草原礦區(qū)土壤環(huán)境損害基線評(píng)估判定的應(yīng)用研究

　　摘要：草原生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估鑒定中，土壤基線是重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如何確定土壤基線，尋找適宜的基線判定方法，進(jìn)而判定草原土壤的受損害程度，已成為草原生態(tài)系統(tǒng)損害評(píng)估鑒定、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及修復(fù)工作中的關(guān)鍵。基于科學(xué)、務(wù)實(shí)、準(zhǔn)確的原則，對(duì)內(nèi)蒙古2個(gè)草原礦區(qū)土壤的TOM、N、P、K含量進(jìn)行采樣分析，采用歷史數(shù)據(jù)法、參考點(diǎn)位法和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法來(lái)判定土壤基線。結(jié)果表明，勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分均值與參考點(diǎn)位法基線值差異較小，采礦對(duì)勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量未見(jiàn)直接的影響。寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM含量均值明顯低于3種方法得出的基線值，N、K均值與參考點(diǎn)位法基線值相似，P均值位于3種基線值之間�？梢�(jiàn)采礦對(duì)寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM的含量造成了直接影響，對(duì)N、P、K含量未見(jiàn)直接的影響。最適宜該地區(qū)的方法取決于樣本質(zhì)量和評(píng)估尺度，建議以參考點(diǎn)位法為主，歷史數(shù)據(jù)法和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法作為驗(yàn)證工具，3種方法共同使用。

　　關(guān)鍵詞：草原土壤質(zhì)量;土壤基線;判定方法;生態(tài)損害;生態(tài)評(píng)價(jià)

　　黨的十九大報(bào)告指出，統(tǒng)籌“山水林田湖草”系統(tǒng)治理，實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度[1]。內(nèi)蒙古大草原是我國(guó)重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有水土保持、固沙固碳、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、促進(jìn)物質(zhì)能量循環(huán)等多種生態(tài)功能[2⁃3]，不僅是眾多動(dòng)植物的棲息地，更是我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障[4]。

　　近年來(lái)隨著過(guò)度放牧、私開(kāi)濫墾、礦山開(kāi)采、城鎮(zhèn)化擴(kuò)展等人為干擾的不斷增加，水土流失、草原荒漠化、生物量減少等生態(tài)問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮[5⁃7]，如何評(píng)價(jià)草原生態(tài)系統(tǒng)的受損程度已成為草原保護(hù)管理和可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。生態(tài)環(huán)境損害是指因生態(tài)破壞、環(huán)境污染造成大氣、地表水、地下水、土壤等環(huán)境要素和植物、動(dòng)物、微生物等生物要素的不利改變，及上述要素構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)功能退化的行為[8]。

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾與日俱增，生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估的案件越來(lái)越多。2016年《生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估技術(shù)指南總綱》及2017年《生態(tài)環(huán)境損害賠償制度改革方案》的頒布，明確了生態(tài)環(huán)境損害的賠償范圍、責(zé)任主體、索賠主體和損害賠償解決途徑等[9⁃10]，標(biāo)志著我國(guó)已逐步建立比較完善的生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估鑒定、修復(fù)和賠償制度�；�線通常用于描述在生態(tài)破壞行為發(fā)生前，沒(méi)有人為干擾或不利改變情況下的狀態(tài)[11]。基線值可以是一組數(shù)值或一個(gè)區(qū)間值，是反映一個(gè)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的綜合性指標(biāo)集，可用于判定人為干擾的程度[12]。

　　土壤損害基線是判斷生態(tài)環(huán)境損害發(fā)生的依據(jù)，也是確認(rèn)生態(tài)環(huán)境損害的時(shí)空尺度、損害程度、確認(rèn)生態(tài)環(huán)境損害修復(fù)的重要標(biāo)準(zhǔn)[13]。土壤基線目前在國(guó)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估鑒定研究中已得到開(kāi)展和應(yīng)用，如吉林省撫松縣落葉闊葉混交林土壤養(yǎng)分基線的判定[14]，內(nèi)蒙古錫林浩特市勝利礦區(qū)土壤重金屬含量基線的研究[15]，新疆伊犁河流域土壤重金屬基線的研究及污染評(píng)價(jià)[16]，長(zhǎng)沙市喬口鎮(zhèn)土壤重金屬基線值的厘定應(yīng)用等[17]。

