銅尾礦庫土壤修復效應(yīng)及周邊植被恢復模式研究

包揚 ，蘇德 ，楊巍 ，趙艷華

（1. 中國環(huán)境科學研究院, 北京 100012；2. 國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室, 北京 100012）

礦產(chǎn)資源開采為社會帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也嚴重破壞了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，造成一系列土壤、地下水污染，植被群落退化，農(nóng)牧業(yè)破壞等問題[1]。植被修復作為礦區(qū)土壤污染治理和生態(tài)恢復最經(jīng)濟的方法[2]，要求在對礦區(qū)植物多樣性和群落特征進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，篩選相應(yīng)的富集、耐受植物[3]，據(jù)此針對土壤的理化性質(zhì)采取不同的生態(tài)修復方法，運用ArcGIS繪制營養(yǎng)元素和污染元素的空間分布狀況[4]，進行修復效果檢驗，并結(jié)合AHP層析分析法構(gòu)建適用于該礦區(qū)的評價指標體系，最終為礦區(qū)的生態(tài)恢復提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省南部某銅尾礦庫位于中條山礦帶，其礦產(chǎn)資源極其豐富，約儲存銅金屬330萬t，主要包括黃銅礦、斑銅礦、藍銅礦[5]。該尾礦庫有效庫容8500萬m3，占地面積約68萬m2，尾礦庫及周邊土地劃分為撂荒地濕地、撂荒地、撂荒地工業(yè)用地，農(nóng)田廢棄地和綠地，由于往年開采形成以重金屬Cu為主要毒害的原生裸地，其土壤中包含大量硫化物及有毒物質(zhì)，不但嚴重破壞周圍生態(tài)環(huán)境，甚至通過空氣和食物傳播威脅到當?shù)鼐用裆踩玔6]。

目前該尾礦庫下游約存在生活居民300戶，且存在農(nóng)田、鐵路及公路設(shè)施。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候，夏季雨水充足，年平均降水量約780 mm，導致尾礦庫中重金屬元素通過地表徑流和大氣降雨方式流經(jīng)地表，從而對下游居民生產(chǎn)生活和交通運輸產(chǎn)生威脅[7]。故針對該銅尾礦庫及周邊范圍內(nèi)的土壤進行修復，并進行植被恢復模式的相關(guān)研究具有一定的現(xiàn)實意義，同時可為類似礦區(qū)提供參考。

2 研究方法

2.1 樣本調(diào)查

本次調(diào)查主要針對尾礦庫及周邊15 km2范圍內(nèi)的植物種類、群落進行調(diào)查。首先按計劃對研究區(qū)范圍內(nèi)的喬木、灌木和地被進行種類調(diào)查。以農(nóng)田廢棄地邊界為起點，采用經(jīng)典樣方法共設(shè)置36個20 m×20 m的調(diào)查樣方，并在每個樣方內(nèi)再分別設(shè)置10個2 m×2 m的草本樣方和10個1 m×1 m的灌木樣方[8]。其中需要注意的是在設(shè)置調(diào)查樣方時應(yīng)盡量選取無明顯中斷且表現(xiàn)均勻的群落片段，并且應(yīng)每隔10 m在樣線上設(shè)置一樣方，分別調(diào)查并記錄樣方范圍內(nèi)的喬木、灌木、草本植物的種名、數(shù)量、高度、多度等數(shù)據(jù)，參照《中國植被》[9]對研究區(qū)范圍內(nèi)的喬木、灌木、草本進行劃分，最后進行植物群落多樣性分析。

2.2 多樣性計算

針對銅尾礦庫周邊植物多樣性進行調(diào)查時，適用于α多樣性分析[10]，即區(qū)域均勻的生境內(nèi)植物數(shù)目多樣性計算，其具體計算公式如下：

