卡房尾礦庫(kù)土壤重金屬化合物對(duì)微團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

彭沛宇，王衛(wèi)華

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500)

土壤團(tuán)聚體是土壤當(dāng)中土粒直徑<10 mm的結(jié)構(gòu)體，通常以直徑0.25 mm為界，將其分成微團(tuán)聚體與大團(tuán)聚體，土壤中粒徑≤0.25 mm的團(tuán)聚體為土壤微團(tuán)聚體，作為土壤結(jié)構(gòu)的顆粒單位，能夠有效反映出土壤的團(tuán)聚性，是良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。云南省地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜且礦產(chǎn)資源豐富，云南省個(gè)舊市是全國(guó)著名的“錫都”，因此個(gè)舊地區(qū)存在數(shù)量眾多的尾礦庫(kù)。人類的礦物開(kāi)采活動(dòng)從物理上改變了土壤微團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，而伴隨著生產(chǎn)排放物滲透入土壤的化學(xué)元素又使得土壤微團(tuán)聚體的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了一定變化。土壤微團(tuán)聚體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成特點(diǎn)對(duì)土壤物理和化學(xué)變化有重要的影響[3]。

土壤整體穩(wěn)定性與土壤微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。近年來(lái)，一些學(xué)者針對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素展開(kāi)了大量研究。陳曉東等[4]通過(guò)對(duì)原生鹽堿土進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)物料能夠顯著增加土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Guo等[5]發(fā)現(xiàn)秸稈還田在提高團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的同時(shí)，顯著提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。張世祺等[6]研究表明土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳含量關(guān)系密切，是影響團(tuán)聚體水穩(wěn)定性的重要因素。Wang等[7]在比較不同種類作物土壤后發(fā)現(xiàn)蔬菜土壤中有機(jī)碳含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間的相關(guān)性低于水稻土壤。綜合來(lái)看，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響最大，但目前對(duì)于有機(jī)質(zhì)以外的影響因素研究較為薄弱，尤其對(duì)于基本不含有機(jī)質(zhì)而富含重金屬的尾礦庫(kù)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以云南省個(gè)舊市卡房尾礦庫(kù)為例，通過(guò)檢測(cè)尾礦庫(kù)的土壤各項(xiàng)數(shù)據(jù)，分析土壤微團(tuán)聚體在垂向不同深度的穩(wěn)定性，同時(shí)探究尾礦庫(kù)土壤中的重金屬化合物與微團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為尾礦庫(kù)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定維護(hù)、解決尾礦庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)難題提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于云南省個(gè)舊市南部的卡房鎮(zhèn)，103°03′～103°24′E，23°07′～23°17′N，最高海拔為2 494 m，屬上半山區(qū)，地勢(shì)北高南低，年平均氣溫17.5℃，年降雨量1 600 mm。研究區(qū)域?yàn)樵棋a卡房分公司管理和使用的云南錫業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司卡房尾礦庫(kù)，下文簡(jiǎn)稱卡房尾礦庫(kù)。卡房尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)面積為91.3萬(wàn) m2，設(shè)計(jì)庫(kù)容為1 853萬(wàn) m3，目前共堆放約1 000萬(wàn)噸尾礦。

1.2 樣品采集及測(cè)量方法

測(cè)點(diǎn)均處庫(kù)區(qū)沉積淤泥區(qū)，環(huán)繞庫(kù)區(qū)均勻布設(shè)28個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用鉆井收集表層至地下15 m深的土柱。采樣點(diǎn)利用手持GPS 定位記錄經(jīng)緯度。將采樣土柱分別進(jìn)行標(biāo)記，用環(huán)刀取土柱從頂端往下2、5、8 m及15 m處的土層土壤樣品送往云南省分析測(cè)試中心。運(yùn)用濕篩法過(guò)濾粒徑>0.25 mm大團(tuán)聚體，然后使用吸管法測(cè)定水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的分布[8-9]。通過(guò)能譜儀測(cè)定重金屬化合物含量。

其他物理性質(zhì)測(cè)定：通過(guò)烘干法測(cè)定土壤含水率，土壤質(zhì)地和顆粒組成使用馬氏激光分析儀測(cè)定，土粒比重采用比重瓶法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析 以經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)，使用SPSS 25軟件對(duì)所測(cè)得樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理[10]，結(jié)果如表1所示。

