金屬礦山廢棄地土壤質量綜合評價指標體系初探

程 睿

(深圳市如茵生態環境建設有限公司，廣東 深圳 518057)

截止2018年，我國礦產資源總產量已位居世界第一，超過全球總產量的30%[1]。作為全球最大的礦產資源生產國，我國90%的重點金屬礦山都是露天開采。因礦產資源開發造成的大面積土地破壞、土壤污染、生態退化等環境問題[2-3]，嚴重威脅人類生命健康，影響國民經濟可持續發展。當前，礦區生態治理和土地復墾已經成為我國礦山環境保護工作的重中之重。然而，礦區廢棄地土壤極度貧瘠和嚴重污染已成為全球礦山生態治理共同面臨的問題，其土壤質量決定了生態復墾質量甚至成功與否。因此，礦區廢棄地復墾的首要問題在于土壤改良修復和生態功能重構。

土地復墾能夠顯著提高土壤質量已成為學術界共識，而且學者們針對土壤質量的評價也開展了廣泛研究[4]，但研究熱點主要集中在農田土壤及林地土壤，土壤質量評價也以土壤肥力和退化為主。如鄭琦等[5]采用不同評價法對棉田土壤pH、有機質、養分、重金屬等21項指標進行了綜合評價，認為綜合質量指數評價法更合理；蔣俊等[6]利用pH、有機碳、OM、AP、AK、AHN、土壤微生物宏基因組豐度和香農多樣性指數等指標對森林土壤進行了評價，結果表明較高的土壤養分含量和微生物多樣性有利于提高土壤質量；禹樸家等[7]基于土壤MBC和酶活性指標對土壤肥力進行了評價，表明土地利用方式對MBC有極顯著的影響；張琪等[8]利用土壤CEC對上海市土壤質量進行了評價，認為在綠地土壤的綜合評價中應加入CEC指標；肖九花[9]利用模糊綜合評價法對永平銅礦排土場土壤養分和重金屬污染進行了評價，結果表明高重金屬含量和低土壤養分是限制永平銅礦排土場土壤修復的主要因素；楊勝香[10]對大寶山礦排土場土壤分析表明，pH、NAG-pH和NAG等酸化因子直接影響著土壤微生物的群落結構和功能，重金屬含量對土壤微生物具有顯著的抑制作用。

目前，國內學者對礦區土壤質量方面的研究主要集中在改良技術方面，關于土壤質量評價方面的研究相對較少，尤其是針對金屬礦山廢棄地土壤質量缺乏一套針對性的綜合評價指標體系及合理的分級標準。因此，本研究在充分分析影響我國金屬礦山廢棄地生態復墾的主要限制因素的基礎上，結合大量復墾實踐經驗，初步提出了符合金屬礦山廢棄地特點的土壤質量綜合評價指標體系，以期為礦山土壤改良修復和生態復墾提供指導。

1 礦山廢棄地生態復墾的主要限制因子

礦山廢棄地主要包括廢石場、露天采場、尾礦庫、塌陷區、壓占區等因采礦而破壞的土地[11]。由于采礦造成的破壞遠超過礦山自身及生態系統的承受閾值，難以短時間內依靠自然演替恢復生態植被。據研究測算[12]，通過自然演替來恢復礦山植被往往需要上百年的時間，若廢棄地土壤污染嚴重或缺乏表土則更需數百年時間甚至更久。然而，我國金屬礦山多為原生硫化物礦床，礦區土壤普遍存在嚴重酸化和重金屬污染問題[13]，對植被恢復造成嚴重困擾。實踐經驗表明，在土壤酸化嚴重的廢棄地直接進行植被恢復幾乎難以成功，即便采取多種土壤改良措施，仍存在因土壤持續產酸而造成植被恢復難以持續、大量植物受毒害死亡的風險，即便存活也生長緩慢、長勢不良。土壤酸化不僅脅迫植物生存，而且會淋溶出重金屬，增加土壤重金屬的生物有效性，同時加速養分和鹽基陽離子流失，降低土壤肥力，破壞土壤理化性質，造成土壤極度貧瘠。另外，礦區土壤酸化的主因是金屬硫化物在氧氣、水和微生物的共同作用下，通過一系列的氧化、淋濾、生物反應釋酸[14]，此過程中產酸微生物是重要的觸媒劑，會大大加速硫礦物的產酸反應過程[15]。因而，土壤酸化不僅抑制健康的土壤微生物活動，還會促進產酸、嗜酸微生物大量繁殖、活動，造成礦區土壤酸化的惡性循環。

