黃石德

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012)

金屬礦山的開(kāi)采形成大量廢棄地已成為土壤重金屬污染的主要來(lái)源之一[1-3]。土壤重金屬污染不僅會(huì)引起土壤組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變[4]，而且具有隱蔽性強(qiáng)和不可逆性等特點(diǎn)，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，一旦進(jìn)入生物鏈，容易在動(dòng)植物體內(nèi)累積，從而直接或間接危害人類健康[5]，這越來(lái)越引起社會(huì)的廣泛關(guān)注[6]。因此，開(kāi)展礦山廢棄地土壤重金屬的污染狀況評(píng)價(jià)是十分必要的。本文以大田縣鐵礦廢棄地為研究對(duì)象，對(duì)不同修復(fù)模式土壤進(jìn)行采樣分析，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)其土壤重金屬污染等級(jí)，旨在為鐵礦廢棄地的修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)和試驗(yàn)地概況

大田縣位于福建省中部，戴云山脈西側(cè)，地理坐標(biāo)117°29′—118°03′ E，25°29′—26°10′ N，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均日照1 723.8 h，年均氣溫19.1 ℃，年無(wú)霜期290 d，年均降水量1 557.8 mm，氣候溫和，雨量充沛。大田縣是福建省重要鐵礦產(chǎn)區(qū)之一，長(zhǎng)期露天開(kāi)采，產(chǎn)生了大量的鐵礦廢棄地。鐵礦廢棄地主要表現(xiàn)為露天采礦的挖損與棄渣、棄土、廢石及各類重金屬礦堆的無(wú)序壓占。因此，鐵礦廢棄地的修復(fù)成為大田縣亟待解決的問(wèn)題。試驗(yàn)地包括大田縣銀頂格和萬(wàn)湖鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式的樣地，選擇尚未修復(fù)的樣地(R0)作為鐵礦廢棄地修復(fù)的初始狀態(tài)，并選擇周邊未開(kāi)礦樣地(CK)作為對(duì)照。鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式見(jiàn)表1，樣地概況見(jiàn)表2。

表1 大田縣鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式表

表2 鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式樣地概況

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2018年5月-6月間，在廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式區(qū)內(nèi)設(shè)置5個(gè)20 m×20 m樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)按“S”形采集5個(gè)表層(0～10 cm)土壤樣品，同一個(gè)樣方內(nèi)土壤樣品混合成一個(gè)土樣。每種模式采集5個(gè)土壤樣品，共計(jì)采集30個(gè)土壤樣品。

2.2 樣品處理與分析

將土壤樣品中的石櫟、植物殘?bào)w等雜物挑除，風(fēng)干后過(guò)100目篩備用。采用HNO3-HF-HClO4(質(zhì)量配比4∶4∶2)消化法制備待測(cè)液，利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定土壤的銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cd)和鎳(Ni)等重金屬含量。

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。評(píng)價(jià)方法采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[5, 7]。污染指數(shù)分別為:

P={[(Ci/Si)2max+(Ci/Si)2ave]/2}1/2

式中：Pi—土壤中i污染物的污染指數(shù)；Ci—i污染物的實(shí)測(cè)濃度(mg·kg-1)；Si—土壤中i污染物的背景值或標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1)；(Ci/Si)max—土壤污染指數(shù)中的最大值；(Ci/Si)ave—土壤污染指數(shù)的平均值。根據(jù)計(jì)算得到的單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)[1]，對(duì)照土壤重金屬污染評(píng)價(jià)等級(jí)(表3)，評(píng)價(jià)鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式土壤重金屬污染情況。

表3 土壤重金屬污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式土壤重金屬含量

如表4所示，不同修復(fù)模式土壤重金屬含量存在明顯差異。R0模式的Cu、Pb和Cr含量最高，分別是未擾動(dòng)CK模式的5.1、5.0和1.4倍。R3模式的Zn和Ni含量最高，分別是未擾動(dòng)CK模式的2.2和4.7倍。除Pb元素外，其他重金屬含量所有修復(fù)模式均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。而與福建省背景值相比，除R0和CK模式Ni含量未超過(guò)福建省背景值外，其他所有模式重金屬含量均超過(guò)福建省背景值，這表明大田縣銀頂格周邊礦區(qū)林地土壤也受到一定程度的污染。

