王 煜，吕春娟

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

随着全球环境问题的日益严峻，土壤污染问题已经成为环境问题中不可忽略的部分[1-2]，而矿区尾矿的排弃和堆放不仅占用了大量土地，更对土壤污染造成一定影响。

目前，国外对尾矿的研究热点主要有：闭库后，其对水、土环境所造成的重金属污染，废弃设施的回收和处理及尾矿库关闭后环境修复风险及重金属对水和土壤的持续污染研究等[3-4]。进入21 世纪后，伴随着我国区域社会经济的飞速发展，土壤正在遭受着更多的工农业生产废物及其他人类活动产出的废水、废渣和废气的困扰，土壤重金属的污染问题日益凸显，直接影响着土壤质量和人体健康[5]，给可持续发展带来了不利影响[6]。因此，我国更为关注基于“污染”的土壤环境质量的研究[7]。王少华等[8]研究结果表明，在已废弃20 多年的某尾矿池周围环境中，其重金属污染现象仍然严重。黄兴星等[9]对北京市某水库的金矿和铁矿尾矿库区重金属污染进行了比较调查，结果表明，2 个库区周边土壤重金属的含量都大大超过当地背景值。CANDEIAS 等[10]应用数学多元统计方法研究Aljustrel 尾矿库区重金属的污染状态，结果认为多个尾矿坝区重金属严重污染。毛香菊等[11]利用单项污染和Nemero 综合污染评价南京铁尾矿库中重金属的污染，结果表明，覆土层中的重金属含量远超过了没有受采矿活动影响的邻近场地土壤背景值。黄凯等[12]采用地累积指数法和潜在风险危害指数法探讨了研究区的土壤重金属污染水平，结果表明，其含量普遍高于河南省土壤背景值。土壤质量为土壤肥力、环境和健康这三者质量的一个全面概括衡量指标，同样也是土壤保持生产力、维持环境洁净能力以及保证动物和植物健康能力的集中表现[13]。矿区复垦土壤的环境质量情况的好坏是矿区农业生产能否正常开展以及人体健康是否安全的重要问题。所以，在矿区土地复垦及生态重构期间，土壤的环境质量是否达标是应该首要研究的重要问题[14]。但是目前对铁尾矿区经不同复垦模式复垦后的土壤还未进行土壤环境质量评价，影响了铁尾矿库复垦土壤的持续开发利用。

本研究以不同复垦模式下的尾矿库小区为目标对象，对经过复垦后的土壤质量状况实行调查监测，以评价重金属污染状况，探究几个不同复垦模式的土壤下7 种重金属（Cr、Cu、Cd、Ni、Zn、As 及Pb）的污染现状，比较不同复垦重构模式下表层7 种重金属含量的大小及影响因素，旨在对未来该库区的复垦和建设提供一定的基础理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区为泉子沟尾矿库（干堆），位于垣曲县皋落乡李家窑村泉子沟内，其地理坐标为东经111°35′～112°20′，北纬34°57′～35°27′。该库的总库容量为430 万m3，占地面积约为73.3 hm2。境内矿产和水资源颇为充足，但是由于该地矿产资源多且散的分布特征，多年来不合理地开发与利用，形成了很多废弃地，破坏了土地资源，引起区域生态质量下降，使原本复杂的地形更加复杂，农村的经济发展受到严重影响，水资源日益锐减，相关部门在几年前已对垣曲县周围的尾矿库先后进行了相关复垦工作。

1.2 土壤样品的采集

研究区铁尾矿区设有6 种复垦模式处理小区，每个小区面积为20 m×5 m，表层30 cm 用不同的基质处理，分别用T1、T2、T3、T4、T5、T6 表示；CK为纯尾矿砂，没有任何植被和基质处理措施（表1）。在每个复垦小区对角线中心部分挖掘出约50 cm×50 cm的土壤剖面，并将土壤层分开10，20，30，40 cm采集土样（编号分别为T1-1～T1-4、T2-1～T2-4、T3-1～T3-4、T4-1～T4-4、T5-1～T5-4、T6-1～T6-4、CK-1）。采集的土样用透明封口塑料袋密封，袋上用记号笔标注样品采集复垦小区和深度，带回实验室进行处理和分析。将土样置于实验室中进行自然风干，并去除多余杂质，后进行研磨、筛分、混合均匀以备使用。

表1 不同模式复垦小区基本情况

1.3 土壤样品测定项目及方法

根据国家标准，选择对该矿区7 种影响较大的污染元素Cd、Pb、Ni、Zn、Cu、Cr、As 作为土壤环境质量评价因子。采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定土样中Pb、Ni、Cr、Cu、Cd、Zn 元素含量；采用原子荧光光谱法（AFS）测定As 的含量；pH 值采用电位法测定。

