岳征文,張瑞強,王 健,高天明,楊 浩

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 010019；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100044；3.北京市園林綠化局,北京 100013)

草原是我國最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),是我國北方重要的生態(tài)屏障,同時也是我國重要的農(nóng)畜產(chǎn)品輸出基地,其生態(tài)安全的意義重大[1-2]。為了不斷滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要,草原礦區(qū)資源的開發(fā)和利用呈現(xiàn)上升的趨勢。我國草原面積約4億hm2,占國土面積的41.7%[3],主要是以干旱和半干旱氣候為特征的生態(tài)脆弱區(qū),該地區(qū)降水稀少而集中,蒸發(fā)持續(xù)又旺盛,風(fēng)力強勁且頻繁,植被低矮并稀疏,土質(zhì)疏松而貧瘠,土壤侵蝕問題嚴重,礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用必然加劇對草原生態(tài)系統(tǒng)的擾動,造成更大的水土流失和重金屬污染問題,危及草原生態(tài)系統(tǒng)安全健康發(fā)展。

當(dāng)前,國內(nèi)外對礦區(qū)土壤重金屬問題的研究比較多,但研究草原生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)的礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用導(dǎo)致的土壤重金屬污染問題比較少[4-11]。草原礦區(qū)所造成的草原退化、重金屬積累、遷移和污染問題不容忽視。為了解決草原礦區(qū)重金屬污染問題,探究草原土壤侵蝕特征及草原礦區(qū)土壤重金屬污染特征并提出合理的生態(tài)修復(fù)建議的研究就成為首要解決的科學(xué)問題。

本文的研究區(qū)位處錫林郭勒盟蘇尼特右旗朱日和鎮(zhèn),是以風(fēng)力侵蝕為主的草原區(qū)。輸沙勢是研究風(fēng)力侵蝕區(qū)及衡量一個地區(qū)風(fēng)沙活動強度的重要判斷標準[12-13]。因此,通過研究朱日和鎮(zhèn)某銅礦的尾礦庫和周邊草原的輸沙勢及土壤重金屬污染狀況[14],旨在提出科學(xué)合理的生態(tài)恢復(fù)建議,為今后草原礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)重建提供參考。

1 研究區(qū)概況

蘇尼特右旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,錫林郭勒盟西部,地理位置為41°55′～43°39′N,111°09′～114°16′E。全旗可利用草原面積1.9萬km2[15],屬半荒漠草原區(qū),是草原向荒漠過渡的生態(tài)交錯帶,土壤以栗鈣土、棕鈣土和風(fēng)砂土為主。蘇尼特右旗所在區(qū)域的氣候為中溫帶半干旱大陸性氣候,春季干旱多風(fēng),夏季干熱而短促,秋季晴天多,涼爽,冬季嚴寒而漫長,四季溫差大；年平均日照時間數(shù)約為 3 231.8h,平均溫度4.3℃；常年盛行偏西風(fēng),一般風(fēng)力3～5級,最大為9～10級,平均風(fēng)速5.5m/s；年降水量平均為170～190mm,蒸發(fā)量平均為2 384mm,是降水量的14倍[16]。蘇尼特右旗某銅礦位于朱日和鎮(zhèn),年生產(chǎn)能力為10萬t,總開采量預(yù)計為220萬噸銅礦石。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集

根據(jù)蘇尼特右旗朱日和鎮(zhèn)常年主導(dǎo)風(fēng)向和地形地貌情況,以尾礦庫為中心,沿西北、東北、東南、西南四個方向各500m范圍內(nèi)進行土壤樣品的采集。尾礦庫內(nèi)土壤采用隨機布點法設(shè)置土壤采樣點。其他各沿線采樣方法為每個采樣點采用多點取樣混合1個代表樣的方法,采樣深度為0～5cm,每個混合樣采集1kg。

2.2 土壤樣品的處理與測定

野外采集的土壤樣品經(jīng)避光自然風(fēng)干后,用木棒壓碎,剔除礫石、動植物殘體,過20目篩,充分混勻[17-18]。取200g樣品用瑪瑙研磨機研磨過150m篩,供化學(xué)分析用。土壤元素全量的測定方法采用原子吸收光譜法測定[19]。