表4 廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式土壤重金屬含量 mg·kg-1

3.2 廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式土壤重金屬含量的相關(guān)性

大田縣銀頂格鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式土壤重金屬元素的相關(guān)分析如表5所示。土壤Cu含量與土壤Zn呈極顯著正相關(guān)，表明土壤Cu和Zn含量呈現(xiàn)相對(duì)一致的變化趨勢(shì)，這可能Cu和Zn元素有類似的化學(xué)性質(zhì)[8]。土壤Cr與Pb呈顯著正相關(guān)，與Ni呈顯著負(fù)相關(guān)。

表5 土壤重金屬含量相關(guān)系數(shù)

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01

對(duì)5種重金屬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，后經(jīng)主成分分析(PCA)，提取到2個(gè)主成分：第一主成分的貢獻(xiàn)率為48.14%；第二主成分的貢獻(xiàn)為46.78%。2個(gè)主成分對(duì)土壤重金屬的貢獻(xiàn)率差異不明顯，累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.92%(表6)。如表7所示，在第一主成分主要反映了Pb、Ni和Cr元素的綜合變量，它們對(duì)主成分1負(fù)荷量分別為0.891、-0.814和0.957；在第二主成分則反映了Cu和Zn元素的綜合變量，它們對(duì)主成分2負(fù)荷量分別為0.965和0.974，表明這兩種元素具有一定的同源性。

表6 特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

表7 土壤重金屬元素主成分因子得分系數(shù)矩陣

使用土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)值(IFI)評(píng)價(jià)廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式土壤重金屬含量。如表8所示，不同修復(fù)模式土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)值排序?yàn)镽0>R1>R2>R3> R4>CK。

表8 不同修復(fù)模式土壤重金屬綜合指標(biāo)值

3.3 廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式重金屬污染狀況評(píng)價(jià)

如表9所示，廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式污染程度存在差異，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式污染程度高低的綜合污染指數(shù)平均排序?yàn)镽0>R1>R2>R3>R4>CK。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，R0和R1模式綜合污染指數(shù)大于3，屬重度污染；R2和R3模式屬輕度污染；R4模式屬警戒；CK模式屬安全。單因子污染指數(shù)顯示，不同重金屬元素所造成的污染貢獻(xiàn)率不同，5種重金屬元素指數(shù)排序?yàn)镻b>Zn>Cu>Cr>Ni，其中Pb元素污染指數(shù)最高，表明Pb是廢棄鐵礦區(qū)最主要的污染重金屬元素，其次為Zn元素，其他3種重金屬元素污染指數(shù)相對(duì)較小。

表9 廢棄鐵礦區(qū)不同修復(fù)模式土壤重金屬評(píng)價(jià)指數(shù)

4 結(jié)論

礦山廢棄地典型特征是重金屬危害、極端酸性、鹽害、干旱和養(yǎng)分貧瘠等[9]。本研究通過(guò)對(duì)大田縣鐵礦廢棄地不同修復(fù)模式土壤重金屬含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)不同修復(fù)模式土壤Cu、Zn、Pb和Cr重金屬元素均超過(guò)相應(yīng)福建土壤背景值，其中Pb含量甚至超過(guò)國(guó)家土壤背景值。不同重金屬元素的相關(guān)性分析表明，Cu和Zn顯著相關(guān)，表明Cu和Zn具有一定的同源性。利用主成分分析方法，不同修復(fù)模式土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)值排序?yàn)镽0>R1>R2>R3> R4>CK。從單因子污染指數(shù)來(lái)看，Pb元素污染指數(shù)最高，表明Pb是鐵礦廢棄地最主要的污染重金屬元素，其次為Zn元素，其他3種元素污染較小。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)顯示R0和R1模式屬重度污染；R2和R3模式屬輕度污染；R4模式屬警戒；CK模式屬安全。