苏尼特右旗草原矿区土壤重金属污染特征与生态恢复

岳征文,张瑞强,王 健,高天明,杨 浩

(1.水利部牧区水利科学研究所,呼和浩特 010019；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100044；3.北京市园林绿化局,北京 100013)

草原是我国最大的陆地生态系统,是我国北方重要的生态屏障,同时也是我国重要的农畜产品输出基地,其生态安全的意义重大[1-2]。为了不断满足国民经济发展的需要,草原矿区资源的开发和利用呈现上升的趋势。我国草原面积约4亿hm2,占国土面积的41.7%[3],主要是以干旱和半干旱气候为特征的生态脆弱区,该地区降水稀少而集中,蒸发持续又旺盛,风力强劲且频繁,植被低矮并稀疏,土质疏松而贫瘠,土壤侵蚀问题严重,矿产资源的开发和利用必然加剧对草原生态系统的扰动,造成更大的水土流失和重金属污染问题,危及草原生态系统安全健康发展。

当前,国内外对矿区土壤重金属问题的研究比较多,但研究草原生态系统脆弱区的矿产资源开发和利用导致的土壤重金属污染问题比较少[4-11]。草原矿区所造成的草原退化、重金属积累、迁移和污染问题不容忽视。为了解决草原矿区重金属污染问题,探究草原土壤侵蚀特征及草原矿区土壤重金属污染特征并提出合理的生态修复建议的研究就成为首要解决的科学问题。

本文的研究区位处锡林郭勒盟苏尼特右旗朱日和镇,是以风力侵蚀为主的草原区。输沙势是研究风力侵蚀区及衡量一个地区风沙活动强度的重要判断标准[12-13]。因此,通过研究朱日和镇某铜矿的尾矿库和周边草原的输沙势及土壤重金属污染状况[14],旨在提出科学合理的生态恢复建议,为今后草原矿区的生态恢复重建提供参考。

1 研究区概况

苏尼特右旗位于内蒙古自治区中部,锡林郭勒盟西部,地理位置为41°55′～43°39′N,111°09′～114°16′E。全旗可利用草原面积1.9万km2[15],属半荒漠草原区,是草原向荒漠过渡的生态交错带,土壤以栗钙土、棕钙土和风砂土为主。苏尼特右旗所在区域的气候为中温带半干旱大陆性气候,春季干旱多风,夏季干热而短促,秋季晴天多,凉爽,冬季严寒而漫长,四季温差大；年平均日照时间数约为 3 231.8h,平均温度4.3℃；常年盛行偏西风,一般风力3～5级,最大为9～10级,平均风速5.5m/s；年降水量平均为170～190mm,蒸发量平均为2 384mm,是降水量的14倍[16]。苏尼特右旗某铜矿位于朱日和镇,年生产能力为10万t,总开采量预计为220万吨铜矿石。

2 材料与方法

2.1 土壤样品的采集

根据苏尼特右旗朱日和镇常年主导风向和地形地貌情况,以尾矿库为中心,沿西北、东北、东南、西南四个方向各500m范围内进行土壤样品的采集。尾矿库内土壤采用随机布点法设置土壤采样点。其他各沿线采样方法为每个采样点采用多点取样混合1个代表样的方法,采样深度为0～5cm,每个混合样采集1kg。

2.2 土壤样品的处理与测定

野外采集的土壤样品经避光自然风干后,用木棒压碎,剔除砾石、动植物残体,过20目筛,充分混匀[17-18]。取200g样品用玛瑙研磨机研磨过150m筛,供化学分析用。土壤元素全量的测定方法采用原子吸收光谱法测定[19]。

2.3 土壤重金属污染评价

草原矿区土壤重金属污染状况采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法[14,20-21]进行评价。单因子指数法是对土壤中某一污染物的污染程度进行评价,其计算公式为:

pi=ci/si

式中:pi为土壤中污染物i的环境质量指数；ci为污染物的实测浓度(mg/kg);si为污染物i的评价标准(mg/kg),选用内蒙古土壤中重金属元素的几何平均值[22]。内梅罗综合污染指数法可突出污染最严重的污染物给环境造成的伤害,也可全面的反映土壤中各污染物的平均污染水平。其计算公式为:

