鋁礦區(qū)復(fù)墾土地重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王 雄

(山西省水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)中心，030002，太原)

山西是我國(guó)重要的能源基地，煤、鐵、鋁等多種礦產(chǎn)資源豐富，在對(duì)這些礦產(chǎn)進(jìn)行開(kāi)采的時(shí)候，不僅破壞大量土地，減少植被，造成水土資源流失，而且導(dǎo)致許多有危害的非金屬和金屬元素會(huì)發(fā)生擴(kuò)散和遷移，從而對(duì)土壤、農(nóng)產(chǎn)品、地表水和地下水形成污染，并最終通過(guò)食物鏈危害人體健康[1-2]。因此，對(duì)尾礦進(jìn)行科學(xué)復(fù)墾，逐步恢復(fù)可耕性，發(fā)揮其生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是針對(duì)尾礦治理的主要目的。

尾礦復(fù)墾方式、復(fù)墾后土地質(zhì)量狀況對(duì)復(fù)墾土地的再次利用具有重要的影響。對(duì)復(fù)墾土地進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，是研究礦區(qū)土地復(fù)墾的主要內(nèi)容之一，尤其是針對(duì)復(fù)墾后土壤的重金屬含量狀況[1]。目前，評(píng)價(jià)復(fù)墾土壤重金屬污染的方法比較多，其中瑞典科學(xué)家Hakanson[2]所提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(potential ecological risk index)法能反映某一環(huán)境污染物的綜合影響程度，并能指出比較嚴(yán)重的污染物質(zhì)，對(duì)針對(duì)性地控制污染物具有重要的指導(dǎo)作用[3-4]，在重金屬污染評(píng)價(jià)方面得到了較廣的應(yīng)用。

山西孝義鋁礦是我國(guó)目前開(kāi)采量最大的鋁土礦山之一[1]，在開(kāi)采過(guò)程中，有許多種類的伴生元素會(huì)發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化，并形成生態(tài)危害；因此，在開(kāi)采過(guò)程中采用開(kāi)采和治理相結(jié)合的管理制度，對(duì)廢棄和裸露地分批次地進(jìn)行覆土復(fù)墾治理，盡量降低其生態(tài)危害，使其逐步恢復(fù)可耕性或達(dá)到自然植被恢復(fù)的條件。土地復(fù)墾后，地形條件不同，復(fù)墾后土地質(zhì)量狀況也存在差異，而且地形條件不同，復(fù)墾后土地的利用方式也不同；因此，復(fù)墾土地質(zhì)量狀況受自然地形條件和后期利用方式的雙重影響。針對(duì)不同利用方式條件下土壤重金屬方面的研究較多，但對(duì)地形條件和耕作層土壤重金屬方面的研究還較少；因此，為了了解孝義鋁礦復(fù)墾后土地重金屬的含量和分布情況，筆者以不同坡度復(fù)墾土地的耕作層土壤為對(duì)象，對(duì)土壤質(zhì)量及食物鏈危害較大的砷、鎘、鉻、銅、鎳和鉛6種常見(jiàn)重金屬元素進(jìn)行測(cè)試分析，了解耕作層不同深度土層的重金屬含量差異和主要污染元素，并進(jìn)一步了解地形因素是否對(duì)重金屬元素的含量和分布具有影響，采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)了其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，深入認(rèn)識(shí)地形因素和人為活動(dòng)對(duì)土壤重金屬元素分布的影響，為復(fù)墾土地的利用方式和治理措施體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山西孝義鋁礦位于孝義市陽(yáng)泉曲鎮(zhèn)(E 111°29′52″～111°27′12″，N 37°07′44″～37°05′12″)，平均海拔1 251 m。礦區(qū)地貌屬黃土丘陵地區(qū)，氣候?yàn)榈湫痛箨懶园敫珊禋夂颍募痉置?，年最高氣?7 ℃，最低氣溫-20 ℃以下，降雨年內(nèi)分布不均，平均降雨量529 mm，主要集中在7—9月。土壤類型主要以沙壤土為主，陡坡和溝道處為紅黏土。地面植被有刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(PinustabuliformisCarrière)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)、棗樹(shù)(ZiziphusjujubaMill.)、核桃(Juglansregia)、檸條(CaraganaKorshinskii)、鬼針草(Bidenspilosa)、堿草(Elymusdahuricus)、沙蓬草(Agriophyllumsquarrosum)、灰灰菜(Chenopodiumalbum)等。年生產(chǎn)規(guī)模215萬(wàn)t，是我國(guó)最大的鋁礦之一。礦區(qū)總占地面積1 160 hm2。孝義鋁礦礦區(qū)屬黃土丘陵地區(qū)，為典型大陸性半干旱氣候區(qū)。

