聶 興 山

(山西省水土保持科學(xué)研究所, 山西 太原 030013)

鋁礦復(fù)墾土壤重金屬含量變化及污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

聶 興 山

(山西省水土保持科學(xué)研究所, 山西 太原 030013)

[目的] 對孝義鋁礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量和污染狀況進(jìn)行研究，為了解和評價(jià)礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 采用ICP-MS測定土壤中Cd，Cr，Cu，Pb，As，Ni等6種重金屬元素含量，分析各含量隨復(fù)墾年限的變化特征，并用單因子標(biāo)識指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合標(biāo)識指數(shù)法對重金屬的污染程度進(jìn)行評價(jià)。 [結(jié)果] (1) Cd含量均值為5.19 mg/kg，是國家二級標(biāo)準(zhǔn)0.3 mg/kg的約10倍，其余5種元素含量均低于國家二級標(biāo)準(zhǔn)。隨著復(fù)墾年限的延長，Cd含量在0—15 cm土層處逐漸降低，在15—30 cm土層處逐漸增加。 (2) Cd的單項(xiàng)因子污染指數(shù)在所有樣點(diǎn)均達(dá)到5級嚴(yán)重污染水平，其它元素均屬清潔水平。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)12.08～13.14，均值12.43，是5級重污染指數(shù)的3～4倍，屬嚴(yán)重污染水平。 (3) 復(fù)墾用土中6種重金屬含量均超過國家2級標(biāo)準(zhǔn)，是復(fù)墾土地重金屬主要的來源。 [結(jié)論] 復(fù)墾區(qū)土壤由于復(fù)墾用土及后期的施肥和粉塵沉降等所致已被Cd污染，在礦區(qū)復(fù)墾中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制復(fù)墾用土的質(zhì)量。

復(fù)墾； Cd； 重金屬； 單因子標(biāo)識指數(shù)； 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

文獻(xiàn)參數(shù)： 聶興山.鋁礦復(fù)墾土壤重金屬含量變化及污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：321-326.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.049； Nie Xingshan. Contents and Pollution Risk Assessment of Heavy Mentals in Reclaimed Soil[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：321-326.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.049

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對礦產(chǎn)資源的需求日趨提高，而礦產(chǎn)開發(fā)也導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。例如，采礦地區(qū)地質(zhì)地貌的破壞、水質(zhì)的惡化、植被及物種多樣性的喪失、土壤遭到重金屬污染、水土流失和沙漠化等問題日益嚴(yán)重[1-2]，尤其是土壤重金屬污染問題，已引起了國內(nèi)外越來越多學(xué)者的關(guān)注[3-7]。重金屬作為持久性的潛在有毒污染物，一旦進(jìn)入環(huán)境后，由于不能被生物降解而長期存在環(huán)境中，并通過富集作用不斷積累，危及生物及生態(tài)安全[8-13]。為了恢復(fù)礦區(qū)土壤的可耕作性，通常采用覆土等方式對開采后的礦區(qū)進(jìn)行復(fù)墾處理，因此對礦區(qū)復(fù)墾土地質(zhì)量的研究具有現(xiàn)實(shí)必要性。對礦區(qū)復(fù)墾后土壤重金屬的評價(jià)對礦區(qū)復(fù)墾方式、復(fù)墾后土地利用方式和管理具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本研究以山西省孝義鋁礦廢棄地覆土復(fù)墾土地為對象，以復(fù)墾不同年限土地土壤為材料，對不同復(fù)墾年限后土壤重金屬污染含量和潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

孝義鋁礦位于孝義市西部山區(qū)的陽泉曲鎮(zhèn)西河底村(111°29′52″—111°27′12″E，37°07′44″—37°05′12″N)，是中國目前最大的露天鋁土礦，生產(chǎn)規(guī)模為2.15×106t/a，礦區(qū)總占地面積達(dá)1 158.2 hm2。礦區(qū)開采后主要通過覆土的方式進(jìn)行復(fù)墾，截止2015年底，通過覆土方式共復(fù)墾土地422 hm2，其中已耕種193 hm2，綠化98 hm2。礦區(qū)位于黃土丘陵地區(qū)，屬于典型的大陸性半干旱氣候區(qū)，四季分明，春季多風(fēng)，夏季炎熱，秋季多雨，冬季寒冷干燥，年最高氣溫達(dá)37 ℃，最低氣溫在-20 ℃以下。降雨主要集中在7—9月，平均降雨量529 mm。孝義鋁礦復(fù)墾區(qū)主要分布在5個(gè)區(qū)，5個(gè)區(qū)復(fù)墾時(shí)間不同，自然地理?xiàng)l件和復(fù)墾模式基本相同，復(fù)墾用土均為從附近運(yùn)輸來的離石黃土，具有同源性。根據(jù)5個(gè)復(fù)墾區(qū)的土地復(fù)墾時(shí)間及復(fù)墾初期主要植被配置模式選擇了5個(gè)典型復(fù)墾樣地，每個(gè)樣地的面積約0.5 hm2。各樣地概況詳見表1。

