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摘要：通过对海州露天矿地区采集0cm～80cm的土壤垂向剖面，并分析土壤养分元素、污染元素等元素含量。通过对土壤元素垂向分布特征分析得出Pb、Zn等元素应注意表层污染源；Cu、Cr、Ni、S等元素开发利用时要隔离深部污染源；Hg、Ni、S等元素具有扩散及流动性，应注意其迁移路径及对地下水的污染。土壤养分总体含量不高，但施肥时应考虑土壤酸碱度，避免土壤板结。

关键字：地球化学；土壤；垂向分布；海州露天矿

前言

海州露天矿是新中国第一座大型现代化露天矿、也是第一座闭坑的大型露天矿山。加强对海州露天矿土壤和植被等生态环境的调查对于解决以往矿山开采时引发的生态问题与环境问题具有重要的意义，是生态修复与生态环境建设的基础支撑。根据实地的调查、土壤样品的采集与数据分析，可对当前土壤等生态状况及问题进行分析，评价土地利用、生态修复的适宜性，更为切合实际的提出矿区土壤综合利用及生态修复方案，进而将阜新海州露天煤矿打造成国家绿色矿业发展示范区。

本文通过对海州露天矿地区采集0cm～80cm的土壤垂向剖面，并分析土壤养分元素、污染元素等元素含量，研究土壤元素的垂向分布特征，探讨元素迁移转化规律，为海州露天矿土壤状况评价，土地综合利用与生态修复提供基础。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区地理坐标为东经121°35′～121°45′，北纬41°52′～42°2′，位于辽宁省阜新市南部太平区及海州区境内，阜新市细河南岸，属阜新市城市中心地段。北接煤城路、南至南外环路、东靠临高孙路、西至平安街道办事处。距阜新市太平区政府人民政府所在地约0.4km，距阜新火车站3km，海州露天煤矿环坑公路与城区内各级公路相连，可通往全国各地，交通极为方便。产业以农业、矿业为主，并有林业、畜牧业、淡水养鱼业等产业。通过辽宁辽河流域1：25万多目标地球化学调查，本区N、P、B元素相对缺乏，K、Zn元素富足。Se、Cu两元素含量适度。Cd、Hg、Pb三元素虽含量较高，但尚未构成污染。

1.2 样品采集方法

对全区进行垂向土壤分层调查。采样网密度为每平方公里确定1个采样点位，同一点位在不同深度垂向采样，采样深度为0-20m、20-40m、40-60m、60-80m。垂向土壤分层样品采集时，要在选好的采样地点进行单点采样。在土质松软的地区可用铁锹取样，铁锹不易取到的样品可以使用洛阳铲取样。同时在每个分层用环刀采集土壤理化性质分析样，分辨土壤质地，并用尺量取有效土层厚度。如土层厚度达不到80cm，则取样截止到实际土层厚度。如某点实际土层厚度为55cm，则前两个样品正常采集，第三个样品采集40-55cm，第四个样品不采集。将样品各层分析数据进行对比，以反映不同层位上土地质量的变化，以及污染地区的垂向污染深度。由于排土场复垦区为本次评价工作的重点，因此，排土场地区样点布设相对密集；其他地区，样点布设相对稀疏；尤其是城区及厂区，仅起到控制作用即可。采样位置见图1采样位置图。

1.3 样品分析测试指标

垂向土壤分层调查样品测试包含污染元素分析与养分含量分析。污染元素分析为GB15618-2018中的八大重金属：镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌，以及本区特别污染元素硫，共9项；养分含量分析有碱解氮、速效磷、速效钾共3项。

2 分析结果及各元素分布规律

2.1 Cd元素

在FC01-FC22这22个点位处，镉元素的含量在四层土样中的分布曲线波动较小；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点主要位于露天采坑及其周围区域；在FC23-FC40这18个点位处，镉元素的含量在四层土样中的分布曲线波动较大，特别是在FC24、FC33、FC35、FC38、FC39五个点位处，镉元素的含量在四层土样中的分布变化十分显著；在FC24、FC35、FC38三个点位中，第三层土样中镉元素的含量很高，分别为0.742mg/kg，0.881 mg/kg和0.918 mg/kg；在FC33、FC39处，第一层土样中镉元素的含量最高，分别为0.68 mg/kg和0.99 mg/kg；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这两个点位位于煤矸石山周围，存在镉元素污染风险；在FC41-FC51这11个点位处，镉元素的含量在四层土样中的分布曲线波动较小，四个土层间镉元素含量差异不大。

