草原矿区土壤环境损害基线评估判定的应用研究——以内蒙古草原矿区为例

张轶群,吴 迪,李嘉珣,付 晓,吴 钢

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049 3 中科院建筑设计研究院有限公司,北京 100086 4 住房和城乡建设部政策研究中心,北京 100835

统筹“山水林田湖草”系统治理,实行最严格的生态环境保护制度[1]。内蒙古大草原是我国重要的陆地生态系统,具有水土保持、固沙固碳、维持生态系统平衡、促进物质能量循环等多种生态功能[2-3],不仅是众多动植物的栖息地,更是我国北方重要的生态屏障[4]。近年来随着过度放牧、私开滥垦、矿山开采、城镇化扩展等人为干扰的不断增加,水土流失、草原荒漠化、生物量减少等生态问题屡见不鲜[5-7],如何评价草原生态系统的受损程度已成为草原保护管理和可持续发展的重要内容。

生态环境损害是指因生态破坏、环境污染造成大气、地表水、地下水、土壤等环境要素和植物、动物、微生物等生物要素的不利改变,及上述要素构成的生态系统功能退化的行为[8]。随着我国经济的高速发展,人们对生态系统的干扰与日俱增,生态环境损害鉴定评估的案件越来越多。2016年《生态环境损害鉴定评估技术指南总纲》及2017年《生态环境损害赔偿制度改革方案》的颁布,明确了生态环境损害的赔偿范围、责任主体、索赔主体和损害赔偿解决途径等[9-10],标志着我国已逐步建立比较完善的生态环境损害评估鉴定、修复和赔偿制度。

基线通常用于描述在生态破坏行为发生前,没有人为干扰或不利改变情况下的状态[11]。基线值可以是一组数值或一个区间值,是反映一个地区生态系统状态的综合性指标集,可用于判定人为干扰的程度[12]。土壤损害基线是判断生态环境损害发生的依据,也是确认生态环境损害的时空尺度、损害程度、确认生态环境损害修复的重要标准[13]。土壤基线目前在国内的生态环境损害评估鉴定研究中已得到开展和应用,如吉林省抚松县落叶阔叶混交林土壤养分基线的判定[14],内蒙古锡林浩特市胜利矿区土壤重金属含量基线的研究[15],新疆伊犁河流域土壤重金属基线的研究及污染评价[16],长沙市乔口镇土壤重金属基线值的厘定应用等[17]。

土壤基线因研究目标及研究区域的不同存在很大的差异,目前国际上尚未存在通用的判定方法,常见的方法包括历史数据法、参考点位法、环境标准法、统计点位法、模型预测法和专家判别法等,各方法都有优缺点和使用的局限性,实际研究应用中只能根据评价区域的具体情况选择最适合的方法[18]。

内蒙古草原矿区的土壤基线因相关研究较少,目前尚未存在统一评价标准,如何判定土壤环境的基线在草原生态损害评估鉴定中显得十分重要。土壤养分由于受人为干扰的高敏感性,可作为评价土壤质量和草原生态系统健康的重要指标[19-21]。本研究以内蒙古2个典型的草原矿区为研究对象,采用历史数据法、参考点位法和统计点位法来计算土壤养分基线。本研究的目的是：(1)用3种方法来判定草原土壤基线,检验不同方法所得结果的差异；(2)根据所得的基线值,分析采矿对周边草原土壤养分的影响；(3)确定适合草原土壤基线判定的方法,并分析不同方法的适用范围。以期更好的为草原生态系统损害的评估鉴定、生态保护和污染防治提供数据支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样调查

本研究以内蒙古草原矿区为例,选择了位于典型草原的锡林郭勒盟胜利露天矿区、以及位于草甸草原的呼伦贝尔市宝日希勒露天矿区为研究对象,对草原矿区的土壤养分基线进行判定及分析。

1.1.1锡林郭勒盟胜利矿区

胜利矿区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟(以下简称“锡盟”),地处东经115°13′—117°06′,北纬43°02′—44°52′,该地区气候高寒干旱,无霜期短,具有寒冷、风大、雨少、日照长、温差大、蒸发力强的特点。平均气温为0—3℃,年平均风速为4—5 m/s,年均降水量为295 mm[22]。区域内以典型草原为主,土壤以风沙土、栗钙土、黑钙土为主,偏碱性,全盟土壤总的养分状况是缺磷、氮中等、钾中等、有机质中等偏高的水平[23]。锡盟煤炭资源丰富,已探明储量1448亿t,褐煤总储量在全国居第一位。锡盟煤电基地是国家“十二五”规划中大力发展的7个以电力外送为主的千万千瓦级清洁高效大型煤电基地之一[24]。胜利矿区西一号露天矿于2004年开始投产运营,目前生产能力约为2000万t/a。

