铝矿区复垦土地重金属质量分数特征及潜在生态风险评价

王 雄

(山西省水土保持生态环境建设中心，030002，太原)

山西是我国重要的能源基地，煤、铁、铝等多种矿产资源丰富，在对这些矿产进行开采的时候，不仅破坏大量土地，减少植被，造成水土资源流失，而且导致许多有危害的非金属和金属元素会发生扩散和迁移，从而对土壤、农产品、地表水和地下水形成污染，并最终通过食物链危害人体健康[1-2]。因此，对尾矿进行科学复垦，逐步恢复可耕性，发挥其生态和经济价值，是针对尾矿治理的主要目的。

尾矿复垦方式、复垦后土地质量状况对复垦土地的再次利用具有重要的影响。对复垦土地进行质量评价，是研究矿区土地复垦的主要内容之一，尤其是针对复垦后土壤的重金属含量状况[1]。目前，评价复垦土壤重金属污染的方法比较多，其中瑞典科学家Hakanson[2]所提出的潜在生态风险指数(potential ecological risk index)法能反映某一环境污染物的综合影响程度，并能指出比较严重的污染物质，对针对性地控制污染物具有重要的指导作用[3-4]，在重金属污染评价方面得到了较广的应用。

山西孝义铝矿是我国目前开采量最大的铝土矿山之一[1]，在开采过程中，有许多种类的伴生元素会发生迁移和转化，并形成生态危害；因此，在开采过程中采用开采和治理相结合的管理制度，对废弃和裸露地分批次地进行覆土复垦治理，尽量降低其生态危害，使其逐步恢复可耕性或达到自然植被恢复的条件。土地复垦后，地形条件不同，复垦后土地质量状况也存在差异，而且地形条件不同，复垦后土地的利用方式也不同；因此，复垦土地质量状况受自然地形条件和后期利用方式的双重影响。针对不同利用方式条件下土壤重金属方面的研究较多，但对地形条件和耕作层土壤重金属方面的研究还较少；因此，为了了解孝义铝矿复垦后土地重金属的含量和分布情况，笔者以不同坡度复垦土地的耕作层土壤为对象，对土壤质量及食物链危害较大的砷、镉、铬、铜、镍和铅6种常见重金属元素进行测试分析，了解耕作层不同深度土层的重金属含量差异和主要污染元素，并进一步了解地形因素是否对重金属元素的含量和分布具有影响，采用潜在生态风险指数法评价了其生态风险，深入认识地形因素和人为活动对土壤重金属元素分布的影响，为复垦土地的利用方式和治理措施体系提供科学依据。

1 研究区概况

山西孝义铝矿位于孝义市阳泉曲镇(E 111°29′52″～111°27′12″，N 37°07′44″～37°05′12″)，平均海拔1 251 m。矿区地貌属黄土丘陵地区，气候为典型大陆性半干旱气候，四季分明，年最高气温37 ℃，最低气温-20 ℃以下，降雨年内分布不均，平均降雨量529 mm，主要集中在7—9月。土壤类型主要以沙壤土为主，陡坡和沟道处为红黏土。地面植被有刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(PinustabuliformisCarrière)、榆树(Ulmuspumila)、枣树(ZiziphusjujubaMill.)、核桃(Juglansregia)、柠条(CaraganaKorshinskii)、鬼针草(Bidenspilosa)、碱草(Elymusdahuricus)、沙蓬草(Agriophyllumsquarrosum)、灰灰菜(Chenopodiumalbum)等。年生产规模215万t，是我国最大的铝矿之一。矿区总占地面积1 160 hm2。孝义铝矿矿区属黄土丘陵地区，为典型大陆性半干旱气候区。

