1. 引言
陕西省是我国重要的矿产资源大省，是我国贵金属、有色金属、非金属矿产资源的主要开采区之一 [1]。矿山开采、选冶和冶炼过程中，矿石中的重金属元素会随废石尾沙、矿尘、废气进入矿区及周边土壤中，对矿区周围生态环境带来众多负面影响 [2] [3]。目前冶金部东桐峪金矿、潼关金矿及县黄金公司小口金矿等20多个国营和乡镇矿山正在生产，其选金尾矿堆存量较大 [4] [5] ，给矿山的正常生产和当地环境安全带来了严重威胁。
矿区基本农田土壤重金属污染尤为严重。重金属主要是指密度在5.0 g/cm3以上的金属元素 [6]。其中，砷、硒虽是非金属元素，但是它的毒性及化学性质与重金属相似，所以将砷、硒列入重金属污染物范围内 [7]。徐友宁等 [8] - [13] 在2005年至2011年先后开展了矿山地质环境治理研究，主要以潼关小秦岭金矿区为例，结合该区地质地貌等从宏观上对整个矿区进行了大量采样分析研究，得到Hg，Pb，Cd，Cu，Zn等重金属元素在矿区内的区域分布情况，同时研究了这5种重金属元素在农业生产型、大气降尘型、河水灌溉型、矿业污水灌溉型、尾矿渣淋溶型土壤剖面上0~60 cm深度范围内的迁移情况。
土壤是一种开放的自然系统，在与其他事物进行物质和能量的交换时，外源重金属会不可避免地进入其中 [14]。我国每年因重金属污染而减产粮食超过1.0 × 108 t，另外被重金属污染的粮食每年也多达1.2 × 108 t，造成的经济损失合计至少为2.0 × 1011元 [15] ，而且污染有逐年加重的趋势 [16] [17]。
本文从矿区农田利用情况出发，对不同土地利用类型和不同埋深的土壤重金属进行研究，旨在为矿区重金属治理后的农田恢复利用情况提供科学依据。
2. 研究内容
2.1. 研究区概况
潼关县地处陕西省关中平原东端，居秦、晋、豫三省交界处。气候属暖温带大陆性季风型干旱气候。南北差异大，光能资源较充足，热量和降水量偏少，时空分布不均。四季分明，冬夏长，春秋短。因过去对矿产资源的开发无序混乱，开采过程中监管不严，大量非法大、小规模的开采活动屡禁不止，开采后遗留的大量废弃物未经严格处理便随意堆放，占用土体，污染环境，当地许多居民的房前屋后都堆积了大大小小的尾矿渣堆。因缺少环境保护意识，当地居民对污染严重的土地并未停止耕种，土壤中的重金属等污染物经食物链进入人体，对当地的居民身体健康带来严重危害。
2.2. 试验材料
通过实地踏勘，根据当地农作物种类差异，在地质灾害治理项目一期基本农田治理区块，选取了5个采样区进行土样采集，如表1，分层采集0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm层位的新鲜土壤，并对其进行测试。
2.3. 测试方法
重金属Ni、Cu、Zn、Cd含量采用ICP-MS来测定采用ICP-MS测定 [18]。
2.4. 数据处理
采用Excel 2013软件计算平均值和标准偏差，数据分析采用SPSS 21.0软件，相关分析采用线性相关分析。
3. 结果与分析
表2、表3为土壤重金属的方差分析结果和风险值。
Table 2. Analysis of variance for heavy metals in the soil according to the land type and soil layer
表2. 类型和土层对土壤重金属镍、铜、锌和镉的方差分析
注：表中数据为P值。
Table 3. Heavy metal risk value of agricultural land
表3. 农用地土壤重金属风险值
注：风险值指在pH > 7.5时的非水田农用地土壤污染风险筛选值 [19]。
3.1. 矿区农田重金属镍的分布
如图1，矿区农用地的重金属镍含量范围在22.36 mg/kg到41.89 mg/kg之间，花椒地的土壤重金属镍含量随土层深度增加而下降，在0~20 cm土层分布较集中，其余各类型农用地的土壤重金属镍均在25~30 mg/kg范围内波动，变化较小。荒草地的土壤重金属镍含量最大值26.21 mg/kg出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属镍风险值低86.21%，无重金属镍污染风险；小麦地的土壤重金属镍含量最大值出现在0~20 cm土层，为29.12 mg/kg，较农用地土壤重金属镍风险值低84.67%，无重金属镍污染风险；油菜地的土壤重金属镍含量最大值32.79 mg/kg出现在40~60 cm土层，较农用地土壤重金属镍风险值低82.74%，无重金属镍污染风险；花椒地的重金属镍含量最大值为41.89 mg/kg，出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属镍风险值低77.95%，表明花椒地无重金属镍污染风险；石榴地的土壤重金属镍含量最大值26.14 mg/kg出现在40~60 cm土层，较农用地土壤重金属镍风险值低86.24%，无重金属镍污染风险；矿区农田无重金属镍污染的风险。方差分析表明，不同的农田利用类型对重金属镍的影响显著，而土层变化的影响不显著。
Figure 1. Distribution of heavy metal nickel in agricultural land of mining area
图1. 矿区农用地土壤重金属镍的分布
3.2. 矿区农田重金属铜的分布
