草原礦區(qū)土壤環(huán)境損害基線評估判定的應(yīng)用研究
——以內(nèi)蒙古草原礦區(qū)為例

張軼群,吳 迪,李嘉珣,付 曉,吳 鋼

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中科院建筑設(shè)計研究院有限公司,北京 100086 4 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部政策研究中心,北京 100835

統(tǒng)籌“山水林田湖草”系統(tǒng)治理,實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度[1]。內(nèi)蒙古大草原是我國重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),具有水土保持、固沙固碳、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、促進物質(zhì)能量循環(huán)等多種生態(tài)功能[2-3],不僅是眾多動植物的棲息地,更是我國北方重要的生態(tài)屏障[4]。近年來隨著過度放牧、私開濫墾、礦山開采、城鎮(zhèn)化擴展等人為干擾的不斷增加,水土流失、草原荒漠化、生物量減少等生態(tài)問題屢見不鮮[5-7],如何評價草原生態(tài)系統(tǒng)的受損程度已成為草原保護管理和可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

生態(tài)環(huán)境損害是指因生態(tài)破壞、環(huán)境污染造成大氣、地表水、地下水、土壤等環(huán)境要素和植物、動物、微生物等生物要素的不利改變,及上述要素構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)功能退化的行為[8]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,人們對生態(tài)系統(tǒng)的干擾與日俱增,生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估的案件越來越多。2016年《生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)指南總綱》及2017年《生態(tài)環(huán)境損害賠償制度改革方案》的頒布,明確了生態(tài)環(huán)境損害的賠償范圍、責(zé)任主體、索賠主體和損害賠償解決途徑等[9-10],標志著我國已逐步建立比較完善的生態(tài)環(huán)境損害評估鑒定、修復(fù)和賠償制度。

基線通常用于描述在生態(tài)破壞行為發(fā)生前,沒有人為干擾或不利改變情況下的狀態(tài)[11]。基線值可以是一組數(shù)值或一個區(qū)間值,是反映一個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的綜合性指標集,可用于判定人為干擾的程度[12]。土壤損害基線是判斷生態(tài)環(huán)境損害發(fā)生的依據(jù),也是確認生態(tài)環(huán)境損害的時空尺度、損害程度、確認生態(tài)環(huán)境損害修復(fù)的重要標準[13]。土壤基線目前在國內(nèi)的生態(tài)環(huán)境損害評估鑒定研究中已得到開展和應(yīng)用,如吉林省撫松縣落葉闊葉混交林土壤養(yǎng)分基線的判定[14],內(nèi)蒙古錫林浩特市勝利礦區(qū)土壤重金屬含量基線的研究[15],新疆伊犁河流域土壤重金屬基線的研究及污染評價[16],長沙市喬口鎮(zhèn)土壤重金屬基線值的厘定應(yīng)用等[17]。

土壤基線因研究目標及研究區(qū)域的不同存在很大的差異,目前國際上尚未存在通用的判定方法,常見的方法包括歷史數(shù)據(jù)法、參考點位法、環(huán)境標準法、統(tǒng)計點位法、模型預(yù)測法和專家判別法等,各方法都有優(yōu)缺點和使用的局限性,實際研究應(yīng)用中只能根據(jù)評價區(qū)域的具體情況選擇最適合的方法[18]。

內(nèi)蒙古草原礦區(qū)的土壤基線因相關(guān)研究較少,目前尚未存在統(tǒng)一評價標準,如何判定土壤環(huán)境的基線在草原生態(tài)損害評估鑒定中顯得十分重要。土壤養(yǎng)分由于受人為干擾的高敏感性,可作為評價土壤質(zhì)量和草原生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標[19-21]。本研究以內(nèi)蒙古2個典型的草原礦區(qū)為研究對象,采用歷史數(shù)據(jù)法、參考點位法和統(tǒng)計點位法來計算土壤養(yǎng)分基線。本研究的目的是：(1)用3種方法來判定草原土壤基線,檢驗不同方法所得結(jié)果的差異；(2)根據(jù)所得的基線值,分析采礦對周邊草原土壤養(yǎng)分的影響；(3)確定適合草原土壤基線判定的方法,并分析不同方法的適用范圍。以期更好的為草原生態(tài)系統(tǒng)損害的評估鑒定、生態(tài)保護和污染防治提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣調(diào)查

本研究以內(nèi)蒙古草原礦區(qū)為例,選擇了位于典型草原的錫林郭勒盟勝利露天礦區(qū)、以及位于草甸草原的呼倫貝爾市寶日希勒露天礦區(qū)為研究對象,對草原礦區(qū)的土壤養(yǎng)分基線進行判定及分析。

1.1.1錫林郭勒盟勝利礦區(qū)