式中：D表示植物多樣性；S表示植物群落中的種類總數(shù)；N表示調(diào)查到植物種類的個體數(shù)量。

通過對研究區(qū)范圍內(nèi)植物進行樣本調(diào)查可知，研究區(qū)存在植物共計36科80屬127種植物，其中主要以菊科、豆科、禾木科和松科為主。植物群落分布呈現(xiàn)為灌草-喬灌草，主要為6種喬木和11種灌草植物，由于該區(qū)域地勢高，灌草種類多而喬木種類偏少，且植物耐旱性、抗逆性強。根據(jù)調(diào)查結(jié)果結(jié)合式（1）計算灌草層多樣性系數(shù)為2.36，喬木層多樣性系數(shù)為1.67，這說明在該銅尾礦范圍內(nèi)灌草層比喬木層植物豐富度更高。

2.3 重要值計算

重要值是對于研究區(qū)群落的一個定量指標，用于表征植物在群落中的相對重要值，主要通過相對頻度、相對多度、相對顯著度和相對蓋度對灌草和喬木層進行計算[11]，計算公式如下：

式中：d表示某個種的株數(shù)；f表示頻度；p表示斷面積；c表示蓋度。

針對灌草和喬木層進行重要值計算時采用以下公式：

根據(jù)多樣性分析可知研究區(qū)灌木數(shù)量最多，其高度范圍達10～120 cm，其中玉米和向日葵層高為60～120 cm，苜蓿和茼蒿高為20～100 cm，雛菊和草高度較低，主要構(gòu)成研究區(qū)植物灌草層群落。根據(jù)式（2）計算該區(qū)域灌草層重要值見表1，其中占據(jù)主導優(yōu)勢的是玉米和苜蓿，其重要值分別達50.67、47.22；其次茼蒿和雛菊的重要值分別達32.66、31.08，構(gòu)成研究區(qū)群落重要植物，而其他植物重要值均小于30，屬于不穩(wěn)定植物。

表1 研究區(qū)群落特征Table 1 Community characteristics in the study area

3 土壤修復效應(yīng)分析

目前研究區(qū)內(nèi)仍存在大量植物生長緩慢甚至死亡的現(xiàn)象，土壤物理結(jié)構(gòu)差且銅污染嚴重，環(huán)境恢復困難，故確定研究區(qū)修復方法并采用相關(guān)重建技術(shù)進行生態(tài)恢復，從而提高植物成活率。

3.1 土壤修復方法

土壤質(zhì)量的評價因子主要包括土壤物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和污染物三者共同反映[12]。根據(jù)以往現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)中土壤容重值偏高，針對其改良物理性質(zhì)方法采取土壤松土和合理深翻，在局部嚴重區(qū)域更換1 m深度表土層的客土覆蓋，并利用常年植物進行固土降溫的植物覆蓋，從而有效避免土壤板結(jié)及次生鹽堿化現(xiàn)象，改良土壤的通氣情況；根據(jù)以往現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)中土壤pH值呈現(xiàn)弱酸性，改良化學性質(zhì)方法采取在化學性質(zhì)差的區(qū)域集中種植豆科植物以提高土壤肥力[13]，需要注意的是在選擇豆科植物時應(yīng)盡量選取落葉多且常年生長的種類，如大豆、蘋果、甜菜等；對于污染元素的改良主要采用重度污染區(qū)域集中種植紅三葉來減少土壤中污染元素的分布[14]。

3.2 土壤物理性質(zhì)分析

對于研究區(qū)36個采樣方中點區(qū)域土壤分別采集深度0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的表層土壤，在取樣完成后對樣品做風干處理，在除去植物器官后過100目篩并密封備用，將樣品三等分，采用環(huán)刀法測定土壤樣品的容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，采用烘干法測定土壤樣品的含水量，最后取三次實驗結(jié)果的平均值。

對實驗數(shù)據(jù)運用SPSS 22.0軟件進行單因素方 差檢驗，并結(jié)合五年前的現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比分析，其結(jié)果見表2。

表2 土壤物理性質(zhì)統(tǒng)計Table 2 Statistics of soil physical properties

根據(jù)對比結(jié)果可知，改良前后土壤容重降低說明通過增加群落物種的多樣性使土壤板結(jié)狀況得到緩解；毛管孔隙度降低而非毛管孔隙度增大說明研究區(qū)內(nèi)植物群落喬木、灌本、草本搭配較為合理，充分利用生態(tài)位從而有效增加土壤的疏松程度；含水量增加說明提高植物群落覆蓋率可有效改善土壤肥力。綜上說明采取松土、深翻、客土和植物覆蓋改善土壤物理性質(zhì)的可行性。

