江西永平铜矿排土场土壤质量评价

材料与方法

1.1 样地概况

永平铜矿矿区为中亚热带季风气候，冬季寒冷、夏季炎热，雨量充沛，年平均气温为17.7 ℃，年降水量1 831.5 mm，年平均蒸发量1 490.1 mm，是一个以铜、硫为主的多金属矽卡岩型矿床，矿石中金属矿物主要有黄铁矿、黄铜矿、辉铜矿、磁黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黝铜矿、白钨矿、孔雀石等，脉石矿物主要有石英、石榴石、透辉石、阳起石、绿泥石、方解石、硬石膏等，矿区土壤主要以红壤为主，红黄壤次之。

1.2 样品采集

永平铜矿东部和西部排土场作为矿区两大废土石堆积地，现在均已关停使用。为了解东西部土壤质量状况，根据实地情况，在东部排土场的不同区域2号拦渣坝平台（A区）、2号拦渣坝上部边坡（B区）、3号拦渣坝上部排土场边坡中部平台（C区，有少量植被）、10号拦渣坝上部边坡（D区）分别设置4个采样点，在西部排土场上部（S区）、中部（Z区）和下部（X区）分别设置5个采样点。

土壤样品采集采用蛇形法，采样点采集深度0～30 cm，尽量避开特殊点，混合后的土样用四分法弃去多余土样后保留1 kg左右，附上标签。土样立即带回室内风干、过2 mm筛，储存在棕色瓶中。

1.3 样品分析和测定

土壤pH、CEC、土壤质地和养分含量的测定依据文献[10]。pH采用1.0∶2.5水土比提取，静置10 min，用pH计（pHS-3C，上海雷磁）测定，土壤机械组成采用吸管法测定，土壤阳离子交换容量（CEC）采用1 mol/L乙酸铵法测定，土壤有机质含量采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定，土壤全氮采用半微量开氏法，土壤全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮法，速效钾采用乙酸铵提取法，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。

土壤重金属含量测定采用混酸（HF-HNO3-HClO3）微波消解-AAS法[11]，消解完用2%稀硝酸溶液定容，稀释，然后采用原子吸收分光光度计（AAS，Z-2000，日本）测定重金属含量。

2 结果与分析

2.1 排土场土壤理化性质分析

对研究区土壤粒级进行分级（表1），由表1可见永平铜矿排土场土壤大部分为砂土和壤土。A、B、D样地砂粒，含量为88.23%～93.11%，其次是粉粒，含量5.31%～9.81%，黏粒含量最低，表明A、B、D 3个区域的通气透水性较好，但保水能力较差。C区黏粒含量最高为21.90%，砂粒含量仅为29.70%。这可能与采样点地形和植被恢复有关。西部排土场S、Z、X土壤均为壤土，表明其保水和保肥能力中等。

排土场土壤pH、CEC和土壤养分状况见表2。由表可见矿区排土场土壤pH均呈酸性，其中西部上部和中部土壤pH分别为2.70、3.62，均为极强酸性，西部排土场下部pH高于上部和下部，可能原因是在西部排土场表面堆积生活垃圾。东部排土场土壤pH为5.38～6.3，土壤pH明显高于西部，主要是由于东部排土场关停使用较久，随着硫铁矿氧化，酸性废水的外排，东部土壤pH逐渐升高的缘故[12]。由土壤阳离子交换量（CEC）可见东部C区和西部下部土壤的保肥供肥能力明显高于其他各区，东部C区有机质、全钾、速效钾、有效磷的含量均明显高于其他各区。

2.2 土壤重金属含量

分析排土场土壤重金属含量（表3）可见，排土场各区重金属含量与国家环境质量标准相比（GB15618-1995，Ⅲ级，Cu 400 mg/kg， Cd 1 mg/kg， Pb 500 mg/kg， Zn 500 mg/kg， Cr 300 mg/kg），除了西部上部（299 mg/kg）外，其余地区土壤样品Cu含量均超过国家Ⅲ级标准，下部含量尤其高，为4 929 mg/kg；Cd含量均超过Ⅲ级标准，含量为2～7 mg/kg，Pb、Zn和Cr含量除了个别点超过Ⅲ级标准外，其余含量均在Ⅲ级标准界限值以下。C区铜含量高于东部其他区域，可能原因是C区处于边坡平地，边坡上游易迁移金属容易随坡面径流迁移至此处沉积，植被的根系分泌物也容易影响重金属含量。X区排土场重金属含量高于其他地区，可能是由于排土场关停使用时间较短，降雨和自然分化影响作用较弱，垃圾堆肥稳定化等综合因素引起的。

2.3 土壤重金属污染与土壤养分评价

2.3.1 确定评价因子与评价标准

1）在调查研究的基础上，根据矿区排土场土壤重金属的含量，选取Cu、Pb、Zn、Cr、Cd 5个主要重金属污染元素作为评价因子，因子集为U1={Cu，Pb，Zn，Cr，Cd}。根据国家土壤环境标准（GB15618-1995）、江西省土壤背景值及文献[9，14，15]，将土壤重金属污染等级分成5个级别（表4），评价集为V1={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

