铝矿复垦土壤重金属含量变化及污染风险评价

聂 兴 山

(山西省水土保持科学研究所, 山西 太原 030013)

铝矿复垦土壤重金属含量变化及污染风险评价

聂 兴 山

(山西省水土保持科学研究所, 山西 太原 030013)

[目的] 对孝义铝矿复垦区土壤重金属含量和污染状况进行研究，为了解和评价矿区复垦土壤重金属污染风险提供科学依据。 [方法] 采用ICP-MS测定土壤中Cd，Cr，Cu，Pb，As，Ni等6种重金属元素含量，分析各含量随复垦年限的变化特征，并用单因子标识指数和内梅罗综合标识指数法对重金属的污染程度进行评价。 [结果] (1) Cd含量均值为5.19 mg/kg，是国家二级标准0.3 mg/kg的约10倍，其余5种元素含量均低于国家二级标准。随着复垦年限的延长，Cd含量在0—15 cm土层处逐渐降低，在15—30 cm土层处逐渐增加。 (2) Cd的单项因子污染指数在所有样点均达到5级严重污染水平，其它元素均属清洁水平。内梅罗综合污染指数12.08～13.14，均值12.43，是5级重污染指数的3～4倍，属严重污染水平。 (3) 复垦用土中6种重金属含量均超过国家2级标准，是复垦土地重金属主要的来源。 [结论] 复垦区土壤由于复垦用土及后期的施肥和粉尘沉降等所致已被Cd污染，在矿区复垦中，应当严格控制复垦用土的质量。

复垦； Cd； 重金属； 单因子标识指数； 内梅罗综合污染指数

文献参数： 聂兴山.铝矿复垦土壤重金属含量变化及污染风险评价[J].水土保持通报，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

随着社会经济的发展，人类对矿产资源的需求日趋提高，而矿产开发也导致了一系列严重的生态环境问题。例如，采矿地区地质地貌的破坏、水质的恶化、植被及物种多样性的丧失、土壤遭到重金属污染、水土流失和沙漠化等问题日益严重[1-2]，尤其是土壤重金属污染问题，已引起了国内外越来越多学者的关注[3-7]。重金属作为持久性的潜在有毒污染物，一旦进入环境后，由于不能被生物降解而长期存在环境中，并通过富集作用不断积累，危及生物及生态安全[8-13]。为了恢复矿区土壤的可耕作性，通常采用覆土等方式对开采后的矿区进行复垦处理，因此对矿区复垦土地质量的研究具有现实必要性。对矿区复垦后土壤重金属的评价对矿区复垦方式、复垦后土地利用方式和管理具有现实的指导意义。本研究以山西省孝义铝矿废弃地覆土复垦土地为对象，以复垦不同年限土地土壤为材料，对不同复垦年限后土壤重金属污染含量和潜在风险进行了评价。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

孝义铝矿位于孝义市西部山区的阳泉曲镇西河底村(111°29′52″—111°27′12″E，37°07′44″—37°05′12″N)，是中国目前最大的露天铝土矿，生产规模为2.15×106t/a，矿区总占地面积达1 158.2 hm2。矿区开采后主要通过覆土的方式进行复垦，截止2015年底，通过覆土方式共复垦土地422 hm2，其中已耕种193 hm2，绿化98 hm2。矿区位于黄土丘陵地区，属于典型的大陆性半干旱气候区，四季分明，春季多风，夏季炎热，秋季多雨，冬季寒冷干燥，年最高气温达37 ℃，最低气温在-20 ℃以下。降雨主要集中在7—9月，平均降雨量529 mm。孝义铝矿复垦区主要分布在5个区，5个区复垦时间不同，自然地理条件和复垦模式基本相同，复垦用土均为从附近运输来的离石黄土，具有同源性。根据5个复垦区的土地复垦时间及复垦初期主要植被配置模式选择了5个典型复垦样地，每个样地的面积约0.5 hm2。各样地概况详见表1。