本研究選擇西河底村的1#地塊進(jìn)行研究，該地塊采用階梯式覆土方式復(fù)墾，復(fù)墾后地形條件相對(duì)較好，面積為5.75 hm2，其中平地(坡度<5°)2.42 hm2，緩坡地 (5°～15°)1.82 hm2，陡坡地(>15°)1.51 hm2。平地和緩坡地復(fù)墾2年后進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，主要種植玉米(Zeamays)、向日葵(Helianthusannuus)和土豆(Solanumtuberosum)。陡坡地沒(méi)有從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)行自然恢復(fù)，調(diào)查期主要植被有堿草、蒿草(Artemisiaannua)、沙蓬草、狗尾巴草(SetariaviridisBeauv.)等。從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的平地和緩坡地每年春耕時(shí)會(huì)潑灑人畜糞便在土壤表面，在耕作時(shí)翻入土壤中作為底肥。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與處理

2016年4月在3種地形(平地、緩坡地和陡坡地)的復(fù)墾土地上各劃定大小為100 m2的3塊樣地作為土壤采樣區(qū)，每種地形3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)。在每塊采樣區(qū)按照0～20 cm和>20～40 cm 這2個(gè)土層按對(duì)角線取土壤樣品各5份。取樣后剔除石塊和樹(shù)根草根等雜物，并保存于冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。將每塊樣地同一土層的5份土樣各稱取100 g混勻，平攤在牛皮紙上自然風(fēng)干，并過(guò)100目尼龍篩待測(cè)，共對(duì)18個(gè)樣品進(jìn)行了土壤pH和重金屬元素的測(cè)試分析。

2.2 樣品的分析與測(cè)定方法

土壤pH值采用水土質(zhì)量比為1∶2.5的pH電位法測(cè)定。土壤樣品pH值在6.5～7.4之間，見(jiàn)表1。As、Cd、Cr、Cu、Ni和Pb全量采用硝酸-高氯酸-氫氟酸三酸消解后用電感耦合等離子體光譜儀(Thermo 6300)測(cè)定，重金屬的質(zhì)量控制采用GSS-14標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收，6種重金屬的回收率達(dá)到了93.2%～97.8%。

表1 不同地面地形不同深度土層土壤pH值Tab.1 pH of soil samples at different depth in varied terrain

2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

筆者采用Hakanson[2]所提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法能揭示某一環(huán)境條件下污染物的綜合影響程度，并可指出危害比較嚴(yán)重的物質(zhì)，對(duì)針對(duì)性地控制污染物有重要指導(dǎo)作用[3-6]，具有較廣的實(shí)用性。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法采用下列算式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

(4)

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

文中6種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)為3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)的均值，采用SPSS13.0和Excel10.0軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

表2為研究區(qū)復(fù)墾土地3種地形耕作層2個(gè)土層土壤中6種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

從表2可知，3種地形下耕作層在0～20 cm和>20～40 cm土層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。As、Cd、Cr和Ni 4種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值在0～20 cm土層小于>20～40 cm土層，差異在1.03～2.00倍之間。Cu和Pb在0～20 cm土層大于>20～40 cm土層，差異在1.12～3.01倍之間。

表2 不同地形耕作層不同土層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Contents of heavy metals under different terrain and tilth

6種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～20 cm和>20～40 cm 2個(gè)土層間沒(méi)有固定的變化規(guī)律，有些元素在0～20 cm土層大于>20～40 cm，有些則相反。

從表2可知，Cd和Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)在耕作層的2個(gè)土層均表現(xiàn)為平地>緩坡地>陡坡地，即隨著坡度增大而逐漸減少。其余4種元素，在0～20 cm土層在不同地形條件下沒(méi)有表現(xiàn)出固定的規(guī)律，但在20～40 cm土層均表現(xiàn)為平地>緩坡地>陡坡地。

與表3中列出的GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較可知，該研究區(qū)3種地面地形下Cd在0～20 cm和>20～40 cm 2個(gè)土層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5.16～5.79 mg/kg)超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而Pb在0～20 cm土層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(114.80～130.80 mg/kg)超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，形成了土壤污染，而其余幾種元素沒(méi)有超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)形成污染。