2.3 土壤重金屬污染評價

草原礦區(qū)土壤重金屬污染狀況采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[14,20-21]進行評價。單因子指數(shù)法是對土壤中某一污染物的污染程度進行評價,其計算公式為:

pi=ci/si

式中:pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；ci為污染物的實測濃度(mg/kg);si為污染物i的評價標準(mg/kg),選用內(nèi)蒙古土壤中重金屬元素的幾何平均值[22]。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可突出污染最嚴重的污染物給環(huán)境造成的傷害,也可全面的反映土壤中各污染物的平均污染水平。其計算公式為:

土壤重金屬污染程度可依據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法劃分為5級(表1)。

表1 土壤重金屬污染分級標準Tab.1 The criteria to classify the soil heavy metal pollution

2.4 輸沙勢

輸沙勢(Drift Potential,DP)是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動強度及風(fēng)沙地貌演變的重要指標[23-24],本文輸沙勢的計算采用的是Fryberger方程。Fryberger的輸沙勢方程為[25]:

DP=V2(V-Vt)t

式中:DP為輸沙勢,在數(shù)值上用矢量單位(Vector Unit,VU)表示；V為大于臨界啟動值的風(fēng)速；Vt為臨界啟動風(fēng)速,本研究中計算最大輸沙勢,因此取Vt為5m/s；t為起沙風(fēng)作用的時間,一般以頻率表示。根據(jù)矢量合成法將16個方位輸沙勢進行矢量合成,就得到合成輸沙勢(Resultant Drift Potential,RDP)和合成輸沙方向(Resultant Drift Direction,RDD),它反映一個地區(qū)凈輸沙能力的大小。合成輸沙勢與輸沙勢的比值為方向變率指數(shù)(RDP/DP),用來反映一個地區(qū)風(fēng)向組合情況,起沙風(fēng)的方向變率越大,與它相關(guān)的RDP/DP越小,反之亦然。Fryberger根據(jù)輸沙勢大小,將風(fēng)環(huán)境分為高能(>400VU)、中能(200～400VU)及低能(<200VU)；方向變率指數(shù)分為大比率(>0.8)、中比率(0.3～0.8)及小比率(<0.3)3種[26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 起沙風(fēng)及輸沙勢

2016年度風(fēng)速、風(fēng)向原始氣象資料均取自蘇尼特右旗草原工作站,數(shù)據(jù)采集間隔時段為60min。風(fēng)速、風(fēng)向的觀測高度為2m,原始風(fēng)向數(shù)據(jù)用0～360°方位角表示。起沙風(fēng)頻數(shù)均用起沙風(fēng)出現(xiàn)的時數(shù)與年(季)統(tǒng)計時數(shù)的百分比表示。

表2 風(fēng)頻率表 %Tab.2 The wind frequency

注:E—東風(fēng),S—南風(fēng),W—西風(fēng),N—北風(fēng),SW—西南風(fēng),其他雙字母以此類推；WSW—西南風(fēng)偏西,其他三字母以此類推。

從表2可以看出,年主要風(fēng)向為WSW—W—WNW,占全年總風(fēng)向的34%,年起沙風(fēng)主方向為SSW和W—WNW,占全年總風(fēng)向的12.68%。春冬兩季主方向風(fēng)和起沙風(fēng)主方向相同；夏秋兩季的主方向風(fēng)不同,但起沙風(fēng)主方向相同。春冬兩季的起沙方向集中且頻率高,北方風(fēng)沙區(qū)此時地被植被覆蓋度低,極易發(fā)生風(fēng)蝕沙害。因此,W—WNW—NW方向是主要沙害方向。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)分析可以得到蘇尼特右旗草原礦區(qū)輸沙勢(表3)。

