云南錫礦尾礦庫土壤肥力特征與重金屬污染分析

張德剛 , 袁 寒 , 劉艷紅

(云南省高校農作物優質高效栽培與安全控制重點實驗室，紅河學院生命科學與技術學院，云南 蒙自 661100)

云南錫礦尾礦庫土壤肥力特征與重金屬污染分析

張德剛 , 袁 寒 , 劉艷紅*

(云南省高校農作物優質高效栽培與安全控制重點實驗室，紅河學院生命科學與技術學院，云南 蒙自 661100)

【目的】為研究云南個舊錫礦尾礦庫(大屯選廠尾礦庫、老廠尾礦庫和黃茅山尾礦庫)土壤基本肥力狀況和重金屬污染狀況。【方法】在調查取樣的基礎上，進行了土壤理化性狀與重金屬含量分析，并計算單項污染指數及綜合污染指數。【結果】個舊錫礦尾礦庫土壤有機質缺乏，土壤堿解氮和速效鉀含量甚缺乏，土壤速效磷含量豐富，土壤陽離子交換量水平中等；土壤重金屬鉛全量為557.14～5 479.58 mg/kg，鎘全量為15.84～17.77 mg/kg，鉻全量為20.91～65.72 mg/kg，銅全量為1 536.48～2 561.18 mg/kg，鋅全量為2 359.18～10 163.39 mg/kg；依據國家環境質量二級標準，單項污染指數表明，各尾礦庫土壤中重金屬Pb、Cd、Cu、Zn污染嚴重(Cr除外)，污染程度排序為Cd >Cu >Zn >Pb。綜合污染指數表明，尾礦庫土壤重金屬污染均為重度污染(大屯選廠 >老廠 >黃茅山)。【結論】該研究結果可以為錫礦尾礦庫植被恢復與生態重建提供依據。

錫礦；尾礦庫；土壤肥力；土壤重金屬污染；單項污染指數；綜合污染指數

【研究意義】多金屬礦區金屬礦產資源共生伴生元素多，礦山生產過程中產生大量尾礦排入尾礦庫，尾礦中重金屬污染基本上是通過尾礦庫向環境緩慢釋放，對其周圍生態系統造成了巨大影響。因此，有色金屬礦山尾礦庫中重金屬對周圍環境的影響，日益為許多學者所關注[1-7]。云南個舊是一個超大型錫銅多金屬礦區，探明的資源有錫、銅、鉛、鋅、鎢、鉬、鐵、金、銀、砷、硫等20余種。砂錫礦中多共和伴生鉛、銅、砷等多種元素，由于選礦回收有限，大量重金屬進入尾礦中，對生態環境造成了較大的壓力。該區共有31座尾礦庫，積存尾礦約1.9億t 以上[8]。近年來，世界各地廣泛開展了礦區生態恢復的研究工作。礦區生態恢復的主要工作是植被恢復與重建，而尾礦庫土壤診斷是植被恢復與重建的最基礎步驟。因此，了解尾礦庫土壤肥力特征具有重要意義。【前人研究進展】目前，關于礦業廢棄地土壤肥力的研究已有報道，孫慶業等對凡口鉛鋅尾礦廢棄地的土壤理化性質進行了調查，雷冬梅等[9-12]對云南蘭坪鉛鋅礦、開遠煤礦、個舊錫礦廢棄地土壤的營養元素(N、P、K、有機質)含量進行了分析。【本研究的切入點】研究結果均表明，礦業廢棄地土壤肥力水平較低，有機質、總氮、有效磷及速效鉀等營養物質缺乏。有資料表明，不同礦區廢棄地土壤的重金屬污染程度，污染物類型，貧瘠狀況有很大的區別[9]。【擬解決的關鍵問題】目前關于錫礦尾礦庫土壤肥力的研究還鮮見報道，因此，本文以典型錫多金屬礦山尾礦庫(大屯選廠尾礦庫、老廠尾礦庫和黃茅山尾礦庫)為研究對象，對尾礦庫土壤肥力特征及重金屬污染狀況進行分析，以期為尾礦庫土壤肥力的研究和錫礦尾礦庫植被恢復與生態重建提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選取個舊錫多金屬礦區3個典型尾礦庫(個舊大屯選廠尾礦庫、老廠尾礦庫和黃茅山尾礦庫)進行樣品采集，這些尾礦庫均為錫多金屬礦山生產過程中經過多年大量礦業廢水、尾礦排入而形成。在每個尾礦庫內采用多點混合方法采集0～20 cm土層混合成土樣，個舊大屯選廠尾礦庫采集4個混合樣品，老廠尾礦庫和黃茅山尾礦庫分別采集到3個混合樣品。裝入已寫好標簽的塑料袋內，帶回實驗室進行處理。放在陰涼通風處風干，風干后磨細過篩，裝入瓶內，用于分析土壤基本理化性狀及土壤重金屬含量。

