鐵尾礦區(qū)不同復(fù)墾模式土壤環(huán)境質(zhì)量評價

王 煜，呂春娟

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

隨著全球環(huán)境問題的日益嚴峻，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(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)風險及重金屬對水和土壤的持續(xù)污染研究等[3-4]。進入21 世紀后，伴隨著我國區(qū)域社會經(jīng)濟的飛速發(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)象仍然嚴重。黃興星等[9]對北京市某水庫的金礦和鐵礦尾礦庫區(qū)重金屬污染進行了比較調(diào)查，結(jié)果表明，2 個庫區(qū)周邊土壤重金屬的含量都大大超過當?shù)乇尘爸怠ANDEIAS 等[10]應(yīng)用數(shù)學多元統(tǒng)計方法研究Aljustrel 尾礦庫區(qū)重金屬的污染狀態(tài)，結(jié)果認為多個尾礦壩區(qū)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(jié)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(shù)法和潛在風險危害指數(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)量的一個全面概括衡量指標，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)量是否達標是應(yīng)該首要研究的重要問題[14]。但是目前對鐵尾礦區(qū)經(jīng)不同復(fù)墾模式復(fù)墾后的土壤還未進行土壤環(huán)境質(zhì)量評價，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)為目標對象，對經(jīng)過復(fù)墾后的土壤質(zhì)量狀況實行調(diào)查監(jiān)測，以評價重金屬污染狀況，探究幾個不同復(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)濟發(fā)展受到嚴重影響，水資源日益銳減，相關(guān)部門在幾年前已對垣曲縣周圍的尾礦庫先后進行了相關(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）。在每個復(fù)墾小區(qū)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(fù)墾小區(qū)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(zhì)，后進行研磨、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 土壤樣品測定項目及方法

根據(jù)國家標準，選擇對該礦區(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)量評價因子。采用電感耦合等離子體發(fā)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(jié)合本研究區(qū)實際情況，采用2018 年環(huán)境保護部最新修訂的《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)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(qū)毗鄰區(qū)土壤背景值（英言村）及山西省土壤背景值這2個參考標準共同作為該區(qū)復(fù)墾土壤的環(huán)境質(zhì)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(jié)合本研究區(qū)實際情況，選用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來進行污染綜合評價。選用的這2 種評價方法均是國內(nèi)外廣為運用的方法。

1.4.2.1 單因子指數(shù)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(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 的評價標準（mg/kg），根據(jù)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(shù)污染評價分級標準

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，即污染最為嚴重的某項污染物給整體環(huán)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(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(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量評價分級標準

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(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(qū)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(qū)背景值，超標倍數(shù)區(qū)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(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，表明人為活動干擾的作用越強烈[11]，結(jié)果說明對礦區(qū)實施復(fù)墾已經(jīng)在一定程度上對該地區(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）進行橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯▓D1），不同復(fù)墾模式對不同重金屬具有不同程度的改進，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(jié)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(yīng)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(qū)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(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，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(fù)墾模式土壤重金屬綜合污染評價

由表6 可知，各個復(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，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，并未受到污染；僅發(fā)現(xiàn)Cu 的Pi 值超標，數(shù)值多數(shù)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(fù)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(shù)的貢獻發(fā)現(xiàn)，相同土層Cu 的單項污染指數(shù)均為其他重金屬單項污染指數(shù)的數(shù)倍至數(shù)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(fù)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(shù)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(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(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。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）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(jié)果與該區(qū)域地質(zhì)條件、富有大型銅礦有關(guān)。因此，對該鐵尾礦庫土壤復(fù)墾時可能導致Cu 元素污染的廢棄物料，應(yīng)該加強深層清潔無害處理，同時，還應(yīng)通過增加土壤覆蓋厚度、添加有機肥或加強礦山植被恢復(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(qū)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(qū)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(fù)墾模式與CK對比，其含量均有所降低；不同復(fù)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(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(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重污染，為尚清潔土壤。

本研究對6 種復(fù)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(fù)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(fù)墾改良時間較短（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(fù)墾模式。