勝利礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟(以下簡稱“錫盟”),地處東經(jīng)115°13′—117°06′,北緯43°02′—44°52′,該地區(qū)氣候高寒干旱,無霜期短,具有寒冷、風(fēng)大、雨少、日照長、溫差大、蒸發(fā)力強的特點。平均氣溫為0—3℃,年平均風(fēng)速為4—5 m/s,年均降水量為295 mm[22]。區(qū)域內(nèi)以典型草原為主,土壤以風(fēng)沙土、栗鈣土、黑鈣土為主,偏堿性,全盟土壤總的養(yǎng)分狀況是缺磷、氮中等、鉀中等、有機質(zhì)中等偏高的水平[23]。錫盟煤炭資源豐富,已探明儲量1448億t,褐煤總儲量在全國居第一位。錫盟煤電基地是國家“十二五”規(guī)劃中大力發(fā)展的7個以電力外送為主的千萬千瓦級清潔高效大型煤電基地之一[24]。勝利礦區(qū)西一號露天礦于2004年開始投產(chǎn)運營,目前生產(chǎn)能力約為2000萬t/a。

在勝利礦區(qū)西一號露天礦的南、西和北3個方向進行樣本調(diào)查,采場東側(cè)為內(nèi)排土場未設(shè)置樣點。根據(jù)礦區(qū)的實際情況,在礦區(qū)西向(開采推進方向)距采場外圍邊界0、0.25、0.7、1.5 km處各設(shè)置1個調(diào)查樣地,在南側(cè)邊界0 km、西南邊界0、0.5、3 km處各設(shè)置1個調(diào)查樣地,在北排土場北側(cè)0.7、3 km、沿幫排土場北側(cè)0.5、3.5 km、沿幫與北排土場之間距采場1.5、3 km處各設(shè)置1個調(diào)查樣地(圖1)。同時在礦區(qū)南15 km處未受采礦干擾的草原對照區(qū)設(shè)置1個調(diào)查樣地。在每個5 m×5 m調(diào)查樣地隨機設(shè)置3個1 m×1 m樣方,每個樣方用直徑5 cm土鉆按梅花法采集0—20 cm混合土樣。混合后裝入自密封塑料袋帶回實驗室風(fēng)干。采用半微量凱氏法(Semi micro Kjeldahl method)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry)測定土壤中總有機質(zhì)(TOM)、N、P、K的含量[25]。

圖1 勝利礦區(qū)位置及采樣點分布Fig.1 Location of Shengli open-pit mine and distribution of sampling points

1.1.2呼倫貝爾市寶日希勒礦區(qū)

寶日希勒礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市,地理坐標為東經(jīng)115°31′—126°04′,北緯47°05′—53°20′。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,冬季嚴寒漫長,夏季溫涼短促,春秋風(fēng)多而干燥。年平均氣溫-1℃,年平均降水量398 mm[26]。區(qū)域內(nèi)以草甸草原為主,其他草類包括森林草原和沙地草原。土壤類型以黑鈣土為主,其他包括栗鈣土和暗栗鈣土等[27]。該地區(qū)自然資源豐富,已探明煤炭儲量580億t。寶日希勒露天礦于2001年開始投產(chǎn)運營,目前生產(chǎn)能力約為3000萬t/a。

在呼倫貝爾草原寶日希勒礦區(qū)周圍共采集了112個土壤樣點(圖2)。在礦區(qū)的東、東北、北、西北、西和南方向共設(shè)置了7條采樣帶,每條樣帶至少15個采樣點,樣點之間的距離為400 m至1000 m,采樣區(qū)包括草原的原狀區(qū)和復(fù)墾區(qū),盡可能避開牧區(qū)、河流、道路和人為設(shè)施,但有個別樣點位于農(nóng)業(yè)區(qū)(小麥種植)旁側(cè)。同時在礦區(qū)南10 km處未受采礦干擾的草原對照區(qū)設(shè)置1個調(diào)查樣地。每個土壤樣地為1 m×1 m方格,采用五點法取0—20 cm層土樣500 g,混合后裝入自密封塑料袋帶回實驗室風(fēng)干。采用半微量凱氏法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤中TOM、N、P、K的含量。

圖2 寶日希勒礦區(qū)位置及采樣點分布Fig.2 Location of Baorixile open-pit mine and distribution of sampling points

1.2 研究方法

草原生態(tài)環(huán)境損害評估鑒定工作包括評估準備、損害確認調(diào)查、因果關(guān)系和機理分析、生態(tài)環(huán)境損害量化評估和損害賠償及修復(fù)共6個方面,工作流程如圖3所示。土壤基線的判定在草原生態(tài)環(huán)境損害評價中至關(guān)重要,是草原生態(tài)損害量化的前提[28]。通過確定損害區(qū)域的土壤基線,再與當(dāng)下生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進行比較,通過兩者的差異來判定損害程度,繼而為后續(xù)的生態(tài)損害量化評估和責(zé)任判定提供依據(jù)[29]。

