聶興山

礦產資源在為經濟社會發(fā)展提供大量資源的同時，也導致了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。例如地質地貌的破壞、水質的惡化、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，以及重金屬污染等問題，引起了國內外越來越多學者的關注［1-3］。礦產資源開采會導致較大范圍內地面植被遭到破壞，形成嚴重的水土和礦質元素流失。為了遏制和改善礦產資源開采后礦區(qū)的水土流失和生態(tài)環(huán)境，土地復墾技術是水土保持和土地恢復的重要手段。

我國礦產資源分布較廣，但鋁礦主要集中在山西、河南、貴州和廣西4省區(qū)。國內外針對鋁礦復墾方式、不同復墾方式對土壤微生物種群和有機碳等方面的研究較多［4-8］，對不同地區(qū)復墾后，土壤中金屬的分布特征和富集效應等方面也有研究［9-10］。山西是我國沉積型鋁土礦儲量大省，而孝義鋁礦是我國目前開采量最大的露天鋁土礦山。由于孝義鋁礦位于黃土丘陵溝壑區(qū)，開采中開挖和堆土方量等不同于其余省份，對土地資源的擾動和破壞更加嚴重。鋁礦開采后，礦渣以及廢棄地中，大量的金屬和非金屬元素隨著地表徑流進入下游河道和農田，形成了新的生態(tài)環(huán)境問題。為了保護水土資源，增加土地利用面積，對廢棄和裸露地進行分批次的復墾，使其逐步恢復可耕性。

復墾后土地質量對土地的利用方式和價值具有重要的影響;因此，土壤質量評價是礦區(qū)土地復墾研究的主要內容之一，尤其是復墾后重金屬質量分數是土地質量評價的重要指標。對重金屬潛在生態(tài)評價方法有單因子標識指數法、多因子標識指數法、內梅羅綜合污染指數法、層次分析法、地累積指數法和潛在生態(tài)風險指數法等多種評價方法。其中，單因子標識指數法只能得出某一種元素的污染狀況，多因子標識指數法和內梅羅綜合污染指數法雖然考慮到多種污染元素，無法體現(xiàn)各因子的權重。層次分析法是將定性和定量分析相結合的一種模數數學方法，地累積法則以沉積巖中元素豐度為參考來評價污染的一種方法，對農業(yè)用地的評價參考意義較小。潛在生態(tài)風險指數法是一種綜合評價方法，考慮到了單因子和綜合因子，參考標準比較靈活，可根據土地的使用類型和要求而確定，具有較強的適應性。

山西有色金屬礦產分布較廣，這對山西土壤中各種金屬的質量分數和分布狀況均具有重要的影響。基于山西礦產分布和鋁礦開采的特點，對孝義鋁礦開采后土壤質量狀況的研究具有重大意義。為了解孝義鋁礦復墾后土壤是否存在重金屬污染現(xiàn)象和存在的風險，筆者以孝義鋁礦復墾土地土壤為研究對象，對從事農業(yè)生產的不同復墾區(qū)土壤多種重金屬元素進行測試分析，用潛在生態(tài)風險指數法評價污染的生態(tài)風險，為復墾土地的利用方式具有重要的現(xiàn)實指導價值，為礦區(qū)復墾和治理的措施體系提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)山西孝義鋁礦位于孝義市陽泉曲鎮(zhèn)西河底村(E 111°29'52″～111°27'12″，N 37°07'44″～37°05'12″)，其生產規(guī)模為215萬t/a，礦區(qū)總占地面積達1 158.2 hm2。地貌屬黃土丘陵地區(qū)，氣候為典型大陸性半干旱氣候區(qū)，四季分明，年最高氣溫37℃，最低氣溫－20℃以下，降雨年內分布不均，平均降雨量529 mm，主要集中在7—9月。該礦在設計和實施中按照“剝離—采礦—復墾”的方式進行，復墾土壤為剝離土和周邊土地土壤。復墾方式按照“尾礦區(qū)平整—覆土—平整”的程序進行。研究區(qū)為2013年復墾土地，復墾年限為3年。目前，西河底復墾土地中，平地主要種植玉米，緩坡地種植核桃。當地居民在種植玉米時，為了提高土壤肥力狀況，增加產量，通常使用大量畜禽糞便作為肥料。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與處理

2016年4月在西河底村復墾土地中，按照“東、南、西、北和中”5個位置，選擇5塊種植玉米的土地作為研究區(qū)域，并按照網格法布設采樣點位(50 m×50 m)。每個點位按照“S”型采集0～20 cm耕層土壤樣3份，將3份混勻后按照4份法，取1 kg存于冰盒帶回實驗室;同時，取復墾用土樣品3個，混勻后取1 kg存于冰盒帶回實驗室。共取復墾土壤樣品10個，復墾用土樣品1個。樣品帶回實驗室后，剔除石塊、生物殘骸和植物碎片，置于陰涼干燥處風干后，研磨，過100目篩待測。