表1 土壤采樣地情況

1.2 土壤采樣與處理

在2015年4月作物種植前在提前選好的樣地進(jìn)行樣品采集。每個(gè)樣地分別按0—15 cm和15—30 cm兩個(gè)層次按照S形采樣，樣品采集后將同一樣地同一深度的多點(diǎn)土樣混勻，剔除土樣中植物根系、石塊和殘?jiān)４嬗诒袔Щ貙?shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，過100目篩，用四分法處理試驗(yàn)用樣品，留存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 土壤重金屬測定方法

土壤中As的測定用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法，Cd，Cr，Cu，Pb采用強(qiáng)酸消解電感耦合等離子體光譜儀(Thermo 6300)測定。文中重金屬含量均為全量，數(shù)據(jù)為3次重復(fù)后均值，數(shù)據(jù)的計(jì)算采用Excel軟件進(jìn)行。

1.4 土壤重金屬評價(jià)方法

單因子標(biāo)識指數(shù)法是國內(nèi)外采用較多的一種對土壤中某一污染物的污染程度進(jìn)行評價(jià)的方法之一[14]，計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——污染物i的單因子污染指數(shù)；Ci——污染物i的實(shí)測濃度(mg/kg)；S——污染物i的評價(jià)準(zhǔn)(mg/kg)。

選用GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量2級標(biāo)準(zhǔn)作為土壤污染的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法相比單因子標(biāo)識指數(shù)法能較全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害[15]，計(jì)算公式為：

(2)

式中：P——監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pjmax——j監(jiān)測點(diǎn)污染物單因子污染指數(shù)中的最大值；Pjave——j監(jiān)測點(diǎn)所有污染物單因子污染指數(shù)平均值。

根據(jù)單因子標(biāo)識指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5個(gè)等級(表3)。