使用GS+9.0軟件的Autocorrelation模塊對(duì)研究區(qū)域不同土層深度下重金屬化合物含量進(jìn)行半方差的擬合，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer 11軟件，結(jié)合Kriging插值法將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化計(jì)算，繪制出重金屬化合物含量空間分布圖；利用SPSS 25軟件對(duì)重金屬化合物含量與土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行方差分析 (ANOVA) 和回歸分析。

1.3.2 平均重量直徑 (MWD) 和幾何平均直徑(GMD) 平均重量直徑(MWD)計(jì)算公式[11]：

(1)

幾何平均直徑(GMD)計(jì)算公式[12]：

(2)

式(1)、(2)中，di是篩分出來(lái)的任意粒徑范圍內(nèi)微團(tuán)聚體的平均直徑(mm)；wi是任意粒徑范圍內(nèi)微團(tuán)聚體的質(zhì)量占土樣干重的百分比(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的評(píng)價(jià)指標(biāo)

土壤團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤的最基本的結(jié)構(gòu)單位，反映了土壤結(jié)構(gòu)狀況的好壞。非水穩(wěn)性團(tuán)聚體會(huì)在水中破碎分解為小粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，因而水穩(wěn)性團(tuán)聚體較非水穩(wěn)性團(tuán)聚體更能反映土壤結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

由表2可知，研究區(qū)域土壤中以≤0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體為主，在不同深度的土壤中，微團(tuán)聚體基本集中在0.25～0.01 mm粒級(jí)區(qū)間，>0.25 mm粒級(jí)的土壤大團(tuán)聚體僅占總體的3.26%。結(jié)合表2數(shù)據(jù)，研究區(qū)域土壤中的大團(tuán)聚體分布情況并未表現(xiàn)出任何的規(guī)律性，甚至在5～8 m土層深度中的土壤大團(tuán)聚體僅有0.44%，故本文選取對(duì)研究區(qū)域土壤整體狀況起到真正影響的水穩(wěn)性微團(tuán)聚體作為研究對(duì)象。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是用來(lái)描述土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性的常見(jiàn)指標(biāo)。一般而言，平均重量直徑(MWD)與幾何平均直徑(GMD)的取值越大，土壤平均粒徑的團(tuán)聚程度越高，抗侵蝕能力越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。從圖1中可以看出，深度在0～5 m土層的土壤的MWD和GMD值明顯高于5～15 m土層的土壤，并且5～8 m深度處土壤的MWD和GMD值遠(yuǎn)低于其他三層土壤。由此可見(jiàn)，研究區(qū)域土層深度0～5 m內(nèi)的土壤團(tuán)聚性最好，土壤抗侵蝕性最強(qiáng)，微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

2.2 土壤重金屬化合物含量統(tǒng)計(jì)值

本文采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式來(lái)描述土壤重金屬化合物含量的總體變化情況，通過(guò)Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)[P(K-S)>0.05]來(lái)檢驗(yàn)樣本的正態(tài)分布特征，土壤重金屬化合物含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表3。根據(jù)K-S檢驗(yàn)值可以看出土壤重金屬化合物含量在各土層深度均呈現(xiàn)正態(tài)分布。

樣本變異程度可分為強(qiáng)變異性、中等變異性與弱變異性。由表3可以看出，6種重金屬化合物整體變異程度強(qiáng)弱性為：CuO>As2O3>Cr2O3>NiO>ZnO>Co3O4，各種重金屬化合物含量在0～15 m土層內(nèi)變異系數(shù)值全部介于0.1與1.0之間，均呈現(xiàn)中等變異性。

表1 供試土樣基本理化性質(zhì)

表2 不同深度土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布/%

Notes: The different lowercase letters within same column indicate significant differences among treatments (P<0.05).