2）土壤养分评价的因子集为U2={有机质，全N，全K，速效K，有效P}。根据中国第二次土壤普查中土壤养分的分级标准将土壤养分分为5级（表5），评价集为V2={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

2.3.2 隶属度计算 各个等级的隶属度（rij）计算采用降半梯形分布隶属度函数[16]，计算方法如下：

当评价等级（j）=1时，

rij= 1 Ci≤Si1（Si2-Ci）/（Si2-Si1） Si1

当评价等级1

rij= 0 Ci≤Si（j-1），Ci≥Si（j+1）（Ci-Si（j-1））/（Sij-Si（j-1）） Si（j-1）

当评价等级j=5时，

rij= 0 Ci≤Si4（Si2-Ci）/（Si2-Si1） Si4

式中，rij表示第i种评价因子隶属于第j等级的隶属度，Sij为第i种因子第j等级的标准值，Ci为第i种因子的实测值。

经计算可以得到各个区域不同重金属元素和不同养分因子的隶属度，综合后得到7个评价区域的模糊关系矩阵R1i和R2i。

2.3.3 不同评价因子权重计算 各评价因子在相同区域中作用大小不同，在不同区域所起作用也不同，因此用相对污染值法计算各评价因子的权重：

ai=（Ci-Si）/[■（Ci-Si）]，

式中，ai为第i种评价因子的权重，Si为第i种因子各级土壤重金属污染标准值的算术平均值，Ci为第i种因子的实测值。

由以上公式计算得到7个区域不同评价因子的权重向量，进行归一化处理后结果见表6、表7。可见铜是排土场土壤重金属污染的主要因子，镉是仅次于铜的重金属污染因子，其他评价因子的权重都较小，此外西部上部区域权重因子较少，表明其土壤受铜污染相对较轻。各个区域土壤养分情况差别不大，速效钾对土壤养分的贡献率最大，全钾的贡献率最小，其中东部C区和西部下部土壤有机质的权重较大。

2.3.4 土壤模糊综合评价 由于所选取的评价因子对土壤养分和重金属污染程度均有一定的影响，为了使评价结果更加准确，避免因权重太小而造成的信息丢失，采用加权平均型算法（M“·，+”算子）进行综合评价，计算公式为：

bj=■（ai·rij）

式中，bj为评价区域隶属于第j等级的隶属度，ai为第i种评价因子的权重，rij表示第i种评价因子隶属于第j等级的隶属度。

可得永平铜矿排土场各区域重金属污染模糊综合评价和土壤养分模糊综合评价的结果向量（表8、表9）。根据最大隶属度原则，可见永平铜矿排土场各区域土壤污染程度均属于重度污染，其中西部下部区域Ⅴ级（重污染）的隶属度最大，表明该区域受重金属污染程度最严重。西部上部区域隶属于Ⅴ级的隶属度最小，表明该区域受重金属污染程度最轻。排土场所有土样除了C点，极贫乏（I）等级的隶属度最大，处于0.713 6～0.928 6之间，表明排土场土壤养分极度贫乏。排土场C区土壤养分情况属于贫乏偏适量，土壤养分状况明显优于其他各区。

3 小结与讨论

1）永平铜矿排土场土壤大多为酸性和极强酸性土壤，土壤组成大部分为砂土和壤土。除了C和X两个样地，其他土壤CEC均小于10 cmol/kg，土壤保肥和供肥能力较弱。

2）永平铜矿排土场均属于重度污染，其中铜的污染状况最严重，其次是镉。镉具有很强的迁移性，铜迁移性仅次于锌和铅，很容易向周围环境扩散迁移[17，18]，对排土场进行生态修复应当注意进行稳定化治理。

3）永平铜矿土壤养分状况极度贫乏，西部下部和东部C区土壤有机质与其他区域有差异，可能与该区域存在垃圾堆肥和生长少量植被有关，表明添加土壤改良剂有望明显改善土壤的养分状况，种植适当的植物进行土壤植物修复同样有利于改善土壤的养分状况。根据土壤养分状况，排土场土壤极其缺乏氮素，因此在植被复垦实践过程应引进固氮树种，增加土壤氮素含量。

4）排土场土壤模糊综合评价结果表明妨碍排土场植被复垦的两大限制因素为极高重金属含量和极度贫乏的土壤养分状况。以往研究表明在土壤中施加堆肥、磷肥、磷矿石、磷酸、草木灰等能够固定重金属迁移和增加土壤营养状况[19-22]。因此后期排土场生态修复的关键举措是结合必要的土壤改良措施，实现重金属的稳定化和固定化以及土壤养分状况改良，引进重金属超累积植物和固氮植物。

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