表1 土壤采样地情况

1.2 土壤采样与处理

在2015年4月作物种植前在提前选好的样地进行样品采集。每个样地分别按0—15 cm和15—30 cm两个层次按照S形采样，样品采集后将同一样地同一深度的多点土样混匀，剔除土样中植物根系、石块和残渣，保存于冰盒带回实验室，自然风干，过100目筛，用四分法处理试验用样品，留存备用。

1.3 土壤重金属测定方法

土壤中As的测定用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法，Cd，Cr，Cu，Pb采用强酸消解电感耦合等离子体光谱仪(Thermo 6300)测定。文中重金属含量均为全量，数据为3次重复后均值，数据的计算采用Excel软件进行。

1.4 土壤重金属评价方法

单因子标识指数法是国内外采用较多的一种对土壤中某一污染物的污染程度进行评价的方法之一[14]，计算公式为：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——污染物i的单因子污染指数；Ci——污染物i的实测浓度(mg/kg)；S——污染物i的评价准(mg/kg)。

选用GB15618-1995土壤环境质量2级标准作为土壤污染的评价标准(表2)。

表2 土壤环境质量标准值

内梅罗综合污染指数法相比单因子标识指数法能较全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害[15]，计算公式为：

(2)

式中：P——监测点的内梅罗综合污染指数；Pjmax——j监测点污染物单因子污染指数中的最大值；Pjave——j监测点所有污染物单因子污染指数平均值。

根据单因子标识指数法和内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5个等级(表3)。

表3 土壤重金属污染分级标准

2 结果与分析

2.1 不同年限复垦土壤重金属含量分析

图1为孝义铝矿复垦后不同年限0—30 cm土壤中各重金属的统计结果。由图1可知，铝矿复垦区0—15 cm表层土壤Cd含量5.04～5.27 mg/kg，均值为5.11 mg/kg；15—30 cm Cd含量5.05～5.49 mg/kg，均值为5.27 mg/kg；2个分层土壤Cd含量均超过国家土壤环境质量2级标准0.3 mg/kg的10余倍，对土壤形成较严重的污染。从含量变化来看，0—15 cm土壤Cd含量随着复垦时间的延长具有逐渐下降的趋势，而15—30 cm土壤Cd随着复垦时间的延长呈逐渐升高趋势。铝矿复垦区0—15 cm表层土壤Cr含量20.89～40 mg/kg，均值为33.78 mg/kg；15—30 cm Cd含量38.08～54.88 mg/kg，均值为44.56 mg/kg；2个分层土壤Cr含量均未超过国家土壤环境质量二级标准200 mg/kg的阀值，对土壤没有形成污染危害。从含量变化来看，0—15 cm土壤Cr含量有随着复垦时间的延长具有逐渐下降的趋势，但下降速度较慢，而15—30 cm土壤Cr随着复垦时间的延长呈逐渐升高趋势,在复垦6～10 a后增加幅度比2～6 a快。铝矿复垦区0—15 cm表层土壤Cu含量1.45～3.70 mg/kg，均值为2.64 mg/kg；15—30 cm Cu含量1.12～6.54 mg/kg，均值为3.67 mg/kg；2个分层土壤Cu含量均未超过国家土壤环境质量二级标准100 mg/kg的阀值，对土壤没有形成污染危害。从含量变化来看，0—15 cm土壤Cu含量随着复垦时间的延长具有逐渐下降的趋势，下降幅度比较均匀，而15—30 cm土壤Cu随着复垦时间的延长呈波动变化，其中在2～6 a间呈逐渐增加趋势，6～10 a呈逐渐下降趋势。铝矿复垦区0—15 cm表层土壤Pb含量在44.86～110 mg/kg，均值为73.23 mg/kg；15—30 cm Pb含量在38.23～89.66 mg/kg，均值为57.04 mg/kg；两个分层土壤Pb含量均未超过国家土壤环境质量2级标准300 mg/kg的阀值，对土壤没有形成污染危害。从含量变化来看，0—15 cm土壤Pb含量随着复垦时间的延长具有逐渐下降的趋势，15—30 cm土壤Pb随着复垦时间的延长呈逐渐升高趋势，上升和下降幅度均较大。铝矿复垦区0—15 cm表层土壤As含量在6.33～9.82 mg/kg，均值为8.26 mg/kg；15—30 cm土层土壤的As含量在8.04～11.49 mg/kg，均值为9.01 mg/kg；2个分层土壤As含量均未超过国家土壤环境质量2级标准30 mg/kg的阀值，对土壤没有形成污染危害。从含量变化来看，0—15 cm和15—30 cm这两个层次土壤As含量随着复垦时间的延长呈逐渐升高趋势，增加速度相近。铝矿复垦区0—15 cm表层土壤Ni含量在8.68～15.78 mg/kg，均值为12.19 mg/kg；15—30 cm Ni含量在12.85～21.17 mg/kg之间，均值为16.72 mg/kg；两个分层土壤Ni含量均未超过国家土壤环境质量2级标准50 mg/kg的阀值，对土壤没有形成污染危害。从含量变化来看，0—15 cm和15—30 cm这两个土层土壤As含量随着复垦时间的延长呈逐渐升高趋势，增加速度相近。由以上分析可知，孝义铝矿复垦后在2～10 a间，0—15 cm和15—30 cm两个土层Cd，Cr，Cu，Pb，As和Ni这6种重金属元素中只有Cd含量超过了国家土壤2级标准值受到了污染，其余元素均未对土壤形成污染。

