張曉薇 王恩德 柏易彤

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺鐵礦是遼寧省近40 a來(lái)發(fā)現(xiàn)的最大富鐵礦，也是我國(guó)迄今發(fā)現(xiàn)的繼海南石碌鐵礦之后的第二大富鐵礦。該鐵礦歷經(jīng)多年的開(kāi)采，礦區(qū)環(huán)境承受能力不斷減弱，累積性的土壤污染問(wèn)題日益突出，以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr等為主的重金屬污染嚴(yán)重［1-2］。由于土壤重金屬污染具有持久性、隱蔽性和不可逆性等特點(diǎn)，一旦遭受重金屬污染，便難以消除［3］。開(kāi)展重金屬污染土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，一方面可以了解土壤重金屬污染的程度和現(xiàn)狀，并以直觀的數(shù)學(xué)方式表達(dá)出來(lái)，有利于進(jìn)行科學(xué)、客觀的判斷；另一方面可以針對(duì)現(xiàn)有的情況，進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)布局，維護(hù)周邊居民的生存環(huán)境，同時(shí)有計(jì)劃、有步驟地開(kāi)展防治和修復(fù)工作。土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是進(jìn)行土壤環(huán)境保護(hù)、實(shí)施土壤環(huán)境綜合整治的基礎(chǔ)工作。

傳統(tǒng)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法［4-6］、潛在生態(tài)危害指數(shù)法［7-8］等，但這些方法在描述土壤污染這個(gè)復(fù)雜綜合體系的模糊性和漸變性時(shí)均有不足［9］。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。該方法能通過(guò)相對(duì)隸屬度描述分類(lèi)的界限，準(zhǔn)確詮釋土壤環(huán)境狀況以及級(jí)別劃分的模糊性，客觀地反映綜合土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題，適合各種非確定性問(wèn)題的解決［10-13］。

前期的研究表明，弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)重金屬污染主要以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr為主［2，14］。因此，本研究以此5種重金屬以及有機(jī)質(zhì)（OM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（OP）等土壤養(yǎng)分為主要因子，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)，為后期生態(tài)修復(fù)方案的選擇提供理論指導(dǎo)。有關(guān)該礦區(qū)生態(tài)修復(fù)方面的研究成果將在后續(xù)論文中進(jìn)行報(bào)道。

1 研究區(qū)概況

弓長(zhǎng)嶺鐵礦位于遼寧省中部，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.4℃，年降水量708 mm、蒸發(fā)量 1 107 mm［15］。礦區(qū)總面積110 km2，露天采場(chǎng)4個(gè)，占用土地35 km2，同時(shí)還形成尾礦庫(kù)及排土場(chǎng)等大面積廢棄物堆存地，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境［16］。

2 樣品采集與測(cè)定

2.1 樣品采集及預(yù)處理

樣品采自獨(dú)木采區(qū)、露天礦、馮家尾礦、安平尾礦、蘇安大街、茨溝村、湯河區(qū)等7處，共22個(gè)采樣點(diǎn)。根據(jù)采樣區(qū)類(lèi)型，樣點(diǎn)大致可分為露天采場(chǎng)區(qū)、尾礦區(qū)、河流底泥區(qū)、采場(chǎng)周邊土壤區(qū)等4類(lèi)。采樣區(qū)具體地理位置分布見(jiàn)圖1。

采樣時(shí)，按S形線(xiàn)路，每個(gè)采樣點(diǎn)采集0～30 cm厚的新鮮巖土，經(jīng)混勻、縮分得1 kg樣品供測(cè)試分析。土壤樣品則需去除作物根系和石礫等雜質(zhì)，并自然風(fēng)干、研磨、過(guò)100目篩后供測(cè)試分析。

2.2 樣品分析和測(cè)定

采用電位法對(duì)土壤的酸堿值進(jìn)行測(cè)定，重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤OM，土壤中的TN采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定，用堿解擴(kuò)散法測(cè)定AN，TP采用硫酸-高氯酸消煮法，土壤OP采用碳酸氫鈉浸提法測(cè)定。重金屬含量的測(cè)定，采用混酸（HF-HNO3-HClO3）微波消解，3%的稀硝酸溶液稀釋定容后，用電感藕合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）進(jìn)行分析測(cè)定。

3 土壤質(zhì)量結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)因子集和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集