土壤重金属污染程度可依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法划分为5级(表1)。

表1 土壤重金属污染分级标准Tab.1 The criteria to classify the soil heavy metal pollution

2.4 输沙势

输沙势(Drift Potential,DP)是衡量区域风沙活动强度及风沙地貌演变的重要指标[23-24],本文输沙势的计算采用的是Fryberger方程。Fryberger的输沙势方程为[25]:

DP=V2(V-Vt)t

式中:DP为输沙势,在数值上用矢量单位(Vector Unit,VU)表示；V为大于临界启动值的风速；Vt为临界启动风速,本研究中计算最大输沙势,因此取Vt为5m/s；t为起沙风作用的时间,一般以频率表示。根据矢量合成法将16个方位输沙势进行矢量合成,就得到合成输沙势(Resultant Drift Potential,RDP)和合成输沙方向(Resultant Drift Direction,RDD),它反映一个地区净输沙能力的大小。合成输沙势与输沙势的比值为方向变率指数(RDP/DP),用来反映一个地区风向组合情况,起沙风的方向变率越大,与它相关的RDP/DP越小,反之亦然。Fryberger根据输沙势大小,将风环境分为高能(>400VU)、中能(200～400VU)及低能(<200VU)；方向变率指数分为大比率(>0.8)、中比率(0.3～0.8)及小比率(<0.3)3种[26]。

3 结果与分析

3.1 起沙风及输沙势

2016年度风速、风向原始气象资料均取自苏尼特右旗草原工作站,数据采集间隔时段为60min。风速、风向的观测高度为2m,原始风向数据用0～360°方位角表示。起沙风频数均用起沙风出现的时数与年(季)统计时数的百分比表示。

表2 风频率表 %Tab.2 The wind frequency

注:E—东风,S—南风,W—西风,N—北风,SW—西南风,其他双字母以此类推；WSW—西南风偏西,其他三字母以此类推。

从表2可以看出,年主要风向为WSW—W—WNW,占全年总风向的34%,年起沙风主方向为SSW和W—WNW,占全年总风向的12.68%。春冬两季主方向风和起沙风主方向相同；夏秋两季的主方向风不同,但起沙风主方向相同。春冬两季的起沙方向集中且频率高,北方风沙区此时地被植被覆盖度低,极易发生风蚀沙害。因此,W—WNW—NW方向是主要沙害方向。

根据气象数据分析可以得到苏尼特右旗草原矿区输沙势(表3)。

表3 苏尼特右旗草原矿区输沙势表Tab.3 DP table in the grassland mining area in Sunite County

主要风频和起沙风频并不能精确的表述风沙强度,输沙势可以清楚的表述其危害性。从表3可以看出,苏尼特右旗草原矿区总体输沙势为240.95VU,根据Fryberger的区域风能分类标准研究区属于中能风环境。从季节分布来看,春季的输沙势达到601.96VU,属于高能风环境,是风蚀沙害最严重的季节。夏、秋、冬季属于低能风环境,均小于200VU。研究区的输沙势主要集中在W和WSW两个方向上,其中WSW方向的输沙势最大为601.96VU,合成输沙势也达到324.94VU；在W方向上,输沙势最大为111.56VU,合成输沙势为62.08VU。从方向变率来看,该地区的起沙风的变率为中比率。从输沙势来看,W和WSW方向是风蚀沙害的主要方向。

3.2 土壤重金属浓度

苏尼特右旗草原矿区某铜矿的尾矿库的土样中重金属浓度差异较大,选用内蒙古土壤(A层)背景值得几何平均值作为土壤的背景值。尾矿库中铜、铬、镉含量都明显高于土壤背景值,砷与环境的背景值相近,铅、汞的含量低于土壤背景值。

在分析尾矿库土壤重金属污染水平的基础上,对尾矿库周边的草场的土样重金属的测定就集中在铜、镉、铬3种重金属,由于重金属元素具有较强的积累性,可能对周边草原的生态影响较大。铅、砷、汞的含量等于或低于土壤背景值,不易引起周边土壤环境的污染。

表4 苏尼特右旗草原矿区某铜矿尾矿库的 土壤重金属浓度表Tab.4 Soil heavy metal concentration in copper tailings reservoir in Sunite County mg/kg