表3 GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》6種重金屬的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Level II of 6 heavy metals in GB15618—1995 Environmental Quality Standard for Soils

對(duì)耕作層不同土層3種地形狀況下對(duì)土壤造成污染的Cd和Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，0～20 cm土層Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同地形條件下存在顯著差異，但在>20～40 cm土層差異不顯著，可見(jiàn)地形條件對(duì)表層土壤中Cd的淋溶作用比較顯著，對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布具有重要影響。在0～20 cm和>20～40 cm 2個(gè)土層，Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同地形條件下均不存在顯著差異。

3.2 重金屬污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

用Hakanson[2]潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法所計(jì)算的污染因子和綜合污染程度結(jié)果如表6所示。

表4 不同耕作層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)方差分析表Tab.4 Variance of heavy metal contents under different tilth

表5 污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Tab.5 Degree of contamination and potential ecological risk

表6 不同耕作層土壤重金屬污染因子和綜合污染程度Tab.6 Contamination factor and degree of contamination of heavy metals under different tilth

由表6可知，復(fù)墾土地3種地面地形狀況下耕作層土壤在0～20 cm和>20～40 cm土層6種重金屬的污染因子差異較大，其中As、Cr、Cu和Ni的污染因子均小于1，屬于低等污染程度。Pb的污染系數(shù)均大于1，小于3，屬于中等污染程度。Cd的污染因子在11.47～12.87之間，大于6，處于很高的污染程度。

從不同土層土壤綜合污染指數(shù)來(lái)看，0～20 cm土層在13.18～14.06之間，屬于中等污染程度，表現(xiàn)為平地>緩坡地>陡坡地；>20～40 cm土層在13.21～13.80之間，屬于中等污染程度，表現(xiàn)為陡坡地>平地>緩坡地。

對(duì)耕作層不同土層3種地面地形狀況下重金屬的綜合污染指數(shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。

表7 耕作層不同土層土壤重金屬綜合污染指數(shù)方差分析表Tab.7 Variance of comprehensive pollution index of heavy metals under different tilth

由表7可知：在0～20 cm土層，不同地面地形狀況下土壤綜合污染指數(shù)間存在顯著差異；>20～40 cm土層，不同地面地形狀況下綜合污染指數(shù)間不存在顯著差異?？梢?jiàn)，地形條件對(duì)耕作層表層土壤重金屬的污染指數(shù)存在顯著影響，是影響污染程度的一個(gè)重要因素。隨著土壤深度的增加，地形條件的影響逐漸降低。

復(fù)墾土地耕作層不同土層3種地面地形件下土壤6種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知，在0～20 cm和>20～40 cm土層復(fù)墾土地3種地面地形狀況下6種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)差異較大，其中As、Cr、Cu、Ni和Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于40，處于低等潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，但Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均大于160小于320，處于高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表8 不同土層重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.8 Potential ecological risk factor and comprehensive potential ecological risk index of a heavy metal under different tilth

從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看，3種地面地形狀況下，0～20 cm和>20～40 cm土層土壤的綜合污染指數(shù)在239.05～275.57之間，均為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，且主要污染因子是Cd。從地形狀況來(lái)看，在0～20 cm土層，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表現(xiàn)為平地>緩坡地>陡坡地，在>20～40 cm土層表現(xiàn)為陡坡地>緩坡地>平地。

對(duì)不同土層3種地面地形狀況下重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表9所示。

由表9可知：在0～20 cm土層，不同地面地形狀況下土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)間存在顯著差異，F(xiàn)值為30.46,P值為0.00。在>20～40 cm土層，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)間差異不顯著，F(xiàn)值為0.62，P值為0.54?？梢?jiàn)，地形條件對(duì)耕作層表層土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染指數(shù)存在顯著影響，是影響污染程度的一個(gè)重要因素，但隨著土壤深度的增加，地形條件的影響逐漸降低。

