鐵尾礦區不同復墾模式土壤環境質量評價

王 煜，呂春娟

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

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

目前，國外對尾礦的研究熱點主要有：閉庫后，其對水、土環境所造成的重金屬污染，廢棄設施的回收和處理及尾礦庫關閉后環境修復風險及重金屬對水和土壤的持續污染研究等[3-4]。進入21 世紀后，伴隨著我國區域社會經濟的飛速發展，土壤正在遭受著更多的工農業生產廢物及其他人類活動產出的廢水、廢渣和廢氣的困擾，土壤重金屬的污染問題日益凸顯，直接影響著土壤質量和人體健康[5]，給可持續發展帶來了不利影響[6]。因此，我國更為關注基于“污染”的土壤環境質量的研究[7]。王少華等[8]研究結果表明，在已廢棄20 多年的某尾礦池周圍環境中，其重金屬污染現象仍然嚴重。黃興星等[9]對北京市某水庫的金礦和鐵礦尾礦庫區重金屬污染進行了比較調查，結果表明，2 個庫區周邊土壤重金屬的含量都大大超過當地背景值。CANDEIAS 等[10]應用數學多元統計方法研究Aljustrel 尾礦庫區重金屬的污染狀態，結果認為多個尾礦壩區重金屬嚴重污染。毛香菊等[11]利用單項污染和Nemero 綜合污染評價南京鐵尾礦庫中重金屬的污染，結果表明，覆土層中的重金屬含量遠超過了沒有受采礦活動影響的鄰近場地土壤背景值。黃凱等[12]采用地累積指數法和潛在風險危害指數法探討了研究區的土壤重金屬污染水平，結果表明，其含量普遍高于河南省土壤背景值。土壤質量為土壤肥力、環境和健康這三者質量的一個全面概括衡量指標，同樣也是土壤保持生產力、維持環境潔凈能力以及保證動物和植物健康能力的集中表現[13]。礦區復墾土壤的環境質量情況的好壞是礦區農業生產能否正常開展以及人體健康是否安全的重要問題。所以，在礦區土地復墾及生態重構期間，土壤的環境質量是否達標是應該首要研究的重要問題[14]。但是目前對鐵尾礦區經不同復墾模式復墾后的土壤還未進行土壤環境質量評價，影響了鐵尾礦庫復墾土壤的持續開發利用。

本研究以不同復墾模式下的尾礦庫小區為目標對象，對經過復墾后的土壤質量狀況實行調查監測，以評價重金屬污染狀況，探究幾個不同復墾模式的土壤下7 種重金屬（Cr、Cu、Cd、Ni、Zn、As 及Pb）的污染現狀，比較不同復墾重構模式下表層7 種重金屬含量的大小及影響因素，旨在對未來該庫區的復墾和建設提供一定的基礎理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區為泉子溝尾礦庫（干堆），位于垣曲縣皋落鄉李家窯村泉子溝內，其地理坐標為東經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。境內礦產和水資源頗為充足，但是由于該地礦產資源多且散的分布特征，多年來不合理地開發與利用，形成了很多廢棄地，破壞了土地資源，引起區域生態質量下降，使原本復雜的地形更加復雜，農村的經濟發展受到嚴重影響，水資源日益銳減，相關部門在幾年前已對垣曲縣周圍的尾礦庫先后進行了相關復墾工作。

1.2 土壤樣品的采集

研究區鐵尾礦區設有6 種復墾模式處理小區，每個小區面積為20 m×5 m，表層30 cm 用不同的基質處理，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處理措施（表1）。在每個復墾小區對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，袋上用記號筆標注樣品采集復墾小區和深度，帶回實驗室進行處理和分析。將土樣置于實驗室中進行自然風干，并去除多余雜質，后進行研磨、篩分、混合均勻以備使用。

