鐵礦廢棄地不同修復模式土壤重金屬污染特征及評價

黃石德

(福建省林業科學研究院，福建 福州 350012)

金屬礦山的開采形成大量廢棄地已成為土壤重金屬污染的主要來源之一[1-3]。土壤重金屬污染不僅會引起土壤組成、結構和功能發生改變[4]，而且具有隱蔽性強和不可逆性等特點，不僅對環境造成嚴重影響，一旦進入生物鏈，容易在動植物體內累積，從而直接或間接危害人類健康[5]，這越來越引起社會的廣泛關注[6]。因此，開展礦山廢棄地土壤重金屬的污染狀況評價是十分必要的。本文以大田縣鐵礦廢棄地為研究對象，對不同修復模式土壤進行采樣分析，采用單因子指數法和內梅羅綜合指數法評價其土壤重金屬污染等級，旨在為鐵礦廢棄地的修復治理提供科學依據。

1 研究區和試驗地概況

大田縣位于福建省中部，戴云山脈西側，地理坐標117°29′—118°03′ E，25°29′—26°10′ N，屬中亞熱帶季風氣候區，年均日照1 723.8 h，年均氣溫19.1 ℃，年無霜期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區之一，長期露天開采，產生了大量的鐵礦廢棄地。鐵礦廢棄地主要表現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序壓占。因此，鐵礦廢棄地的修復成為大田縣亟待解決的問題。試驗地包括大田縣銀頂格和萬湖鐵礦廢棄地不同修復模式的樣地，選擇尚未修復的樣地(R0)作為鐵礦廢棄地修復的初始狀態，并選擇周邊未開礦樣地(CK)作為對照。鐵礦廢棄地不同修復模式見表1，樣地概況見表2。

表1 大田縣鐵礦廢棄地不同修復模式表

表2 鐵礦廢棄地不同修復模式樣地概況

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2018年5月-6月間，在廢棄鐵礦區不同修復模式區內設置5個20 m×20 m樣方，在每個樣方內按“S”形采集5個表層(0～10 cm)土壤樣品，同一個樣方內土壤樣品混合成一個土樣。每種模式采集5個土壤樣品，共計采集30個土壤樣品。

2.2 樣品處理與分析

將土壤樣品中的石櫟、植物殘體等雜物挑除，風干后過100目篩備用。采用HNO3-HF-HClO4(質量配比4∶4∶2)消化法制備待測液，利用原子吸收分光光度計測定土壤的銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cd)和鎳(Ni)等重金屬含量。

2.3 土壤重金屬污染評價標準及方法

土壤污染評價標準采用《土壤環境質量標準(GB15618-1995)》三級標準值。評價方法采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法[5, 7]。污染指數分別為:

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；Ci—i污染物的實測濃度(mg·kg-1)；Si—土壤中i污染物的背景值或標準值(mg·kg-1)；(Ci/Si)max—土壤污染指數中的最大值；(Ci/Si)ave—土壤污染指數的平均值。根據計算得到的單因子污染指數和內梅羅指數[1]，對照土壤重金屬污染評價等級(表3)，評價鐵礦廢棄地不同修復模式土壤重金屬污染情況。

表3 土壤重金屬污染等級劃分標準

3 結果與分析

3.1 鐵礦廢棄地不同修復模式土壤重金屬含量

如表4所示，不同修復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模式均未超過標準。而與福建省背景值相比，除R0和CK模式Ni含量未超過福建省背景值外，其他所有模式重金屬含量均超過福建省背景值，這表明大田縣銀頂格周邊礦區林地土壤也受到一定程度的污染。

表4 廢棄鐵礦區不同修復模式土壤重金屬含量 mg·kg-1

3.2 廢棄鐵礦區不同修復模式土壤重金屬含量的相關性

大田縣銀頂格鐵礦廢棄地不同修復模式土壤重金屬元素的相關分析如表5所示。土壤Cu含量與土壤Zn呈極顯著正相關，表明土壤Cu和Zn含量呈現相對一致的變化趨勢，這可能Cu和Zn元素有類似的化學性質[8]。土壤Cr與Pb呈顯著正相關，與Ni呈顯著負相關。

表5 土壤重金屬含量相關系數

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01

對5種重金屬進行標準化處理，后經主成分分析(PCA)，提取到2個主成分：第一主成分的貢獻率為48.14%；第二主成分的貢獻為46.78%。2個主成分對土壤重金屬的貢獻率差異不明顯，累計貢獻率為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，它們對主成分1負荷量分別為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，它們對主成分2負荷量分別為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、貢獻率及累積貢獻率

表7 土壤重金屬元素主成分因子得分系數矩陣

使用土壤重金屬綜合評價值(IFI)評價廢棄鐵礦區不同修復模式土壤重金屬含量。如表8所示，不同修復模式土壤重金屬綜合評價值排序為R0>R1>R2>R3> R4>CK。

表8 不同修復模式土壤重金屬綜合指標值

3.3 廢棄鐵礦區不同修復模式重金屬污染狀況評價

如表9所示，廢棄鐵礦區不同修復模式污染程度存在差異，以國家標準作為評價標準。廢棄鐵礦區不同修復模式污染程度高低的綜合污染指數平均排序為R0>R1>R2>R3>R4>CK。按照國家標準作為評價標準，R0和R1模式綜合污染指數大于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。單因子污染指數顯示，不同重金屬元素所造成的污染貢獻率不同，5種重金屬元素指數排序為Pb>Zn>Cu>Cr>Ni，其中Pb元素污染指數最高，表明Pb是廢棄鐵礦區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相對較小。

表9 廢棄鐵礦區不同修復模式土壤重金屬評價指數

4 結論

礦山廢棄地典型特征是重金屬危害、極端酸性、鹽害、干旱和養分貧瘠等[9]。本研究通過對大田縣鐵礦廢棄地不同修復模式土壤重金屬含量的測定，發現不同修復模式土壤Cu、Zn、Pb和Cr重金屬元素均超過相應福建土壤背景值，其中Pb含量甚至超過國家土壤背景值。不同重金屬元素的相關性分析表明，Cu和Zn顯著相關，表明Cu和Zn具有一定的同源性。利用主成分分析方法，不同修復模式土壤重金屬綜合評價值排序為R0>R1>R2>R3> R4>CK。從單因子污染指數來看，Pb元素污染指數最高，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。內梅羅綜合污染指數顯示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。