　　土壤基線因研究目標(biāo)及研究區(qū)域的不同存在很大的差異，目前國(guó)際上尚未存在通用的判定方法，常見(jiàn)的方法包括歷史數(shù)據(jù)法、參考點(diǎn)位法、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法、統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法、模型預(yù)測(cè)法和專家判別法等，各方法都有優(yōu)缺點(diǎn)和使用的局限性，實(shí)際研究應(yīng)用中只能根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域的具體情況選擇最適合的方法[18]。內(nèi)蒙古草原礦區(qū)的土壤基線因相關(guān)研究較少，目前尚未存在統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如何判定土壤環(huán)境的基線在草原生態(tài)損害評(píng)估鑒定中顯得十分重要。土壤養(yǎng)分由于受人為干擾的高敏感性，可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和草原生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)[19⁃21]。

　　本研究以內(nèi)蒙古2個(gè)典型的草原礦區(qū)為研究對(duì)象，采用歷史數(shù)據(jù)法、參考點(diǎn)位法和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法來(lái)計(jì)算土壤養(yǎng)分基線。本研究的目的是：1)用3種方法來(lái)判定草原土壤基線，檢驗(yàn)不同方法所得結(jié)果的差異;2)根據(jù)所得的基線值，分析采礦對(duì)周邊草原土壤養(yǎng)分的影響;3)確定適合草原土壤基線判定的方法，并分析不同方法的適用范圍。以期更好的為草原生態(tài)系統(tǒng)損害的評(píng)估鑒定、生態(tài)保護(hù)和污染防治提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況及采樣調(diào)查

　　本研究以內(nèi)蒙古草原礦區(qū)為例，選擇了位于典型草原的錫林郭勒盟勝利露天礦區(qū)、以及位于草甸草原的呼倫貝爾市寶日希勒露天礦區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)草原礦區(qū)的土壤養(yǎng)分基線進(jìn)行判定及分析。

　　1.1.1錫林郭勒盟勝利礦區(qū)

　　勝利礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟(以下簡(jiǎn)稱“錫盟”)，地處東經(jīng)115°13′—117°06′，北緯43°02′—44°52′，該地區(qū)氣候高寒干旱，無(wú)霜期短，具有寒冷、風(fēng)大、雨少、日照長(zhǎng)、溫差大、蒸發(fā)力強(qiáng)的特點(diǎn)。平均氣溫為0—3℃，年平均風(fēng)速為4—5m/s，年均降水量為295mm[22]。區(qū)域內(nèi)以典型草原為主，土壤以風(fēng)沙土、栗鈣土、黑鈣土為主，偏堿性，全盟土壤總的養(yǎng)分狀況是缺磷、氮中等、鉀中等、有機(jī)質(zhì)中等偏高的水平[23]。

　　錫盟煤炭資源豐富，已探明儲(chǔ)量1448億t，褐煤總儲(chǔ)量在全國(guó)居第一位。錫盟煤電基地是國(guó)家“十二五”規(guī)劃中大力發(fā)展的7個(gè)以電力外送為主的千萬(wàn)千瓦級(jí)清潔高效大型煤電基地之一[24]。勝利礦區(qū)西一號(hào)露天礦于2004年開(kāi)始投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，目前生產(chǎn)能力約為2000萬(wàn)t/a。在勝利礦區(qū)西一號(hào)露天礦的南、西和北3個(gè)方向進(jìn)行樣本調(diào)查，采場(chǎng)東側(cè)為內(nèi)排土場(chǎng)未設(shè)置樣點(diǎn)。

　　根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際情況，在礦區(qū)西向(開(kāi)采推進(jìn)方向)距采場(chǎng)外圍邊界0、0.25、0.7、1.5km處各設(shè)置1個(gè)調(diào)查樣地，在南側(cè)邊界0km、西南邊界0、0.5、3km處各設(shè)置1個(gè)調(diào)查樣地，在北排土場(chǎng)北側(cè)0.7、3km、沿幫排土場(chǎng)北側(cè)0.5、3.5km、沿幫與北排土場(chǎng)之間距采場(chǎng)1.5、3km處各設(shè)置1個(gè)調(diào)查樣地。同時(shí)在礦區(qū)南15km處未受采礦干擾的草原對(duì)照區(qū)設(shè)置1個(gè)調(diào)查樣地。

　　在每個(gè)5m×5m調(diào)查樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1m×1m樣方，每個(gè)樣方用直徑5cm土鉆按梅花法采集0—20cm混合土樣�；旌虾笱b入自密封塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。采用半微量凱氏法(SemimicroKjeldahlmethod)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductivelycoupledplasmamassspectrometry)測(cè)定土壤中TOM、N、P、K的含量[25]。

　　1.1.2呼倫貝爾市寶日希勒礦區(qū)