3.3 土壤化學性質(zhì)分析

此次樣品采集與分析物理性質(zhì)時類似，對36個采樣方分別采集深度0～20 cm的表層土壤，進行風干、除器官、過0.15 mm篩等操作后密封備用，將樣品三等分，主要測定土壤中以下營養(yǎng)元素和污染元素：測定有機質(zhì)時采用重鉻酸鉀容量法，測定全磷時采用X-射線熒光光譜法，測定速效磷和速效鉀時采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，測定全氮時采用凱氏-容量法，測定堿解氮時采用容量法，測定有效硫時采用燃燒-碘量法，測定酸堿度時采用離子選擇性電極法，測定污染元素銅、鎘、鉛、鎳、鋅時采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，測定鉻采用X-射線熒光光譜法，測定砷、汞時采用氫化物-原子熒光光譜法[15]，采用烘干法對土壤進行處理，最后取三次實驗結(jié)果的平均值。根據(jù)實驗結(jié)果，運用SPSS 22.0軟件對上述各測試指標進行描述性分析，其具體結(jié)果見表3。

由表3可知，研究區(qū)內(nèi)營養(yǎng)元素氮、磷、鉀元素含量較豐富，其均值超過100 mg/kg，而污染元素中主要以銅為主，均值達105 mg/kg，且較高的標準差說明上述元素在空間分布上不均勻，差異性較大；有機質(zhì)、有效硫、速效磷的變異系數(shù)大于1，具有較強的變異性，而其他營養(yǎng)元素和污染元素屬于中等變異。為直觀明確研究區(qū)土壤元素的空間分布，運用ArcGIS 10.2軟件繪制上述營養(yǎng)元素和污染元素的分布狀況，見圖1、2。

表3 研究區(qū)測試指標統(tǒng)計Table 3 Statistical table of test indicators in study area

根據(jù)圖1營養(yǎng)元素空間分布并對比修復前測試數(shù)據(jù)可知，修復后pH值略有增高但仍呈現(xiàn)弱酸性，且偏高區(qū)域主要集中在采場及排場附近，分析原因主要是Cu2+易與大氣和土壤水中H+結(jié)合形成氫氧化銅固體從而呈現(xiàn)弱酸性；修復后有機質(zhì)含量6.8125明顯高于修復前水平，說明種植落葉多的植物通過地表分解產(chǎn)生有機質(zhì)，增加的根際微生物促進土壤中有機質(zhì)含量上升；全氮、全磷作為植物生長和新陳代謝的主要營養(yǎng)物質(zhì)，在修復后水平較之前增加范圍達12%～17%，說明在研究區(qū)采用種植豆科植物來提高土壤肥力的可行性；堿解氮、速效磷、速效鉀含量增高的原因在于研究區(qū)植物群落覆蓋率較高，且修復時種有落葉植物，從而使得植物與土壤進行不斷的物質(zhì)能量交換，說明種植豆科植物改善土壤化學性質(zhì)的可行性。

圖1 營養(yǎng)元素空間分布狀況Fig.1 Spatial distribution of elements

根據(jù)圖2和修復后數(shù)據(jù)對比可知，該礦區(qū)污染元素主要以銅元素為主，在采用紅三葉進行銅污染修復時，重度污染區(qū)域的銅元素水平由三年前的15.84～618.49 mg/kg減少至12.25～425.18 mg/kg，其極小值變化不明顯，而極大值銳減幅度高達31.22%，且均值由157.7538 mg/kg減少至105.3326 mg/kg，增幅約為-33.12%，說明集中種植紅三葉對于銅元素的污染處理具有良效。但由于地理位置、土壤條件等多因素影響，該影響程度仍需進一步考量。