表3 土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限復(fù)墾土壤重金屬含量分析

圖1為孝義鋁礦復(fù)墾后不同年限0—30 cm土壤中各重金屬的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖1可知，鋁礦復(fù)墾區(qū)0—15 cm表層土壤Cd含量5.04～5.27 mg/kg，均值為5.11 mg/kg；15—30 cm Cd含量5.05～5.49 mg/kg，均值為5.27 mg/kg；2個(gè)分層土壤Cd含量均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量2級標(biāo)準(zhǔn)0.3 mg/kg的10余倍，對土壤形成較嚴(yán)重的污染。從含量變化來看，0—15 cm土壤Cd含量隨著復(fù)墾時(shí)間的延長具有逐漸下降的趨勢，而15—30 cm土壤Cd隨著復(fù)墾時(shí)間的延長呈逐漸升高趨勢。鋁礦復(fù)墾區(qū)0—15 cm表層土壤Cr含量20.89～40 mg/kg，均值為33.78 mg/kg；15—30 cm Cd含量38.08～54.88 mg/kg，均值為44.56 mg/kg；2個(gè)分層土壤Cr含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)200 mg/kg的閥值，對土壤沒有形成污染危害。從含量變化來看，0—15 cm土壤Cr含量有隨著復(fù)墾時(shí)間的延長具有逐漸下降的趨勢，但下降速度較慢，而15—30 cm土壤Cr隨著復(fù)墾時(shí)間的延長呈逐漸升高趨勢,在復(fù)墾6～10 a后增加幅度比2～6 a快。鋁礦復(fù)墾區(qū)0—15 cm表層土壤Cu含量1.45～3.70 mg/kg，均值為2.64 mg/kg；15—30 cm Cu含量1.12～6.54 mg/kg，均值為3.67 mg/kg；2個(gè)分層土壤Cu含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)100 mg/kg的閥值，對土壤沒有形成污染危害。從含量變化來看，0—15 cm土壤Cu含量隨著復(fù)墾時(shí)間的延長具有逐漸下降的趨勢，下降幅度比較均勻，而15—30 cm土壤Cu隨著復(fù)墾時(shí)間的延長呈波動變化，其中在2～6 a間呈逐漸增加趨勢，6～10 a呈逐漸下降趨勢。鋁礦復(fù)墾區(qū)0—15 cm表層土壤Pb含量在44.86～110 mg/kg，均值為73.23 mg/kg；15—30 cm Pb含量在38.23～89.66 mg/kg，均值為57.04 mg/kg；兩個(gè)分層土壤Pb含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量2級標(biāo)準(zhǔn)300 mg/kg的閥值，對土壤沒有形成污染危害。從含量變化來看，0—15 cm土壤Pb含量隨著復(fù)墾時(shí)間的延長具有逐漸下降的趨勢，15—30 cm土壤Pb隨著復(fù)墾時(shí)間的延長呈逐漸升高趨勢，上升和下降幅度均較大。鋁礦復(fù)墾區(qū)0—15 cm表層土壤As含量在6.33～9.82 mg/kg，均值為8.26 mg/kg；15—30 cm土層土壤的As含量在8.04～11.49 mg/kg，均值為9.01 mg/kg；2個(gè)分層土壤As含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量2級標(biāo)準(zhǔn)30 mg/kg的閥值，對土壤沒有形成污染危害。從含量變化來看，0—15 cm和15—30 cm這兩個(gè)層次土壤As含量隨著復(fù)墾時(shí)間的延長呈逐漸升高趨勢，增加速度相近。鋁礦復(fù)墾區(qū)0—15 cm表層土壤Ni含量在8.68～15.78 mg/kg，均值為12.19 mg/kg；15—30 cm Ni含量在12.85～21.17 mg/kg之間，均值為16.72 mg/kg；兩個(gè)分層土壤Ni含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量2級標(biāo)準(zhǔn)50 mg/kg的閥值，對土壤沒有形成污染危害。從含量變化來看，0—15 cm和15—30 cm這兩個(gè)土層土壤As含量隨著復(fù)墾時(shí)間的延長呈逐漸升高趨勢，增加速度相近。由以上分析可知，孝義鋁礦復(fù)墾后在2～10 a間，0—15 cm和15—30 cm兩個(gè)土層Cd，Cr，Cu，Pb，As和Ni這6種重金屬元素中只有Cd含量超過了國家土壤2級標(biāo)準(zhǔn)值受到了污染，其余元素均未對土壤形成污染。

2.2 單因子標(biāo)識指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

表4為用單因子標(biāo)識指數(shù)法對孝義鋁礦復(fù)墾不同年限內(nèi)土壤重金屬的污染評價(jià)結(jié)果。由表4可知，評價(jià)的6種重金屬中只有Cd的污染指數(shù)Pi大于3.0，達(dá)到了5級重污染程度，屬于嚴(yán)重污染水平，這與土壤中重金屬含量的分析結(jié)果相一致。其余5種重金屬的污染因子均小于1級污染0.7的標(biāo)準(zhǔn)，屬于安全清潔水平。從污染指數(shù)Pi來看，存在Cd>Cr>As>Pb>Ni>Cu的大小關(guān)系。

圖1 復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量

表4 土壤重金屬單因子標(biāo)識指數(shù)評價(jià)結(jié)果

由表4可知，Cd的Pi在16.81～18.30，均值為17.32，均大于重金屬污染分級中的5級重污染等級，處于嚴(yán)重污染水平。Cr的Pi在0.10～0.24，均值為0.20，小于于重金屬污染分級中1級的污染指數(shù)0.7，污染等級為安全，處于清潔水平。Cu的Pi在0.01～0.07，均值為0.03，小于于重金屬污染分級中1級的污染指數(shù)0.7，污染等級為安全，處于清潔水平。Pb的Pi在0.37～0.13，均值為0.223，小于重金屬污染分級中1級的污染指數(shù)0.7，污染等級為安全，處于清潔水平。As的Pi在0.20～0.38之間，均值為0.29，小于于重金屬污染分級中1級的污染指數(shù)0.7，污染等級為安全，處于清潔水平。Ni的Pi在0.17～0.42之間，均值為0.29，小于于重金屬污染分級中1級的污染指數(shù)0.7，污染等級為安全，處于清潔水平。由以上分析可知，該礦區(qū)不同年限復(fù)墾土壤中Cd處于嚴(yán)重污染狀況，Cr，Cu，Pb，As和Ni這5種重金屬元素均處于安全的清潔狀況，不會造成環(huán)境危害。

