江西永平銅礦排土場土壤質(zhì)量評價

摘要：對江西永平銅礦排土場土壤進行調(diào)查和理化性質(zhì)分析，運用模糊綜合評價方法對東部和西部排土場的土壤養(yǎng)分狀況和重金屬污染程度進行評價。結(jié)果表明，土壤受到銅污染最為嚴重，鎘次之，排土場土壤污染等級均為重度污染；土壤全鉀和全氮含量極低，土壤養(yǎng)分狀況極度貧乏。根據(jù)評價結(jié)果為進行生態(tài)修復(fù)提供初步建議，進行土壤生態(tài)修復(fù)過程中可以通過施加土壤改良劑、引進重金屬超積累植物和固氮植物等措施，降低重金屬毒性，改善土壤養(yǎng)分狀況，實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。

關(guān)鍵詞：排土場；養(yǎng)分；重金屬；模糊評價；生態(tài)修復(fù)；永平銅礦

中圖分類號：X53；X825 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0616-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.017

Abstract： On the basis of surveying the soil characteristics and analyzing the physicochemical properties in Yongping copper mine of Jiangxi province， the soil nutrition and heavy metals contamination of waste dumps of the west and east were assessed by using fuzzy comprehensive evaluation method. The results indicated that copper was the dominant metal contaminant in soil， cadmium the second， all the areas of the waste dumps were polluted seriously. The contents of total K and N were very low and the soil nutrients of all the soils were deficient. Therefore， it is imperative to remediate soil through measures of adding soil amendments， introducing in hyperaccumulators of heavy metals and nitrogen-fixing plants during ecological restoration， which is expected to decrease the toxicity of heavy metals and improve the soil nutrition.

Key words：waste dump；soil nutrient；heavy metal；fuzzy comprehensive evaluation；ecological restoration；Yongping copper mine

永平銅礦位于江西省上饒市永平鎮(zhèn)，是一個以銅為主富含硫鐵、鉛鋅及金銀等的綜合性礦床[1]，是中國有色金屬工業(yè)的一座大型露采礦山，銅礦開采供給礦產(chǎn)資源的同時也帶來大量環(huán)境問題。永平銅礦礦區(qū)面積1 313 hm2，已形成排土場面積近105 hm2，仍以每天11 870 t廢土石排出量擴增。排土場廢石不斷堆積，高差大，含有大量松散碎石，極易發(fā)生水土流失和滑坡危害，且土壤中含有大量重金屬，易隨礦山酸性廢水排出污染水源和周邊土壤，對礦區(qū)周邊和下游的農(nóng)田、水利和人類居住環(huán)境產(chǎn)生威脅[2-4]，礦區(qū)排土場修復(fù)顯得尤為重要。學(xué)者對礦區(qū)修復(fù)進行了大量研究[5-7]，其中植物修復(fù)和使用土壤改良劑被廣泛應(yīng)用。不同土壤植物修復(fù)方案不同，土壤改良劑的使用方案也不同，為了建立因地制宜的修復(fù)方案，有必要對排土場土壤情況展開質(zhì)量調(diào)查和評價。

土壤質(zhì)量評價的方法很多，國內(nèi)外學(xué)者常用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評價、層次分析法等方法進行土壤質(zhì)量評價。單因子指數(shù)法只能對單個因素進行評價，不能對土壤綜合狀況進行評價，層次分析法人為干擾因素較多[8]。土壤是一個有機和無機相結(jié)合的復(fù)雜綜合體，土壤質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)存在不確定性，模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法正好利用土壤質(zhì)量各個等級之間過渡的模糊性，按照不同土壤分級標(biāo)準(zhǔn)，通過建立隸屬函數(shù)在閉區(qū)間（0，1）內(nèi)連續(xù)取值來進行評價[9]。因此，模糊數(shù)學(xué)綜合評價法能夠較為客觀地對土壤質(zhì)量情況進行評價。

