鐵尾礦區(qū)不同復(fù)墾模式土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

王 煜，呂春娟

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

隨著全球環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，土壤污染問題已經(jīng)成為環(huán)境問題中不可忽略的部分[1-2]，而礦區(qū)尾礦的排棄和堆放不僅占用了大量土地，更對(duì)土壤污染造成一定影響。

目前，國外對(duì)尾礦的研究熱點(diǎn)主要有：閉庫后，其對(duì)水、土環(huán)境所造成的重金屬污染，廢棄設(shè)施的回收和處理及尾礦庫關(guān)閉后環(huán)境修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)及重金屬對(duì)水和土壤的持續(xù)污染研究等[3-4]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，伴隨著我國區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，土壤正在遭受著更多的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢物及其他人類活動(dòng)產(chǎn)出的廢水、廢渣和廢氣的困擾，土壤重金屬的污染問題日益凸顯，直接影響著土壤質(zhì)量和人體健康[5]，給可持續(xù)發(fā)展帶來了不利影響[6]。因此，我國更為關(guān)注基于“污染”的土壤環(huán)境質(zhì)量的研究[7]。王少華等[8]研究結(jié)果表明，在已廢棄20 多年的某尾礦池周圍環(huán)境中，其重金屬污染現(xiàn)象仍然嚴(yán)重。黃興星等[9]對(duì)北京市某水庫的金礦和鐵礦尾礦庫區(qū)重金屬污染進(jìn)行了比較調(diào)查，結(jié)果表明，2 個(gè)庫區(qū)周邊土壤重金屬的含量都大大超過當(dāng)?shù)乇尘爸怠ANDEIAS 等[10]應(yīng)用數(shù)學(xué)多元統(tǒng)計(jì)方法研究Aljustrel 尾礦庫區(qū)重金屬的污染狀態(tài)，結(jié)果認(rèn)為多個(gè)尾礦壩區(qū)重金屬嚴(yán)重污染。毛香菊等[11]利用單項(xiàng)污染和Nemero 綜合污染評(píng)價(jià)南京鐵尾礦庫中重金屬的污染，結(jié)果表明，覆土層中的重金屬含量遠(yuǎn)超過了沒有受采礦活動(dòng)影響的鄰近場(chǎng)地土壤背景值。黃凱等[12]采用地累積指數(shù)法和潛在風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)法探討了研究區(qū)的土壤重金屬污染水平，結(jié)果表明，其含量普遍高于河南省土壤背景值。土壤質(zhì)量為土壤肥力、環(huán)境和健康這三者質(zhì)量的一個(gè)全面概括衡量指標(biāo)，同樣也是土壤保持生產(chǎn)力、維持環(huán)境潔凈能力以及保證動(dòng)物和植物健康能力的集中表現(xiàn)[13]。礦區(qū)復(fù)墾土壤的環(huán)境質(zhì)量情況的好壞是礦區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能否正常開展以及人體健康是否安全的重要問題。所以，在礦區(qū)土地復(fù)墾及生態(tài)重構(gòu)期間，土壤的環(huán)境質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)是應(yīng)該首要研究的重要問題[14]。但是目前對(duì)鐵尾礦區(qū)經(jīng)不同復(fù)墾模式復(fù)墾后的土壤還未進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，影響了鐵尾礦庫復(fù)墾土壤的持續(xù)開發(fā)利用。

本研究以不同復(fù)墾模式下的尾礦庫小區(qū)為目標(biāo)對(duì)象，對(duì)經(jīng)過復(fù)墾后的土壤質(zhì)量狀況實(shí)行調(diào)查監(jiān)測(cè)，以評(píng)價(jià)重金屬污染狀況，探究幾個(gè)不同復(fù)墾模式的土壤下7 種重金屬（Cr、Cu、Cd、Ni、Zn、As 及Pb）的污染現(xiàn)狀，比較不同復(fù)墾重構(gòu)模式下表層7 種重金屬含量的大小及影響因素，旨在對(duì)未來該庫區(qū)的復(fù)墾和建設(shè)提供一定的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為泉子溝尾礦庫（干堆），位于垣曲縣皋落鄉(xiāng)李家窯村泉子溝內(nèi)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°35′～112°20′，北緯34°57′～35°27′。該庫的總庫容量為430 萬m3，占地面積約為73.3 hm2。境內(nèi)礦產(chǎn)和水資源頗為充足，但是由于該地礦產(chǎn)資源多且散的分布特征，多年來不合理地開發(fā)與利用，形成了很多廢棄地，破壞了土地資源，引起區(qū)域生態(tài)質(zhì)量下降，使原本復(fù)雜的地形更加復(fù)雜，農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重影響，水資源日益銳減，相關(guān)部門在幾年前已對(duì)垣曲縣周圍的尾礦庫先后進(jìn)行了相關(guān)復(fù)墾工作。