在胜利矿区西一号露天矿的南、西和北3个方向进行样本调查,采场东侧为内排土场未设置样点。根据矿区的实际情况,在矿区西向(开采推进方向)距采场外围边界0、0.25、0.7、1.5 km处各设置1个调查样地,在南侧边界0 km、西南边界0、0.5、3 km处各设置1个调查样地,在北排土场北侧0.7、3 km、沿帮排土场北侧0.5、3.5 km、沿帮与北排土场之间距采场1.5、3 km处各设置1个调查样地(图1)。同时在矿区南15 km处未受采矿干扰的草原对照区设置1个调查样地。在每个5 m×5 m调查样地随机设置3个1 m×1 m样方,每个样方用直径5 cm土钻按梅花法采集0—20 cm混合土样。混合后装入自密封塑料袋带回实验室风干。采用半微量凯氏法(Semi micro Kjeldahl method)和电感耦合等离子体质谱法(Inductively coupled plasma mass spectrometry)测定土壤中总有机质(TOM)、N、P、K的含量[25]。

图1 胜利矿区位置及采样点分布Fig.1 Location of Shengli open-pit mine and distribution of sampling points

1.1.2呼伦贝尔市宝日希勒矿区

宝日希勒矿区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市,地理坐标为东经115°31′—126°04′,北纬47°05′—53°20′。该区域属于温带大陆性季风气候,冬季严寒漫长,夏季温凉短促,春秋风多而干燥。年平均气温-1℃,年平均降水量398 mm[26]。区域内以草甸草原为主,其他草类包括森林草原和沙地草原。土壤类型以黑钙土为主,其他包括栗钙土和暗栗钙土等[27]。该地区自然资源丰富,已探明煤炭储量580亿t。宝日希勒露天矿于2001年开始投产运营,目前生产能力约为3000万t/a。

在呼伦贝尔草原宝日希勒矿区周围共采集了112个土壤样点(图2)。在矿区的东、东北、北、西北、西和南方向共设置了7条采样带,每条样带至少15个采样点,样点之间的距离为400 m至1000 m,采样区包括草原的原状区和复垦区,尽可能避开牧区、河流、道路和人为设施,但有个别样点位于农业区(小麦种植)旁侧。同时在矿区南10 km处未受采矿干扰的草原对照区设置1个调查样地。每个土壤样地为1 m×1 m方格,采用五点法取0—20 cm层土样500 g,混合后装入自密封塑料袋带回实验室风干。采用半微量凯氏法和电感耦合等离子体质谱法测定土壤中TOM、N、P、K的含量。

图2 宝日希勒矿区位置及采样点分布Fig.2 Location of Baorixile open-pit mine and distribution of sampling points

1.2 研究方法

草原生态环境损害评估鉴定工作包括评估准备、损害确认调查、因果关系和机理分析、生态环境损害量化评估和损害赔偿及修复共6个方面,工作流程如图3所示。土壤基线的判定在草原生态环境损害评价中至关重要,是草原生态损害量化的前提[28]。通过确定损害区域的土壤基线,再与当下生态环境状态进行比较,通过两者的差异来判定损害程度,继而为后续的生态损害量化评估和责任判定提供依据[29]。

图3 草原生态环境损害评估鉴定流程Fig.3 Assessment process of grassland ecological damage

本研究采用历史数据法、参考点位法、统计点位法共3种方法判定矿区周边草原土壤养分基线,包括土壤中TOM、N、P、K的含量,研究采矿对周边草原土壤养分的影响程度,并分析3种基线判定方法的科学性与适用性,3种方法的特点及优缺点如表1所示。

表1 基线判定方法及优缺点Table 1 Baseline determination methods with advantages and disadvantages

历史数据法选用中国土壤数据库中锡盟、呼伦贝尔市1998—2010年的土壤养分平均值作为基线值[30]。参考点位法选用未受采矿干扰对照区的样本平均值作为基线值。统计点位法包括群体分布法和三分位法。群体分布法由美国环保署(U.S.EPA)提出,用于研究人类干扰较强地区基线的方法[31]。该方法以评价区内全部有效样点(去除已知损害严重的样点)为样本集,选择每个指标数据频数分布的后25%作为该地区的基线值[32]。本研究将采集的土壤样本各养分指标值按从大到小顺序排列,预设含量高为土壤质量良好,排除约10%受损样本,选择每个指标值最高四分位的数值作为基线值。三分位法也是由美国环保署提出,用于研究受人类干扰程度较小地区基线的方法[33]。该方法使用全部样本数据,将各指标值按从大到小顺序排列,选择指标数值最大的前三分之一的中位数作为基线值[34]。

2 草原矿区土壤损害基线的判定与讨论

2.1 土壤基线的判定结果与分析

首先通过群体分布法、三分位法计算得出胜利矿区、宝日希勒矿区的土壤养分基线值,再将两种方法所得的数值取平均值,作为统计点位法得出的基线值(表2、表3)。

表2 统计点位法下的胜利矿区土壤基线值/(g/kg)Table 2 Soil baseline of Shengli mining area based on statistical method

表3 统计点位法下的宝日希勒矿区土壤基线值/(g/kg)Table 3 Soil baseline of Baorixile mining area based on statistical method

再将草原矿区的采样平均值与统计点位法、历史数据法和参考点位法所得的基线值进行对比分析(表4、表5),结果如下：

表4 胜利矿区样本平均值与3种方法所得基线值的对比/(g/kg)Table 4 Comparison between the average value of samples in Shengli mining area and baseline values obtained by three methods