2.2 Hg元素

除FC01、FC09、FC23、FC41和FC43共5个点位外，汞元素的含量在不同土层深度中的分布较均衡，波动较小；在FC01处，汞元素的含量的最大值出现在第三层，为0.698 mg/kg，约为其他层的5-15倍，不同土层厚度中汞元素含量差异较大；在FC09处，汞元素的含量的最大值出现在第一层，为0.65 mg/kg，且在该点处，汞元素的含量在四层土样中的分布随土层深度的增加有逐渐降低的趋势；在FC23、FC41和FC43共3个点位中，汞元素的含量在四层土样中的分布有相似的趋势，都随土层深度的增加逐渐升高；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点主要分布在排土场周围，因此可以看出汞元素流动性较强，会随水分渗透到深层土壤中；本研究区汞元素含量最大值出现在FC23点位第二层土样中，为1.84 mg/kg，并未超过GB15618-2018中风险筛选值3.4 mg/kg。

2.3 As元素

除个别点位外，砷元素的含量在四层土样中的含量差异较小，波峰波谷的分布差异及波动性也很小，在点位FC24处，砷元素含量出现峰值，最大值出现在第四层，含量为20.764 mg/kg，结合深层土采样点点位分布情况可以看出，该点分布在排土场区域，推测砷元素的含量受采矿活动影响较大。但其最大含量并未超过GB15618-2018中风险筛选值30 mg/kg。

2.4 Pb元素

除个别点位外，铅元素的含量在四层土样中的分布差异很小，波动性也很小；在点位FC01、FC34-FC39以及FC44处，铅元素的含量具有微小的波动，基本表现为铅元素的含量在四个土层深度上的分布会随着土层深度的增加而逐渐降低；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点集中分布在排土场以及研究区边缘处；在点位FC07-FC18处，铅元素的含量具有很大的波动，且铅元素的含量在四个土层深度上的分布表现出随着土层深度的增加而逐渐升高的趋势；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点集中分布在露天采坑及其周围区域，因此，铅元素的含量受采矿活动影响较大；在点位FC09处，铅元素的含量在四个土层深度上的分布表现出明显的随着土层深度的增加而逐渐升高的趋势，且该点位处第四层土样中铅元素的含量达到本研究区的最大值，为11359.22mg/kg。

2.5 Cr元素

铬元素的含量在四层土样中的分布波动较明显，特别是在点位FC04、FC20、FC32、FC37、FC41和FC43处，铬元素的含量在四个土层中的分布差异十分显著；在FC01-FC12共12个点位处，铬元素的含量在四层土样中的分布随土层深度的增加有逐渐降低的趋势；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点主要分布在露天采坑及其周围区域，铬元素主要聚集在表层土壤中；然而，在FC13-FC42共30个点位处则呈现出相反的趋势，铬元素的含量在四层土样中的分布随土层深度的增加有逐渐增加的趋势；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点主要分布在煤矸石山以及排土场周围，因此可以看出，铬元素流动性较强，会随水分渗透到深层土壤中；在FC43-FC51共9个点位处，铬元素的含量在四层土样中的分布无明显规律。在FC20、FC32、FC37、FC41和FC43共5个点位中，铬元素的含量在四层土样中的分布随土层深度的增加有逐渐增加的趋势，且含量均较高，在FC43点位第二层出现最大值，达到321.331mg/kg，超过GB15618-2018中风险筛选值250 mg/kg。