　　寶日希勒礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°31′—126°04′，北緯47°05′—53°20′。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季溫涼短促，春秋風(fēng)多而干燥。年平均氣溫⁃1℃，年平均降水量398mm[26]。區(qū)域內(nèi)以草甸草原為主，其他草類包括森林草原和沙地草原。土壤類型以黑鈣土為主，其他包括栗鈣土和暗栗鈣土等[27]。該地區(qū)自然資源豐富，已探明煤炭?jī)?chǔ)量580億t。寶日希勒露天礦于2001年開(kāi)始投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，目前生產(chǎn)能力約為3000萬(wàn)t/a。在呼倫貝爾草原寶日希勒礦區(qū)周圍共采集了112個(gè)土壤樣點(diǎn)。

　　在礦區(qū)的東、東北、北、西北、西和南方向共設(shè)置了7條采樣帶，每條樣帶至少15個(gè)采樣點(diǎn)，樣點(diǎn)之間的距離為400m至1000m，采樣區(qū)包括草原的原狀區(qū)和復(fù)墾區(qū)，盡可能避開(kāi)牧區(qū)、河流、道路和人為設(shè)施，但有個(gè)別樣點(diǎn)位于農(nóng)業(yè)區(qū)(小麥種植)旁側(cè)。同時(shí)在礦區(qū)南10km處未受采礦干擾的草原對(duì)照區(qū)設(shè)置1個(gè)調(diào)查樣地。每個(gè)土壤樣地為1m×1m方格，采用五點(diǎn)法取0—20cm層土樣500g，混合后裝入自密封塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。采用半微量凱氏法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定土壤中TOM、N、P、K的含量。

　　1.2研究方法

　　草原生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估鑒定工作包括評(píng)估準(zhǔn)備、損害確認(rèn)調(diào)查、因果關(guān)系和機(jī)理分析、生態(tài)環(huán)境損害量化評(píng)估和損害賠償及修復(fù)共6個(gè)方面。土壤基線的判定在草原生態(tài)環(huán)境損害評(píng)價(jià)中至關(guān)重要，是草原生態(tài)損害量化的前提[28]。通過(guò)確定損害區(qū)域的土壤基線，再與當(dāng)下生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行比較，通過(guò)兩者的差異來(lái)判定損害程度，繼而為后續(xù)的生態(tài)損害量化評(píng)估和責(zé)任判定提供依據(jù)[29]。

　　本研究采用歷史數(shù)據(jù)法、參考點(diǎn)位法、統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法共3種方法判定礦區(qū)周邊草原土壤養(yǎng)分基線，包括土壤中TOM、N、P、K的含量，研究采礦對(duì)周邊草原土壤養(yǎng)分的影響程度，并分析3種基線判定方法的科學(xué)性與適用性。

　　歷史數(shù)據(jù)法選用中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中錫盟、呼倫貝爾市1998⁃2010年的土壤養(yǎng)分平均值作為基線值[30]。參考點(diǎn)位法選用未受采礦干擾對(duì)照區(qū)的樣本平均值作為基線值。統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法包括群體分布法和三分位法。群體分布法(PopulationDistributionMethod)由美國(guó)環(huán)保署(U.S.EPA)提出，用于研究人類干擾較強(qiáng)地區(qū)基線的方法[31]。該方法以評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)全部有效樣點(diǎn)(去除已知損害嚴(yán)重的樣點(diǎn))為樣本集，選擇每個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)頻數(shù)分布的后25%作為該地區(qū)的基線值[32]。

　　本研究將采集的土壤樣本各養(yǎng)分指標(biāo)值按從大到小順序排列，預(yù)設(shè)含量高為土壤質(zhì)量良好，排除約10%受損樣本，選擇每個(gè)指標(biāo)值最高四分位的數(shù)值作為基線值。三分位法(TrisectionMethod)也是由美國(guó)環(huán)保署提出，用于研究受人類干擾程度較小地區(qū)基線的方法[33]。該方法使用全部樣本數(shù)據(jù)，將各指標(biāo)值按從大到小順序排列，選擇指標(biāo)數(shù)值最大的前三分之一的中位數(shù)作為基線值[34]。

　　2草原礦區(qū)土壤損害基線的判定與討論

　　2.1土壤基線的判定結(jié)果與分析

　　首先通過(guò)群體分布法、三分位法計(jì)算得出勝利礦區(qū)、寶日希勒礦區(qū)的土壤養(yǎng)分基線值，再將兩種方法所得的數(shù)值取平均值，作為統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法得出的基線值。

