贛南某未開發(fā)離子型稀土礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

姚玉玲，代力，舒榮波，徐明

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川省稀土技術(shù)創(chuàng)新中心，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局稀土資源應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，四川 成都 610041）

稀土素來(lái)有“工業(yè)維生素”之稱，并被世界各國(guó)當(dāng)做發(fā)展高科技和國(guó)防尖端技術(shù)不可或缺的戰(zhàn)略資源[1-2]，其開采利用一直受到極度重視。但以前粗放的開采方式引發(fā)了較嚴(yán)重的環(huán)境問題[3-4]。離子型稀土礦作為贛南典型的稀土類型[5]，其開采中的環(huán)境問題一直為社會(huì)各界關(guān)注。蘇文湫[6]、張培[7]等采用單因子、綜合因子、內(nèi)梅羅指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)等方法對(duì)離子型稀土礦區(qū)的土壤進(jìn)行了重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，郭鐘群等[8]在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，提出了解決其開采中引發(fā)環(huán)境問題的思路。但以前對(duì)稀土礦區(qū)土壤質(zhì)量的研究主要集中在開采后已經(jīng)產(chǎn)生破壞或者污染的土壤，而較少研究未開發(fā)的離子型稀土礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量。

本研究為摸清未開發(fā)離子型稀土礦區(qū)土壤質(zhì)量，以在后續(xù)開采過(guò)程中，監(jiān)測(cè)更有目的性，防污減污更有針對(duì)性，以贛州某礦區(qū)為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)了土壤肥力和重金屬污染狀況，較全面地摸清了未開采稀土礦區(qū)的土壤質(zhì)量狀況，提出在后續(xù)稀土開采中需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的元素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于贛州市，土壤類型為紅壤，區(qū)域內(nèi)主要為變質(zhì)巖型離子型稀土，目前處于未開發(fā)狀態(tài)。所在區(qū)域海拔485 m，日照充足，雨量充沛，冬無(wú)嚴(yán)寒，無(wú)霜期長(zhǎng)，冷暖變化顯著，屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。

1.2 樣品采集與測(cè)定

將采樣中心點(diǎn)四個(gè)垂直軸向5 m 范圍內(nèi)4 個(gè)樣品與中心點(diǎn)位樣品混合為一個(gè)土壤樣品，樣品采集時(shí)盡量避開明顯點(diǎn)狀污染區(qū)，保證樣品的典型性和代表性。用塑料鏟子采集約1 kg 表層土壤，剔除石塊、植物根系等雜物，自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩后裝入樣品袋保存?zhèn)溆谩２杉耐寥罉悠窚y(cè)試指標(biāo)為有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、堿解氮、全磷、全鉀、全氮、Cu、Ni、Cd、Cr、Pb、Zn、As，均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，測(cè)試過(guò)程中按規(guī)范加10%空白樣與平行樣進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.1 改進(jìn)內(nèi)梅羅土壤肥力綜合評(píng)價(jià)法

采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅公式進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)，式中用單項(xiàng)肥力最小值取代最大值，突出了參評(píng)因子中最差因子對(duì)土壤質(zhì)量的影響，增加修正項(xiàng)提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。對(duì)參評(píng)的土壤肥力評(píng)價(jià)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體處理方法見表1。土壤指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以第二次全國(guó)上壤普查標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，見表2。土壤綜合肥力按下式計(jì)算。

表1 土壤肥力參評(píng)因子標(biāo)準(zhǔn)化處理方法Table 1 Standardized treatment methods of soil fertility participating factors

表2 土壤肥力參評(píng)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Grading standard values of soil fertility participating factors

上式中，(Pi)min為土壤所有指標(biāo)中單項(xiàng)肥力指數(shù)最小值，(Pi)ave為各單項(xiàng)肥力指數(shù)平均值，N為參評(píng)指標(biāo)數(shù)，Pz為土壤肥力綜合指數(shù)。

2.2 單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)。

單因子污染指數(shù)法，計(jì)算公式如下：

上式中，Pi為各重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為各重金屬的實(shí)測(cè)值；Si為各重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體由國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中的pH≤5.5 時(shí)的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（表3）確定。

表3 不同重金屬的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值/（mg·kg-1）Table 3 Screening values of soil pollution risk in agricultural land for different heavy metals

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計(jì)算公式如下：

上式中，(Ci/Si)max為土壤污染物中污染指數(shù)最大值，(Ci/Si)ave為污染指數(shù)平均值，P綜為土壤污染綜合指數(shù)，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：P綜≤1，未污染；13，重度污染。

3 結(jié)果及討論

3.1 土壤肥力評(píng)價(jià)結(jié)果及討論

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并對(duì)照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表4），得出研究區(qū)域各養(yǎng)分含量和分布見表5。依據(jù)土壤肥力參評(píng)因子標(biāo)準(zhǔn)化處理方法和修正后的內(nèi)梅羅公式計(jì)算得到土壤單項(xiàng)肥力指數(shù)。

表4 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The nutrient classification standard of the second national soil census

由表5 可知，研究區(qū)域土壤綜合肥力處于低水平、貧瘠狀態(tài)，植物缺肥，其中以有機(jī)質(zhì)和速效磷最為缺乏，有機(jī)質(zhì)含量范圍為0.87～28.7 g/kg，在六級(jí)區(qū)域分布最多，為44%，其后依次為四級(jí)、五級(jí)、三級(jí)（26%、18%、12%），含量平均值為9.46 g/kg，處于五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域，低于江西省土壤背景值（20 g/kg），為缺乏有機(jī)質(zhì)類土壤。研究區(qū)域土壤中全P 和速效P 的單項(xiàng)肥力指數(shù)都處于較低水平，其分布區(qū)域主要在四級(jí)、五級(jí)和六級(jí)，為促使研究區(qū)域植被良好生長(zhǎng)，可適當(dāng)施加磷肥。