表3 蘇尼特右旗草原礦區(qū)輸沙勢表Tab.3 DP table in the grassland mining area in Sunite County

主要風(fēng)頻和起沙風(fēng)頻并不能精確的表述風(fēng)沙強度,輸沙勢可以清楚的表述其危害性。從表3可以看出,蘇尼特右旗草原礦區(qū)總體輸沙勢為240.95VU,根據(jù)Fryberger的區(qū)域風(fēng)能分類標準研究區(qū)屬于中能風(fēng)環(huán)境。從季節(jié)分布來看,春季的輸沙勢達到601.96VU,屬于高能風(fēng)環(huán)境,是風(fēng)蝕沙害最嚴重的季節(jié)。夏、秋、冬季屬于低能風(fēng)環(huán)境,均小于200VU。研究區(qū)的輸沙勢主要集中在W和WSW兩個方向上,其中WSW方向的輸沙勢最大為601.96VU,合成輸沙勢也達到324.94VU；在W方向上,輸沙勢最大為111.56VU,合成輸沙勢為62.08VU。從方向變率來看,該地區(qū)的起沙風(fēng)的變率為中比率。從輸沙勢來看,W和WSW方向是風(fēng)蝕沙害的主要方向。

3.2 土壤重金屬濃度

蘇尼特右旗草原礦區(qū)某銅礦的尾礦庫的土樣中重金屬濃度差異較大,選用內(nèi)蒙古土壤(A層)背景值得幾何平均值作為土壤的背景值。尾礦庫中銅、鉻、鎘含量都明顯高于土壤背景值,砷與環(huán)境的背景值相近,鉛、汞的含量低于土壤背景值。

在分析尾礦庫土壤重金屬污染水平的基礎(chǔ)上,對尾礦庫周邊的草場的土樣重金屬的測定就集中在銅、鎘、鉻3種重金屬,由于重金屬元素具有較強的積累性,可能對周邊草原的生態(tài)影響較大。鉛、砷、汞的含量等于或低于土壤背景值,不易引起周邊土壤環(huán)境的污染。

表4 蘇尼特右旗草原礦區(qū)某銅礦尾礦庫的 土壤重金屬濃度表Tab.4 Soil heavy metal concentration in copper tailings reservoir in Sunite County mg/kg

從圖1可以看出,以尾礦庫為中心,從四個方向土樣的重金屬含量來看,由近及遠土壤中重金屬的含量異質(zhì)性比較強,SW方向上3種重金屬呈現(xiàn)顯著的遞減趨勢；SE方向上呈現(xiàn)遞增的趨勢；NW方向上銅元素和鎘元素呈現(xiàn)遞減趨勢,鉻呈現(xiàn)出先遞減后遞增的趨勢；NE方向上呈現(xiàn)出銅元素和鎘元素遞減趨勢,鉻呈現(xiàn)出先遞遞增后遞減的趨勢。

總體上,從尾礦庫周邊草場四個方向(SE,SW,NE,NW)的土樣重金屬含量(Cd,Cr、Cu)與內(nèi)蒙古土壤元素平均含量(Cd-AV,CrT-AV,Cu-AV)對比來看(圖1),NE方向和SE兩個方向的重金屬含量濃度較大,SW和NW兩個方向重金屬濃度偏低。分析其原因,重金屬濃度含量大的區(qū)域均是該地區(qū)輸沙勢能大的方向的下風(fēng)向,結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件,該地區(qū)屬于風(fēng)力侵蝕強的地區(qū),受風(fēng)蝕的影響,重金屬元素隨風(fēng)沙流遷移積累的結(jié)果,同時重金屬遷移也具有很強的差異性,導(dǎo)致在下方向的重金屬含量規(guī)律不能呈現(xiàn)顯著的一致性。

3.3 土壤重金屬污染評價

根據(jù)蘇尼特右旗草原礦區(qū)不同調(diào)查區(qū)域土壤中Cd、Cr、Cu 3種重金屬的平均含量,采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價以主導(dǎo)風(fēng)向為軸的不同區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染情況,不同采樣區(qū)內(nèi)重金屬的單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)如表5所示。

圖1 尾礦庫周邊草原土樣重金屬含量與內(nèi)蒙古土壤元素平均含量對比圖

采樣區(qū)方向單項污染指數(shù)鎘鉻銅綜合污染指數(shù)SW0.570.942.261.83EN8.151.0724.2418.87SE8.751.7028.8322.39NW0.910.761.411.23

