杨伙盘矿区植物多样性及土壤污染物富集分析

方松林

杨伙盘矿区植物多样性及土壤污染物富集分析

方松林

西安石油大学生态修复研究所, 陕西 西安 710065

为探索由于矿产的过度开发和开采对环境链和生态链的影响，本文主要对杨伙盘矿区植物多样性及土壤污染物富集性分析，采取蛇形采集方法和样方法进行试验样本收集。结果发现，杨伙盘矿区植物种类稀少，仅有草本植物16种、灌木植物4种，乔木植物2种。植物距离矿坑和排土场越远，则植物多样性指数越高。杨伙盘矿区土壤理化性质较差，整体环境不利于植物生长。Cd、Cu、Zn和Pb的土壤重金属污染物富集性较高。其中，Cd值累积量最高，已超过国家土壤二级环境标准。区域部分优势植物对土壤重金属污染物具有一定的富集能力和转移能力。

矿区生态; 植物多样性; 土壤污染

我国矿产资源丰富，是世界上少数几个矿种齐全、矿产资源总量丰富的大国之一。矿山在露天开采的过程中会使大量的微量元素裸露在地表。久而久之，土壤中累积的多重金属元素会直接破坏当地植物、气候和生态环境。矿山开采后的矿坑、排土场和尾矿堆等对周围的景观生态格局和土壤安全造成重要影响。陕西省位于我国西北之东部，面积20.56万km2。含煤面积4.77万km2，估测储煤4200亿t。陕北地区煤炭赋存条件好，埋藏浅，煤质具有“三低一高”（特低灰、特低磷、特低硫、高发热量）的特点。煤种以长焰煤和不粘煤为主，属于优质动力煤、电力煤。杨伙盘煤矿位于陕北神府煤田东南部新民开采区，地处神府两县交界处的神木县店塔镇杨伙盘村，是陕北地区具有代表性的煤矿之一。分析和探索杨伙盘矿区植物多样性并开展土壤污染物富集性分析，能够更好地探寻煤矿开采带来的植物生态和土壤生态问题，为矿山地区土壤环境修复和生态环境修复提供有效参考。

1 研究区与方法

1.1 研究区域概况

杨伙盘煤矿坐落于陕西省榆林市神木县店塔镇境内，井田面积26.91km2，地质储量3.09亿t。矿区地处风沙区与丘陵沟壑区过渡地带，地势较为平坦，东北高、西南低。属温带大陆性半干旱季风气候。多年平均气温为7.0 ℃，极端最高气温38.9 ℃，极端最低气温-28.1 ℃，年平均蒸发量911.9 mm。年平均降水量为425 mm，降水的年内年际变率均很大，主要集中在夏季，占全年总降水量的69%。矿区主要水源来自水库和黄羊城河。因多年开采，目前矿区已形成大面积的采空区，水库流失下渗。该煤矿仍在开采中，矿区生态环境会持续受到生产活动的影响[1]。

图1 研究区域地理位置

1.2 研究方法

因研究区域为黄土丘陵沟壑地形，植物较为稀少。故在矿区内植物生长相对繁多的地点选择三块样地，分别A点（东北）、B点（西南）和C点（西北）进行土壤样本采样。另在杨伙盘煤矿外原生态区域选择人为干扰较小的样地D点（作为对照组样本）。因蛇形采集方法适用于较大面积且地势高差较大的场地，故使用此方法进行土壤取样。土壤深度为0～20cm、20～40cm，40～60cm，60～80cm。每个点每层深度用环刀取样，共计采集土壤样本12个。

植物群落采取随机取样与典型取样相结合的方法进行。在三块样地A点、B点和C点，分别设置20 m×20 m的植物群落调查样方。在调查样方样线上，每隔5m设一植物群落样方用于调查样地的每个类型植物（草本植物、灌木植物和乔木植物）的分布情况。每个样点随机选择4株同种植物并对根际土壤取样，土壤深度为5～30cm。