試驗(yàn)選擇最常用的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)因子OM、TN、AN、TP、OP作為土壤養(yǎng)分因素集，根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查規(guī)定的5個(gè)土壤養(yǎng)分等級(jí)確定土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集［17］。選擇鐵礦區(qū)最常見(jiàn)的幾種重金屬Cu，Zn，Pb，Cr，Cd為土壤重金屬評(píng)價(jià)因子集（遼陽(yáng)地區(qū)的背景值分別為24.57、59.84、22.15、57.66、0.16 mg/kg），根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15168—1995）確定土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集［18］。各采樣點(diǎn)土壤中養(yǎng)分及重金屬含量見(jiàn)表1。

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3.2 隸屬度計(jì)算

隸屬度是通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集把反應(yīng)評(píng)價(jià)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化的函數(shù)，因此，隸屬度是用來(lái)描述土壤污染狀況的模糊界線(xiàn)，是進(jìn)行模糊運(yùn)算所必須的函數(shù)。設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量分為j個(gè)級(jí)別，各級(jí)別的隸屬度函數(shù)rij可以表示為［19］：

（1）土壤環(huán)境質(zhì)量為一級(jí)（j=1）時(shí)的

（2）土壤環(huán)境質(zhì)量為二級(jí)到四級(jí)（1＜j＜5）時(shí)的

（3）土壤環(huán)境質(zhì)量為五級(jí)（j=5）時(shí)的

式中，rij表示第i種評(píng)價(jià)因子隸屬第j等級(jí)的隸屬度；Ci表示土壤中第i種因子的實(shí)測(cè)濃度，mg/kg；Sij表示第i種因子第j等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/kg。

3.3 權(quán)重計(jì)算

在模糊綜合評(píng)判中所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)因子對(duì)土壤的質(zhì)量影響不同，因此，需要對(duì)各評(píng)價(jià)因子賦予不同的權(quán)重，來(lái)展示各評(píng)價(jià)因子在該研究區(qū)域中所起到的作用強(qiáng)度。運(yùn)用污染值法計(jì)算的各污染因子權(quán)重

式中，ai表示第i個(gè)污染因子的權(quán)重值；Si表示為各級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，mg/kg。

根據(jù)計(jì)算出的各評(píng)價(jià)因子的單向權(quán)重得出的歸一化權(quán)重［20］見(jiàn)表2。

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3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

為了避免“取大取小”運(yùn)算法可能帶來(lái)的重要信息丟失，且權(quán)重的作用在該運(yùn)算中體現(xiàn)不明顯的缺點(diǎn)，選擇加權(quán)平均型算法計(jì)算的隸屬度

式中，bj表示第j等級(jí)的隸屬度，由bj可得到各區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量，然后根據(jù)模糊綜合指數(shù)法原則，模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向量合成得到模糊綜合指數(shù)F，F(xiàn)=Y·S，其中F為模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，Y為模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量，S為等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向量，S=［35 50 65 80 95］。根據(jù)F值所屬范圍確定弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)各區(qū)域土壤養(yǎng)分和重金屬模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知：①礦區(qū)因開(kāi)采導(dǎo)致重金屬污染較嚴(yán)重，但各采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果大多數(shù)為豐富（Ⅴ），并未受到重金屬污染的影響。②結(jié)合表2的權(quán)重值可知，TN對(duì)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大，其次為OM，AN、TP和OP的權(quán)重偏小，說(shuō)明雖然礦區(qū)土壤養(yǎng)分整體比較豐富，但供植物快速有效利用的成分較低。③計(jì)算得礦區(qū)土壤重金屬污染在清潔（I）、尚清潔（II）、輕污染（III）、中污染（IV）、重污染（V）的隸屬度分別為0.017、0.064、0.108、0.052和0.758，重污染的隸屬度最大，即礦區(qū)總體處于重金屬重污染水平。④由5種重金屬的歸一化權(quán)重大小可以看出，5種重金屬的權(quán)重大小順序?yàn)镃d＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，其中污染因子Cd的權(quán)重超過(guò)其他污染因子權(quán)重總和，說(shuō)明該礦區(qū)Cd污染最為嚴(yán)重。而Pb、Zn的權(quán)重值很小，基本可以忽略不計(jì)，說(shuō)明該礦區(qū)Pb、Zn污染很小或者無(wú)污染，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最小。所以，該弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)主要污染因子為Cd、Cu、Cr。