本研究以江西省永平銅礦東部和西部排土場土壤為研究對象，在分析土壤理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，運用模糊數(shù)學(xué)評價法對排土場不同區(qū)域土壤的養(yǎng)分情況和重金屬污染情況進行評價，并根據(jù)評價結(jié)果初步探討排土場土壤生態(tài)修復(fù)措施，為進一步進行生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

永平銅礦礦區(qū)為中亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷、夏季炎熱，雨量充沛，年平均氣溫為17.7 ℃，年降水量1 831.5 mm，年平均蒸發(fā)量1 490.1 mm，是一個以銅、硫為主的多金屬矽卡巖型礦床，礦石中金屬礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、輝銅礦、磁黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黝銅礦、白鎢礦、孔雀石等，脈石礦物主要有石英、石榴石、透輝石、陽起石、綠泥石、方解石、硬石膏等，礦區(qū)土壤主要以紅壤為主，紅黃壤次之。

1.2 樣品采集

永平銅礦東部和西部排土場作為礦區(qū)兩大廢土石堆積地，現(xiàn)在均已關(guān)停使用。為了解東西部土壤質(zhì)量狀況，根據(jù)實地情況，在東部排土場的不同區(qū)域2號攔渣壩平臺（A區(qū)）、2號攔渣壩上部邊坡（B區(qū)）、3號攔渣壩上部排土場邊坡中部平臺（C區(qū)，有少量植被）、10號攔渣壩上部邊坡（D區(qū)）分別設(shè)置4個采樣點，在西部排土場上部（S區(qū)）、中部（Z區(qū)）和下部（X區(qū)）分別設(shè)置5個采樣點。

土壤樣品采集采用蛇形法，采樣點采集深度0～30 cm，盡量避開特殊點，混合后的土樣用四分法棄去多余土樣后保留1 kg左右，附上標(biāo)簽。土樣立即帶回室內(nèi)風(fēng)干、過2 mm篩，儲存在棕色瓶中。

1.3 樣品分析和測定

土壤pH、CEC、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分含量的測定依據(jù)文獻[10]。pH采用1.0∶2.5水土比提取，靜置10 min，用pH計（pHS-3C，上海雷磁）測定，土壤機械組成采用吸管法測定，土壤陽離子交換容量（CEC）采用1 mol/L乙酸銨法測定，土壤有機質(zhì)含量采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定，土壤全氮采用半微量開氏法，土壤全鉀采用氫氟酸-高氯酸消煮法，速效鉀采用乙酸銨提取法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定。

土壤重金屬含量測定采用混酸（HF-HNO3-HClO3）微波消解-AAS法[11]，消解完用2%稀硝酸溶液定容，稀釋，然后采用原子吸收分光光度計（AAS，Z-2000，日本）測定重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 排土場土壤理化性質(zhì)分析

對研究區(qū)土壤粒級進行分級（表1），由表1可見永平銅礦排土場土壤大部分為砂土和壤土。A、B、D樣地砂粒，含量為88.23%～93.11%，其次是粉粒，含量5.31%～9.81%，黏粒含量最低，表明A、B、D 3個區(qū)域的通氣透水性較好，但保水能力較差。C區(qū)黏粒含量最高為21.90%，砂粒含量僅為29.70%。這可能與采樣點地形和植被恢復(fù)有關(guān)。西部排土場S、Z、X土壤均為壤土，表明其保水和保肥能力中等。

排土場土壤pH、CEC和土壤養(yǎng)分狀況見表2。由表可見礦區(qū)排土場土壤pH均呈酸性，其中西部上部和中部土壤pH分別為2.70、3.62，均為極強酸性，西部排土場下部pH高于上部和下部，可能原因是在西部排土場表面堆積生活垃圾。東部排土場土壤pH為5.38～6.3，土壤pH明顯高于西部，主要是由于東部排土場關(guān)停使用較久，隨著硫鐵礦氧化，酸性廢水的外排，東部土壤pH逐漸升高的緣故[12]。由土壤陽離子交換量（CEC）可見東部C區(qū)和西部下部土壤的保肥供肥能力明顯高于其他各區(qū)，東部C區(qū)有機質(zhì)、全鉀、速效鉀、有效磷的含量均明顯高于其他各區(qū)。