深入了解影響礦區生態復墾的主要限制因子，是開展礦區生態復墾最基本也是最關鍵的一步。根據工程實踐經驗，影響礦區廢棄地生態復墾的環境因素包括土壤、水利、地形、氣候等，其中土壤質量是最主要因素。根據礦區廢棄地特點，決定其土壤質量的因素主要包括土壤理化性質、產酸潛力、重金屬污染、微生物群落特征等。其中，極差的土壤理化性質是首要因素：極端pH阻礙植物根系陽離子交換，加劇重金屬毒害；而極度貧瘠造成土壤缺乏基本的營養元素和有機質，嚴重影響植物的生長發育。其次是土壤產酸潛力帶來的復酸化問題：礦區土壤硫礦物含量高，存在持續產酸潛力，進而影響植被生態自然演替的可持續性。第三是重金屬污染對植物的毒害風險：重金屬含量過高會抑制植物的生理代謝功能，阻礙根系對營養元素的吸收，延緩植物的生長發育。第四是土壤微生物群落特征：由于健康的土壤微生物群落受到抑制，產酸、嗜酸微生物大量活動，損傷甚至使土壤喪失基本的生態功能，土壤質量日益惡化。

礦山廢棄地土壤介質性能差，限制因子多，難以自然恢復植被和生態，不加以治理的話其污染狀態可持續數十年甚至上百年。礦山快速復墾必須借助人力，而消除影響植被恢復的限制因素是礦山復墾實踐中首要考慮的問題，對復墾過程中的土壤質量進行綜合評價也是必不可少的一步。此外，因土地利用方式不同對其質量要求一般也不盡相同，礦區廢棄地土壤質量綜合評價應基于生態復墾的功能需要和主要限制因素。分析認為，礦區土壤質量綜合評價指標體系應包括土壤地力和環境質量兩個方面，評價指標應包含土壤理化性質、產酸潛力、重金屬毒害、微生物群落特征等4個層面。

2 礦區土壤質量綜合評價指標選擇

2.1 土壤理化性質評價指標選擇

礦區土壤質量評價的目的主要是為污染土壤改良修復、生態復墾提供科學依據。礦區生態復墾對土壤質量的要求不同于農業生產，質量標準也相對要低，但決定礦區污染廢棄地生態復墾能否成功的限制因素較多，對其理化性質評價指標的選擇不同于農田土壤。土壤嚴重酸化，pH過低一般是礦區生態復墾的首要脅迫因子，其次是土壤肥力。土壤肥力是土壤持續供給植物生長發育所必需的礦質營養的基本保障。因此，土壤pH、肥力可作為礦區土壤理化性質的重要評價指標。其中，土壤肥力水平一般可選擇AHN、AP、AK及OM含量作為評價指標。已有研究表明，土壤CEC含量越大其保肥、供肥能力越強[16]，還能促進土壤重金屬向穩定態轉化[17]，進而降低其生物有效性。Mcfee等[18]也研究認為，CEC的大小可表征土壤的酸化敏感性，當CEC<6.2 cmol/kg時土壤為敏感土壤，6.2 cmol/kg≤CEC<15.4 cmol/kg的土壤為微敏感性土壤，CEC≥15.4 cmol/kg的土壤為非敏感性土壤，因此，CEC含量也是反映礦區土壤理化性質的一個重要評價指標。

