缺乏到 中等范围内。 对照地块全钾含量处于 34 级水平，处于稍 缺到中等范围内；4 类复垦地块土壤全磷含量与对 照地块差异显著；A 类地块全钾含量处于 56 级 水平，处于极缺到缺乏状态；B 类地块处于 5 级水 平， 处于缺乏水平； C、 D 类地块处于 45 级水平， 处于缺乏到稍缺状态。 A 类地块土壤 pH 值及养分含量变异系数变化 范围为 5.45%15.56%，B 类地块为 1.52% 12.35%；C 类地块为 1.23%9.49%；D 类地块为 2.1%10.2%。A 类地块 H4 层煤矸石 pH 值为 8.4 偏大，养分含量处于极缺或缺乏水平，肥力贫瘠。 综上所述，C、D 类地块养分含量高于 A、B 类地块，C 类地块土壤 pH 值及养分含量变异系数 低其余 3 类地块，其土壤 pH 值及养分含量变化较 均匀，煤矸石基质肥力贫瘠，pH 值偏大。 2.3 不同覆土厚度地块小麦根长密度及根系总长 分析 由表 2 得出，复垦地块小麦根长密度与对照地 块差异显著，由表 6 得出复垦地块小麦根长密度低 表 6 不同地块小麦根系密度与根系总长 Table 6 Wheat root density and wheat root length 根长密度 Root length density /(cmcm-3) 根系总长 Root length /cm 试验地块 Test plots 土壤层位 Soil horizon 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系数 CV Coefficient of variation/% 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系数 CV Coefficient of variation/% H1 15.801 1.12 7.09 H2 21.395 1.29 6.03 CK H3 8.356 0.59 7.06 49 1.74 3.55 H1 7.222 0.28 3.88 H2 13.640 1.71 12.54 H3 0.012 0 0 A H4 0 0 0 36 4.59 12.75 H1 7.595 0.79 10.40 H2 15.738 1.22 7.75 B H3 0.015 0 0 42 8.01 19.07 H1 9.784 0.59 6.03 H2 15.819 1.02 6.45 C H3 0.077 0.00 0.00 45 2.93 6.51 H1 9.828 0.78 7.94 H2 15.732 1.25 7.95 D H3 0.038 0 0 43 3.05 7.09 注：CK 为对照地块。地块 A 覆土厚度为 5060 cm；地块 B 覆土厚度为 6070 cm；地块 C 覆土厚度为 7080 cm；地块 D 覆土厚度为 8090 cm。 Note: CK is control block.Thickness of cover soil of A plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of B plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of C plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of D plot is 50-60 cm. 农业工程学报 2014 年 216 于对照地块；复垦地块小麦根系主要集中于 H1、 H2 层，H3 层小麦根长密度几乎为 0，A 类地块 H4 层的煤矸石中小麦根长密度为 0。其原因是 H3、 H4 土壤自然含水率、养分含量偏低，不利于作物 根系的生长。C、D 类地块 H1、H2 层根系密度高 于 A、B 类地块，说明 C、D 地块小麦根系发育情 况优于 A、B 类地块。C 类地块小麦根长密度变异 系数范围为 6.03%6.45%， 低于其余 3 类地块， 说 明 C 类地块小麦根系分布较均匀。 复垦地块小麦根系总长低于对照地块，与对照 地块差异显著，其变异系数高于对照地块。C 类地 块小麦根系总长为 45 cm，高于其他 3 类地块，其 变异系数为 6.51%，低于其他 3 类地块。 2.4 不同覆土厚度地块小麦长势及经济产量分析 小麦株高分析见图 3，对照地块小麦长势优于 复垦地块。3 月4 月，各地块小麦株高基本一致， 5 月6 月，气温升高时，覆土较薄的地块水分与 养分供给量不足33，小麦长势表现出随覆土厚度增 加而增加的空间分布规律， 覆土厚度大于 80 cm 时， 小麦长势没有显著变化。 注：CK 为对照地块。地块 A 覆土厚度为 5060 cm；地块 B 覆土厚度 为 6070 cm；地块 C 覆土厚度为 7080 cm；地块 D 覆土厚度为 80 90 cm。 Note: CK is control block.Thickness of cover soil of A plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of B plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of C plot is 50-60 cm; Thickness of cover soil of D plot is 50-60 cm. 图 3 不同地块小麦株高 Fig.3 Wheat plant height of different plots 对照地块、A、B、C、D 4 类地块小麦经济产 量分别为： 0.613、 0.492、 0.538、 0.588、 0.576 kg/m2， 不难看出复垦地块小麦经济产量低于对照地块，复 垦地块小麦经济产量随覆土厚度增加而增加，覆土 厚度大于80 cm的D类地块小麦经济产量相对于与 C 类地块没有显著增加。 2.5 复垦地土壤重金属分布特征研究 煤矸石中微量有害元素含量普遍较高，对覆土 造地的土壤和地下水有造成污染的可能性。已有研 究表明淮南新庄孜矿区土壤中重金属含量符合国 家二级标准34，本文对新庄孜矿煤矸石充填复垦造 地材料土壤和煤矸石进行分析，研究经过 5 a 的复 垦，煤矸石中重金属元素是否有向上层覆土迁移变 化的趋势，对复垦土壤环境是否有污染的可能性。 表 7 为土壤环境质量标准。 