1.2 土壤樣品的采集

研究區(qū)鐵尾礦區(qū)設(shè)有6 種復(fù)墾模式處理小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m×5 m，表層30 cm 用不同的基質(zhì)處理，分別用T1、T2、T3、T4、T5、T6 表示；CK為純尾礦砂，沒有任何植被和基質(zhì)處理措施（表1）。在每個(gè)復(fù)墾小區(qū)對(duì)角線中心部分挖掘出約50 cm×50 cm的土壤剖面，并將土壤層分開10，20，30，40 cm采集土樣（編號(hào)分別為T1-1～T1-4、T2-1～T2-4、T3-1～T3-4、T4-1～T4-4、T5-1～T5-4、T6-1～T6-4、CK-1）。采集的土樣用透明封口塑料袋密封，袋上用記號(hào)筆標(biāo)注樣品采集復(fù)墾小區(qū)和深度，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和分析。將土樣置于實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行自然風(fēng)干，并去除多余雜質(zhì)，后進(jìn)行研磨、篩分、混合均勻以備使用。

表1 不同模式復(fù)墾小區(qū)基本情況

1.3 土壤樣品測(cè)定項(xiàng)目及方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，選擇對(duì)該礦區(qū)7 種影響較大的污染元素Cd、Pb、Ni、Zn、Cu、Cr、As 作為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)因子。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）測(cè)定土樣中Pb、Ni、Cr、Cu、Cd、Zn 元素含量；采用原子熒光光譜法（AFS）測(cè)定As 的含量；pH 值采用電位法測(cè)定。

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)合本研究區(qū)實(shí)際情況，采用2018 年環(huán)境保護(hù)部最新修訂的《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（3 次征求意見稿）》作為國家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和多樣性，還擇用了該研究區(qū)毗鄰區(qū)土壤背景值（英言村）及山西省土壤背景值這2個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)共同作為該區(qū)復(fù)墾土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 各參考標(biāo)準(zhǔn)的土壤重金屬含量 mg/kg

1.4.2 評(píng)價(jià)方法 結(jié)合本研究區(qū)實(shí)際情況，選用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來進(jìn)行污染綜合評(píng)價(jià)。選用的這2 種評(píng)價(jià)方法均是國內(nèi)外廣為運(yùn)用的方法。

1.4.2.1 單因子指數(shù)法 其是通過評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤中的某一單項(xiàng)指標(biāo)的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。其計(jì)算公式如下。

式中，Pi為土壤中污染物i 的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i 的含量（mg/kg）；Si為污染物i 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg），根據(jù)Pi的大小將土壤污染程度進(jìn)行劃分，最終劃分成5 個(gè)級(jí)別（表3）。

表3 單因子污染指數(shù)污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 該方法不僅可以反映出土壤中各個(gè)污染物綜合污染程度的平均水平，還可以突出其中數(shù)值最高，即污染最為嚴(yán)重的某項(xiàng)污染物給整體環(huán)境帶來的損傷[16]。其計(jì)算公式如下。

式中，PN為某土壤樣品的綜合污染指數(shù)；Pmax為各污染物中污染指數(shù)的最大值；Pˉ是污染指數(shù)的平均值。該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)被分為5 個(gè)等級(jí)：PN≤0.7 為清潔（安全級(jí)），0.7＜PN≤1.0 為警戒線，1.0＜PN≤2.0 為輕度污染，2.0＜PN≤3.0 為中度污染，PN＞3.0 為重度污染（表4）。

表4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾模式土壤重金屬含量特征分析

從表5 可以看出，Cu 含量為11.20～123.40 mg/kg，平均值為100.96 mg/kg，是7 種重金屬中唯一的3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都超標(biāo)的元素，其含量分別超國家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的0.85～1.13 倍，超毗鄰區(qū)土壤背景值的2.82～3.78 倍，超山西省背景值的3.69～4.94 倍，從超標(biāo)率大小來看，后二者都高達(dá)100%，說明該礦庫中土壤的Cu 元素污染較為嚴(yán)重；其他6 種重金屬元素都符合國家標(biāo)準(zhǔn)的正常范圍。Ni 和Zn 這2 種金屬元素全超過毗鄰區(qū)背景值和山西省背景值，二者都100%超標(biāo)；而Cd、Cr、Pb 元素只是超過山西背景值而并未超過毗鄰區(qū)背景值，超標(biāo)倍數(shù)區(qū)間在0.12 ～1.84，超標(biāo)率分別為24.0%，43.5%和39.1%，表明運(yùn)城市的Cd、Cr、Pb 等3 種元素的背景值本身偏高，這一表現(xiàn)與史崇文等[17]在《山西土壤元素背景值及其特征》的研究所得到的結(jié)論基本一致。