2.2 土壤酸化潛力評價指標選擇

極端的土壤酸化不僅是礦區生態復墾的重要限制因素，也是全球范圍內礦山生態治理共同面臨的問題。在礦區生態復墾實踐中，對土壤進行多種改良雖然可以使其pH暫時性達到中性狀態以滿足植被恢復需要，但因后期土壤再產酸往往造成植被大量死亡而難以持續恢復。因此，土壤再產酸能力評價也是礦區生態復墾地土壤質量評價的重要內容。目前，常用的酸化預測技術是地化學靜態實驗法即凈產酸量試驗(net acid generation test)。凈產酸量試驗通過利用H2O2將樣品中的S徹底氧化成硫酸后測得的pH即為NAG-pH，當NAG-pH<7時再利用NaOH滴定測得樣品凈產酸量(NAG)。NAG試驗中因部分酸會被樣品中的堿性物質所中和而更符合實際情況，其對產酸潛力的預測相比其它方法更準確，而且快速、方便，用于酸化預測較為廣泛和成熟[19-20]。NAG與NAG-pH有極顯著相關性，NAG-pH可直接用于判斷樣品的產酸潛力[10]。此外，造成土壤酸化的主因除了土壤所含硫礦物氧化釋酸外，還有土壤酸性中和能力(ANC)下降的因素。ANC代表土壤固相(礦物質、有機質)和液相的酸中和能力[21]，對維持土壤pH平衡起到重要的緩沖作用。分析認為，NAG-pH和ANC是用于土壤酸化潛力評價的兩個重要指標。

2.3 土壤重金屬污染評價指標選擇

重金屬污染也是礦區生態復墾的一個重要限制因素。重金屬對植物具有較強的毒性，對植物生長造成脅迫，抑制種子萌發和葉綠素合成，阻礙光合作用[22-24]，影響植物蛋白結構和功能，導致過量的活性氧(ROS)積累[25-26]，輕則造成代謝紊亂、生長發育受阻，重則導致植物死亡[27]。因此，土壤重金屬含量也是礦區生態復墾地土壤環境質量評價的重要內容。目前，國內針對礦區生態復墾地的土壤重金屬污染管控并沒有專門的標準，一般參照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618─2018)[28]。該標準中列出了8個重金屬污染風險篩選基本項目及不同條件下的評價閾值?；谠u價的便宜性及評價標準取值的合理性，礦區生態復墾地重金屬污染評價指標的選擇可參照GB 15618─2018，直接將Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn等8個風險篩選基本項目作為礦區重金屬污染的基本評價指標，能夠滿足生態復墾實踐的需要。

2.4 土壤微生物群落特征評價指標選擇

健康的土壤應該具備生物活力及自維持、自凈化功能，可承載多樣性的生物群落健康生長發育，是一個動態的生命維持系統。土壤中的微生物能夠促進土壤有機碳代謝、養分循環、污染物凈化，是改善和維持土壤生態功能的重要驅動力。土壤微生物被認為是表征土壤質量變化最敏感、最有潛力的指標[29]，是土壤生態功能的重要維持者。土壤微生物量及其變化也是評價土壤肥力及其變化的重要依據。土壤中活的植物體體積小于5×103μm3的生物總量即為土壤微生物量，一般通過測定土壤MBC(微生物體干物質含碳量47%)換算而來[30]。MBC作為土壤微生物量的直接代表，與土壤質量密切相關[31]，常作為評價土壤生態功能的一項重要指標。而土壤微生物多樣性及群落組成直接影響著土壤生態多功能性[32，33]，所以土壤微生物多樣性也是評價土壤生態功能的一項重要指標。另外，礦區土壤酸化的重要因素就是硫礦物氧化釋酸，而鐵原體屬(Ferroplasma)、鉤端螺旋菌屬(Leptospirillum)、硫化桿菌屬(Sulfobacillus)、嗜酸硫桿菌屬(Acidithiobacillus)、嗜酸菌屬(Acidiphilium)細菌等產酸微生物是酸化反應的重要觸媒劑。干凈的土壤應以健康的微生物群落為主，產酸微生物群落應該被抑制。從礦區生態復墾實踐出發，土壤微生物中的產酸微生物占比也是評價礦區土壤生態功能的重要指標。