本研究选择西河底村的1#地块进行研究，该地块采用阶梯式覆土方式复垦，复垦后地形条件相对较好，面积为5.75 hm2，其中平地(坡度<5°)2.42 hm2，缓坡地 (5°～15°)1.82 hm2，陡坡地(>15°)1.51 hm2。平地和缓坡地复垦2年后进行农业生产，主要种植玉米(Zeamays)、向日葵(Helianthusannuus)和土豆(Solanumtuberosum)。陡坡地没有从事农业生产，进行自然恢复，调查期主要植被有碱草、蒿草(Artemisiaannua)、沙蓬草、狗尾巴草(SetariaviridisBeauv.)等。从事农业生产的平地和缓坡地每年春耕时会泼洒人畜粪便在土壤表面，在耕作时翻入土壤中作为底肥。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与处理

2016年4月在3种地形(平地、缓坡地和陡坡地)的复垦土地上各划定大小为100 m2的3块样地作为土壤采样区，每种地形3个重复试验。在每块采样区按照0～20 cm和>20～40 cm 这2个土层按对角线取土壤样品各5份。取样后剔除石块和树根草根等杂物，并保存于冰盒带回实验室。将每块样地同一土层的5份土样各称取100 g混匀，平摊在牛皮纸上自然风干，并过100目尼龙筛待测，共对18个样品进行了土壤pH和重金属元素的测试分析。

2.2 样品的分析与测定方法

土壤pH值采用水土质量比为1∶2.5的pH电位法测定。土壤样品pH值在6.5～7.4之间，见表1。As、Cd、Cr、Cu、Ni和Pb全量采用硝酸-高氯酸-氢氟酸三酸消解后用电感耦合等离子体光谱仪(Thermo 6300)测定，重金属的质量控制采用GSS-14标准物质进行加标回收，6种重金属的回收率达到了93.2%～97.8%。

表1 不同地面地形不同深度土层土壤pH值Tab.1 pH of soil samples at different depth in varied terrain

2.3 生态风险评价方法

笔者采用Hakanson[2]所提出的潜在生态风险指数法对重金属的潜在生态风险进行评价。该方法能揭示某一环境条件下污染物的综合影响程度，并可指出危害比较严重的物质，对针对性地控制污染物有重要指导作用[3-6]，具有较广的实用性。

生态风险指数法采用下列算式进行计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

2.4 数据处理与分析

文中6种重金属质量分数数据为3个重复试验的均值，采用SPSS13.0和Excel10.0软件进行计算和分析。

3 结果与分析

3.1 重金属质量分数特征

表2为研究区复垦土地3种地形耕作层2个土层土壤中6种重金属质量分数。

从表2可知，3种地形下耕作层在0～20 cm和>20～40 cm土层土壤重金属质量分数差异较大。As、Cd、Cr和Ni 4种元素质量分数的均值在0～20 cm土层小于>20～40 cm土层，差异在1.03～2.00倍之间。Cu和Pb在0～20 cm土层大于>20～40 cm土层，差异在1.12～3.01倍之间。

表2 不同地形耕作层不同土层土壤重金属质量分数Tab.2 Contents of heavy metals under different terrain and tilth

6种重金属质量分数在0～20 cm和>20～40 cm 2个土层间没有固定的变化规律，有些元素在0～20 cm土层大于>20～40 cm，有些则相反。

从表2可知，Cd和Pb质量分数在耕作层的2个土层均表现为平地>缓坡地>陡坡地，即随着坡度增大而逐渐减少。其余4种元素，在0～20 cm土层在不同地形条件下没有表现出固定的规律，但在20～40 cm土层均表现为平地>缓坡地>陡坡地。

与表3中列出的GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[7]中的二级标准比较可知，该研究区3种地面地形下Cd在0～20 cm和>20～40 cm 2个土层的质量分数(5.16～5.79 mg/kg)超过国家二级标准，而Pb在0～20 cm土层的质量分数(114.80～130.80 mg/kg)超过国家二级标准，形成了土壤污染，而其余几种元素没有超过二级标准，没形成污染。

表3 GB15618—1995《土壤环境质量标准》6种重金属的二级标准Tab.3 Level II of 6 heavy metals in GB15618—1995 Environmental Quality Standard for Soils