2.6 Cu元素

铜元素的含量与土层深度间无明显规律，但在具体点位上，如FC12、FC20和FC39，铜元素的含量在不同土层深度具有十分显著的变化。在FC12点位上，铜元素的含量在四层土样中的分布随土层深度的增加有逐渐增加的趋势，最大值出现在第四层，其次为第二层，含量分别为114.151mg/kg和106.766mg/kg；该点位处第四层中铜元素含量为本研究区的最大值，超过GB15618-2018中风险筛选值100 mg/kg；在FC20点位上，铜元素含量的最大值出现在第三层，为80.349mg/kg，临近风险筛选值；在FC39点位上，铜元素的含量在四层土样中的分布随土层深度的增加有逐渐降低的趋势，最大值出现在第一层，为75.570 mg/kg；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，FC39点位位于煤矸石山，因此可以看出铜元素流动性不强，不会随水分渗透到深层土壤中，仅会在表层土壤中聚集。

2.7 Ni 元素

镍元素的含量在四个土层深度上的分布差异较大，具有明显的波动性；整体来看，镍元素的含量在四个土层深度上的分布具有随着土层深度的增加而逐渐升高的趋势，特别是在FC17-FC28，FC32-FC38这些点位上，上述趋势更为明显；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点集中分布在排土场，因此，镍元素的流动性较大，会随水分渗透到深层土壤中，具有聚集性；然而在个别点位，如FC09以及FC39上，镍元素的含量在四个土层深度上的分布则表现出相反的趋势，随着土层深度的增加而逐渐降低；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，FC09位于露天采坑，FC39位于煤矸石山，因此可以看出采矿活动会导致土壤中镍元素含量较高。在点FC20和FC35处可以看出，镍元素的含量随着土层深度的增加具有明显的逐渐升高的趋势，在FC35处，镍元素的含量达到本研究区的最大值，为120.52mg/kg。

2.8 Zn元素

锌元素分布从浅到深整体上呈逐渐降低的趋势，从第一层到第四层含量逐渐递减，波动性不大。其中FC12在第二层含量突增，含量达到峰值468.592mg/kg，远超质量等级划分的最高等级—“丰富”（>84mg/kg），而第三、四层含量有所下降，分别为160mg/kg和174mg/kg，根据第三、四层的数据可以排除第二层测量错误的因素，说明在FC12处出现重度锌元素污染情况，FC12点处为煤炭露天堆放区，可能造成了此地锌元素含量激增。部分点位第一层含量较少，其余三层含量增加且接近，例如FC23、FC24、FC41等，含量整体稳定，说明大部分点位所在地锌元素含量正常。在煤矸石山区域的FC33点处，第一层锌元素含量为188mg/kg，超过了大部分点位含量最高值的1-2倍，说明在这一点附近深层土壤第一层锌元素富集；排土场区域点位大多在FC20-FC40，大多是第一层含量很少，个别点位较深层含量较高，含量稳定；露天采坑内部FC09点与其他点位差别不大。

2.9 S元素

硫元素分布从浅到深整体上呈逐渐增加的趋势，从第一层到第四层含量逐渐递增，大多数点位含量都在2000mg/kg以下。露天采坑内部FC09点第一层含量较高为8962mg/kg，其层次小于2000，可能与采矿活动有关。排土场区域点位大多在FC20-FC40，大多是第一层数值较低，其余层次含量略高，除个别点位例如FC20、FC26深层含量高。矸石山范围内的FC33点与其他点位含量差别不大，从浅到深保持在1700左右，与PH数值吻合，由浅到深变化不大。其余点位例如FC46，第三层含量最高为10413mg/kg，FC46位于排土场东部煤炭露天堆放区，可能由此造成FC46点第三、四层硫含量升高。

2.10 碱解氮

碱解氮的含量在四个土层深度上的分布差异较大，具有明显的波动性；整体来看，碱解氮的含量在四个土层深度上的分布具有随着土层深度的增加而逐渐降低的趋势，特别是在FC09-FC11，FC44-FC50这些点位上，上述趋势更为明显；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，这些点主要分布在露天采坑和排土场，因此，碱解氮的分布受采矿活动影响较大；然而在个别点位，如FC03-FC05、FC43以及FC49上，碱解氮的含量在四个土层深度上的分布则表现出相反的趋势，随着土层深度的增加而逐渐升高；结合深层土采样点点位分布情况可以看出，上述点位主要分布在露天采坑和排土场边缘处，因此，这种现象可能与复垦的边缘处效果不明显有关。在点位FC41处第一层土样中，碱解氮的含量达到本研究区的最大值，为301.00mg/kg。