1.3 测量方法

1.3.1植物多样性计算研究区域内植物多样性的计算选取以下公式：

1.3.2土壤污染物富集度使用单项污染指数法和内梅罗综合指数法对样本土壤的金属污染元素进行计算评定。

单项污染指数法用于计算土壤中某元素含量与该物质最高限值的比值，公式为：

内梅罗综合指数法用于分析某区域内多元素对环境的污染程度，公式为：

植物富集吸收系数用于计算植物对金属的吸收富集能力，公式为：

植物转移系数用于计算植物对金属的转移能力，草本植物的公式为：

灌木植物和乔木植物的公式为：

1.3.3土壤理化性质测定使用土壤农化分析方法对样本土壤的理化性质测定。分三次对目标指标进行测量并取平均值。土壤的物理性质指标包括土壤容重（烘干法）、土壤含水量（环刀法）和土壤孔隙度（比重和容重法）。土壤的化学性质指标包括pH值（电位法）、有机质（重铬酸钾容量法-外加热法）、全氮（凯氏法消解）、全钾（NaOH熔融-火焰光度法）、全磷（土壤NaOH熔融-钼锑抗比色法）。

1.3.4土壤重金属含量测定对土壤样本镉、铅、锰、铬、铜、锌元素进行分析。其中镉、铅、锰使用石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T 17140-1997）进行测定，铬、铜、锌使用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138-1997）进行测定。

1.4 数据分析方法

样本数据使用Microsoft Excel 2010进行记录。使用SPSS 19.0对植物多样性以及土壤相关数据进行计算和统计学分析。

2 结果与分析

2.1 植物多样性分析

对研究区域的3块样地植物信息进行统计，结果见下表1。样地A草本植物4种、灌木植物1种，乔木植物2种。样地B草本植物4种、灌木植物3种，乔木植物1种。样地C草本植物9种、灌木植物1种，乔木植物2种。研究区域共计草本植物16种、灌木植物4种，乔木植物2种。对研究区域的3块样地植物多样性指数进行计算，结果见下表2。3块样地的多样性指数样地A<样地B<样地C。表明距离矿坑和排土场越远，则植物多样性指数越高。综合3块样地植物的多度、频度及重要值，选出研究区域优势植物，结果见下表3。其中，草本植物5种，分别为硬质早熟禾、茵陈蒿、沙打旺、沙芥和艾蒿。灌木植物2种，为胡枝子和沙柳。乔木植物1种，为杨树。

表1 不同样地植物种类列表

表2 不同样地的植物多样性指数

表3 研究区域优势植物列表

2.2 土壤污染物富集性分析

2.2.1土壤理化性质分析对3个样地土壤理化性质的综合数值进行分析，并与对照区域的土壤理化性质进行比较（见表4），结果发现研究区域的孔隙度大于对照区域，容重和含水量均小于对照区域。除全钾外，研究区域的pH值、有机质、全氮和全磷均明显低于对照区域。这表明因多年开采，研究区域的孔隙度的变化强烈，物理性质受到了影响。研究区域土壤pH平均值为7.42，接近峰值7.5，有机质含量相对较低，全氮和全磷水平较低，研究区域的土壤理化性质较不适于植物生长。

表4 研究区域和对照区域土壤理化性质的比较结果

2.2.2土壤污染物富集性分析研究区域和标准区域土壤污染物重金属含量的比较结果见下表5。可见，研究区域Cd、Cu、Zn和Pb的污染物平均值均明显高于陕西土壤元素含量平均值和中国土壤元素含量平均值。其中，Cd值累积量最高，已超过国家土壤二级环境标准。而Cr和Mn的含量低于比标准值，表明土壤中未检出以上两种元素的污染物。对研究区域优势植物土壤污染物富集性分析，结果见下表6。发现茵陈蒿对Cd、Cu的富集能力较高，沙打旺、沙柳和杨树对Cd的富集能力较高，艾蒿对Cd、Zn的富集能力较高，胡枝子对Cu的富集能力较高。茵陈蒿和沙柳对Cd的转移能力较强，沙打旺和胡枝子对Cr的转移能力较强，杨树对Cd、Cr和Zn的转移能力较强。