如图2，矿区农用地的重金属铜的含量为14.81 mg/kg到82.87 mg/kg之间，主要分布在花椒地的0~40 cm土层，其余差异较小。除石榴地外，土壤重金属铜的含量基本呈现出随土层深度增加而减小的趋势。荒草地的土壤重金属铜含量最大值26.83 mg/kg出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属铜风险值低73.17%，无重金属铜污染风险；小麦地的土壤重金属铜含量最大值出现在0~20 cm土层，为27.63 mg/kg，较农用地土壤重金属铜风险值低72.37%，无重金属铜污染风险；油菜地的土壤重金属铜含量最大值23.27 mg/kg出现在40~60 cm土层，较农用地土壤重金属铜风险值低76.73%，无重金属铜污染风险；花椒地的重金属铜含量最大值为82.87 mg/kg，出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属铜风险值低17.13%，表明花椒地无重金属铜污染风险；石榴地的土壤重金属铜含量最大值23.85 mg/kg出现在20~40 cm土层，较农用地土壤重金属铜风险值低76.15%，无重金属铜污染风险；矿区农田无重金属铜污染的风险。由表1可知，土层和农用地类型变化对重金属铜的影响不显著。
Figure 2. Distribution of heavy metal copper in agricultural land in mining area
图2. 矿区农用地土壤重金属铜的分布
3.3. 矿区农田重金属锌的分布
如图3，矿区农用地的土壤重金属锌含量为40.25~98.22 mg/kg。不同类型农用地的重金属锌分布差异较大，其中荒草地、小麦地和花椒地的重金属锌集中分布在土壤上层，随土层深度增加而减小；油菜地和石榴地的重金属锌则主要分布在中层，随土层深度增加先升高后减小。荒草地的土壤重金属锌含量最大值70.82 mg/kg出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属锌风险值低76.39%，无重金属锌污染风险；小麦地的土壤重金属锌含量最大值出现在0~20 cm土层，为72.48 mg/kg，较农用地土壤重金属锌风险值低75.84%，无重金属锌污染风险；油菜地的土壤重金属锌含量最大值77.24 mg/kg出现在40~60 cm土层，较农用地土壤重金属锌风险值低74.25%，无重金属锌污染风险；花椒地的重金属锌含量最大值为98.22 mg/kg，出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属锌风险值低67.26%，表明花椒地无重金属锌污染风险；石榴地的土壤重金属锌含量最大值72.77 mg/kg出现在20~40 cm土层，较农用地土壤重金属锌风险值低75.74%，无重金属锌污染风险；矿区农田无重金属锌污染的风险。由方差分析可知，土层变化和农用地利用类型均对土壤重金属锌造成显著影响。
3.4. 矿区农田重金属镉的分布
由图4可以看出，矿区农用地的土壤重金属镉含量为0.08~0.56 mg/kg。土壤重金属镉主要分布在荒草地和小麦地的0~20 cm土层及花椒地的0~60 cm土层，其余含量较低。荒草地的土壤重金属镉含量最大值0.37 mg/kg出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属镉风险值低38.33%，无重金属镉污染风险；小麦地的土壤重金属镉含量最大值出现在0~20 cm土层，为0.38 mg/kg，较农用地土壤重金属镉风险值低36.67%，无重金属镉污染风险；油菜地的土壤重金属镉含量最大值0.13 mg/kg出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属镉风险值低78.33%，无重金属镉污染风险；花椒地的重金属镉含量最大值为0.56 mg/kg，出现在0~20 cm土层，较农用地土壤重金属镉风险值低6.67%，表明花椒地无重金属镉污染风险；石榴地的土壤重金属镉含量最大值0.11 mg/kg出现在20~40 cm土层，较农用地土壤重金属镉风险值低81.66%，无重金属镉污染风险；矿区农田无重金属镉污染的风险。由方差分析可知，土层变化和农用地利用类型均对土壤重金属镉造成显著影响。
Figure 3. Distribution of heavy metal zinc in agricultural land in mining area
图3. 矿区农用地土壤重金属锌的分布
Figure 4. Distribution of heavy metal cadmium in agricultural land of mining area
图4. 矿区农用地土壤重金属镉的分布
3.5. 矿区农田重金属之间的相关性
由表4，矿区农田重金属Ni、Cu、Zn、Cd各自与其他重金属之间的相关性均不显著。由3.1~3.4可知，各类型农田的不同重金属峰值基本位于同一土层，其之间的相关系数均为正值，所以矿区尾矿渣同时包含至少Ni、Cu、Zn、Cd四种重金属。
4. 讨论与结论
矿区农田中，不同土地利用类型对土壤中重金属锌、镉的含量具有显著影响；土层变化对土壤中重金属镍、锌、镉含量的影响显著。重金属锌、镉同时受土层深度和土地利用类型的影响；重金属铬、镍、砷受土地利用类型的影响较大。研究表明，农田利用类型的变化对重金属含量的影响较土层深度的变化较大，这可能与不同植物的根系吸附有关 [20] [21] [22]。
Table 4. Correlation coefficient between heavy metals in agricultural land of mining area
表4. 矿区农用地土壤重金属之间的相关系数
注：※表示P < 0.05；※※表示P < 0.01。
本研究中，花椒地的土壤重金属含量均较高，呈现出重金属含量随土层深度增加而减小的趋势。各类型农田的土壤重金属含量均未超出风险筛选值，无重金属污染的风险。
NOTES
*通讯作者。