2.2 单因子标识指数法评价结果

表4为用单因子标识指数法对孝义铝矿复垦不同年限内土壤重金属的污染评价结果。由表4可知，评价的6种重金属中只有Cd的污染指数Pi大于3.0，达到了5级重污染程度，属于严重污染水平，这与土壤中重金属含量的分析结果相一致。其余5种重金属的污染因子均小于1级污染0.7的标准，属于安全清洁水平。从污染指数Pi来看，存在Cd>Cr>As>Pb>Ni>Cu的大小关系。

图1 复垦区土壤重金属含量

表4 土壤重金属单因子标识指数评价结果

由表4可知，Cd的Pi在16.81～18.30，均值为17.32，均大于重金属污染分级中的5级重污染等级，处于严重污染水平。Cr的Pi在0.10～0.24，均值为0.20，小于于重金属污染分级中1级的污染指数0.7，污染等级为安全，处于清洁水平。Cu的Pi在0.01～0.07，均值为0.03，小于于重金属污染分级中1级的污染指数0.7，污染等级为安全，处于清洁水平。Pb的Pi在0.37～0.13，均值为0.223，小于重金属污染分级中1级的污染指数0.7，污染等级为安全，处于清洁水平。As的Pi在0.20～0.38之间，均值为0.29，小于于重金属污染分级中1级的污染指数0.7，污染等级为安全，处于清洁水平。Ni的Pi在0.17～0.42之间，均值为0.29，小于于重金属污染分级中1级的污染指数0.7，污染等级为安全，处于清洁水平。由以上分析可知，该矿区不同年限复垦土壤中Cd处于严重污染状况，Cr，Cu，Pb，As和Ni这5种重金属元素均处于安全的清洁状况，不会造成环境危害。

2.3 内梅罗综合污染指数法评价结果

表5为用内梅罗综合污染指数法对孝义铝矿复垦不同年限内土壤重金属的污染评价结果。由表5可知，5个样地各采样点0—15 cm和15—30 cm两层土壤重金属评价的内梅罗污染指数P在12.08～13.14之间，均值为12.42，达到了5级重污染程度污染指数3.0的4倍，属于严重污染水平。

