黄石德

(福建省林业科学研究院，福建 福州 350012)

金属矿山的开采形成大量废弃地已成为土壤重金属污染的主要来源之一[1-3]。土壤重金属污染不仅会引起土壤组成、结构和功能发生改变[4]，而且具有隐蔽性强和不可逆性等特点，不仅对环境造成严重影响，一旦进入生物链，容易在动植物体内累积，从而直接或间接危害人类健康[5]，这越来越引起社会的广泛关注[6]。因此，开展矿山废弃地土壤重金属的污染状况评价是十分必要的。本文以大田县铁矿废弃地为研究对象，对不同修复模式土壤进行采样分析，采用单因子指数法和内梅罗综合指数法评价其土壤重金属污染等级，旨在为铁矿废弃地的修复治理提供科学依据。

1 研究区和试验地概况

大田县位于福建省中部，戴云山脉西侧，地理坐标117°29′—118°03′ E，25°29′—26°10′ N，属中亚热带季风气候区，年均日照1 723.8 h，年均气温19.1 ℃，年无霜期290 d，年均降水量1 557.8 mm，气候温和，雨量充沛。大田县是福建省重要铁矿产区之一，长期露天开采，产生了大量的铁矿废弃地。铁矿废弃地主要表现为露天采矿的挖损与弃渣、弃土、废石及各类重金属矿堆的无序压占。因此，铁矿废弃地的修复成为大田县亟待解决的问题。试验地包括大田县银顶格和万湖铁矿废弃地不同修复模式的样地，选择尚未修复的样地(R0)作为铁矿废弃地修复的初始状态，并选择周边未开矿样地(CK)作为对照。铁矿废弃地不同修复模式见表1，样地概况见表2。

表1 大田县铁矿废弃地不同修复模式表

表2 铁矿废弃地不同修复模式样地概况

2 研究方法

2.1 样品采集

于2018年5月-6月间，在废弃铁矿区不同修复模式区内设置5个20 m×20 m样方，在每个样方内按“S”形采集5个表层(0～10 cm)土壤样品，同一个样方内土壤样品混合成一个土样。每种模式采集5个土壤样品，共计采集30个土壤样品。

2.2 样品处理与分析

将土壤样品中的石栎、植物残体等杂物挑除，风干后过100目筛备用。采用HNO3-HF-HClO4(质量配比4∶4∶2)消化法制备待测液，利用原子吸收分光光度计测定土壤的铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铬(Cd)和镍(Ni)等重金属含量。

2.3 土壤重金属污染评价标准及方法

土壤污染评价标准采用《土壤环境质量标准(GB15618-1995)》三级标准值。评价方法采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法[5, 7]。污染指数分别为:

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

式中：Pi—土壤中i污染物的污染指数；Ci—i污染物的实测浓度(mg·kg-1)；Si—土壤中i污染物的背景值或标准值(mg·kg-1)；(Ci/Si)max—土壤污染指数中的最大值；(Ci/Si)ave—土壤污染指数的平均值。根据计算得到的单因子污染指数和内梅罗指数[1]，对照土壤重金属污染评价等级(表3)，评价铁矿废弃地不同修复模式土壤重金属污染情况。

表3 土壤重金属污染等级划分标准

3 结果与分析

3.1 铁矿废弃地不同修复模式土壤重金属含量

如表4所示，不同修复模式土壤重金属含量存在明显差异。R0模式的Cu、Pb和Cr含量最高，分别是未扰动CK模式的5.1、5.0和1.4倍。R3模式的Zn和Ni含量最高，分别是未扰动CK模式的2.2和4.7倍。除Pb元素外，其他重金属含量所有修复模式均未超过标准。而与福建省背景值相比，除R0和CK模式Ni含量未超过福建省背景值外，其他所有模式重金属含量均超过福建省背景值，这表明大田县银顶格周边矿区林地土壤也受到一定程度的污染。

表4 废弃铁矿区不同修复模式土壤重金属含量 mg·kg-1

3.2 废弃铁矿区不同修复模式土壤重金属含量的相关性

大田县银顶格铁矿废弃地不同修复模式土壤重金属元素的相关分析如表5所示。土壤Cu含量与土壤Zn呈极显著正相关，表明土壤Cu和Zn含量呈现相对一致的变化趋势，这可能Cu和Zn元素有类似的化学性质[8]。土壤Cr与Pb呈显著正相关，与Ni呈显著负相关。

表5 土壤重金属含量相关系数

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01

对5种重金属进行标准化处理，后经主成分分析(PCA)，提取到2个主成分：第一主成分的贡献率为48.14%；第二主成分的贡献为46.78%。2个主成分对土壤重金属的贡献率差异不明显，累计贡献率为94.92%(表6)。如表7所示，在第一主成分主要反映了Pb、Ni和Cr元素的综合变量，它们对主成分1负荷量分别为0.891、-0.814和0.957；在第二主成分则反映了Cu和Zn元素的综合变量，它们对主成分2负荷量分别为0.965和0.974，表明这两种元素具有一定的同源性。

表6 特征值、贡献率及累积贡献率

表7 土壤重金属元素主成分因子得分系数矩阵

使用土壤重金属综合评价值(IFI)评价废弃铁矿区不同修复模式土壤重金属含量。如表8所示，不同修复模式土壤重金属综合评价值排序为R0>R1>R2>R3> R4>CK。

表8 不同修复模式土壤重金属综合指标值

3.3 废弃铁矿区不同修复模式重金属污染状况评价

如表9所示，废弃铁矿区不同修复模式污染程度存在差异，以国家标准作为评价标准。废弃铁矿区不同修复模式污染程度高低的综合污染指数平均排序为R0>R1>R2>R3>R4>CK。按照国家标准作为评价标准，R0和R1模式综合污染指数大于3，属重度污染；R2和R3模式属轻度污染；R4模式属警戒；CK模式属安全。单因子污染指数显示，不同重金属元素所造成的污染贡献率不同，5种重金属元素指数排序为Pb>Zn>Cu>Cr>Ni，其中Pb元素污染指数最高，表明Pb是废弃铁矿区最主要的污染重金属元素，其次为Zn元素，其他3种重金属元素污染指数相对较小。

表9 废弃铁矿区不同修复模式土壤重金属评价指数

4 结论

矿山废弃地典型特征是重金属危害、极端酸性、盐害、干旱和养分贫瘠等[9]。本研究通过对大田县铁矿废弃地不同修复模式土壤重金属含量的测定，发现不同修复模式土壤Cu、Zn、Pb和Cr重金属元素均超过相应福建土壤背景值，其中Pb含量甚至超过国家土壤背景值。不同重金属元素的相关性分析表明，Cu和Zn显著相关，表明Cu和Zn具有一定的同源性。利用主成分分析方法，不同修复模式土壤重金属综合评价值排序为R0>R1>R2>R3> R4>CK。从单因子污染指数来看，Pb元素污染指数最高，表明Pb是铁矿废弃地最主要的污染重金属元素，其次为Zn元素，其他3种元素污染较小。内梅罗综合污染指数显示R0和R1模式属重度污染；R2和R3模式属轻度污染；R4模式属警戒；CK模式属安全。