2.2 樣品的分析與測定

土壤樣品的pH值參照《土壤農業(yè)化學分析方法》［11］，采用水土比為 1∶2.5的 pH 電位法測定。將待測土壤用硝酸－高氯酸－氫氟酸三酸消解［12］后，用電感耦合等離子體光譜儀(Thermo 6300)測定Cd、Cr、Cu、Pb、As、Ni和 Zn 全量，重金屬的質量控制采用GSS－14標準物質進行加標回收，7種重金屬的回收率達到94.8%～98.96%。

2.3 數據處理與分析

所有重金屬數據均為3次平行試驗測定結果后的均值。計算和分析采用SPSS 13.0和Excel 10.0軟件進行。

2.4 潛在生態(tài)風險評價方法

潛在生態(tài)風險指數法(The Potential Ecological Risk Index)，由瑞典科學家 L．Hakanson［13］提出，該方法不僅能反映出某一環(huán)境條件下，污染物綜合的影響程度，而且通過生態(tài)危害指數，指出危害比較嚴重的物質，這對有針對性地控制污染物具有重要指導作用［14-15］。生態(tài)風險指數法計算公式為:

Cif，Cd，Eir和 RI值采用賈振邦等［15］、樊文華等［14］及毛志剛等［16］所確定的等級值(表 1)。

采用國家土壤重金屬二級標準值作為其參考值(6.5≤pH≤7.5);其中，Cd、Cr、Cu、Pb、As、Ni和 Zn分別為 0.45、200、100、80、30、90 和 250 mg/kg。

重金屬的毒性響應系數設定，參考L．Hakan-son［13］制定的標準化重金屬毒性系數，并參考相關研究［14－18］，設定 Cd、Cr、Cu 、Pb 、As 、Ni和 Zn 7 種元素的毒性系數分別為20、2、5、5、5、10 和1。

表1 污染程度及潛在生態(tài)風險程度分類等級表Tab．1 Degree table of pollution and potential ecological risk

3 結果與分析

3.1 復墾區(qū)土壤重金屬質量分數統(tǒng)計特征分析

研究區(qū)復墾3年后，5塊土地10個樣品7種重金屬的統(tǒng)計結果見表2?？梢钥闯?，復墾土壤中重金屬元素質量分數差異較大。其中，Cd為5.04～5.49 mg/kg，均值5.19 mg/kg;Cr為20.89～54.88 mg/kg，均值 40.47 mg/kg;Cu為 0.70～5.40 mg/kg，均值 2.65 mg/kg;Pb為36.57～120 mg/kg，均值65.13 mg/kg;As為6.01～11.49 mg/kg，均值8.64 mg/kg;Ni為5.78 ～21.17 mg/kg，均值 13.05 mg/kg;Zn在 14.57～41.74 mg/kg，均值 28.98 mg/kg。

表2 復墾區(qū)土壤重金屬描述性統(tǒng)計Tab．2 Descriptive statistics of heavy metals in the topsoil in thereclaimed area

研究區(qū)是孝義市主要土地復墾區(qū)域，復墾土地主要用于農業(yè)生產;因此，按照國家土壤環(huán)境質量標準，應以二級標準為參考判斷是否存在污染。由表2可知，Cd超過國家二級標準值0.45 mg/kg，超標比例在11.20～12.20倍，均值為11.53倍。說明孝義鋁礦復墾土地受到 Cd的污染;而 Cr、Cu、Pb、As、Ni和Zn與土壤環(huán)境治理二級標準值相差較遠，表明復墾土地尚未受到污染。復墾用土Cd質量分數為4.91 mg/kg，是國家二級標準的10.9倍，可見復墾用土是土壤中Cd的主要污染來源。

對比分析表2中復墾區(qū)土壤和復墾用土重金屬質量分數的統(tǒng)計信息可知，7種重金屬質量分數的均值，均超過了復墾用土的質量分數，表明這7種重金屬元素在孝義鋁礦復墾經過一段時間的農業(yè)生產后，都有一定程度的積累，其中，Cd、Cr、Cu 、Pb 、As、Ni和 Zn 分別為復墾用土的 1.06、1.15、1.15、1.31、1.59、1.41和1.14倍。這表明復墾后受到播種、施肥、灌溉以及噴灑農藥等人為活動的影響，導致土壤中重金屬質量分數有所升高，這與文獻［19－21］的研究結果相似。該地區(qū)屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，復墾后土地均為旱地，因此，除了復墾時所用周邊土壤中所含的重金屬外，其他可能的來源就是農業(yè)生產中施加的有機和無機肥、礦區(qū)粉塵沉降等途徑。