表5 宝日希勒矿区样本平均值与3种方法所得基线值的对比/(g/kg)Table 5 Comparison between the average value of samples in Baorixile mining area and baseline values obtained by three methods

胜利矿区的TOM、P、K样本均值与3种方法所得的基线值都较为相似,N的样本均值与参考点位法基线值较为相似,但低于统计点位法基线值、明显低于历史数据法基线值。可见胜利矿区总体土壤养分与参考点位法中未受采矿干扰的草原对照区差异相对较小,但土壤的平均N含量与历史数据值的差异较大,说明目前的矿区草原及对照区草原的土壤环境已与历史状态发生了变化,如自然演变等原因,导致了土壤中N含量的下降。对胜利矿区样本与对照区进行差异显著性检验,发现TOM、N、P差异都不具有显著性(P>0.05),但K差异具有显著性(P<0.05),说明矿区周边土壤中K的含量受到了采矿的干扰,但K平均含量与3种方法所得的基线值相比,尚未有明显下降。可见采矿对胜利矿区土壤中TOM、N、P、K养分含量未见明显的影响。

宝日希勒矿区土壤中TOM平均含量明显低于3种方法得出的基线值,土壤中N、K平均含量虽然低于历史数据法基线值和统计点位法基线值,但与参考点位法中未受采矿干扰的草原对照区差异较小。P平均含量位于3种方法所得基线值之间。对宝日希勒矿区样本与对照区进行差异显著性检验,发现TOM和P的差异显著性非常显著(P<0.01),N和K差异都不具有显著性(P>0.05),说明矿区周边土壤中TOM和P的含量受到了采矿的干扰。P平均含量高于对照区,但低于历史数据法和统计点位法所得的基线值。可见采矿对宝日希勒矿区土壤中TOM的含量造成了明显的下降,对土壤中N、P、K含量未见明显的影响。

2.2 3种基线判定方法的差异与适用性讨论

3种判定方法均可用于确定草原土壤基线,但结果之间存在差异,3种方法各有优缺点。历史数据法反映了研究区草原的历史真实状态,可作为生态环境损害评估鉴定的重要标准[18],但缺乏对自然演变等因素的考虑,仅可作为评判参考,不建议单独使用。

统计点位法所采用的群体分布法和三分位法由于对数据的筛选、计算方式的不同,导致结果不同。本研究中,由于样点选取的随机性以及土壤空间异质性,个别样点的某些指标异常,如宝日希勒矿区分布在西南方向农田区域的部分样点,由于受到农业活动干扰,养分含量极高,群体分布法排除了这些异常样本(占样本总量的10%)。而三分位法作为群体分布法的补充方法[31],其判定标准比群体分布法更为严格,保留所有样本数据,不做任何排除,所以三分位法所得的基线值高于群体分布法。胜利矿区由于不存在采矿外的其他人为干扰,异常样本较少,所以群体分布法和三分位法的结果差异不大。综上而述,统计点位法的计算过程简单便捷,对数据的利用度高,适合在人为干扰程度较低的草原区使用。

参考点位法应尽可能的选择相同自然条件、生态功能一致、距离相对较近、未受人类活动干扰的对照区[35]。如果不能满足以上条件,可通过建立与评价区域相似度评价指标体系等方式,定量分析参考点位与评价区域(评价要素)的相似性[15],来选择较为合适的对照区。同时,该方法综合考虑了生态系统的自然变异,适合于矿区草原生态系统土壤环境损害基线的判定。

综上而述,对于草原矿区的土壤基线判定,建议先采用参考点位法进行评价区和对照区的对比,之后用历史数据法和统计点位法对结果进行检验。在使用以上方法判定较大范围的土壤基线时,随着评价范围的扩大,土壤的理化性质、植被优势种、气候条件、干扰源等都将有所不同,需综合考虑风险源及权重等影响因素,并结合专家意见等。此外,样本数量决定了数据质量,未来的研究中应根据实际情况尽可能扩大采样范围,提高数据质量,并深入研究相关影响因素的作用机理,不断改进完善基线判定方法,提高研究结果的精度。草原生态系统的基线判定需满足以下几个条件：(1)研究对象的准确描述性；(2)结合实地考察和样本采集；(3)实操性、经济性和时效性强；(4)多种方法对所得结果共同验证。

3 结论

本研究以内蒙古锡盟胜利矿区、呼伦贝尔市宝日希勒矿区为研究对象,对矿区土壤中TOM、N、P、K含量进行采样分析和基线判定。结果表明,胜利矿区土壤养分值与参考点位法基线值差异较小,采矿对胜利矿区土壤养分含量未见直接的影响。宝日希勒矿区土壤中TOM含量明显低于3种方法得出的基线值,N、K含量与参考点位法基线值相似,P均值位于3种基线值之间。可见采矿对宝日希勒矿区土壤中TOM的含量造成了明显下降,对N、P、K含量未见明显的影响。对于草原矿区的土壤基线判定,建议优先采用参考点位法,同时将历史数据法和统计点位法用于检验对比。