煤矿区是当今世界陆地生物圈最为典型、退化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，2003)。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，2009)。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，2007)。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-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，2006)，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，2009)。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。

1 研究地区和研究方法 1.1 研究区概况

本研究设在黑龙江省鹤岗市煤矿区的煤矸石废弃地。鹤岗市位于黑龙江省东北部(129°40'—132°31' E，47°4'—48°9' N)，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37.7 ℃，最低气温-32.5 ℃，年平均气温2.8 ℃，积温为2 500 ℃，年平均降水量609 mm，日照时数为2 510 h，无霜期120~125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，2007)。

该研究区废弃地上风化物平均风化层厚度为4.87 cm，基质不同粒径的百分比分别为:＞3 mm占26.28%;1~3 mm占34.25%;0.05~1 mm占36.11%;0.01~0.05 mm占23.56%;＜0.01 mm占6.08%，基质质地为紧沙土。基质自然含水量为5.28%，饱和含水量为15.87%，最大持水时间为16天。植被自然恢复状态极差，地表只有少量1，2年生草本生长，偶见自然恢复的榆树(Ulmus pumila)、山杨(Populus davidiana)幼苗，平均盖度为10%，植物科属组成为4科、4属、9种，分别为猪毛蒿(Artemisia scoparia)、鬼针草(Bidens pilosa)、大籽蒿(Artemisia sieversiana)、白头翁(Pulsatilla chinensis)、狗尾草(Setaria viridis)、苣荬菜(Sonchus arvensis)、蒲公英(Taraxacum mongolicum)、硬质早熟禾(Poa sphondylodes)、毛连菜(Picris hieracioides)、龙牙草(Agrimonia pilosa)、鸡眼草(Kummerowia striata)。

1.2 研究方法

1) 样品采集 以排矸年限为50，40，30，20，10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10个采样点采集表层(0~20 cm)煤矸石风化物，每个样点设置3次重复，将3次重复的样品混合均匀，并用四分法取大约1 kg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。

2) 测定方法 依据中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法GB 7830-7892-87》，对全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾进行测定。依据《土壤环境质量标准GB 15618—1995》，采用NITON EPA-6200重金属元素分析仪对废弃物中重金属Zn，Ni，Cr，As，Pb，Hg，Cu含量进行测定。

3) 评价方法 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:

P_i = C_i/S_i，

式中: P_i为土壤中污染物的单项污染指数; C_i为土壤中污染物的实测含量; S_i为污染物的评价标准;

内梅罗综合污染指数法计算公式为:

式中: PI为内梅罗综合污染指数; (C_i/S_i)_max²为单因子污染指数最高值; (C_i/S_i)_ave²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。1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; 2级标准为保障农、牧业生产，维护人体健康的土壤限制值; 3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2级标准(王春光等，2010)。

2 结果与分析 2.1 不同排矸年限煤矸石废弃地养分比较

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 2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10年和50年的水解氮含量大致相当，而且比排矸年限为30年、40年的含量相对较高，且排矸年限为20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30年时，含量达到最大值，最小值出现的排矸年限为50年。全钾的含量最大值出现的排矸年限为40年，而且略大于排矸年限为10年时的含量，在排矸的50年间，全钾的波动最为明显。速效钾的含量从排矸年限为10年到40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。

将排矸年限由10年到50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0.53，0.11，0.27，1.61和0.83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N和P这2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，2003)。多年生豆科植物的枯枝落叶和1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C/N较低，从而在分解后可以有效地增加土壤中N素的累计(胡振琪等，2003)。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。

2.2 不同排矸年限煤矸石废弃地重金属含量比较

由表 3可知，在所测的重金属指标中，按二级国家标准，只有Hg的含量超过国家土壤环境标准(1.0 μg·g^-1)。这与王笑峰等(2009)、刘文勇等(2007)在东北地区矿区废弃地的研究结果一致。排矸年限为10年时，各重金属含量顺序依次表现为: Hg＞Ni＞Cr＞Zn＞Pb＞As＞Cu; 排矸年限为20年时，表现为: Hg＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Pb＞As; 排矸年限为30年时，表现为: Hg＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Cu; 排矸年限为40年时，表现为: Hg＞Ni＞Zn＞Cr＞As＞Cu＞Pb; 排矸年限为50年时，表现为: Hg＞Zn＞Ni，Cr＞Pb＞Cu＞As。

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Ni的变化规律最为明显。Cr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20年的含量要高于排矸年限20年以上的含量。Zn的变化趋势和Cr基本一致。Cu在排矸年限为20年和40年的含量高于其他年限，但总的趋势也是随排矸年限为40年的增加而减少，虽然Hg在排矸年限为40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势。Pb的变化趋势和Cu基本一致，而且随排矸年限的波动现象最为明显。As在排矸的前40年内有递增的趋势，但在排矸50年的含量急减，约为排矸10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，2009)。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。

2.3 不同排矸年限矸石废弃地的重金属污染评价

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pH值均在8.0以上。

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40年、20年和10年时已经接近中污染的等级程度。排矸50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2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，2008)。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。

3 结论与讨论 3.1 讨论

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20倍和5~7倍(王晓春等，2007)。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(2004)、吴祥云等(2006)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，2010)。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2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，2006; 常明亮等，2007; 刘玉荣等，2003)。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。

3.2 结论

1) 排矸年限由10年到50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0.53，0.11，0.27，1.61和0.83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。2) 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Hg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。