將該研究結(jié)論與傳統(tǒng)的利用地累積指數(shù)法和富集因子法研究的礦區(qū)重金屬污染程度評(píng)價(jià)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，說(shuō)明模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法適用于礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

4 研究結(jié)果分析

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從重金屬全量看，礦區(qū)5種重金屬元素全量均高于遼陽(yáng)土壤背景值。其中，Cd含量最高，超過(guò)90%的點(diǎn)位Cd含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)含量平均值分別為11.50 mg/kg和5.20 mg/kg，最高達(dá)到了15.83 mg/kg；約有73%的點(diǎn)位Cu含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，露天采場(chǎng)和尾礦Cu含量較高，采場(chǎng)周邊土壤4個(gè)點(diǎn)位（編號(hào)17、18、19、22）銅含量異常高，平均達(dá)241.8 mg/kg，具體原因有待后期詳細(xì)探索；Zn、Pb、Cr的含量較低，因此，建議在進(jìn)行土壤環(huán)境恢復(fù)時(shí)，重點(diǎn)針對(duì)Cd、Cu污染采取相應(yīng)措施，以達(dá)到在較小的投入情況下實(shí)現(xiàn)較好的恢復(fù)效果。

從采樣區(qū)整體空間分布來(lái)看，露天采場(chǎng)重金屬污染最嚴(yán)重，其次為尾礦庫(kù)，再到河流底泥及周邊土壤，5種重金屬平均含量呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明重金屬含量明顯受人為開(kāi)采活動(dòng)的影響。從露天采場(chǎng)向外，重金屬Cd污染的權(quán)重逐漸降低，其他4種重金屬污染的權(quán)重平均值呈增大的趨勢(shì)，這是由于Cd的權(quán)重降低，而總和不變，所以其他4種重金屬權(quán)重增大。需要特別指出的是，露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)的pH值較小，特別是尾礦庫(kù)，部分點(diǎn)位土壤的pH甚至小于6.0，這主要是由于區(qū)內(nèi)黃鐵礦等硫化礦物發(fā)生氧化，生成了酸，這些酸的生成又促進(jìn)了重金屬離子的溶出，加劇了露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)的重金屬污染［21］。就土壤養(yǎng)分的5個(gè)評(píng)價(jià)因子而言，OM、TN、TP的權(quán)重平均值變化規(guī)律性不強(qiáng)，但是，從露天采場(chǎng)開(kāi)始，向外延伸過(guò)程中，AN、OP的權(quán)重平均值逐漸增大，說(shuō)明供植物吸收利用的養(yǎng)分含量逐漸增多，逐漸適宜植物種植。

從礦區(qū)整體污染水平來(lái)看，露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)重金屬污染最嚴(yán)重，是礦山污染環(huán)境恢復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于這2個(gè)區(qū)域，可以先使用農(nóng)藝法調(diào)節(jié)土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地等因素，改變土壤重金屬活性，降低其生物有效性，減少對(duì)植物的毒害，使先鋒植物能進(jìn)入，使污染土壤向良性發(fā)展［22］。當(dāng)土壤質(zhì)地稍微變好后再利用植物修復(fù)，引入超富集植物或高耐性植物，利用植物吸收、揮發(fā)和固定降低重金屬的毒性，以達(dá)到清除污染的目的。在經(jīng)過(guò)多年修復(fù)的恢復(fù)區(qū)或土壤污染低的地區(qū)可以種植經(jīng)濟(jì)作物，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和諧發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重，Cd為最主要的污染因子，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最大，其次為Cu和Cr，而Pb、Zn為無(wú)污染或輕度污染，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最小。因此，在后期礦區(qū)污染監(jiān)控和生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，應(yīng)著重關(guān)注Cd污染。

（2）礦區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分豐富，TN含量對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最大，但是土壤中AN、TP和OP等能被植物快速有效利用的養(yǎng)分含量較低，不適于植物種植。因此，在后期礦區(qū)生態(tài)修復(fù)之前應(yīng)人工施加肥料，調(diào)節(jié)養(yǎng)分結(jié)構(gòu)。

（3）該研究給出了礦區(qū)的基本生態(tài)特征和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善和治理提供了科學(xué)參考。受篇幅所限，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與污染治理研究將在后續(xù)報(bào)道。