从图1可以看出,以尾矿库为中心,从四个方向土样的重金属含量来看,由近及远土壤中重金属的含量异质性比较强,SW方向上3种重金属呈现显著的递减趋势；SE方向上呈现递增的趋势；NW方向上铜元素和镉元素呈现递减趋势,铬呈现出先递减后递增的趋势；NE方向上呈现出铜元素和镉元素递减趋势,铬呈现出先递递增后递减的趋势。

总体上,从尾矿库周边草场四个方向(SE,SW,NE,NW)的土样重金属含量(Cd,Cr、Cu)与内蒙古土壤元素平均含量(Cd-AV,CrT-AV,Cu-AV)对比来看(图1),NE方向和SE两个方向的重金属含量浓度较大,SW和NW两个方向重金属浓度偏低。分析其原因,重金属浓度含量大的区域均是该地区输沙势能大的方向的下风向,结合当地的气象条件,该地区属于风力侵蚀强的地区,受风蚀的影响,重金属元素随风沙流迁移积累的结果,同时重金属迁移也具有很强的差异性,导致在下方向的重金属含量规律不能呈现显著的一致性。

3.3 土壤重金属污染评价

根据苏尼特右旗草原矿区不同调查区域土壤中Cd、Cr、Cu 3种重金属的平均含量,采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法评价以主导风向为轴的不同区域内土壤重金属污染情况,不同采样区内重金属的单项污染指数和综合污染指数如表5所示。

图1 尾矿库周边草原土样重金属含量与内蒙古土壤元素平均含量对比图

采样区方向单项污染指数镉铬铜综合污染指数SW0.570.942.261.83EN8.151.0724.2418.87SE8.751.7028.8322.39NW0.910.761.411.23

根据表5可知,在采样区EN,SE和NW三个方向上,单项污染指数依次为Cu>Cd>Cr；在SW方向上,单项污染指数依次为Cu>Cr>Cd。Cu在SW和NW方向的单项污染等级属轻度污染,而在合成输沙势的下风向上,Cu的单项污染等级都达到了重污染的水平,单项污染指数分别达到18.87和22.39之多。Cr的总体污染等级处于轻度污染和警戒限之内,对土壤的污染影响相对较小。Cd污染主要集中在合成输沙势的下风向,污染指数分别达到8.15和8.75,属重度污染；而在SW和NW两个上风向上,Cd的污染水平为清洁和警戒线水平,对草原土壤无污染或者危害可忽略不计。

从综合污染指数法评价的结果看,NE和SE两个方向上的污染程度等级为重度污染,已经严重的危害到了土壤质量和植被生态系统健康。SW和NW方向综合污染指数等级为轻度污染,这两个方向应该加强防护,防治重金属进一步的富集,防止污染指数向更高一级发展,保持草原生态系统的健康发展。

3.4 生态恢复

1) 以风力侵蚀为主的北方风沙区矿产资源的开发区,要先在主要输沙势的上风向,先建设防风固沙林或者沙障,“先防后开发”,形成生态屏障。以减少风蚀对土壤及重金属等污染物的水平迁移作用。具体做法可参考农田防护林带的建设方法。对于坡面,为防止水土流失和风力侵蚀,可以参考水平沟或者水平阶的方法,进行生态修复。减少坡面径流对土壤的剥离作用,同时也减少土壤污染物在水平和垂直方向上的迁移。

2) 根据矿产资源所处的区域地理特征,要适合当地的立地条件和生态背景,区域内以灌草为主结合乔木进行生态修复。修复其自然景观又不破坏原有自然景观[27]。通常,废弃地各类型占地构成分别为59%为采矿本身用地,20%为排土场,13%为尾矿,5%为废石堆,3%为塌陷区[28]。排土场土质条件相对较好,要优先绿化,植树种草,率先进行生态修复。13%尾矿,通常重金属含量高,土壤污染性大,直接的生态修复难度大,一般可采取物理和化学的方法先改变其土壤的理化性质,然后进行植物修复。对尾矿区域,可采用临时苫盖、定期洒水等措施,减少其污染物的扩散。也可采用客土的方式,将污染的土壤水平减低到低污染或清洁水平后,进行植物恢复。或采用新技术新方法,例如添加生物炭改良土壤,调控土壤重金属的迁移规律,在生态修复的同时也可达到减少炭排放的作用。3%塌陷区可添加保水剂等土壤改良剂,提高土壤持水能力后进行植物恢复。春季未恢复植被的区域,可采用当地的干草或沙柳、柠条刈割后的生物质进行苫盖。植物生长后,苫盖的生物质可加工为生物炭还田,改良土壤。