表 7 土壤环境质量标准值 Table 7 Environmental quality standard of soil mgkg-1 中国土壤环境质量标准 Standard of Chinese soil environmental quality 重金属 元素 Heavy metal element 淮南土壤 背景值 Background value of Huainan soil 一级标准 （自然背景值） Primary standard 二级标准 （pH 值7.5） Secondary standard (pH7.5) 三级标准 （pH 值6.5） Third grade standard (pH6.5) Cu 24.2 35 100 400 Zn 80.8 100 300 500 Pb 30.5 35 350 500 Cd 0.06 0.2 0.6 1 Cr 64.9 90 250 300 Ni 25.7 40 60 200 注：引自参考文献35-36。 Note: Cited from reference 35-36. 对照表 2，复垦地块土壤重金属含量与对照地 块差异显著（P0.05） 。表 8 为对照地块和各复垦 地 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr 元素含量，对照地块 土壤 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr 元素含量低于淮南 土壤背景值，处于安全水平。B、C、D 3 类地块 H1、H2 层土壤中重金属元素含量除 Pb 元素外，均 高于 H3 层，A 类地块 H1、H2 层土壤重金属元素 含量除 Pb 元素外，高于 H3、H4 层，说明煤矸石 复垦地重金属元素随土壤水分运动及微生物活动 有向上层迁移的趋势。 复垦土壤 Pb、Zn、Cr 元素含量低于淮南土壤 背景值（30.5、80.8、64.9 mg/kg） ，处于安全水平。 A 类地块 H4 层 Cu 元素含量低于淮南土壤背景值 （24.2 mg/kg） ，处于安全水平；A、B、C、D 类地 块 H1、H2、H3 层土壤 Cu 元素含量高于淮南土壤 背景值，低于中国土壤环境质量标准的一级标准 （35 mg/kg） ；4 类复垦地块 H1、H2 层土壤 Ni 元 素含量高于淮南市土壤背景值（25.7 mg/kg） ，处于 中国土壤环境质量一级标准范围内 （40 mg/kg） ， B、 C、 D类地块的H3层土壤及A类地块的H3层土壤、 H4 层煤矸石中 Ni 元素含量低于淮南土壤背景值， 处于安全水平；Cd 元素含量高于淮南土壤背景值 （0.06 mg/kg） ，低于中国土壤环境质量二级标准 （0.6 mg/kg） ；Cu、Ni、Cd 元素在复垦土壤中含量 高于淮南土壤背景值，对复垦土壤已构成潜在的威 胁性，应予以重视。 第 5 期 徐良骥等：煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征 217 表 8 不同地块重金属元素含量 Table 8 Heavy metal element content of different block Cu 质量分数 Content of Cu/(mgkg-1) Cd 质量分数 Content of Cd/(mgkg-1) Pb 质量分数 Content of Pb/(mgkg-1) Zn 质量分数 Content of Zn/(mgkg-1) Ni 质量分数 Content of Ni/(mgkg-1) Cr 质量分数 Content of Cr/(mgkg-1) 试 验 地 块 土 壤 层 位 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数CV Coeffi- cient of variation/ % 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数CV Coeffi- cient of variation/ % 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数CV Coeffi- cient of variation/ % 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数CV Coeffi- cient of variation/ % 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数CV Coeffi- cient of variation/ % 平均值 Average value 标准差 Standard deviation 变异系 数CV Coeffi- cient of variation/ % H1 21.00 1.93 9.19 0.0410.008 19.51 13.980.141.0043.564.9011.2523.482.69 11.46 50.22 6.6813.31 H2 21.35 0.45 2.11 0.0560.006 10.71 13.180.382.8847.423.908.2323.351.65 7.05 48.36 5.7411.88CK H3 19.36 0.99 5.11 0.0610.005 8.20 14.760.483.2538.583.9310.1919.741.65 8.38 47.01 2.515.34 H1 33.00 1.93 5.85 0.2800.040 14.29 14.501.6011.0366.504.296.4533.003.83 11.61 56.50 3.636.42 H2 35.00 1.13 3.23 0.2050.054 26.34 15.001.6811.1968.503.244.7334.005.29 15.56 59.50 7.9413.34 H3 24.54 1.49 6.07 0.1240.036 29.03 16.812.6715.8847.524.028.467.861.21 15.39 30.46 4.2914.08 A H4 22.00 0.94 4.27 0.1000.003 3.00 11.000.585.2432.003.4410.757.000.64 9.14 25.00 3.2913.16 H1 33.50 2.41 7.19 0.2750.040 14.55 14.501.6811.5971.504.926.8834.52.49 7.20 60.00 1.993.32 H2 34.50 3.42 9