表5 鐵尾礦區(qū)不同復(fù)墾模式土壤重金屬含量及污染超標(biāo)率

從表5 可以看出，所有復(fù)墾模式中，Ni、Zn 的變異系數(shù)較小，分別為0.05，0.07；而Cd、As、Cr、Pb 的變異系數(shù)相對(duì)較大，分別為0.90，0.41，0.47，0.48，表明其含量在空間上分布不均勻，離散程度高，變異系數(shù)越大，表明人為活動(dòng)干擾的作用越強(qiáng)烈[11]，結(jié)果說明對(duì)礦區(qū)實(shí)施復(fù)墾已經(jīng)在一定程度上對(duì)該地區(qū)土壤的重金屬含量產(chǎn)生影響。

2.2 不同復(fù)墾模式表層土壤重金屬含量比較

對(duì)不同復(fù)墾模式表層土壤（0～10 cm）7 種重金屬（Zn、Cd、Pb、As、Cu、Ni、Cr）進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯▓D1），不同復(fù)墾模式對(duì)不同重金屬具有不同程度的改進(jìn)，綜合比較發(fā)現(xiàn)，T3、T4、T5 這3 種模式土壤表層重金屬含量略低，T1、T2、T6 的表層重金屬含量略高，特別是T6 這種模式中，Cd、Ni 這2 種元素的土壤表層含量值均遠(yuǎn)高于其他復(fù)墾模式，其中，Cd 元素土壤表層的含量值是其余模式Cd 含量值的1.6～15.5 倍。從圖1 還可以看出，在T1、T2 表面土層中，Cd、As、Ni、Cr 這4 種金屬含量稍高于T3、T4。T1 和T2 復(fù)墾基質(zhì)中添加相同比例的土壤，T3 和T4 復(fù)墾基質(zhì)中添加相同比例的菌糠，而T1 與T3、T2 與T4 復(fù)墾植被類型相同，由此說明在純尾礦砂中添加菌糠比添加土壤能更有效地降低Cd、As、Ni、Cr 元素的含量，T3 和T4 的平均值分別比T1和T2 的平均值降低了0.07，5.7，9.24，33.77 mg/kg。復(fù)墾植被對(duì)土壤重金屬的改良效果在復(fù)墾初期尚未體現(xiàn)，可能需要更長的時(shí)間去驗(yàn)證。但是對(duì)于Pb、Cu 元素，其在T1、T2 表層含量則低于T3、T4，與Cd、As、Ni、Cr 金屬元素的結(jié)論則相反，說明對(duì)于Pb 和Cu 而言，在純尾礦砂中添加土壤比菌糠更能起到好的改良效果。因此，應(yīng)針對(duì)不同的重金屬，采用不同的改良方法降低其含量，對(duì)于本研究區(qū)重金屬的分布特征，添加土壤的效果可能更好。

CK 為未實(shí)施任何復(fù)墾措施（基質(zhì)為純尾礦砂，無復(fù)墾植被）的模式，Zn 元素雖在各個(gè)復(fù)墾模式中的含量大小變化不明顯，但是與CK 相比，可發(fā)現(xiàn)其在其他復(fù)墾模式中的含量略有降低，平均降低了15.3%；Cu、Ni、Cr 元素也比CK 分別平均降低了21.63%，5.69%，64.58%，結(jié)果顯示，經(jīng)過改進(jìn)，這些重金屬污染的改善效果取得了初步成效。圖1 結(jié)果還顯示，Cd、As、Pb 這3 種元素在CK 之中的含量反而低于其經(jīng)過改良復(fù)墾的含量，經(jīng)過測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)，由于在這些復(fù)墾模式改良基質(zhì)中添加的土壤的背景值本身就偏大，其含量遠(yuǎn)超過在純尾礦中的重金屬含量。但不同復(fù)墾模式添加的土壤與菌糠的各項(xiàng)重金屬含量均未超標(biāo)準(zhǔn)值，因而對(duì)于Cd、As 和Pb 元素，它們的改良效果還需下一部觀測(cè)研究。

2.3 不同復(fù)墾模式土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)