表5 研究區(qū)域土壤中養(yǎng)分含量分析Table 5 Analysis of nutrient content in soil in the survey area

將研究區(qū)域各單項(xiàng)及綜合土壤肥力指數(shù)與對(duì)照區(qū)、贛南某采礦區(qū)[9]對(duì)比，得到研究區(qū)域土壤肥力狀況見圖1，并參照土壤綜合肥力等級(jí)劃分（表6），評(píng)價(jià)研究區(qū)域土壤肥力情況。

圖1 研究區(qū)域土壤肥力指數(shù)對(duì)比Fig.1 Comparison of soil fertility indices in the study area

表6 土壤綜合肥力等級(jí)劃分（NY/T 1749-2009）Table 6 Classification of soil comprehensive fertility grades (NY/T 1749-2009)

由圖1 可知，研究區(qū)域處于一般水平的單項(xiàng)土壤肥力指數(shù)有：有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全K、速效K，處于差一級(jí)的的單項(xiàng)土壤肥力指數(shù)有：全N、全P。綜合土壤肥力指數(shù)為0.92，處于差與一般的臨界位置，可見研究區(qū)域的土壤肥力處于較缺肥狀態(tài)，這也是區(qū)域內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)較差的主要原因。

研究區(qū)域各項(xiàng)肥力指標(biāo)均與遠(yuǎn)離礦區(qū)的對(duì)照區(qū)有可比性，說(shuō)明研究區(qū)域采礦活動(dòng)較少，人為干擾程度較低。研究區(qū)域各單項(xiàng)肥力指標(biāo)與綜合肥力指標(biāo)都優(yōu)于贛南某稀土礦采礦廢棄區(qū)，其中差距最為懸殊的土壤肥力因子依次為：堿解氮、全鉀、速效鉀等，采礦廢棄區(qū)土壤中氮、鉀元素的含量減少可能與長(zhǎng)期稀土資源開發(fā)造成嚴(yán)重水土流失、浸提劑的使用破壞土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素有關(guān)，在后期研究區(qū)域離子型稀土礦開采活動(dòng)中應(yīng)注意對(duì)土壤中堿解氮、全鉀、速效鉀等肥力指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

3.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用單因子污染評(píng)價(jià)法，考查每個(gè)重金屬的最小值、最大值、平均值等，結(jié)果見表7。由表7 可知，研究區(qū)域只有個(gè)別點(diǎn)位的Pb 與Cr 超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中的pH≤5.5 時(shí)的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（超標(biāo)率小于2%），整體土壤環(huán)境質(zhì)量良好，與江西省土壤背景值有可比性。

表7 研究區(qū)域土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistical table of heavy metal content in soil in the study area

計(jì)算研究區(qū)域各重金屬指標(biāo)的單項(xiàng)污染因子和內(nèi)梅羅污染指數(shù)，參照土壤重金屬污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表8）評(píng)價(jià)其污染程度，將研究區(qū)域的重金屬污染與贛南某稀土采礦區(qū)[10]進(jìn)行對(duì)比，得到研究區(qū)域土壤中重金屬污染指數(shù)對(duì)比見圖2。

表8 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Classification criteria for soil heavy metal pollution evaluation

圖2 研究區(qū)域土壤中重金屬污染指數(shù)Fig.2 Heavy metal pollution indices in soil in the study area

結(jié)果表明：研究區(qū)域的各重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，其污染程度均處于安全區(qū)范圍內(nèi)，依次為As

將研究區(qū)域與贛南某開采后的稀土礦區(qū)相比，綜合污染指數(shù)差距較大，說(shuō)明離子型稀土礦原有開采模式會(huì)造成土壤污染，其中以Pb、Cd和As 變化最為明顯，因此，在后期離子型稀土礦開采過(guò)程中，應(yīng)加大對(duì)Pb、Cd 和As 的監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)域土壤綜合肥力處于低水平、貧瘠狀態(tài)，植物缺肥。各單項(xiàng)土壤肥力指數(shù)水平依次為全鉀>速效鉀>堿解氮>速效磷>有機(jī)質(zhì)>全氮>全磷，處于差一級(jí)的單項(xiàng)土壤肥力指數(shù)有：全氮、全磷，可考慮在研究區(qū)域施加氮肥和鉀肥，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。

(2)研究區(qū)域?yàn)槲撮_采稀土礦山，其各項(xiàng)肥力指標(biāo)均與遠(yuǎn)離礦區(qū)的對(duì)照區(qū)有可比性，而優(yōu)于贛南某稀土礦采礦廢棄區(qū)，其中差距最為懸殊的土壤肥力因子依次為：堿解氮、全鉀、速效鉀等，在后期研究區(qū)域離子型稀土礦開采活動(dòng)中應(yīng)注意對(duì)土壤中堿解氮、全鉀、速效鉀等肥力指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

(3)研究區(qū)域的各重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，其污染程度均處于安全區(qū)范圍內(nèi)，依次為As

(4)研究區(qū)域?yàn)槲撮_采稀土礦山，其各項(xiàng)重金屬污染指數(shù)與江西地區(qū)土壤背景值具有可比性，而優(yōu)于贛南某稀土采礦區(qū)，其中，綜合污染指數(shù)差距較大，說(shuō)明離子型稀土礦原有開采模式會(huì)造成土壤污染，而單項(xiàng)重金屬污染指數(shù)以Pb、Cd和As 變化最為明顯，因此，在后期離子型稀土礦開采過(guò)程控制中，應(yīng)加大對(duì)Pb、Cd 和As 的監(jiān)測(cè)。