3) 草树种的选择。根据金属污染土壤的植物修复机理分为植物稳定性、植物吸收和植物挥发性[29]。对于植物稳定性的草树种,适合在重金属污染程度较低的区域进行生态恢复,植物吸收和植物挥发性植物也可选择；对于污染程度中度和高度的区域可以选择对重金属吸收程度高或者植物挥发性好的草树种,用于减少土壤中的重金属污染物含量；对于污染程度特别高,不适合生态修复的区域建议采用物理或化学的方法降低污染程度在进行生态恢复,效果较好。

4) 生态修复的目标不仅仅是种树种草,而是建立一个能够自我维护、运行良好的完整生态服务系统[30-31]。因此,矿区的生态修复工作是个长期复杂的系统工程。

4 结论

1) 苏尼特右旗某铜矿区年主要风向为WSW—W—WNW,年起沙风主方向为SSW和W—WNW,从春节主要起沙风频率看W—WNW—NW方向是主要沙害方向。从输沙势角度看,研究区的输沙势主要集中在W和WSW两个方向上,W和WSW方向是风蚀沙害的主要方向。

2) 对苏尼特右旗某铜矿的尾矿库重金属元素含量与内蒙古土壤(A层)背景值相比,尾矿库铜元素的含量是背景值的77倍,镉和铬的含量分别是背景值的12.96倍和2.54倍,其他砷、汞、铅的含量处于临界值或在背景值以下。对尾矿库周边草原土壤铜、镉、铬3种重金属元素含量测定结果表明,尾矿库周边草原的土壤对3种重金属元素都有不同程度的积累作用,NE方向和SE两个方向的重金属含量浓度较大,SW和NW两个方向重金属浓度偏低。

3) 从单因子指数法评价结果来看,在主导风向的下风向上,在EN,SE和NW三个方向上,单项污染指数依次为铜>镉>铬；在SW方向上,单项污染指数依次为铜>铬>镉。铜在SW和NW方向的单项污染等级属轻度污染,而在合成输沙势的下风向上,重金属铜的单项污染等级都达到了重污染的水平,单项污染指数分别达到18.87和22.39之多。铬的总体污染等级处于轻度污染和警戒限之内,对土壤的污染影响相对较小。镉污染主要集中在合成输沙势的下风向的下风向,污染指数分别达到8.15和8.75,属重度污染；而在SW和NW两个上风向上,镉的污染水平为清洁和警戒线水平,对草原土壤无污染或者危害可忽略不计。

4) 从内梅罗综合污染指数法评价结果来看,NE和SE两个方向上的污染程度等级为重度污染,已经严重的危害到了土壤质量和植被生态系统健康。SW和NW方向综合污染指数等级为轻度污染,这两个方向应该加强防护,防治重金属进一步的富集,防止污染指数向更高一级发展,保持草原生态系统的健康发展。

5) 以风力侵蚀为主的北方风沙区矿产资源的开发区,要先在主要输沙势的上风向,先建设防风固沙林或者沙障,“先防后开发”,形成生态屏障。根据矿产资源所处的区域地理特征,要适合当地的立地条件和生态背景,区域内以灌草为主结合乔木进行生态修复。要根据需要选择草树种。生态修复的目标不仅仅是种树种草,而是建立一个能够自我维护、运行良好的完整生态服务系统。调查区域的土壤重金属污染主要集中在以尾矿库为中心的主导风向的下风向,即主要输沙势方向的下风向,重金属铜污染是导致该草原区土壤重金属污染的主要因素。常年的主导风向对尾矿库周边草原的土壤重金属污染程度的影响显著。苏尼特右旗受风蚀影响比较严重的地区,应该加强对尾矿区的底泥和矿渣的苫盖措施,防治风、水蚀加剧对草原土壤重金属污染的影响。输沙势较大的上风向要建植防风林带或沙障,对输沙势较大的下风向要采取生态修复措施,不同的受损生态系统的恢复,根据区域特征结合生态恢复建议进行生态恢复,保证生态系统健康发展,保障人畜健康安全。

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