由表6 可知，各個(gè)復(fù)墾模式下重金屬單因子污染指數(shù)（Pi）的數(shù)值大多數(shù)未超標(biāo)，Cd、As、Cr、Ni、Zn、Pb 這6 種重金屬的單因子污染指數(shù)（Pi）均小于1，為I 級(jí)，并未受到污染；僅發(fā)現(xiàn)Cu 的Pi 值超標(biāo)，數(shù)值多數(shù)處在1～2，為II 級(jí)，輕微污染；但在T1、T2、T4、T6 表層的Pi 小于1，屬于無污染。不同復(fù)墾模式中的PN大部分介于0.7～1.0，屬于II 級(jí)，是尚清潔土壤，僅T1、T2 表層土壤（0～10 cm）達(dá)到清潔土壤。進(jìn)一步分析各重金屬元素對(duì)于綜合污染指數(shù)的貢獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，相同土層Cu 的單項(xiàng)污染指數(shù)均為其他重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的數(shù)倍至數(shù)十倍，說明Cu對(duì)土壤PN的分擔(dān)率最大，其次是Zn 和Ni，As、Cd、Cr 和Pb 這幾種元素的分擔(dān)率相對(duì)偏小。因此，所有復(fù)墾模式中大部分PN之所以達(dá)到尚清潔（警戒級(jí)），主要是因?yàn)橥寥乐蠧u 元素單因子污染指數(shù)較大，才會(huì)讓PN值整體都偏大。Cu 元素的含量高，會(huì)造成諸多危害。楊元根等[18]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中Cu 元素的含量愈高，土壤微生物的生物量就愈低；還有研究表明[19]，當(dāng)人體攝入超標(biāo)的Cu 時(shí)，就會(huì)在人類肝臟中積累，從而引起肝癌、肝硬化等疾病[20]。

縱向比較每種復(fù)墾模式的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的土壤剖面變化發(fā)現(xiàn)，其指數(shù)大小大致呈現(xiàn)出底部高、表層低的特點(diǎn)。從表6 還可以看出，該尾礦庫區(qū)經(jīng)過3 a 左右的復(fù)墾改良，不同復(fù)墾模式下的土壤已大部分屬于尚清潔（警戒級(jí)）土壤，只有Cu 元素仍屬于輕微污染，其余金屬均達(dá)到無污染，此結(jié)果與該區(qū)域地質(zhì)條件、富有大型銅礦有關(guān)。因此，對(duì)該鐵尾礦庫土壤復(fù)墾時(shí)可能導(dǎo)致Cu 元素污染的廢棄物料，應(yīng)該加強(qiáng)深層清潔無害處理，同時(shí)，還應(yīng)通過增加土壤覆蓋厚度、添加有機(jī)肥或加強(qiáng)礦山植被恢復(fù)來避免重金屬持續(xù)污染。

表6 不同復(fù)墾模式土壤重金屬元素內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析

3 結(jié)論

本研究表明，不同復(fù)墾模式土壤中的7 種重金屬，與國家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比，除Cu 超標(biāo)率為91.3%外，其他6 種元素（Cd、Cr、As、Ni、Zn、Pb）都低于該標(biāo)準(zhǔn)；與尾礦毗鄰區(qū)背景值和山西省背景值進(jìn)行比較，Ni、Cu 和Zn 這3 種 金 屬 元 素 超 標(biāo) 率 全 為100%，其他元素全未超過毗鄰區(qū)背景值，Cd、Cr、Pb超過山西省背景值，但超標(biāo)率不大，全部低于50%。

對(duì)于大部分重金屬而言，6 種復(fù)墾模式與CK對(duì)比，其含量均有所降低；不同復(fù)墾模式對(duì)于不同重金屬的改良效果不同，對(duì)于Cd、As、Ni、Cr 而言，尾礦砂摻菌糠的復(fù)墾模式（T3、T4）改良效果要優(yōu)于尾礦砂摻土壤（T1、T2）的復(fù)墾模式；對(duì)于Pb 和Cu，則添加土壤比菌糠的改良效果好。植被對(duì)于重金屬的改良效果尚需要較長時(shí)期的觀測(cè)驗(yàn)證。

不同復(fù)墾模式下重金屬單因子污染指數(shù)，除Cu 輕微污染外，Cd、Cr、As、Ni、Zn、Pb 均不受污染；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)PN表明，不同模式復(fù)墾的土壤大多沒有受到嚴(yán)重污染，為尚清潔土壤。

本研究對(duì)6 種復(fù)墾模式下土壤中的7 種重金屬進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，比較了不同復(fù)墾模式下表層各個(gè)重金屬的含量大小及改良效果，但由于該尾礦庫復(fù)墾改良時(shí)間較短（僅3 a 左右），某些復(fù)墾模式的相關(guān)規(guī)律目前還不很明顯，本研究也沒有具體探明這幾種不同復(fù)墾模式改變土壤環(huán)境質(zhì)量的基質(zhì)問題。因此，還需要對(duì)其進(jìn)行長期觀察和進(jìn)一步探討研究，以探尋較好鐵尾礦庫的復(fù)墾模式。