对耕作层不同土层3种地形状况下对土壤造成污染的Cd和Pb质量分数进行了方差分析，结果如表4所示。

由表4可知，0～20 cm土层Cd质量分数在不同地形条件下存在显著差异，但在>20～40 cm土层差异不显著，可见地形条件对表层土壤中Cd的淋溶作用比较显著，对其质量分数分布具有重要影响。在0～20 cm和>20～40 cm 2个土层，Pb质量分数在不同地形条件下均不存在显著差异。

3.2 重金属污染程度及潜在生态风险评价

用Hakanson[2]潜在生态风险指数法所计算的污染因子和综合污染程度结果如表6所示。

表4 不同耕作层土壤重金属质量分数方差分析表Tab.4 Variance of heavy metal contents under different tilth

表5 污染程度及潜在生态风险等级Tab.5 Degree of contamination and potential ecological risk

表6 不同耕作层土壤重金属污染因子和综合污染程度Tab.6 Contamination factor and degree of contamination of heavy metals under different tilth

由表6可知，复垦土地3种地面地形状况下耕作层土壤在0～20 cm和>20～40 cm土层6种重金属的污染因子差异较大，其中As、Cr、Cu和Ni的污染因子均小于1，属于低等污染程度。Pb的污染系数均大于1，小于3，属于中等污染程度。Cd的污染因子在11.47～12.87之间，大于6，处于很高的污染程度。

从不同土层土壤综合污染指数来看，0～20 cm土层在13.18～14.06之间，属于中等污染程度，表现为平地>缓坡地>陡坡地；>20～40 cm土层在13.21～13.80之间，属于中等污染程度，表现为陡坡地>平地>缓坡地。

对耕作层不同土层3种地面地形状况下重金属的综合污染指数进行方差分析，结果如表7所示。

表7 耕作层不同土层土壤重金属综合污染指数方差分析表Tab.7 Variance of comprehensive pollution index of heavy metals under different tilth

由表7可知：在0～20 cm土层，不同地面地形状况下土壤综合污染指数间存在显著差异；>20～40 cm土层，不同地面地形状况下综合污染指数间不存在显著差异。可见，地形条件对耕作层表层土壤重金属的污染指数存在显著影响，是影响污染程度的一个重要因素。随着土壤深度的增加，地形条件的影响逐渐降低。

复垦土地耕作层不同土层3种地面地形件下土壤6种重金属潜在生态风险计算结果见表8。

由表8可知，在0～20 cm和>20～40 cm土层复垦土地3种地面地形状况下6种重金属的潜在生态风险系数差异较大，其中As、Cr、Cu、Ni和Pb的潜在生态风险系数均小于40，处于低等潜在污染风险，但Cd的潜在生态风险系数均大于160小于320，处于高潜在生态风险。

表8 不同土层重金属潜在生态风险系数和综合潜在生态风险指数Tab.8 Potential ecological risk factor and comprehensive potential ecological risk index of a heavy metal under different tilth

从综合潜在生态风险指数来看，3种地面地形状况下，0～20 cm和>20～40 cm土层土壤的综合污染指数在239.05～275.57之间，均为中等生态风险，且主要污染因子是Cd。从地形状况来看，在0～20 cm土层，综合潜在生态风险指数表现为平地>缓坡地>陡坡地，在>20～40 cm土层表现为陡坡地>缓坡地>平地。

对不同土层3种地面地形状况下重金属的潜在生态风险系数进行方差分析，结果如表9所示。

由表9可知：在0～20 cm土层，不同地面地形状况下土壤潜在生态风险系数间存在显著差异，F值为30.46,P值为0.00。在>20～40 cm土层，潜在生态风险系数间差异不显著，F值为0.62，P值为0.54。可见，地形条件对耕作层表层土壤重金属的潜在生态风险污染指数存在显著影响，是影响污染程度的一个重要因素，但随着土壤深度的增加，地形条件的影响逐渐降低。