　　勝利礦區(qū)的TOM、P、K樣本均值與3種方法所得的基線值都較為相似，N的樣本均值與參考點(diǎn)位法基線值較為相似，但低于統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法基線值、明顯低于歷史數(shù)據(jù)法基線值�？梢�(jiàn)勝利礦區(qū)總體土壤養(yǎng)分與參考點(diǎn)位法中未受采礦干擾的草原對(duì)照區(qū)差異相對(duì)較小，但土壤的平均N含量與歷史數(shù)據(jù)值的差異較大，說(shuō)明目前的礦區(qū)草原及對(duì)照區(qū)草原的土壤環(huán)境已與歷史狀態(tài)發(fā)生了變化，如自然演變等原因，導(dǎo)致了土壤中N含量的下降。對(duì)勝利礦區(qū)樣本與對(duì)照區(qū)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TOM、N、P差異都不具有顯著性(P>0.05)，但K差異具有顯著性(P<0.05)，說(shuō)明礦區(qū)周邊土壤中K的含量受到了采礦的干擾，但K平均含量與3種方法所得的基線值相比，尚未有明顯下降。

　　可見(jiàn)采礦對(duì)勝利礦區(qū)土壤中TOM、N、P、K養(yǎng)分含量未見(jiàn)明顯的影響。寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM平均含量明顯低于3種方法得出的基線值，土壤中N、K平均含量雖然低于歷史數(shù)據(jù)法基線值和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法基線值，但與參考點(diǎn)位法中未受采礦干擾的草原對(duì)照區(qū)差異較小。P平均含量位于3種方法所得基線值之間。

　　對(duì)寶日希勒礦區(qū)樣本與對(duì)照區(qū)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TOM和P的差異顯著性非常顯著(P<0.01)，N和K差異都不具有顯著性(P>0.05)，說(shuō)明礦區(qū)周邊土壤中TOM和P的含量受到了采礦的干擾。P平均含量高于對(duì)照區(qū)，但低于歷史數(shù)據(jù)法和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法所得的基線值�？梢�(jiàn)采礦對(duì)寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM的含量造成了明顯的下降，對(duì)土壤中N、P、K含量未見(jiàn)明顯的影響。

　　2.23種基線判定方法的差異與適用性討論

　　3種判定方法均可用于確定草原土壤基線，但結(jié)果之間存在差異，3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。歷史數(shù)據(jù)法反映了研究區(qū)草原的歷史真實(shí)狀態(tài)，可作為生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估鑒定的重要標(biāo)準(zhǔn)[18]，但缺乏對(duì)自然演變等因素的考慮，僅可作為評(píng)判參考，不建議單獨(dú)使用。統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法所采用的群體分布法和三分位法由于對(duì)數(shù)據(jù)的篩選、計(jì)算方式的不同，導(dǎo)致結(jié)果不同。本研究中，由于樣點(diǎn)選取的隨機(jī)性以及土壤空間異質(zhì)性，個(gè)別樣點(diǎn)的某些指標(biāo)異常，如寶日希勒礦區(qū)分布在西南方向農(nóng)田區(qū)域的部分樣點(diǎn)，由于受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)干擾，養(yǎng)分含量極高，群體分布法排除了這些異常樣本(占樣本總量的10%)。

　　而三分位法作為群體分布法的補(bǔ)充方法[31]，其判定標(biāo)準(zhǔn)比群體分布法更為嚴(yán)格，保留所有樣本數(shù)據(jù)，不做任何排除，所以三分位法所得的基線值高于群體分布法。勝利礦區(qū)由于不存在采礦外的其他人為干擾，異常樣本較少，所以群體分布法和三分位法的結(jié)果差異不大。綜上而述，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，對(duì)數(shù)據(jù)的利用度高，適合在人為干擾程度較低的草原區(qū)使用。

　　環(huán)境論文投稿刊物：《農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1984年，是由農(nóng)業(yè)部主管，農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所、中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦的科技期刊。主要報(bào)道交流農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)業(yè)環(huán)境等領(lǐng)域新理論新技術(shù)新方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)科發(fā)展提供理論技術(shù)支持。

　　3結(jié)論

　　本研究以內(nèi)蒙古錫盟勝利礦區(qū)、呼倫貝爾市寶日希勒礦區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)礦區(qū)土壤中TOM、N、P、K含量進(jìn)行采樣分析和基線判定。結(jié)果表明，勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分值與參考點(diǎn)位法基線值差異較小，采礦對(duì)勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量未見(jiàn)直接的影響。寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM含量明顯低于3種方法得出的基線值，N、K含量與參考點(diǎn)位法基線值相似，P均值位于3種基線值之間�？梢�(jiàn)采礦對(duì)寶日希勒礦區(qū)土壤中TOM的含量造成了明顯下降，對(duì)N、P、K含量未見(jiàn)明顯的影響。對(duì)于草原礦區(qū)的土壤基線判定，建議優(yōu)先采用參考點(diǎn)位法，同時(shí)將歷史數(shù)據(jù)法和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位法用于檢驗(yàn)對(duì)比。

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　　作者：張軼群1，2，吳迪3，李嘉珣4，付曉1，∗，吳鋼1，

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