表1 不同模式復墾小區基本情況

1.3 土壤樣品測定項目及方法

根據國家標準，選擇對該礦區7 種影響較大的污染元素Cd、Pb、Ni、Zn、Cu、Cr、As 作為土壤環境質量評價因子。采用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）測定土樣中Pb、Ni、Cr、Cu、Cd、Zn 元素含量；采用原子熒光光譜法（AFS）測定As 的含量；pH 值采用電位法測定。

1.4 評價標準與方法

1.4.1 評價標準 結合本研究區實際情況，采用2018 年環境保護部最新修訂的《農用地土壤環境質量標準（3 次征求意見稿）》作為國家評價標準。為了評價的準確性和多樣性，還擇用了該研究區毗鄰區土壤背景值（英言村）及山西省土壤背景值這2個參考標準共同作為該區復墾土壤的環境質量評價標準（表2）。

表2 各參考標準的土壤重金屬含量 mg/kg

1.4.2 評價方法 結合本研究區實際情況，選用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法來進行污染綜合評價。選用的這2 種評價方法均是國內外廣為運用的方法。

1.4.2.1 單因子指數法 其是通過評價標準對土壤中的某一單項指標的污染程度進行評價[15]。其計算公式如下。

式中，Pi為土壤中污染物i 的環境質量指數；Ci為污染物i 的含量（mg/kg）；Si為污染物i 的評價標準（mg/kg），根據Pi的大小將土壤污染程度進行劃分，最終劃分成5 個級別（表3）。

表3 單因子污染指數污染評價分級標準

1.4.2.2 內梅羅綜合污染指數法 該方法不僅可以反映出土壤中各個污染物綜合污染程度的平均水平，還可以突出其中數值最高，即污染最為嚴重的某項污染物給整體環境帶來的損傷[16]。其計算公式如下。

式中，PN為某土壤樣品的綜合污染指數；Pmax為各污染物中污染指數的最大值；Pˉ是污染指數的平均值。該評價標準被分為5 個等級：PN≤0.7 為清潔（安全級），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 內梅羅綜合污染指數土壤環境質量評價分級標準

2 結果與分析

2.1 不同復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 個標準都超標的元素，其含量分別超國家評價標準的0.85～1.13 倍，超毗鄰區土壤背景值的2.82～3.78 倍，超山西省背景值的3.69～4.94 倍，從超標率大小來看，后二者都高達100%，說明該礦庫中土壤的Cu 元素污染較為嚴重；其他6 種重金屬元素都符合國家標準的正常范圍。Ni 和Zn 這2 種金屬元素全超過毗鄰區背景值和山西省背景值，二者都100%超標；而Cd、Cr、Pb 元素只是超過山西背景值而并未超過毗鄰區背景值，超標倍數區間在0.12 ～1.84，超標率分別為24.0%，43.5%和39.1%，表明運城市的Cd、Cr、Pb 等3 種元素的背景值本身偏高，這一表現與史崇文等[17]在《山西土壤元素背景值及其特征》的研究所得到的結論基本一致。

表5 鐵尾礦區不同復墾模式土壤重金屬含量及污染超標率

從表5 可以看出，所有復墾模式中，Ni、Zn 的變異系數較小，分別為0.05，0.07；而Cd、As、Cr、Pb 的變異系數相對較大，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，變異系數越大，表明人為活動干擾的作用越強烈[11]，結果說明對礦區實施復墾已經在一定程度上對該地區土壤的重金屬含量產生影響。

2.2 不同復墾模式表層土壤重金屬含量比較

對不同復墾模式表層土壤（0～10 cm）7 種重金屬（Zn、Cd、Pb、As、Cu、Ni、Cr）進行橫向對比可以看出（圖1），不同復墾模式對不同重金屬具有不同程度的改進，綜合比較發現，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高于其他復墾模式，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 復墾基質中添加相同比例的土壤，T3 和T4 復墾基質中添加相同比例的菌糠，而T1 與T3、T2 與T4 復墾植被類型相同，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。復墾植被對土壤重金屬的改良效果在復墾初期尚未體現，可能需要更長的時間去驗證。但是對于Pb、Cu 元素，其在T1、T2 表層含量則低于T3、T4，與Cd、As、Ni、Cr 金屬元素的結論則相反，說明對于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，應針對不同的重金屬，采用不同的改良方法降低其含量，對于本研究區重金屬的分布特征，添加土壤的效果可能更好。