圖1 不同土層深度下的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)Fig.1 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of water-stablemicro-aggregate in soil at different depths

2.3 土壤重金屬化合物空間變異特征

采用 GS+9.0 對(duì)尾礦庫(kù)不同土層深度重金屬化合物含量進(jìn)行半方差分析，表4為分析擬合結(jié)果。各種重金屬化合物的半方差擬合類型以高斯 (Gaussian) 模型為主。尾礦庫(kù)土壤中重金屬化合物含量的塊金值(C0) 均很小，表明在試驗(yàn)測(cè)定中由各種隨機(jī)因素導(dǎo)致的空間變異程度很低。基臺(tái)值(C0+C) 反映了重金屬化合物在研究區(qū)域內(nèi)的空間總變異程度，除了土層深度0～2 m的Co3O4、Cr2O3的拱高基臺(tái)比0.25≤[C/(C0+C)]≤0.75，土層深度2～5 m的 ZnO和5～8 m的Co3O4、CuO、ZnO以及8～15 m的Cr2O3的拱高基臺(tái)比 [C/(C0+C)]<0.25，其余數(shù)據(jù)拱高基臺(tái)比均大于0.75，說(shuō)明尾礦庫(kù)土壤重金屬化合物在研究尺度上具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)。

表3 土壤重金屬化合物含量描述性統(tǒng)計(jì)分析

表4 土壤重金屬化合物半方差函數(shù)模型

2.4 土壤重金屬化合物在各土層的分布情況

根據(jù)各種重金屬化合物在尾礦庫(kù)土層不同深度處的含量分布變化規(guī)律，結(jié)合普通克里金法內(nèi)插取最優(yōu)值，通過(guò)Surfer 11.0軟件繪制出土壤重金屬化合物含量空間插值分布圖，并將其調(diào)整成為不同土壤深度下的垂向切片圖(圖2)。

由圖2可見(jiàn)，卡房尾礦庫(kù)土壤中各種重金屬化合物的空間分布總體上差異較大。As2O3與NiO在尾礦庫(kù)中隨土層深度的增加，含量逐漸降低；CuO與ZnO在尾礦庫(kù)中的變化趨勢(shì)為隨著土層深度增加，含量先在0～8 m深度中逐漸降低，后在8～15 m深度內(nèi)增加；Cr2O3與Co3O4在尾礦庫(kù)0～8 m深度中分布相對(duì)均勻，在8～15 m深度中含量增加。

2.5 土壤重金屬化合物含量對(duì)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體特征指標(biāo)貢獻(xiàn)水平分析

多元逐步回歸分析方法能夠獲取各個(gè)解釋變量對(duì)被解釋變量的影響程度，并在回歸方程出現(xiàn)異方差性，影響擬合效果，則會(huì)將此解釋變量剔除[13]。本文以As2O3(X1)、Co3O4(X2)、Cr2O3(X3)、CuO(X4)、NiO(X5)、ZnO(X6) 等6種重金屬化合物含量作為自變量，以MWD和GMD作為應(yīng)變量Y，采用多元逐步回歸分析進(jìn)行擬合。由表5計(jì)算結(jié)果可以看出，回歸方程的擬合效果較好，且經(jīng)過(guò)方程篩選后的變量表明，尾礦庫(kù)土壤中的 CuO與 ZnO含量是對(duì)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體特征指標(biāo)MWD與GMD產(chǎn)生影響的主要變量。

圖2 土壤重金屬化合物含量空間插值垂向切片圖Fig.2 Vertical slice map of heavy metal compounds in soil at different depths

表5 逐步回歸分析擬合結(jié)果

Notes: ** indicates a significant correlation at the 0.01 level (bilateral).

表6是回歸方程中的兩個(gè)自變量CuO(X4)與ZnO(X6)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可以解釋為當(dāng)自變量X變化1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，應(yīng)變量Y將會(huì)隨之變化相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差，因此本文采用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)來(lái)解釋重金屬化合物對(duì)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體特征指標(biāo)MWD與GMD的貢獻(xiàn)水平。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，尾礦庫(kù)0～8 m深度內(nèi)，在ZnO保持不變的前提下，當(dāng)CuO增加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，MWD和GMD增加約0.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差；在CuO保持不變的前提下，當(dāng)ZnO增加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，MWD和GMD增加約0.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，CuO含量對(duì)MWD和GMD的貢獻(xiàn)水平大約是ZnO含量的2倍。尾礦庫(kù)8～15m土層深度內(nèi)，CuO和ZnO含量對(duì)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體特征指標(biāo)MWD和GMD的貢獻(xiàn)水平基本持平。