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

表5為用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對孝義鋁礦復(fù)墾不同年限內(nèi)土壤重金屬的污染評價(jià)結(jié)果。由表5可知，5個(gè)樣地各采樣點(diǎn)0—15 cm和15—30 cm兩層土壤重金屬評價(jià)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)P在12.08～13.14之間，均值為12.42，達(dá)到了5級重污染程度污染指數(shù)3.0的4倍，屬于嚴(yán)重污染水平。

表5 土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果

2.4 重金屬污染物來源分析

由以上分析可知，孝義鋁礦復(fù)墾區(qū)土壤存在重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，而且主要污染物為Cd。因此對復(fù)墾所用離石黃土和礦區(qū)周邊馬蘭黃土進(jìn)行了重金屬含量測定(表6)。由表6可知，孝義鋁礦復(fù)墾所用土壤和礦區(qū)周邊馬蘭黃土Cd含量分別為4.91和5.04 mg/kg，已經(jīng)超過了國家2級標(biāo)準(zhǔn)，屬于污染狀況，可見礦區(qū)復(fù)墾時(shí)所有土壤和周邊地區(qū)的馬蘭黃土已經(jīng)處于Cd污染狀態(tài)，而Cr，Cu，Pb，As和Ni含量均為超過國家2級土壤標(biāo)準(zhǔn)，屬于安全清潔狀態(tài)。礦區(qū)復(fù)墾不同年限后土壤中Cd含量均值為5.19 mg/kg，均高于復(fù)墾用土和周邊馬蘭黃土含量；Cr含量均值為39.17 mg/kg，介于復(fù)墾用土和周邊馬蘭黃土含量之間；Cu含量均值為3.15，高于復(fù)墾用土和周邊馬蘭黃土含量；Pb含量均值為65.13 mg/kg，高于復(fù)墾用土和周邊馬蘭黃土含量；As含量均值為8.64 mg/kg，介于復(fù)墾用土和周邊馬蘭黃土含量之間；Ni含量均值為14.15 mg/kg，介于復(fù)墾用土和周邊馬蘭黃土含量之間。由以上分析可知，復(fù)墾后土壤中的Cd主要來源于復(fù)墾所用土壤，是導(dǎo)致土壤污染的主要來源，是否存在其它外來性污染源還需要進(jìn)一步調(diào)查研究。

表6 復(fù)墾用土和周邊土壤重金屬含量

3 討論與結(jié)論

(1) 復(fù)墾后土壤中超過國家二級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重金屬是Cd，0—15 cm均值為5.11 mg/kg，15—30 cm均值為5.27 mg/kg，其余5中元素含量均未超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)。從重金屬含量變化來看，在0—15 cm處，隨著復(fù)墾年限的延長，Cd，Cr和Cu含量逐漸降低，Pb，As和Ni逐漸增加；在15—30 cm處，隨著復(fù)墾年限的延長，Cd，Cr，As和Ni逐漸增加，Pb逐漸減低，Cu則表現(xiàn)為先增長后降低的趨勢。

(2) 單因子標(biāo)識指數(shù)評價(jià)結(jié)果為主要污染元素是Cd，達(dá)到5級重污染程度，屬于Cd嚴(yán)重污染水平，而其它元素均為達(dá)到污染水平。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在12.08～13.14之間，均值為12.42，達(dá)到了5級重污染程度污染指數(shù)3.0的4倍，屬于嚴(yán)重污染水平。

(3) 復(fù)墾區(qū)覆土和周邊土壤的Cd含量已經(jīng)超過國家2級標(biāo)準(zhǔn)，因此復(fù)墾所用土壤是復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染的主要來源。