CK 為未實施任何復墾措施（基質為純尾礦砂，無復墾植被）的模式，Zn 元素雖在各個復墾模式中的含量大小變化不明顯，但是與CK 相比，可發現其在其他復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%，結果顯示，經過改進，這些重金屬污染的改善效果取得了初步成效。圖1 結果還顯示，Cd、As、Pb 這3 種元素在CK 之中的含量反而低于其經過改良復墾的含量，經過測定分析發現，由于在這些復墾模式改良基質中添加的土壤的背景值本身就偏大，其含量遠超過在純尾礦中的重金屬含量。但不同復墾模式添加的土壤與菌糠的各項重金屬含量均未超標準值，因而對于Cd、As 和Pb 元素，它們的改良效果還需下一部觀測研究。

2.3 不同復墾模式土壤重金屬綜合污染評價

由表6 可知，各個復墾模式下重金屬單因子污染指數（Pi）的數值大多數未超標，Cd、As、Cr、Ni、Zn、Pb 這6 種重金屬的單因子污染指數（Pi）均小于1，為I 級，并未受到污染；僅發現Cu 的Pi 值超標，數值多數處在1～2，為II 級，輕微污染；但在T1、T2、T4、T6 表層的Pi 小于1，屬于無污染。不同復墾模式中的PN大部分介于0.7～1.0，屬于II 級，是尚清潔土壤，僅T1、T2 表層土壤（0～10 cm）達到清潔土壤。進一步分析各重金屬元素對于綜合污染指數的貢獻發現，相同土層Cu 的單項污染指數均為其他重金屬單項污染指數的數倍至數十倍，說明Cu對土壤PN的分擔率最大，其次是Zn 和Ni，As、Cd、Cr 和Pb 這幾種元素的分擔率相對偏小。因此，所有復墾模式中大部分PN之所以達到尚清潔（警戒級），主要是因為土壤中Cu 元素單因子污染指數較大，才會讓PN值整體都偏大。Cu 元素的含量高，會造成諸多危害。楊元根等[18]研究發現，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]，當人體攝入超標的Cu 時，就會在人類肝臟中積累，從而引起肝癌、肝硬化等疾病[20]。

縱向比較每種復墾模式的內梅羅綜合污染指數的土壤剖面變化發現，其指數大小大致呈現出底部高、表層低的特點。從表6 還可以看出，該尾礦庫區經過3 a 左右的復墾改良，不同復墾模式下的土壤已大部分屬于尚清潔（警戒級）土壤，只有Cu 元素仍屬于輕微污染，其余金屬均達到無污染，此結果與該區域地質條件、富有大型銅礦有關。因此，對該鐵尾礦庫土壤復墾時可能導致Cu 元素污染的廢棄物料，應該加強深層清潔無害處理，同時，還應通過增加土壤覆蓋厚度、添加有機肥或加強礦山植被恢復來避免重金屬持續污染。

表6 不同復墾模式土壤重金屬元素內梅羅綜合污染指數分析

3 結論

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

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

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

本研究對6 種復墾模式下土壤中的7 種重金屬進行了綜合評價，比較了不同復墾模式下表層各個重金屬的含量大小及改良效果，但由于該尾礦庫復墾改良時間較短（僅3 a 左右），某些復墾模式的相關規律目前還不很明顯，本研究也沒有具體探明這幾種不同復墾模式改變土壤環境質量的基質問題。因此，還需要對其進行長期觀察和進一步探討研究，以探尋較好鐵尾礦庫的復墾模式。