3 礦區土壤質量綜合評價分級標準

3.1 礦區土壤理化性質評價分級標準

根據全國第二次土壤普查分級標準[34-35]，土壤pH、CEC含量被劃分為5個等級，OM、AHN、AP、AK含量被劃分為6個等級。為便于礦區生態復墾地土壤質量綜合評價，土壤理化性質評價標準閾值選擇可參照此分級標準，將各評價指標按照“很好、較好、中等、較差、很差”劃分為5個評價等級(表1)。在表1中，考慮礦區廢棄地復墾利用特點，OM、AHN、AP、AK的評價標準是將全國第二次土壤普查分級標準中的一級、二級統一評價為“很好”。采用此種評價標準對礦區土壤理化性質進行評價不僅操作簡單，而且評價結果比較合理、有效。

表1 礦區土壤理化性質評價分級標準

3.2 土壤酸化潛力評價分級標準

國內外土壤產酸潛力研究[36-38]表明，當NAG-pH≥5時一般不產酸或弱產酸，NAG-pH≤2.5屬于中度或高度產酸，2.5

表2 礦區土壤酸化潛力評價分級標準

3.3 土壤重金屬污染評價分級標準

綜合國內外研究成果，提出土壤重金屬污染評價分級標準如表3所示。GB 15618─2018[28]中不僅規定了Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn等8個風險篩選基本項，同時也列出了不同環境條件下的風險篩選值，但其風險篩選值并不適宜直接用來評價礦區生態復墾地土壤重金屬污染情況。研究認為，其評價分級標準閾值的選擇在參考GB 15618─2018中的重金屬風險篩選值的基礎上，應結合礦區生態復墾地土壤特點進行適當調整。如表3所示，以江西永平銅礦廢棄地土壤重金屬污染評價為例，“很好”等級一般應取當地土壤重金屬背景值，“較好”等級一般取GB 15618─2018風險篩選值中的最小限值，“中等”等級一般取6.5

表3 礦區土壤重金屬污染評價分級標準 mg/kg

3.4 土壤微生物群落特征評價分級標準

表征土壤生態功能的微生物生物量碳、多樣性和產酸微生物占比等評價指標，目前尚無具體的評價分級標準，且微生物指標在不同環境區域的差異也比較顯著[31]。在不同生態環境的土壤中，微生物數量及多樣性一般表現為草地>林地>耕地[30]。因此，基于生態復墾利用目的的礦區土壤微生物評價指標的分級標準可參照當地耕地或林地現有的背景微生物指標研究數據。研究認為，一般達到當地耕地土壤環境背景微生物指標平均水平可被評價為“中等”或以上等級，并以30%左右的階梯劃分評價等級較為適宜。如表4所示，以江西永平銅礦為例，其土壤MBC[43]和微生物多樣性指數(16S RNA的群落結構多樣性指數)[44]評價分級標準均參考鄰近的江西鷹潭地區土壤現有研究數據；產酸微生物占比(相對豐度前10名屬中)參考臨近的武夷山地區土壤背景微生物數據[45]。其中，微生物多樣性指數和微生物豐度分析均是基于利用16S RNA的通用引物PCR擴增、測序后，按照97%的相似性通過OTU(operational taxonomic units)分析得到[46]。研究認為，土壤微生物生態功能評價參考當地或臨近農田或林地土壤背景微生物標準，對生態復墾實踐更具有指導意義，能最大程度避免因環境區域背景差異造成的評價結果的不可靠、不穩定。