2.2 土壤重金屬含量

分析排土場土壤重金屬含量（表3）可見，排土場各區(qū)重金屬含量與國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比（GB15618-1995，Ⅲ級，Cu 400 mg/kg， Cd 1 mg/kg， Pb 500 mg/kg， Zn 500 mg/kg， Cr 300 mg/kg），除了西部上部（299 mg/kg）外，其余地區(qū)土壤樣品Cu含量均超過國家Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，下部含量尤其高，為4 929 mg/kg；Cd含量均超過Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，含量為2～7 mg/kg，Pb、Zn和Cr含量除了個別點超過Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)外，其余含量均在Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)界限值以下。C區(qū)銅含量高于東部其他區(qū)域，可能原因是C區(qū)處于邊坡平地，邊坡上游易遷移金屬容易隨坡面徑流遷移至此處沉積，植被的根系分泌物也容易影響重金屬含量。X區(qū)排土場重金屬含量高于其他地區(qū)，可能是由于排土場關(guān)停使用時間較短，降雨和自然分化影響作用較弱，垃圾堆肥穩(wěn)定化等綜合因素引起的。

2.3 土壤重金屬污染與土壤養(yǎng)分評價

2.3.1 確定評價因子與評價標(biāo)準(zhǔn)

1）在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦區(qū)排土場土壤重金屬的含量，選取Cu、Pb、Zn、Cr、Cd 5個主要重金屬污染元素作為評價因子，因子集為U1={Cu，Pb，Zn，Cr，Cd}。根據(jù)國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）、江西省土壤背景值及文獻[9，14，15]，將土壤重金屬污染等級分成5個級別（表4），評價集為V1={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

2）土壤養(yǎng)分評價的因子集為U2={有機質(zhì)，全N，全K，速效K，有效P}。根據(jù)中國第二次土壤普查中土壤養(yǎng)分的分級標(biāo)準(zhǔn)將土壤養(yǎng)分分為5級（表5），評價集為V2={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

2.3.2 隸屬度計算 各個等級的隸屬度（rij）計算采用降半梯形分布隸屬度函數(shù)[16]，計算方法如下：

當(dāng)評價等級（j）=1時，

rij= 1 Ci≤Si1（Si2-Ci）/（Si2-Si1） Si1

當(dāng)評價等級1

rij= 0 Ci≤Si（j-1），Ci≥Si（j+1）（Ci-Si（j-1））/（Sij-Si（j-1）） Si（j-1）

當(dāng)評價等級j=5時，

rij= 0 Ci≤Si4（Si2-Ci）/（Si2-Si1） Si4

式中，rij表示第i種評價因子隸屬于第j等級的隸屬度，Sij為第i種因子第j等級的標(biāo)準(zhǔn)值，Ci為第i種因子的實測值。

經(jīng)計算可以得到各個區(qū)域不同重金屬元素和不同養(yǎng)分因子的隸屬度，綜合后得到7個評價區(qū)域的模糊關(guān)系矩陣R1i和R2i。

2.3.3 不同評價因子權(quán)重計算 各評價因子在相同區(qū)域中作用大小不同，在不同區(qū)域所起作用也不同，因此用相對污染值法計算各評價因子的權(quán)重：

ai=（Ci-Si）/[■（Ci-Si）]，

式中，ai為第i種評價因子的權(quán)重，Si為第i種因子各級土壤重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值，Ci為第i種因子的實測值。