1.2 測定項目與方法

土壤樣品重金屬、基本理化性狀參照文獻[13-14]的方法進行分析。土壤樣品用王水—高氯酸法消化，消化液過濾定容后用原子吸收光譜儀(Varian SpectrAA220FS)測定樣品中重金屬含量。分析所用試劑為優級純，各種元素的標準系列工作溶液由國家標準物質研究中心購買的標準儲備液(1000μg/ mL) 按各元素的測定范圍配制。

1.3 數據分析方法

數據處理和分析采用Excel和 SPSS statistics 17.0進行方差分析、多重比較。

2 結果與分析

2.1 尾礦庫土壤理化特性

錫礦區尾礦庫表層土壤(0～20 cm)基本理化狀況及土壤肥力分級指標[1]。由表1可知，尾礦庫土壤有機質總量在7.10～16.24 g/kg，平均為11.23 g/kg，土壤有機質缺乏。土壤堿解氮含量為9.14～22.50 mg/kg，平均值為14.48 mg/kg，甚缺乏。土壤速效磷含量為4.91～17.08 mg/kg，平均值為11.42 mg/kg，為豐富。土壤速效鉀含量是8.29～51.3 mg/kg，平均值為26.74 mg/kg，甚缺乏；土壤陽離子交換量為12.38～16.67 cmol(+)/kg，平均值15.01 cmol(+)/kg，屬中等。土壤pH值為6.12～8.34，平均值7.05，未出現酸化現象。從不同尾礦庫來看，土壤基本肥力并未表現出一致的差異性。這可能與各選廠的礦產來源不同有關。

表1 尾礦庫表層土壤基本肥力情況

注：表中數值表示為平均值±標準差。同列小寫字母不同表示在0.05水平下差異顯著，下同。

Notes: Values in table meant + / - standard deviation. Different lowercase letters within the same column meant significant difference at 0.05 levels. The same as below.

表2 尾礦庫土壤重金屬含量及污染評價

2.2 尾礦庫土壤重金屬含量及污染評價

由表2可以看出，尾礦庫土壤Pb含量為557.14～5479.58 mg/kg，平均值是3755.01 mg/kg，老廠尾礦庫和黃茅山尾礦庫顯著高于大屯選廠尾礦庫；Cd含量為15.84～17.77 mg/kg，平均值為17.07 mg/kg，3個尾礦庫之間差異不顯著；Cr含量為20.91～65.72 mg/kg，平均值為41.96 mg/kg，3個尾礦庫之間差異不顯著；Cu含量為1536.48～2 561.18 mg/kg，平均值為2164.18 mg/kg，3個尾礦庫之間差異不顯著；Zn含量為2359.18～10 163.39 mg/kg，平均值是5021.19 mg/kg，老廠尾礦庫顯著高于黃茅山尾礦庫和大屯選廠尾礦庫。

表2還可以看出，就單項污染指數而言，3個尾礦庫中土壤重金屬除Cr外，其它4類重金屬污染嚴重，污染程度為 Cd >Cu >Zn > Pb。土壤重金屬污染的這種狀況可能與個舊錫多金屬礦區礦產本身化學性質有關。不同尾礦庫土壤重金屬污染程度及主要的重金屬污染元素存在差異。從綜合污染指數來看，3個尾礦庫均為重度污染，綜合污染程度為大屯選廠尾礦庫>老廠尾礦庫>黃茅山尾礦庫。