表4 礦區土壤微生物群落特征評價分級標準

4 討論

國內學者對土壤質量的研究主要集中在耕地及林地，盡管對土壤質量的定義一般是指耕地質量，但目前對耕地土壤質量的概念并沒有形成統一的定義?！度珖氐亓φ{查與質量評價技術規程》認為，耕地質量包括耕地地力和土壤環境質量兩個方面，將其定義為滿足作物生長和清潔生產的能力[47]。一般認為，不同研究角度對耕地質量的定義側重點是不盡相同的[48]，土壤質量評價應結合地域差異、人文差異等因素進行具體分析[49]。同樣，對礦區廢棄地土壤質量的定義也應該從生態復墾實踐出發，根據廢棄地土壤特征和生態復墾利用方式來定義。根據我國目前的礦區復墾治理現狀，礦區廢棄地主要是復墾為林地及草地，極少量適合于復墾為農地。因此，以林草地復墾為主的礦區廢棄地對土壤的質量要求不同于耕地土壤，其土壤質量既要能滿足林草植被最基本的生存需要，不存在阻礙植物存活的毒害或脅迫因子，也不存在阻礙植被持續演替造成其退化或死亡的潛在毒害或脅迫因子；同時，也要滿足林草植被最基本的健康生長發育需要，不存在影響植物正常生長發育的土壤基礎地力或肥力等生產力缺陷。

本研究提出礦區生態復墾地土壤質量的內涵應包括土壤生產力和環境質量兩個方面，其綜合評價體系應結合礦區廢棄地土壤特征和利用方式，充分考慮生態復墾的功能需要和主要限制因素。本研究認為，從生態復墾實踐出發，選擇土壤理化性質、產酸潛力、重金屬污染、微生物群落特征等4個具有一定主導性、實用性和相對獨立性的層次因素用于礦區土壤質量綜合評價，能夠有效地表征礦區土壤生產力和環境質量特征。同時，對具體評價指標的選擇和分級標準均是基于礦區生態復墾地土壤的特殊性和已有研究成果的分析。由pH、OM、AHN、AP、AK、CEC等6項土壤理化性質評價指標，NAG-pH、ANC兩項土壤酸化潛力評價指標，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn等8項土壤重金屬污染評價指標，MBC、微生物多樣性、產酸微生物占比等3項微生物群落特征評價指標所組成的含19項具體指標的綜合評價體系對各自層次的評價因素均具有一定代表性、敏感性和穩定性，分級標準閾值取值也具有一定的科學性、合理性，在多項生態復墾實踐中均具有較好的應用效果。因此，本研究針對礦區生態復墾地提出的土壤質量綜合評價指標體系能夠客觀反映礦區土壤質量水平，可以為金屬礦山廢棄地土壤改良修復和生態復墾提供可靠依據，且具有良好的操作性、實用性和指導性。

5 結論

影響礦山廢棄地生態復墾的首要限制因素是極差的土壤理化性質，其次是土壤產酸潛力帶來的復酸化風險，第三是嚴重的重金屬污染，第四是土壤健康微生物群落遭受破壞而造成的土壤生態功能損傷。以林草地復墾為主的礦區廢棄地土壤質量綜合評價體系的構建應基于生態復墾的主要限制因素和功能需要。礦區廢棄地土壤質量的內涵主要包括土壤生產力和環境質量兩個方面，綜合評價指標體系包括土壤理化性質、產酸潛力、重金屬污染、微生物群落特征等4個層次因素及篩選的19項具體評價指標。同時，結合礦區生態復墾地的土壤特點和已有研究成果，提出了各項評價指標的分級標準，按照很好、較好、中等、較差、很差等劃分為5個等級。生態復墾實踐表明，針對礦區廢棄地提出的土壤質量綜合評價指標體系能夠有效指導礦區土壤改良修復和生態復墾實踐工作。