4 结论与讨论

孝义铝矿土地复垦后，从事农业生产的平地和缓坡地与自然恢复的陡坡地土壤在0～40 cm的耕作层Cd质量分数均超过了国家二级标准，而且在0～20 cm土层低于>20～40土层，这将会影响农作物中Cd的质量分数，Pb质量分数则相反，但2种元素质量分数均随着地面坡度的增加而减小。通常复垦土地中的重金属元素主要来源于复垦用土和后期人为活动，如粪便、农药、灌溉以及粉尘等途径进入土壤中[12-13]。受地形条件影响，不同地形的土地使用方式对土壤养分状况、土壤侵蚀强度、植物根系对重金属元素的吸收和运移等都存在影响[14-16]。本研究中，平地和缓坡地主要种植玉米和向日葵，而且每年春季会施加人畜粪便作为底肥，人畜粪便和复合肥等有机无机肥料中Cd、Cu、Pb、As等质量分数会相对较高[17-19]，这会增加耕作层中重金属的质量分数，这可能是导致该矿区复垦土地中从事农业生产的平地和缓坡地中几种重金属元素高于自然恢复状态下的陡坡地的一个原因。另外，研究区属于典型的半干旱气候区，具有降雨集中且年内分布不均的气象特点；因此，在降雨季节，土壤侵蚀会相对严重，这将加剧表土的水土流失，从而将土壤中的重金属元素通过坡面径流带走，这可能是几种重金属元素质量分数表现为平地>缓坡地>陡坡地的原因。研究区降雨集中而且降雨期降雨强度差异较大的特点，使得超渗产流和蓄满产流均存在，因此，地表径流带走大量表土的同时，下渗使得表层土壤中存在淋溶作用，淋溶作将导致表层土壤中的元素发生向下迁移。坡度的增加会加剧坡面径流的形成，并降低降雨的入渗量，进而影响土壤的淋溶作用。因此，坡度的增加将降低土壤的淋溶作用，从而降低土壤中元素的向下迁移量，这将导致随着坡度的增加，底层土壤中某些元素质量分数较低于浅层土壤。

潜在生态风险评价结果表明孝义铝矿复垦土地耕作层2个土层的综合潜在生态风险指数在239.05～275.57之间，属于中等程度潜在生态风险，而且主要污染因子是Cd，次要污染因子是Pb。地形条件对综合污染指数和综合潜在生态风险指数均存在显著影响，是影响污染程度的一个重要因素。从地形条件来看，在0～20 cm土层，潜在生态风险均表现为平地>缓坡地>陡坡地，但这种趋势在>20～40 cm没有明显规律，可见地形条件主要对在0～20 cm的表层土重金属的潜在生态风险具有一定影响。本研究中，Cd是主要污染因素，是GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[7]中二级标准值0.45的数10倍。因此，Cd的污染指数和潜在生态风险系数分别对综合污染指数和综合潜在生态风险指数的大小起着决定性作用，制约着最终评价结果。常用的重金属危害的评价方法有因子标识指数法、层次分析法、内梅罗综合污染指数法、累积指数法和潜在生态风险指数法等多种评价方法[1，20-24]。这些评价方法各有特点，而且采用不同的评价方法评价结果也存在差异[25-27]。在实际工作中，采用何种评价方法需要根据其研究目的来确定。本研究中，测试分析了6种重金属元素，但只有Cd处于很高的污染状态，其次为Pb处于中等污染状态。Cd的污染程度对As、Cr、Cu和Ni的污染程度起到了放大效应，间接地提高了它们的污染程度和污染风险。从评价结果本身来说，采用潜在生态指数法的评价结果没有采用单因子评的结果更接近实际情况。但Cd是一种危害非常大的重金属元素，而且有过多起Cd污染事件，造成了较大的环境和社会问题；因此，Cd污染应当更加引起重视。本文研究的目的一方面是为了了解复垦土地重金属情况，另一方面是为了引起相关部门对重金属危害的重视；因此，尽管所采用的评价方法具有一定程度的放大效应，但该方法能突出比较严重污染物，引起相关部门的重视，对提出针对性的防控措施和制度具有现实的指导意义。