3 討 論

研究結果表明, 云南錫礦尾礦庫土壤有機質平均為11.23 g/kg，堿解氮含量平均值為14.48 mg/kg，土壤速效鉀平均值為26.74 mg/kg，土壤肥力水平較低。土壤重金屬平均含量Pb為3755.01mg/kg，Cd為17.07 mg/kg，Cr為41.96 mg/kg，Cu為2 164.18 mg/kg，Zn平均為5021.19 mg/kg，重金屬重度污染。本研究與劉旭輝等研究長坡尾礦庫土壤有機質含量較低(3.21g/kg)、土壤肥力狀況較差，雷冬梅等研究云南礦區廢棄地土壤肥力(全N、有效P、速效K，有機質等土壤肥力指標等級大都為Ⅲ或Ⅱ級)，孫慶業等[16]研究凡口鉛鋅尾礦土壤肥力結果相似。廢棄地土壤中重金屬的積累可能是導致礦區廢棄地土壤肥力較低的因素之一。重金屬在土壤中的積累導致土壤性質發生變化，從而影響到土壤肥力指標[17]。有研究表明，土壤中N的礦化與重金屬的含量呈顯著負相關[18-19]，重金屬進入土壤后，會與土壤組分發生一系列物理和化學反應，從而影響到土壤對P的保持能力[20-21]，重金屬在土壤中的積累達到一定量后，將占據土壤膠體的吸附位，影響K在土壤中的吸附、解吸和形態的分配。而本研究中土壤速效磷含量豐富的原因可能與這些地方的礦石母質有關。土壤肥力較低的另一個因素可能是，尾礦庫土壤微生物及酶活性受高濃度的重金屬污染所抑制，從而導致土壤肥力下降。有研究表明，礦區土壤微生物量及酶活性的降低，一定程度上也會削弱礦區土壤中C、N營養元素的周轉速率和能量循環。

4 結 論

(1)云南錫礦尾礦庫土壤有機質缺乏；土壤堿解氮、速效鉀含量甚缺乏；土壤速效磷為豐富；土壤陽離子交換量屬中等水平。土壤肥力水平較低。

(2)云南錫礦尾礦庫土壤Pb含量為557.14～5 479.58 mg/kg；Cd含量為15.84～17.77 mg/kg；Cr含量為20.91～65.72 mg/kg；Cu含量為1536.48～2561.18 mg/kg；Zn含量為2359.18～10 163.39 mg/kg。

(3)云南錫礦3個尾礦庫樣地5種重金屬元素表現出程度不同的污染。單項污染指數表明除Cr外其它元素污染嚴重，污染程度為 Cd >Cu >Zn>Pb。不同尾礦庫土壤重金屬污染程度及主要的重金屬污染元素存在差異。從綜合污染指數來看，3個尾礦庫均為重度污染，綜合污染程度為大屯選廠尾礦庫>老廠尾礦庫>黃茅山尾礦庫。

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AnalysisofSoilHeavyMetalPollutionandFertilityPropertiesinTinTailingsStorehouseofYunnanProvince

ZHANG De-gang, YUAN Han, LIU Yan-hong*

(Key Laboratory of Higher Quality and Efficient Cultivation and Security Control of Crops for Yunnan Province, College of Life Science and Technology, Honghe University, Yunnan Mengzi 661100, China)

【Objective】The basic soil fertility and heavy metal pollution were analyzed in tailings pond of three tin ore (Datun, Laochang, Huanmao Mountain) in Yunnan province, Gejiu city.【Method】Based on mixed soil sampling method, the soil physical and chemical properties and heavy metal content were determined, and the single factor pollution index and integrated pollution index of soil were also calculated.【Result】The soil of tailings pond had lacking organic matter, very scarce hydrolysable N and available K, abundant available P, medium level of the soil cation exchange capacity. And lead total content was 557.14-5479.58 mg/kg, cadmium total content was 15.84-17.77 mg/kg, the full amount of chromium was from 20.91 to 65.72 mg/kg, copper total content was 1536.48-2561.18 mg/kg, and zinc total content was 2359.18-10 163.39 mg/kg. According to the national environmental quality secondary standards for pollution assessment, the single factor pollution index showed that the soil in tailings pond were seriously polluted by four kinds of heavy metals which pollution degree of sorting for Cd >Cu >Zn >Pb. The integrated pollution index showed that all three tailings ponds had high level of soil heavy metal pollution. For the pollution level of each tailings pond，DaTun was the worst，and followed by LaoChang, and Huanmao Mountain in turn．【Conclusion】This research could provide a scientific basis for tin tailings vegetation restoration and ecological reconstruction.

Tin ore; Tailings pond; Soil fertility; Heavy metal pollution of soil; Single factor pollution index; Integrated pollution index

1001-4829(2017)5-1158-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.030

2015-05-25

云南省科技廳應用基礎研究項目(2011FB091)；云南省教育廳重點科研基金(2009Z0093,2010y166)

張德剛(1977-)，男，云南石屏人，碩士，主要從事農業資源與環境保護方面的研究，E-mail:zhangdg2000@163.com， *為通訊作者,劉艷紅, E-mail:kidliu1968@126.com。

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(責任編輯 王家銀)