1.4 评价标准与方法

1.4.1 评价标准 结合本研究区实际情况，采用2018 年环境保护部最新修订的《农用地土壤环境质量标准（3 次征求意见稿）》作为国家评价标准。为了评价的准确性和多样性，还择用了该研究区毗邻区土壤背景值（英言村）及山西省土壤背景值这2个参考标准共同作为该区复垦土壤的环境质量评价标准（表2）。

表2 各参考标准的土壤重金属含量 mg/kg

1.4.2 评价方法 结合本研究区实际情况，选用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法来进行污染综合评价。选用的这2 种评价方法均是国内外广为运用的方法。

1.4.2.1 单因子指数法 其是通过评价标准对土壤中的某一单项指标的污染程度进行评价[15]。其计算公式如下。

式中，Pi为土壤中污染物i 的环境质量指数；Ci为污染物i 的含量（mg/kg）；Si为污染物i 的评价标准（mg/kg），根据Pi的大小将土壤污染程度进行划分，最终划分成5 个级别（表3）。

表3 单因子污染指数污染评价分级标准

1.4.2.2 内梅罗综合污染指数法 该方法不仅可以反映出土壤中各个污染物综合污染程度的平均水平，还可以突出其中数值最高，即污染最为严重的某项污染物给整体环境带来的损伤[16]。其计算公式如下。

式中，PN为某土壤样品的综合污染指数；Pmax为各污染物中污染指数的最大值；P¯是污染指数的平均值。该评价标准被分为5 个等级：PN≤0.7 为清洁（安全级），0.7＜PN≤1.0 为警戒线，1.0＜PN≤2.0 为轻度污染，2.0＜PN≤3.0 为中度污染，PN＞3.0 为重度污染（表4）。

表4 内梅罗综合污染指数土壤环境质量评价分级标准

2 结果与分析

2.1 不同复垦模式土壤重金属含量特征分析

从表5 可以看出，Cu 含量为11.20～123.40 mg/kg，平均值为100.96 mg/kg，是7 种重金属中唯一的3 个标准都超标的元素，其含量分别超国家评价标准的0.85～1.13 倍，超毗邻区土壤背景值的2.82～3.78 倍，超山西省背景值的3.69～4.94 倍，从超标率大小来看，后二者都高达100%，说明该矿库中土壤的Cu 元素污染较为严重；其他6 种重金属元素都符合国家标准的正常范围。Ni 和Zn 这2 种金属元素全超过毗邻区背景值和山西省背景值，二者都100%超标；而Cd、Cr、Pb 元素只是超过山西背景值而并未超过毗邻区背景值，超标倍数区间在0.12 ～1.84，超标率分别为24.0%，43.5%和39.1%，表明运城市的Cd、Cr、Pb 等3 种元素的背景值本身偏高，这一表现与史崇文等[17]在《山西土壤元素背景值及其特征》的研究所得到的结论基本一致。

表5 铁尾矿区不同复垦模式土壤重金属含量及污染超标率

从表5 可以看出，所有复垦模式中，Ni、Zn 的变异系数较小，分别为0.05，0.07；而Cd、As、Cr、Pb 的变异系数相对较大，分别为0.90，0.41，0.47，0.48，表明其含量在空间上分布不均匀，离散程度高，变异系数越大，表明人为活动干扰的作用越强烈[11]，结果说明对矿区实施复垦已经在一定程度上对该地区土壤的重金属含量产生影响。

2.2 不同复垦模式表层土壤重金属含量比较

对不同复垦模式表层土壤（0～10 cm）7 种重金属（Zn、Cd、Pb、As、Cu、Ni、Cr）进行横向对比可以看出（图1），不同复垦模式对不同重金属具有不同程度的改进，综合比较发现，T3、T4、T5 这3 种模式土壤表层重金属含量略低，T1、T2、T6 的表层重金属含量略高，特别是T6 这种模式中，Cd、Ni 这2 种元素的土壤表层含量值均远高于其他复垦模式，其中，Cd 元素土壤表层的含量值是其余模式Cd 含量值的1.6～15.5 倍。从图1 还可以看出，在T1、T2 表面土层中，Cd、As、Ni、Cr 这4 种金属含量稍高于T3、T4。T1 和T2 复垦基质中添加相同比例的土壤，T3 和T4 复垦基质中添加相同比例的菌糠，而T1 与T3、T2 与T4 复垦植被类型相同，由此说明在纯尾矿砂中添加菌糠比添加土壤能更有效地降低Cd、As、Ni、Cr 元素的含量，T3 和T4 的平均值分别比T1和T2 的平均值降低了0.07，5.7，9.24，33.77 mg/kg。复垦植被对土壤重金属的改良效果在复垦初期尚未体现，可能需要更长的时间去验证。但是对于Pb、Cu 元素，其在T1、T2 表层含量则低于T3、T4，与Cd、As、Ni、Cr 金属元素的结论则相反，说明对于Pb 和Cu 而言，在纯尾矿砂中添加土壤比菌糠更能起到好的改良效果。因此，应针对不同的重金属，采用不同的改良方法降低其含量，对于本研究区重金属的分布特征，添加土壤的效果可能更好。