圖3 草原生態(tài)環(huán)境損害評估鑒定流程Fig.3 Assessment process of grassland ecological damage

本研究采用歷史數(shù)據(jù)法、參考點位法、統(tǒng)計點位法共3種方法判定礦區(qū)周邊草原土壤養(yǎng)分基線,包括土壤中TOM、N、P、K的含量,研究采礦對周邊草原土壤養(yǎng)分的影響程度,并分析3種基線判定方法的科學(xué)性與適用性,3種方法的特點及優(yōu)缺點如表1所示。

表1 基線判定方法及優(yōu)缺點Table 1 Baseline determination methods with advantages and disadvantages

歷史數(shù)據(jù)法選用中國土壤數(shù)據(jù)庫中錫盟、呼倫貝爾市1998—2010年的土壤養(yǎng)分平均值作為基線值[30]。參考點位法選用未受采礦干擾對照區(qū)的樣本平均值作為基線值。統(tǒng)計點位法包括群體分布法和三分位法。群體分布法由美國環(huán)保署(U.S.EPA)提出,用于研究人類干擾較強地區(qū)基線的方法[31]。該方法以評價區(qū)內(nèi)全部有效樣點(去除已知損害嚴重的樣點)為樣本集,選擇每個指標數(shù)據(jù)頻數(shù)分布的后25%作為該地區(qū)的基線值[32]。本研究將采集的土壤樣本各養(yǎng)分指標值按從大到小順序排列,預(yù)設(shè)含量高為土壤質(zhì)量良好,排除約10%受損樣本,選擇每個指標值最高四分位的數(shù)值作為基線值。三分位法也是由美國環(huán)保署提出,用于研究受人類干擾程度較小地區(qū)基線的方法[33]。該方法使用全部樣本數(shù)據(jù),將各指標值按從大到小順序排列,選擇指標數(shù)值最大的前三分之一的中位數(shù)作為基線值[34]。

2 草原礦區(qū)土壤損害基線的判定與討論

2.1 土壤基線的判定結(jié)果與分析

首先通過群體分布法、三分位法計算得出勝利礦區(qū)、寶日希勒礦區(qū)的土壤養(yǎng)分基線值,再將兩種方法所得的數(shù)值取平均值,作為統(tǒng)計點位法得出的基線值(表2、表3)。

表2 統(tǒng)計點位法下的勝利礦區(qū)土壤基線值/(g/kg)Table 2 Soil baseline of Shengli mining area based on statistical method

表3 統(tǒng)計點位法下的寶日希勒礦區(qū)土壤基線值/(g/kg)Table 3 Soil baseline of Baorixile mining area based on statistical method

再將草原礦區(qū)的采樣平均值與統(tǒng)計點位法、歷史數(shù)據(jù)法和參考點位法所得的基線值進行對比分析(表4、表5),結(jié)果如下：

表4 勝利礦區(qū)樣本平均值與3種方法所得基線值的對比/(g/kg)Table 4 Comparison between the average value of samples in Shengli mining area and baseline values obtained by three methods

表5 寶日希勒礦區(qū)樣本平均值與3種方法所得基線值的對比/(g/kg)Table 5 Comparison between the average value of samples in Baorixile mining area and baseline values obtained by three methods

勝利礦區(qū)的TOM、P、K樣本均值與3種方法所得的基線值都較為相似,N的樣本均值與參考點位法基線值較為相似,但低于統(tǒng)計點位法基線值、明顯低于歷史數(shù)據(jù)法基線值。可見勝利礦區(qū)總體土壤養(yǎng)分與參考點位法中未受采礦干擾的草原對照區(qū)差異相對較小,但土壤的平均N含量與歷史數(shù)據(jù)值的差異較大,說明目前的礦區(qū)草原及對照區(qū)草原的土壤環(huán)境已與歷史狀態(tài)發(fā)生了變化,如自然演變等原因,導(dǎo)致了土壤中N含量的下降。對勝利礦區(qū)樣本與對照區(qū)進行差異顯著性檢驗,發(fā)現(xiàn)TOM、N、P差異都不具有顯著性(P>0.05),但K差異具有顯著性(P<0.05),說明礦區(qū)周邊土壤中K的含量受到了采礦的干擾,但K平均含量與3種方法所得的基線值相比,尚未有明顯下降。可見采礦對勝利礦區(qū)土壤中TOM、N、P、K養(yǎng)分含量未見明顯的影響。

寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM平均含量明顯低于3種方法得出的基線值,土壤中N、K平均含量雖然低于歷史數(shù)據(jù)法基線值和統(tǒng)計點位法基線值,但與參考點位法中未受采礦干擾的草原對照區(qū)差異較小。P平均含量位于3種方法所得基線值之間。對寶日希勒礦區(qū)樣本與對照區(qū)進行差異顯著性檢驗,發(fā)現(xiàn)TOM和P的差異顯著性非常顯著(P<0.01),N和K差異都不具有顯著性(P>0.05),說明礦區(qū)周邊土壤中TOM和P的含量受到了采礦的干擾。P平均含量高于對照區(qū),但低于歷史數(shù)據(jù)法和統(tǒng)計點位法所得的基線值。可見采礦對寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM的含量造成了明顯的下降,對土壤中N、P、K含量未見明顯的影響。

2.2 3種基線判定方法的差異與適用性討論

3種判定方法均可用于確定草原土壤基線,但結(jié)果之間存在差異,3種方法各有優(yōu)缺點。歷史數(shù)據(jù)法反映了研究區(qū)草原的歷史真實狀態(tài),可作為生態(tài)環(huán)境損害評估鑒定的重要標準[18],但缺乏對自然演變等因素的考慮,僅可作為評判參考,不建議單獨使用。

統(tǒng)計點位法所采用的群體分布法和三分位法由于對數(shù)據(jù)的篩選、計算方式的不同,導(dǎo)致結(jié)果不同。本研究中,由于樣點選取的隨機性以及土壤空間異質(zhì)性,個別樣點的某些指標異常,如寶日希勒礦區(qū)分布在西南方向農(nóng)田區(qū)域的部分樣點,由于受到農(nóng)業(yè)活動干擾,養(yǎng)分含量極高,群體分布法排除了這些異常樣本(占樣本總量的10%)。而三分位法作為群體分布法的補充方法[31],其判定標準比群體分布法更為嚴格,保留所有樣本數(shù)據(jù),不做任何排除,所以三分位法所得的基線值高于群體分布法。勝利礦區(qū)由于不存在采礦外的其他人為干擾,異常樣本較少,所以群體分布法和三分位法的結(jié)果差異不大。綜上而述,統(tǒng)計點位法的計算過程簡單便捷,對數(shù)據(jù)的利用度高,適合在人為干擾程度較低的草原區(qū)使用。

參考點位法應(yīng)盡可能的選擇相同自然條件、生態(tài)功能一致、距離相對較近、未受人類活動干擾的對照區(qū)[35]。如果不能滿足以上條件,可通過建立與評價區(qū)域相似度評價指標體系等方式,定量分析參考點位與評價區(qū)域(評價要素)的相似性[15],來選擇較為合適的對照區(qū)。同時,該方法綜合考慮了生態(tài)系統(tǒng)的自然變異,適合于礦區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境損害基線的判定。

綜上而述,對于草原礦區(qū)的土壤基線判定,建議先采用參考點位法進行評價區(qū)和對照區(qū)的對比,之后用歷史數(shù)據(jù)法和統(tǒng)計點位法對結(jié)果進行檢驗。在使用以上方法判定較大范圍的土壤基線時,隨著評價范圍的擴大,土壤的理化性質(zhì)、植被優(yōu)勢種、氣候條件、干擾源等都將有所不同,需綜合考慮風(fēng)險源及權(quán)重等影響因素,并結(jié)合專家意見等。此外,樣本數(shù)量決定了數(shù)據(jù)質(zhì)量,未來的研究中應(yīng)根據(jù)實際情況盡可能擴大采樣范圍,提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,并深入研究相關(guān)影響因素的作用機理,不斷改進完善基線判定方法,提高研究結(jié)果的精度。草原生態(tài)系統(tǒng)的基線判定需滿足以下幾個條件：(1)研究對象的準確描述性；(2)結(jié)合實地考察和樣本采集；(3)實操性、經(jīng)濟性和時效性強；(4)多種方法對所得結(jié)果共同驗證。

3 結(jié)論

本研究以內(nèi)蒙古錫盟勝利礦區(qū)、呼倫貝爾市寶日希勒礦區(qū)為研究對象,對礦區(qū)土壤中TOM、N、P、K含量進行采樣分析和基線判定。結(jié)果表明,勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分值與參考點位法基線值差異較小,采礦對勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量未見直接的影響。寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM含量明顯低于3種方法得出的基線值,N、K含量與參考點位法基線值相似,P均值位于3種基線值之間。可見采礦對寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM的含量造成了明顯下降,對N、P、K含量未見明顯的影響。對于草原礦區(qū)的土壤基線判定,建議優(yōu)先采用參考點位法,同時將歷史數(shù)據(jù)法和統(tǒng)計點位法用于檢驗對比。