圖2 污染元素空間分布狀況Fig.2 Spatial distribution of pollution elements

4 生態(tài)修復評價

4.1 金屬污染評價

由于土壤中金屬污染常表現(xiàn)為綜合污染，故對于土壤樣品中不同污染物運用內(nèi)梅羅指數(shù)法[16]進行金屬污染評價更加全面具體，其計算如下：

式中：PN——土壤綜合污染指數(shù)；

(Ci/Si)max——單項污染指數(shù)的最大值；

(Ci/Si)ave——單項污染指數(shù)的平均值。

運用式（4）對礦區(qū)范圍36個樣方內(nèi)720個土壤樣品的銅、鎘、鉛、鎳、鋅、鉻、砷、汞共計八種金屬元素進行計算，其結(jié)果見表4；并參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—2018)[17]劃分樣品污染等級程度，其具體結(jié)果見表5。

表4 金屬污染評價結(jié)果/%Table 4 Evaluation results of metal pollution

表5 研究區(qū)污染程度Table 5 Pollution degree in the study area

根據(jù)計算結(jié)果可知，礦區(qū)范圍內(nèi)以銅污染尤為嚴重，其綜合污染指數(shù)3.654達重度污染；其次為鎘、鎳、鋅、鉻，其污染指數(shù)在1.2～1.5范圍內(nèi)，達輕度污染；汞元素達輕微污染而其他元素均處于安全水平，且研究區(qū)土壤中15.14%的樣品已達重度污染，嚴重威脅當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，急需進一步進行生態(tài)恢復。

4.2 生態(tài)恢復評價

依據(jù)土地利用總體規(guī)劃、土地復墾耕地優(yōu)先、綜合效益優(yōu)先、土地可持續(xù)利用等原則，結(jié)合前述的樣品調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建包含目標層、準則層、因素層、指標層的礦區(qū)生態(tài)修復適宜性評價指標體系，運用AHP層次分析法[18]，結(jié)合目標層、準則層、因素層和指標層構(gòu)建各層級相互影響的遞階層次模型，根據(jù)重要程度對各評價因子建立判斷矩陣并以1～9進行賦值，采用和積法和方根法計算判斷矩陣的最大特征向量進行層次單排序，最后將層次單排序的計算結(jié)果綜合得出對更上一層次的優(yōu)劣順序，從而得出各評價指標權(quán)重見表6。

表6 土地利用與生態(tài)修復適宜性評價指標權(quán)重Table 6 Land use and ecological restoration suitability evaluation index weight table

4.3 周邊植被恢復模式

根據(jù)宜耕、宜林、宜草三個評價方向劃分4個適宜等級，通過分析土壤與植被調(diào)查結(jié)果，確定各評價指標的數(shù)值范圍，綜合考慮《土地復墾質(zhì)量控制標準》[19]要求和4個適宜等級，確定各評價指標的評價標準，結(jié)合內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果和ArcGIS 10.2將各評價指標進行空間分布疊加，按照指標權(quán)重進行計算，得出各評價指標的指數(shù)和值，按照《土地復墾質(zhì)量控制標準》得出每個單元的適宜性評價等級，見圖3。通過圖3可看出，在采場和排土場區(qū)域適宜種草，在研究區(qū)西部區(qū)域更適宜發(fā)展林地，而南部和東部區(qū)域更適宜耕種，在今后生態(tài)恢復過程中應(yīng)因地制宜采取更加具有生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的恢復模式。

圖3 生態(tài)適宜性評價結(jié)果Fig.3 Results of ecological suitability evaluation

5 結(jié)論

（1）該銅尾礦范圍內(nèi)灌草層的植物豐富度高于喬木層，且群落內(nèi)重要植物以玉米、苜蓿、茼蒿和雛菊為主。

（2）通過松土、深翻、客土和植物覆蓋的方式可明顯改善礦區(qū)土壤的物理性質(zhì)，種植落葉多且常年生長的豆科植物顯著提高了礦區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等營養(yǎng)物質(zhì)含量。

（3）研究區(qū)主要以銅污染為主，達重度污染，通過種植紅三葉可明顯改善土壤中銅元素含量。

（4）研究區(qū)范圍內(nèi)采場和排土場宜草、西部區(qū)域宜林、南部和東部區(qū)域宜耕，在今后生態(tài)恢復中應(yīng)因地制宜采取相應(yīng)的恢復模式，同時滿足生態(tài)和經(jīng)濟要求。