表5 研究区域和标准区域重金属含量的比较结果

表6 研究区域优势植物土壤污染物富集性分析

3 讨论

在杨伙盘矿区植物多样性方面，可以发现研究区域共计发现草本植物16种、灌木植物4种，乔木植物2种，植物种类稀少。3块样地的多样性指数为样地A<样地B<样地C。距离矿坑和排土场越远，则植物生长环境越佳，植物多样性指数越高。这与张甜甜、焦晓亮等和王东丽等对于露天采煤区和风沙黄土矿区植物多样性的变化趋势分析结果保持一致[2-4]。另外，杨伙盘矿区东北高、西南低。地势的高差也对植物多样性产生了影响，发现地势较低的西南部分植物多样性更高。这与韩旭等和李向磊等对我国西部露天矿区植物多样性的分析结果高度类似[5,6]。在杨伙盘矿区土壤污染物富集性方面，研究区域土地物理性质如孔隙度、容重和含水量受到了直接负面影响，土壤理化性质较差，有机质、全氮和全磷水平较低，表明多年的煤矿开采对当地土壤理化性质影响较大，不利于植物生长。刘钊等和Zhu G等在对煤矿区土壤理化性质分析后得到了同样结果[7,8]。另外，戴文婷等、杜古尔·卫卫等和Zhao X等的研究成果发现，由于多年开采，煤矿区土壤重金属污染情况较为严重，累积含量一般都会超出常规标准[9-11]。本研究发现Cd、Cu、Zn和Pb的污染物平均值均明显高于陕西土壤元素含量平均值和中国土壤元素含量平均值，符合以上学者的判断。本研究发现，植物对于外界土壤重金属污染情况具有一定的富集能力和转移能力，但是不同植物对不同元素的富集能力和转移能力各不相同。比如，茵陈蒿对Cd、Cu的富集能力较高，对Cd的转移能力较强。在叶洪岭和张金尧，张燕乐等、Kapusta P等以及Hao J等针对矿区土壤重金属污染情况以及植物富集能力和转移能力研究中也发现了类似的研究结论[12-15]。

4 结论

本研究对杨伙盘矿区植物多样性及土壤污染物富集性开展研究。研究发现杨伙盘矿区植物种类稀少，共有草本植物16种、灌木植物4种，乔木植物2种。植物多样性与矿坑和排土场距离和地势高差具有直接联系。距离矿坑和排土场越远、地势较低的土壤植物多样性指数越高。多年煤矿开采对杨伙盘矿区土壤理化性质产生了直接的负面影响。孔隙度较高、容重和含水量较低，土壤土壤理化性质较差，整体环境不利于植物生长。杨伙盘矿区Cd、Cu、Zn和Pb的土壤重金属污染物富集性较高。其中，Cd值累积量最高，已超过国家土壤二级环境标准。对优势植物富集能力和转移能力进行分析，发现茵陈蒿对Cd、Cu的富集能力较高，沙打旺、沙柳和杨树对Cd的富集能力较高，艾蒿对Cd、Zn的富集能力较高，胡枝子对Cu的富集能力较高（富集系数均大于0.5）。茵陈蒿和沙柳对Cd的转移能力较强，沙打旺和胡枝子对Cr的转移能力较强，杨树对Cd、Cr和Zn的转移能力较强（转移系数均大于1.0）。研究结论证明了，矿山在露天开采的过程中会使大量的微量元素裸露在地表并产生累积。土壤中富集的多重金属元素会直接破坏当地植物、气候和生态环境。在未来应重点关注矿区对生态环境产生的影响，依据植物土壤重金属污染物转移能力进行大范围种植，采取相关措施改善地方矿区生态环境。

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Analysis of PlantsDiversity and Soil Pollutant Enrichment in Yanghuopan Mining Area

FANG Song-lin

710065,

In order to explore the impact of over-exploitation and exploitation of minerals on the environmental chain and ecological chain, this paper mainly analyzed the plant diversity and soil pollutant enrichment in Yanghupan mining area, and adopted mixed sampling, random sampling and typical sampling methods to collect test samples. The results showed that there were only 16 species of herbaceous plants, 4 species of shrub plants and 2 species of arbor plants in Yanghupan mining area. The farther the plant is from the mine and the dump, the higher the plant diversity index. The soil physical and chemical properties of Yanghupan mining area are poor, and the overall environment is not conducive to plant growth. Cd, Cu, Zn and Pb concentrations of soil heavy metal pollutants are higher. Among them, the accumulation of Cd value is the highest, which has exceeded the national soil secondary environmental standards. Some of the dominant plants in the region have a certain ability to accumulate and transfer heavy metal pollutants in soil.

Mining area ecology; plants diversity; soil contamination

Q948.116

A

1000-2324(2023)05-0758-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.016

2023-10-30

2023-11-14

西安石油大学青年科研创新团队建设项目:西北能源富集区景观生态修复与农旅景观介入研究(2019QNKYCXTD22)

方松林(1980-),男,工学博士,副教授,能源矿区生态修复研究. E-mail:932206402@qq.com