根據(jù)表5可知,在采樣區(qū)EN,SE和NW三個方向上,單項污染指數(shù)依次為Cu>Cd>Cr；在SW方向上,單項污染指數(shù)依次為Cu>Cr>Cd。Cu在SW和NW方向的單項污染等級屬輕度污染,而在合成輸沙勢的下風(fēng)向上,Cu的單項污染等級都達到了重污染的水平,單項污染指數(shù)分別達到18.87和22.39之多。Cr的總體污染等級處于輕度污染和警戒限之內(nèi),對土壤的污染影響相對較小。Cd污染主要集中在合成輸沙勢的下風(fēng)向,污染指數(shù)分別達到8.15和8.75,屬重度污染；而在SW和NW兩個上風(fēng)向上,Cd的污染水平為清潔和警戒線水平,對草原土壤無污染或者危害可忽略不計。

從綜合污染指數(shù)法評價的結(jié)果看,NE和SE兩個方向上的污染程度等級為重度污染,已經(jīng)嚴重的危害到了土壤質(zhì)量和植被生態(tài)系統(tǒng)健康。SW和NW方向綜合污染指數(shù)等級為輕度污染,這兩個方向應(yīng)該加強防護,防治重金屬進一步的富集,防止污染指數(shù)向更高一級發(fā)展,保持草原生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

3.4 生態(tài)恢復(fù)

1) 以風(fēng)力侵蝕為主的北方風(fēng)沙區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)區(qū),要先在主要輸沙勢的上風(fēng)向,先建設(shè)防風(fēng)固沙林或者沙障,“先防后開發(fā)”,形成生態(tài)屏障。以減少風(fēng)蝕對土壤及重金屬等污染物的水平遷移作用。具體做法可參考農(nóng)田防護林帶的建設(shè)方法。對于坡面,為防止水土流失和風(fēng)力侵蝕,可以參考水平溝或者水平階的方法,進行生態(tài)修復(fù)。減少坡面徑流對土壤的剝離作用,同時也減少土壤污染物在水平和垂直方向上的遷移。

2) 根據(jù)礦產(chǎn)資源所處的區(qū)域地理特征,要適合當(dāng)?shù)氐牧⒌貤l件和生態(tài)背景,區(qū)域內(nèi)以灌草為主結(jié)合喬木進行生態(tài)修復(fù)。修復(fù)其自然景觀又不破壞原有自然景觀[27]。通常,廢棄地各類型占地構(gòu)成分別為59%為采礦本身用地,20%為排土場,13%為尾礦,5%為廢石堆,3%為塌陷區(qū)[28]。排土場土質(zhì)條件相對較好,要優(yōu)先綠化,植樹種草,率先進行生態(tài)修復(fù)。13%尾礦,通常重金屬含量高,土壤污染性大,直接的生態(tài)修復(fù)難度大,一般可采取物理和化學(xué)的方法先改變其土壤的理化性質(zhì),然后進行植物修復(fù)。對尾礦區(qū)域,可采用臨時苫蓋、定期灑水等措施,減少其污染物的擴散。也可采用客土的方式,將污染的土壤水平減低到低污染或清潔水平后,進行植物恢復(fù)?；虿捎眯录夹g(shù)新方法,例如添加生物炭改良土壤,調(diào)控土壤重金屬的遷移規(guī)律,在生態(tài)修復(fù)的同時也可達到減少炭排放的作用。3%塌陷區(qū)可添加保水劑等土壤改良劑,提高土壤持水能力后進行植物恢復(fù)。春季未恢復(fù)植被的區(qū)域,可采用當(dāng)?shù)氐母刹莼蛏沉帡l刈割后的生物質(zhì)進行苫蓋。植物生長后,苫蓋的生物質(zhì)可加工為生物炭還田,改良土壤。

3) 草樹種的選擇。根據(jù)金屬污染土壤的植物修復(fù)機理分為植物穩(wěn)定性、植物吸收和植物揮發(fā)性[29]。對于植物穩(wěn)定性的草樹種,適合在重金屬污染程度較低的區(qū)域進行生態(tài)恢復(fù),植物吸收和植物揮發(fā)性植物也可選擇；對于污染程度中度和高度的區(qū)域可以選擇對重金屬吸收程度高或者植物揮發(fā)性好的草樹種,用于減少土壤中的重金屬污染物含量；對于污染程度特別高,不適合生態(tài)修復(fù)的區(qū)域建議采用物理或化學(xué)的方法降低污染程度在進行生態(tài)恢復(fù),效果較好。

4) 生態(tài)修復(fù)的目標不僅僅是種樹種草,而是建立一個能夠自我維護、運行良好的完整生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)[30-31]。因此,礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)工作是個長期復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