表6 標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

3 討 論

卡房尾礦庫(kù)土壤中的重金屬化合物主要來(lái)自經(jīng)過(guò)采選之后的尾礦，在土壤中隨自然作用和人為影響遷移至尾礦庫(kù)各處位置，各種重金屬化合物對(duì)土壤的性質(zhì)產(chǎn)生了不同程度的影響。關(guān)于土壤重金屬對(duì)團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體的影響已有了一些研究，但是不同學(xué)者的研究結(jié)果各有不同。韓馥[14]發(fā)現(xiàn)部分重金屬元素在土壤微團(tuán)聚體中含量較高，微團(tuán)聚體在黏結(jié)形成大團(tuán)聚體后會(huì)增加重金屬的質(zhì)量荷載；黃斌[15]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)游離氧化鐵對(duì)土壤團(tuán)聚體中重金屬含量變化沒(méi)有重要作用，與許多研究觀點(diǎn)相反；侯彪[16]發(fā)現(xiàn)成都地區(qū)部分土壤重金屬與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；本研究發(fā)現(xiàn)，在卡房尾礦庫(kù)中土壤的 CuO和 ZnO含量皆對(duì)微團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)影響極為明顯，As2O3、Co3O4、Cr2O3、NiO對(duì)MWD和GMD的影響不明顯，表明土壤中重金屬化合物對(duì)土壤微團(tuán)聚體的影響十分復(fù)雜，在尾礦庫(kù)的特殊土壤環(huán)境下尤其如此。

在常規(guī)環(huán)境的土壤中，土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要受到有機(jī)質(zhì)含量的影響[17-18]。前人的大量試驗(yàn)表明有機(jī)質(zhì)在土壤微團(tuán)聚體中形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)還會(huì)影響重金屬的分布狀況[19-21]。由于土壤有機(jī)質(zhì)主要分布于微團(tuán)聚體中，并且粒徑越小越集中[22]，導(dǎo)致部分學(xué)者對(duì)大團(tuán)聚體的研究結(jié)果為重金屬含量與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于此種現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究證明重金屬元素對(duì)大團(tuán)聚體穩(wěn)定性、微團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有相反的影響作用[23-24]。在卡房尾礦庫(kù)的土壤中有機(jī)質(zhì)含量極低而重金屬含量較高，可以判斷卡房尾礦庫(kù)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成基本未受有機(jī)質(zhì)的作用，且尾礦庫(kù)土壤內(nèi)以微團(tuán)聚體為主，由此看出微團(tuán)聚體的形成主要受到土壤重金屬化合物的影響[25]。基于此原因，卡房尾礦庫(kù)土壤中 CuO和 ZnO含量與微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。而研究結(jié)果中As2O3、Co3O4、Cr2O3、NiO這4種重金屬化合物對(duì)土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響不顯著的原因，在查閱相關(guān)資料后，推測(cè)可能與這幾種重金屬陽(yáng)離子在土壤中離子交換敏感性較低有關(guān)，導(dǎo)致土壤正電荷性質(zhì)較弱，降低了其在土壤團(tuán)聚過(guò)程中的靜電吸附作用[26]。

4 結(jié) 論

1)卡房尾礦庫(kù)的土壤中以水穩(wěn)性微團(tuán)聚體為主，占總體的96.74%。土層深度0～5 m的微團(tuán)聚體團(tuán)聚程度最高，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

2)卡房尾礦庫(kù)土壤重金屬化合物含量屬于中等變異程度，在各土層深度中均服從正態(tài)分布。

3)通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析出卡房尾礦庫(kù)土壤重金屬化合物含量具有較強(qiáng)程度的空間自相關(guān)。

4)重金屬化合物含量在卡房尾礦庫(kù)的土壤中出現(xiàn)2種分布規(guī)律：As2O3與 NiO 的含量隨土層深度的增加而逐漸降低；CuO、ZnO、Co3O4與 Cr2O3的含量在0～8 m深度內(nèi)均勻分布或者逐層下降，在8～15 m深度內(nèi)含量上升。

5)影響卡房尾礦庫(kù)土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重金屬化合物為CuO和ZnO，CuO與ZnO在0～8 m深度內(nèi)呈現(xiàn)對(duì)微團(tuán)聚體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)水平為2∶1，在8～15 m深度內(nèi)呈現(xiàn)貢獻(xiàn)水平為1∶1。