4 結(jié)論與討論

孝義鋁礦土地復(fù)墾后，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的平地和緩坡地與自然恢復(fù)的陡坡地土壤在0～40 cm的耕作層Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過(guò)了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而且在0～20 cm土層低于>20～40土層，這將會(huì)影響農(nóng)作物中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相反，但2種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著地面坡度的增加而減小。通常復(fù)墾土地中的重金屬元素主要來(lái)源于復(fù)墾用土和后期人為活動(dòng)，如糞便、農(nóng)藥、灌溉以及粉塵等途徑進(jìn)入土壤中[12-13]。受地形條件影響，不同地形的土地使用方式對(duì)土壤養(yǎng)分狀況、土壤侵蝕強(qiáng)度、植物根系對(duì)重金屬元素的吸收和運(yùn)移等都存在影響[14-16]。本研究中，平地和緩坡地主要種植玉米和向日葵，而且每年春季會(huì)施加人畜糞便作為底肥，人畜糞便和復(fù)合肥等有機(jī)無(wú)機(jī)肥料中Cd、Cu、Pb、As等質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)相對(duì)較高[17-19]，這會(huì)增加耕作層中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這可能是導(dǎo)致該礦區(qū)復(fù)墾土地中從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的平地和緩坡地中幾種重金屬元素高于自然恢復(fù)狀態(tài)下的陡坡地的一個(gè)原因。另外，研究區(qū)屬于典型的半干旱氣候區(qū)，具有降雨集中且年內(nèi)分布不均的氣象特點(diǎn)；因此，在降雨季節(jié)，土壤侵蝕會(huì)相對(duì)嚴(yán)重，這將加劇表土的水土流失，從而將土壤中的重金屬元素通過(guò)坡面徑流帶走，這可能是幾種重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為平地>緩坡地>陡坡地的原因。研究區(qū)降雨集中而且降雨期降雨強(qiáng)度差異較大的特點(diǎn)，使得超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流均存在，因此，地表徑流帶走大量表土的同時(shí)，下滲使得表層土壤中存在淋溶作用，淋溶作將導(dǎo)致表層土壤中的元素發(fā)生向下遷移。坡度的增加會(huì)加劇坡面徑流的形成，并降低降雨的入滲量，進(jìn)而影響土壤的淋溶作用。因此，坡度的增加將降低土壤的淋溶作用，從而降低土壤中元素的向下遷移量，這將導(dǎo)致隨著坡度的增加，底層土壤中某些元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低于淺層土壤。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明孝義鋁礦復(fù)墾土地耕作層2個(gè)土層的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在239.05～275.57之間，屬于中等程度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而且主要污染因子是Cd，次要污染因子是Pb。地形條件對(duì)綜合污染指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均存在顯著影響，是影響污染程度的一個(gè)重要因素。從地形條件來(lái)看，在0～20 cm土層，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均表現(xiàn)為平地>緩坡地>陡坡地，但這種趨勢(shì)在>20～40 cm沒(méi)有明顯規(guī)律，可見(jiàn)地形條件主要對(duì)在0～20 cm的表層土重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有一定影響。本研究中，Cd是主要污染因素，是GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[7]中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值0.45的數(shù)10倍。因此，Cd的污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別對(duì)綜合污染指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的大小起著決定性作用，制約著最終評(píng)價(jià)結(jié)果。常用的重金屬危害的評(píng)價(jià)方法有因子標(biāo)識(shí)指數(shù)法、層次分析法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等多種評(píng)價(jià)方法[1，20-24]。這些評(píng)價(jià)方法各有特點(diǎn)，而且采用不同的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果也存在差異[25-27]。在實(shí)際工作中，采用何種評(píng)價(jià)方法需要根據(jù)其研究目的來(lái)確定。本研究中，測(cè)試分析了6種重金屬元素，但只有Cd處于很高的污染狀態(tài)，其次為Pb處于中等污染狀態(tài)。Cd的污染程度對(duì)As、Cr、Cu和Ni的污染程度起到了放大效應(yīng)，間接地提高了它們的污染程度和污染風(fēng)險(xiǎn)。從評(píng)價(jià)結(jié)果本身來(lái)說(shuō)，采用潛在生態(tài)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果沒(méi)有采用單因子評(píng)的結(jié)果更接近實(shí)際情況。但Cd是一種危害非常大的重金屬元素，而且有過(guò)多起Cd污染事件，造成了較大的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題；因此，Cd污染應(yīng)當(dāng)更加引起重視。本文研究的目的一方面是為了了解復(fù)墾土地重金屬情況，另一方面是為了引起相關(guān)部門對(duì)重金屬危害的重視；因此，盡管所采用的評(píng)價(jià)方法具有一定程度的放大效應(yīng)，但該方法能突出比較嚴(yán)重污染物，引起相關(guān)部門的重視，對(duì)提出針對(duì)性的防控措施和制度具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。