2.11 速效磷

速效磷分布从浅到深整体上呈逐渐降低的趋势，从第一层到第四层含量逐渐递减，特别是编号靠后点位第一层含量于同点位其余层明显较多。但是在编号靠前的点位附近较深层土壤的含量较多，出现了FC05和FC11点的第二层和第三层含量突变的情况，分别为77mg/kg和101mg/kg，随后层次含量仍高但有所下降，这些点均在露天采坑附近，说明由于采坑的矿业活动影响了周边附近土壤深层的速效磷含量，在FC15之前的点号表现的整体趋势是含量逐渐增加的趋势，说明在这些点位附近较深层土中速效磷富集。FC15号之后的点位则表现出明显的第一层含量较高，其余层次含量均较低，且保持在20mg/kg之内，说明这些地区土壤表层速效磷含量较高，深层土含量低且稳定，是由于这些点位大多位于排土场区域，复垦已种植农作物，人工施肥导致速效磷深层第一层速效磷含量较高。矸石山区域FC33点第一层含量较高，达到129.12 mg/kg，其余层次小于20mg/kg，可能与矸石山的表层复垦施肥有关。FC47点的第一层含量最高为174.08mg/kg，此点位于推土场西部农田区域，可能与人工施肥有关。

2.12 速效钾

速效钾分布从浅到深整体上呈逐渐降低的趋势，从第一层到第四层含量逐渐递减，波动性不大，大部分含量位于0-600mg/kg之间。在点FC09第二层含量急剧增加，最高达到1464.96mg/kg，第三、四层含量有所下降，分别为1236mg/kg和1027mg/kg，说明此点附近深层速效钾富集，FC09在露天采坑内部，说明采坑内部较深层土壤速效钾富集。排土场区域点位大多在FC20-FC40，大多是第一层含量很少，个别点位较深层含量较高，含量稳定。矸石山区域FC33点整体含量与周围点位略高。总体来看研究区内土壤从浅到深变化趋势较小，土壤中含量稳定。

2.13 pH值

酸碱度分布从浅到深整体上呈逐渐增加的趋势，从第一层到第四层含量逐渐递增。FC01-FC10主要位于露天采坑附近，含量大多在7-8.5mg/kg之间呈碱性，FC09位于采坑内部，第一层最低为6.6，其余层次大于7，整体来看采坑范围内土壤呈碱性。排土场区域点位大多在FC20-FC40，大多是第一层数值较低，很多都呈酸性，较深层数值较高，其中FC27较深层PH均大于9，碱性较强；FC32和FC46点第一层PH较低，酸性较强，说明排土场深层土酸性较强，其余层次呈碱性。矸石山区域内的FC33点所有层次PH均大于7，靠近矸石山的FC29点的所有层次也大于7，说明矸石山整体土壤呈弱碱性。

3 结论

土壤风险方面，Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn等元素超过了GB15618-2018中风险筛选值，S元素含量也偏高，应注意污染风险。其中，Pb、Zn元素含量会随着土层深度的增加而逐渐降低，应注意表层污染源；Cu、Cr、Ni、S元素含量会随着土层深度的增加而逐渐增加，开发利用时要隔离深部污染源；Hg、Ni、S具有扩散及流动性，应注意其迁移路径及对地下水的污染。

土壤养分方面，碱解氮、速效磷、速效钾从浅到深整体上均呈现出逐渐降低的趋势，土壤养分总体含量不高，土壤较为贫瘠，应采用施肥等方法进行改良。

酸碱度方面，pH值随深度逐级递增，除排土场表层为酸性外，大部分区域土壤为碱性。施肥时不能仅施用化学肥料以免照成土壤板结，应多施用有机肥调和酸碱度。

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作者简介：王冠鸿（1986-），性别：男，籍贯：吉林省梅河口市，民族：汉，学历：本科，职称：高级工程师，研究方向：化探