CK 为未实施任何复垦措施（基质为纯尾矿砂，无复垦植被）的模式，Zn 元素虽在各个复垦模式中的含量大小变化不明显，但是与CK 相比，可发现其在其他复垦模式中的含量略有降低，平均降低了15.3%；Cu、Ni、Cr 元素也比CK 分别平均降低了21.63%，5.69%，64.58%，结果显示，经过改进，这些重金属污染的改善效果取得了初步成效。图1 结果还显示，Cd、As、Pb 这3 种元素在CK 之中的含量反而低于其经过改良复垦的含量，经过测定分析发现，由于在这些复垦模式改良基质中添加的土壤的背景值本身就偏大，其含量远超过在纯尾矿中的重金属含量。但不同复垦模式添加的土壤与菌糠的各项重金属含量均未超标准值，因而对于Cd、As 和Pb 元素，它们的改良效果还需下一部观测研究。

2.3 不同复垦模式土壤重金属综合污染评价

由表6 可知，各个复垦模式下重金属单因子污染指数（Pi）的数值大多数未超标，Cd、As、Cr、Ni、Zn、Pb 这6 种重金属的单因子污染指数（Pi）均小于1，为I 级，并未受到污染；仅发现Cu 的Pi 值超标，数值多数处在1～2，为II 级，轻微污染；但在T1、T2、T4、T6 表层的Pi 小于1，属于无污染。不同复垦模式中的PN大部分介于0.7～1.0，属于II 级，是尚清洁土壤，仅T1、T2 表层土壤（0～10 cm）达到清洁土壤。进一步分析各重金属元素对于综合污染指数的贡献发现，相同土层Cu 的单项污染指数均为其他重金属单项污染指数的数倍至数十倍，说明Cu对土壤PN的分担率最大，其次是Zn 和Ni，As、Cd、Cr 和Pb 这几种元素的分担率相对偏小。因此，所有复垦模式中大部分PN之所以达到尚清洁（警戒级），主要是因为土壤中Cu 元素单因子污染指数较大，才会让PN值整体都偏大。Cu 元素的含量高，会造成诸多危害。杨元根等[18]研究发现，土壤中Cu 元素的含量愈高，土壤微生物的生物量就愈低；还有研究表明[19]，当人体摄入超标的Cu 时，就会在人类肝脏中积累，从而引起肝癌、肝硬化等疾病[20]。

纵向比较每种复垦模式的内梅罗综合污染指数的土壤剖面变化发现，其指数大小大致呈现出底部高、表层低的特点。从表6 还可以看出，该尾矿库区经过3 a 左右的复垦改良，不同复垦模式下的土壤已大部分属于尚清洁（警戒级）土壤，只有Cu 元素仍属于轻微污染，其余金属均达到无污染，此结果与该区域地质条件、富有大型铜矿有关。因此，对该铁尾矿库土壤复垦时可能导致Cu 元素污染的废弃物料，应该加强深层清洁无害处理，同时，还应通过增加土壤覆盖厚度、添加有机肥或加强矿山植被恢复来避免重金属持续污染。

表6 不同复垦模式土壤重金属元素内梅罗综合污染指数分析

3 结论

本研究表明，不同复垦模式土壤中的7 种重金属，与国家评价标准相比，除Cu 超标率为91.3%外，其他6 种元素（Cd、Cr、As、Ni、Zn、Pb）都低于该标准；与尾矿毗邻区背景值和山西省背景值进行比较，Ni、Cu 和Zn 这3 种 金 属 元 素 超 标 率 全 为100%，其他元素全未超过毗邻区背景值，Cd、Cr、Pb超过山西省背景值，但超标率不大，全部低于50%。

对于大部分重金属而言，6 种复垦模式与CK对比，其含量均有所降低；不同复垦模式对于不同重金属的改良效果不同，对于Cd、As、Ni、Cr 而言，尾矿砂掺菌糠的复垦模式（T3、T4）改良效果要优于尾矿砂掺土壤（T1、T2）的复垦模式；对于Pb 和Cu，则添加土壤比菌糠的改良效果好。植被对于重金属的改良效果尚需要较长时期的观测验证。

不同复垦模式下重金属单因子污染指数，除Cu 轻微污染外，Cd、Cr、As、Ni、Zn、Pb 均不受污染；内梅罗综合污染指数PN表明，不同模式复垦的土壤大多没有受到严重污染，为尚清洁土壤。

本研究对6 种复垦模式下土壤中的7 种重金属进行了综合评价，比较了不同复垦模式下表层各个重金属的含量大小及改良效果，但由于该尾矿库复垦改良时间较短（仅3 a 左右），某些复垦模式的相关规律目前还不很明显，本研究也没有具体探明这几种不同复垦模式改变土壤环境质量的基质问题。因此，还需要对其进行长期观察和进一步探讨研究，以探寻较好铁尾矿库的复垦模式。