中國礦產(chǎn)資源分布較廣，尤其是山西煤礦、鐵礦、鋁礦等均分布較廣，因此礦產(chǎn)資源開采后如何進(jìn)行復(fù)墾和復(fù)墾后土地質(zhì)量的控制是土地資源保護(hù)和利用的關(guān)鍵。土地質(zhì)量的水平對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)林業(yè)產(chǎn)品均具有直接而重要的影響，因此不僅要對礦區(qū)進(jìn)行復(fù)墾，而且要保證和提高復(fù)墾后土地的質(zhì)量。本研究結(jié)果表明孝義鋁礦復(fù)墾后土地中Cd嚴(yán)重超標(biāo)，污染比較嚴(yán)重，而且污染源主要來自復(fù)墾所用附近離石黃土。從土壤中重金屬來源看，中國現(xiàn)用的有機(jī)和無機(jī)肥料均存在不同程度的Cd，Cr，Pb，Cu，As等重金屬的超標(biāo)問題[16-18]，因此復(fù)墾后通過人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動所施加的有機(jī)無機(jī)肥料和農(nóng)藥，以及礦區(qū)粉塵沉降和交通等途徑均可帶來污染物[19-21]。不同來源的重金屬通過富集作用，加劇了土壤的污染程度。再者，礦區(qū)開采后的礦渣燈碎屑物本身也含有較高的重金屬，復(fù)墾土壤與廢棄物間所發(fā)生物質(zhì)運(yùn)移也是導(dǎo)致不同土壤層重金屬含量存在差異的原因。再者，土壤中的重金屬通過植物的吸收也會發(fā)生一定程度的差異和轉(zhuǎn)運(yùn)。礦區(qū)等都能將超標(biāo)的肥料用于復(fù)墾后土壤肥力的改善和提高，并通過重金屬的富集作用逐步增加了土壤中污染重金屬的含量，加劇了土壤污染程度。除此之外，土壤中重金屬還可以通過大氣沉降、交通等途徑將周邊土壤和礦區(qū)粉塵等帶入復(fù)墾區(qū)土壤中，并進(jìn)一步導(dǎo)致復(fù)墾區(qū)土壤重金屬的變化。因此，在礦區(qū)復(fù)墾時(shí)選擇和控制土壤質(zhì)量是復(fù)墾成功與否的關(guān)鍵，并進(jìn)行礦渣—復(fù)墾土壤—植物之間物質(zhì)和能量運(yùn)轉(zhuǎn)和循環(huán)方面的研究，對礦區(qū)土壤生態(tài)的發(fā)展具有重要意義。

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Contents and Pollution Risk Assessment of Heavy Mentals in Reclaimed Soil

NIE Xingshan

(InstituteofShanxiSoilandWaterConservation,Taiyuan,Shanxi030045，China)

[Objective] The contents and pollution state of heavy mentals of soil in Xiaoyi bauxite mine of Shanxi Province were studied to provide scientific basis for the understanding and evaluating the risk of heavy metal pollution in reclaimed soil in mining area. [Methods] The contents of Cd, Cr, Cu, Pb, As and Ni by ICP-MS were measured, and their changes along different reclaimed years were analyzed. Single factor index and Nemerow comprehensive index methods were used to evaluate the potential pollution degree and risk. [Results] (1) The mean value of Cd was 5.19 mg/kg, exceeding the 0.3 mg/kg of national stand by 17 times. Other elements was not exceed the national stand and no pollution risk was observed. With the extension of reclamation time, the content of Cd increased at 0—15 cm and decreased at 15—30 cm layer. (2) The single pollution index of Cd is the highest of all sampling plots, was assessed at 5th level severe pollution. Other 5 elements are lower, and are at 1st degree of safe level. The Nemerow comprehensive index ranged from 12.08 to 13.14, with an average of 12.43, at severe pollution level, and it exceeds the 5th degree by 3～4 times. (3) Soil which was used to reclaim is the mainly pollution resource, the contents of 6 heavy mental elements exceeded the national stand. [Conclusion] The soil in reclamation area have been polluted by Cd sourced from reclaimed soil, manure and dust. When considering reclaimed mine, the quality of soil which will be used to reclaim should be protected strictly.

reclamation; Cd; heavy mental; single factor index; Nemerow comprehensive pollution index

2016-10-17

2016-10-24

山西省科技廳技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)面源污染防控措施研究”(2016131)

聶興山(1962—),男(漢族),山西省應(yīng)縣人,大學(xué)?？?，高級工程師,主要從事水土保持、生態(tài)修復(fù)方面的科研工作。E-mail:13453424978@163.com。

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1000-288X(2017)02-0321-06

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