表5 土壤重金属内梅罗综合污染指数评价结果

2.4 重金属污染物来源分析

由以上分析可知，孝义铝矿复垦区土壤存在重金属污染的风险，而且主要污染物为Cd。因此对复垦所用离石黄土和矿区周边马兰黄土进行了重金属含量测定(表6)。由表6可知，孝义铝矿复垦所用土壤和矿区周边马兰黄土Cd含量分别为4.91和5.04 mg/kg，已经超过了国家2级标准，属于污染状况，可见矿区复垦时所有土壤和周边地区的马兰黄土已经处于Cd污染状态，而Cr，Cu，Pb，As和Ni含量均为超过国家2级土壤标准，属于安全清洁状态。矿区复垦不同年限后土壤中Cd含量均值为5.19 mg/kg，均高于复垦用土和周边马兰黄土含量；Cr含量均值为39.17 mg/kg，介于复垦用土和周边马兰黄土含量之间；Cu含量均值为3.15，高于复垦用土和周边马兰黄土含量；Pb含量均值为65.13 mg/kg，高于复垦用土和周边马兰黄土含量；As含量均值为8.64 mg/kg，介于复垦用土和周边马兰黄土含量之间；Ni含量均值为14.15 mg/kg，介于复垦用土和周边马兰黄土含量之间。由以上分析可知，复垦后土壤中的Cd主要来源于复垦所用土壤，是导致土壤污染的主要来源，是否存在其它外来性污染源还需要进一步调查研究。

表6 复垦用土和周边土壤重金属含量

3 讨论与结论

(1) 复垦后土壤中超过国家二级质量标准的重金属是Cd，0—15 cm均值为5.11 mg/kg，15—30 cm均值为5.27 mg/kg，其余5中元素含量均未超过国家二级标准。从重金属含量变化来看，在0—15 cm处，随着复垦年限的延长，Cd，Cr和Cu含量逐渐降低，Pb，As和Ni逐渐增加；在15—30 cm处，随着复垦年限的延长，Cd，Cr，As和Ni逐渐增加，Pb逐渐减低，Cu则表现为先增长后降低的趋势。

(2) 单因子标识指数评价结果为主要污染元素是Cd，达到5级重污染程度，属于Cd严重污染水平，而其它元素均为达到污染水平。内梅罗综合污染指数在12.08～13.14之间，均值为12.42，达到了5级重污染程度污染指数3.0的4倍，属于严重污染水平。

(3) 复垦区覆土和周边土壤的Cd含量已经超过国家2级标准，因此复垦所用土壤是复垦区土壤重金属污染的主要来源。

中国矿产资源分布较广，尤其是山西煤矿、铁矿、铝矿等均分布较广，因此矿产资源开采后如何进行复垦和复垦后土地质量的控制是土地资源保护和利用的关键。土地质量的水平对生态环境和农林业产品均具有直接而重要的影响，因此不仅要对矿区进行复垦，而且要保证和提高复垦后土地的质量。本研究结果表明孝义铝矿复垦后土地中Cd严重超标，污染比较严重，而且污染源主要来自复垦所用附近离石黄土。从土壤中重金属来源看，中国现用的有机和无机肥料均存在不同程度的Cd，Cr，Pb，Cu，As等重金属的超标问题[16-18]，因此复垦后通过人类农业生产活动所施加的有机无机肥料和农药，以及矿区粉尘沉降和交通等途径均可带来污染物[19-21]。不同来源的重金属通过富集作用，加剧了土壤的污染程度。再者，矿区开采后的矿渣灯碎屑物本身也含有较高的重金属，复垦土壤与废弃物间所发生物质运移也是导致不同土壤层重金属含量存在差异的原因。再者，土壤中的重金属通过植物的吸收也会发生一定程度的差异和转运。矿区等都能将超标的肥料用于复垦后土壤肥力的改善和提高，并通过重金属的富集作用逐步增加了土壤中污染重金属的含量，加剧了土壤污染程度。除此之外，土壤中重金属还可以通过大气沉降、交通等途径将周边土壤和矿区粉尘等带入复垦区土壤中，并进一步导致复垦区土壤重金属的变化。因此，在矿区复垦时选择和控制土壤质量是复垦成功与否的关键，并进行矿渣—复垦土壤—植物之间物质和能量运转和循环方面的研究，对矿区土壤生态的发展具有重要意义。

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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

山西省科技厅技术开发实验室建设项目“农业面源污染防控措施研究”(2016131)

聂兴山(1962—),男(汉族),山西省应县人,大学专科，高级工程师,主要从事水土保持、生态修复方面的科研工作。E-mail:13453424978@163.com。

A

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

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