由以上公式計算得到7個區(qū)域不同評價因子的權(quán)重向量，進行歸一化處理后結(jié)果見表6、表7。可見銅是排土場土壤重金屬污染的主要因子，鎘是僅次于銅的重金屬污染因子，其他評價因子的權(quán)重都較小，此外西部上部區(qū)域權(quán)重因子較少，表明其土壤受銅污染相對較輕。各個區(qū)域土壤養(yǎng)分情況差別不大，速效鉀對土壤養(yǎng)分的貢獻率最大，全鉀的貢獻率最小，其中東部C區(qū)和西部下部土壤有機質(zhì)的權(quán)重較大。

2.3.4 土壤模糊綜合評價 由于所選取的評價因子對土壤養(yǎng)分和重金屬污染程度均有一定的影響，為了使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確，避免因權(quán)重太小而造成的信息丟失，采用加權(quán)平均型算法（M“·，+”算子）進行綜合評價，計算公式為：

bj=■（ai·rij）

式中，bj為評價區(qū)域隸屬于第j等級的隸屬度，ai為第i種評價因子的權(quán)重，rij表示第i種評價因子隸屬于第j等級的隸屬度。

可得永平銅礦排土場各區(qū)域重金屬污染模糊綜合評價和土壤養(yǎng)分模糊綜合評價的結(jié)果向量（表8、表9）。根據(jù)最大隸屬度原則，可見永平銅礦排土場各區(qū)域土壤污染程度均屬于重度污染，其中西部下部區(qū)域Ⅴ級（重污染）的隸屬度最大，表明該區(qū)域受重金屬污染程度最嚴重。西部上部區(qū)域隸屬于Ⅴ級的隸屬度最小，表明該區(qū)域受重金屬污染程度最輕。排土場所有土樣除了C點，極貧乏（I）等級的隸屬度最大，處于0.713 6～0.928 6之間，表明排土場土壤養(yǎng)分極度貧乏。排土場C區(qū)土壤養(yǎng)分情況屬于貧乏偏適量，土壤養(yǎng)分狀況明顯優(yōu)于其他各區(qū)。

3 小結(jié)與討論

1）永平銅礦排土場土壤大多為酸性和極強酸性土壤，土壤組成大部分為砂土和壤土。除了C和X兩個樣地，其他土壤CEC均小于10 cmol/kg，土壤保肥和供肥能力較弱。

2）永平銅礦排土場均屬于重度污染，其中銅的污染狀況最嚴重，其次是鎘。鎘具有很強的遷移性，銅遷移性僅次于鋅和鉛，很容易向周圍環(huán)境擴散遷移[17，18]，對排土場進行生態(tài)修復(fù)應(yīng)當(dāng)注意進行穩(wěn)定化治理。

3）永平銅礦土壤養(yǎng)分狀況極度貧乏，西部下部和東部C區(qū)土壤有機質(zhì)與其他區(qū)域有差異，可能與該區(qū)域存在垃圾堆肥和生長少量植被有關(guān)，表明添加土壤改良劑有望明顯改善土壤的養(yǎng)分狀況，種植適當(dāng)?shù)闹参镞M行土壤植物修復(fù)同樣有利于改善土壤的養(yǎng)分狀況。根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況，排土場土壤極其缺乏氮素，因此在植被復(fù)墾實踐過程應(yīng)引進固氮樹種，增加土壤氮素含量。

4）排土場土壤模糊綜合評價結(jié)果表明妨礙排土場植被復(fù)墾的兩大限制因素為極高重金屬含量和極度貧乏的土壤養(yǎng)分狀況。以往研究表明在土壤中施加堆肥、磷肥、磷礦石、磷酸、草木灰等能夠固定重金屬遷移和增加土壤營養(yǎng)狀況[19-22]。因此后期排土場生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵舉措是結(jié)合必要的土壤改良措施，實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定化和固定化以及土壤養(yǎng)分狀況改良，引進重金屬超累積植物和固氮植物。

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