重金屬元素質量分數的變異系數，可以反映元素在復墾區(qū)的分布和污染程度的差異性，變異系數越大，說明區(qū)域各采樣點在總體樣本中平均變異程度越大。從表2可知，7種重金屬元素變異系數依次為Cu＞Pb＞Ni＞Zn＞Cr＞As＞Cd，其中，Cu、Pb和Ni的變異系數均大于30%，這說明研究區(qū)這3種元素的空間分布差異較大。As、Cr和Zn的變異系數介于18.98% ～26.47%之間，差異較小，表明這3種重金屬的空間分布差異較小，存在污染程度相似性。Cd的變異系數最小，為3.20%，表明Cd空間分布比較均勻，污染程度相近。

3.2 復墾區(qū)土壤重金屬質量分數相關性分析

孝義鋁礦復墾用土主要來自堆土場和周邊的取土場，其地形地貌、土壤質地具有相似性;因此，復墾區(qū)土壤中重金屬來源具有形同性。通常，同一來源的土壤重金屬之間具有一定的相關性，重金屬元素間相關性的顯著水平，說明元素間一般具有同源或者存在復合污染關系［22］。復墾區(qū)土壤重金屬質量分數間的Person相關分析結果見表3。

由表3可知，多種重金屬元素間存在相關性。其中，Cd與Cr的相關性達到顯著水平(P＜0.05)，相關系數為0.57，與As的相關系數為0.79，相關性達極顯著水平(P＜0.01)。Cr與As的相關性達到極顯著水平(P＜0.05)，相關系數為0.90。Cu與Zn的相關性達到顯著水平(P＜0.05)，相關系數為0.73。Pb與Ni的相關性達到顯著水平(P＜0.05)，相關系數為 －0.60，而 Ni與 Zn的相關系數為0.84，相關性達到極顯著水平。表明復墾區(qū)土壤中，Cd、Cr和As的來源相似性較大，呈相互伴隨的復合污染現(xiàn)象，而Cu、Ni和Zn不具有伴隨的復合污染現(xiàn)象。

表3 復墾區(qū)土壤重金屬質量分數相關系數矩陣Tab．3 Correlation matrix between the contents of heavy metals in the soil in thereclaimed area

3.3 復墾土壤重金屬污染程度及潛在生態(tài)風險評價

潛在生態(tài)風險指數法對國內外河流沉積物、礦區(qū)土壤、復墾土壤和肥料等多方面的重金屬污染情況進行評價［9，12，23－24］，其結果科學可靠，具有一定代表性;因此，用來評價孝義鋁礦復墾土壤重金屬污染，也具有一定的適應性。采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數法評價風險指數和污染等級結果見表4。

表4 復墾土地土壤重金屬污染指數和綜合污染等級Tab．4 Pollution index and comprehensive pollution degree of soil in the reclaimed area

由表4可知，孝義鋁礦復墾后土壤各重金屬元素污染指數均值在0.02～11.54之間，綜合污染指數均值為1.88，污染等級為中等。各重金屬元素污染指數平均值依次順序為Cd＞Pb＞As＞Cr＞Ni＞Zn＞Cu，Cd的污染指數最高，平均值為11.54，處于高污染水平;Pb、As、Cr、Ni、Zn 和 Cu的污染系數均＜1，處于低污染水平，但Pb的污染指數接近于1，污染程度較其他幾種元素嚴重。復墾土壤7種重金屬元素中，只有Cd的污染指數最高，達到很高的污染程度，其余幾種均＜1，屬于低污染狀態(tài)。

生態(tài)風險指數綜合指數RI為238.39，＞150，＜300，屬于中等風險，這與污染等級相一致。RI值中，Cd的貢獻比例最高，達到96.84%。主要是由于復墾土壤中，Cd質量分數高于國家二級標準值，而且Cd的毒性系數相對 Cr、Pb 等元素較高，從而使得其潛在生態(tài)風險指數和生態(tài)風險指數RI的計算結果較大。

4 結論

1)孝義鋁礦復墾3年土地土壤中存在Cd污染，7種重金屬均存在不同程度的累積效應，主要外來源有復墾土壤、播種、施肥、灌溉和礦區(qū)粉塵等，并且Cd、Cr和As來源相似性較大，呈現(xiàn)相互伴隨的復合污染現(xiàn)象。

2)復墾土壤的綜合污染程度中等，除Cd處于潛在高生態(tài)風險外，其余均處于低生態(tài)風險。孝義鋁礦復墾土壤總體上屬于中等生態(tài)風險水平，應當加以重視，盡量減少除復墾用土外的其他污染物來源。

表5 復墾土地土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數和風險等級Tab．5 Potential ecological risk index and the risk degree of heavy mental in the soil in reclamation area

3)由潛在生態(tài)風險法評價結果可知，這種方法在評價重金屬污染風險中具有一定的優(yōu)勢，是一種可靠的方法;但是，當單項污染因子污染指數過高時，能放大評價結果，對評價結果影響較大。本項目中Cd是最主要的污染元素，危害較大，對評價結果的放大效應可增強人們對危害的重視程度;因此，可對這種方法進行擴展和完善，進一步兼顧元素毒性響應系數和權重差異。

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