4 結(jié)論

1) 蘇尼特右旗某銅礦區(qū)年主要風(fēng)向為WSW—W—WNW,年起沙風(fēng)主方向為SSW和W—WNW,從春節(jié)主要起沙風(fēng)頻率看W—WNW—NW方向是主要沙害方向。從輸沙勢角度看,研究區(qū)的輸沙勢主要集中在W和WSW兩個方向上,W和WSW方向是風(fēng)蝕沙害的主要方向。

2) 對蘇尼特右旗某銅礦的尾礦庫重金屬元素含量與內(nèi)蒙古土壤(A層)背景值相比,尾礦庫銅元素的含量是背景值的77倍,鎘和鉻的含量分別是背景值的12.96倍和2.54倍,其他砷、汞、鉛的含量處于臨界值或在背景值以下。對尾礦庫周邊草原土壤銅、鎘、鉻3種重金屬元素含量測定結(jié)果表明,尾礦庫周邊草原的土壤對3種重金屬元素都有不同程度的積累作用,NE方向和SE兩個方向的重金屬含量濃度較大,SW和NW兩個方向重金屬濃度偏低。

3) 從單因子指數(shù)法評價結(jié)果來看,在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向上,在EN,SE和NW三個方向上,單項污染指數(shù)依次為銅>鎘>鉻；在SW方向上,單項污染指數(shù)依次為銅>鉻>鎘。銅在SW和NW方向的單項污染等級屬輕度污染,而在合成輸沙勢的下風(fēng)向上,重金屬銅的單項污染等級都達到了重污染的水平,單項污染指數(shù)分別達到18.87和22.39之多。鉻的總體污染等級處于輕度污染和警戒限之內(nèi),對土壤的污染影響相對較小。鎘污染主要集中在合成輸沙勢的下風(fēng)向的下風(fēng)向,污染指數(shù)分別達到8.15和8.75,屬重度污染；而在SW和NW兩個上風(fēng)向上,鎘的污染水平為清潔和警戒線水平,對草原土壤無污染或者危害可忽略不計。

4) 從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果來看,NE和SE兩個方向上的污染程度等級為重度污染,已經(jīng)嚴重的危害到了土壤質(zhì)量和植被生態(tài)系統(tǒng)健康。SW和NW方向綜合污染指數(shù)等級為輕度污染,這兩個方向應(yīng)該加強防護,防治重金屬進一步的富集,防止污染指數(shù)向更高一級發(fā)展,保持草原生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

5) 以風(fēng)力侵蝕為主的北方風(fēng)沙區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)區(qū),要先在主要輸沙勢的上風(fēng)向,先建設(shè)防風(fēng)固沙林或者沙障,“先防后開發(fā)”,形成生態(tài)屏障。根據(jù)礦產(chǎn)資源所處的區(qū)域地理特征,要適合當(dāng)?shù)氐牧⒌貤l件和生態(tài)背景,區(qū)域內(nèi)以灌草為主結(jié)合喬木進行生態(tài)修復(fù)。要根據(jù)需要選擇草樹種。生態(tài)修復(fù)的目標不僅僅是種樹種草,而是建立一個能夠自我維護、運行良好的完整生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)。調(diào)查區(qū)域的土壤重金屬污染主要集中在以尾礦庫為中心的主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向,即主要輸沙勢方向的下風(fēng)向,重金屬銅污染是導(dǎo)致該草原區(qū)土壤重金屬污染的主要因素。常年的主導(dǎo)風(fēng)向?qū)ξ驳V庫周邊草原的土壤重金屬污染程度的影響顯著。蘇尼特右旗受風(fēng)蝕影響比較嚴重的地區(qū),應(yīng)該加強對尾礦區(qū)的底泥和礦渣的苫蓋措施,防治風(fēng)、水蝕加劇對草原土壤重金屬污染的影響。輸沙勢較大的上風(fēng)向要建植防風(fēng)林帶或沙障,對輸沙勢較大的下風(fēng)向要采取生態(tài)修復(fù)措施,不同的受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),根據(jù)區(qū)域特征結(jié)合生態(tài)恢復(fù)建議進行生態(tài)恢復(fù),保證生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展,保障人畜健康安全。

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