尾礦庫(kù)土壤綜合性質(zhì)與沙棘生長(zhǎng)狀況相關(guān)性分析

郝 喆，陳 娜，張 穎，張 亮，肖圣博

(遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

0 引言

尾礦庫(kù)是指由山谷口、河道或洼地周圍筑壩構(gòu)成的，用以堆存和沉淀金屬和非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后的尾礦或其他工業(yè)廢渣的貯存場(chǎng)所[1].尾礦庫(kù)在礦山開采生產(chǎn)過(guò)程中是一個(gè)非常重要的設(shè)施，但也是一個(gè)巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源和危險(xiǎn)源，它所帶來(lái)的環(huán)境、安全問(wèn)題需要得到社會(huì)的關(guān)注.由于礦產(chǎn)資源過(guò)度開采，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境極其脆弱，因此，開展尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)是必然之路[2，3].尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)后的土壤綜合質(zhì)量主要體現(xiàn)在土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和土壤重金屬含量，這些指標(biāo)和修復(fù)植物生長(zhǎng)狀況之間存在著密切的相關(guān)性[4，5].本文主要根據(jù)尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)因子的檢測(cè)結(jié)果，針對(duì)尾礦庫(kù)土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和土壤重金屬污染與沙棘生長(zhǎng)狀況進(jìn)行相關(guān)性分析和權(quán)重分析，旨為尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)研究提供理論依據(jù).

1 現(xiàn)場(chǎng)采樣

1.1 現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)介

歪頭山尾礦庫(kù)始建于1970年，正式投產(chǎn)使用于1972年，該尾礦庫(kù)屬省管二等山谷型尾礦庫(kù).現(xiàn)占地面積1.62 km2，匯水面積1.56 km2，水域面積15萬(wàn)m2，調(diào)洪庫(kù)容56萬(wàn)m2，現(xiàn)庫(kù)容量約為7 423×104m3.尾礦庫(kù)現(xiàn)壩底標(biāo)高180 m，壩頂標(biāo)高為280 m，高約為100 m，壩頂壩長(zhǎng)約為1 600 m.尾礦壩外坡陸續(xù)開展了生態(tài)修復(fù)工作.現(xiàn)場(chǎng)植被種類包括：沙棘(灌木)、紫穗槐(灌木)、紫花苜蓿(草本)、狗尾草(草本)、檸條錦雞兒(灌木)、榆樹(喬木)、楊樹(喬木)等.

1.2 現(xiàn)場(chǎng)采樣布置

采集尾礦庫(kù)三個(gè)臺(tái)階的沙棘和其根系土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，針對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和土壤重金屬污染與沙棘生長(zhǎng)狀況進(jìn)行相關(guān)性分析和權(quán)重分析.現(xiàn)場(chǎng)采樣布置見圖1所示.

2 土壤性質(zhì)與沙棘生長(zhǎng)狀況的相關(guān)性分析

2.1 土壤理化性質(zhì)與沙棘生長(zhǎng)狀況相關(guān)性分析

取3個(gè)平臺(tái)(每平臺(tái)8個(gè)樣地)的沙棘生長(zhǎng)狀況與土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，采用EXCEL軟件將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得表1.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣平面位置圖

表1 尾礦沙棘生長(zhǎng)狀況和土壤理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)(各層平臺(tái)平均)

由表1可知，沙棘生長(zhǎng)狀況與土壤密度、電導(dǎo)率、pH值和陽(yáng)離子交換量總體呈負(fù)相關(guān)，與含水率、孔隙比呈正相關(guān).沙棘生物量、根徑、地徑、株高與土壤密度、孔隙比、pH值、陽(yáng)離子交換量的相關(guān)性極高，與電導(dǎo)率呈現(xiàn)較高相關(guān)性，說(shuō)明密度、pH值和陽(yáng)離子交換量越大，沙棘生長(zhǎng)越差，孔隙比越高，沙棘生長(zhǎng)越好；主根長(zhǎng)與電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量有著顯著的相關(guān)性；土壤理化性質(zhì)對(duì)沙棘覆蓋度的影響較小.

2.2 土壤養(yǎng)分與沙棘生長(zhǎng)狀況的相關(guān)性分析

土壤養(yǎng)分與沙棘株高、地徑等生長(zhǎng)狀況有著密切關(guān)系[6].取3個(gè)平臺(tái)的沙棘植物修復(fù)樣地的土壤養(yǎng)分與沙棘生長(zhǎng)狀況數(shù)據(jù)，采用EXCEL軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，得表2.

表2 尾礦沙棘生長(zhǎng)狀況和土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)(各層平臺(tái)平均)

由表2可知，沙棘生物量、根徑、地徑、株高與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷含量呈極高的正相關(guān)性，與速效鉀含量的正相關(guān)性較高，與土壤全磷含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，由此說(shuō)明，提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀、全氮、全鉀、堿解氮的含量可以促進(jìn)沙棘生長(zhǎng)起，全磷對(duì)沙棘生長(zhǎng)起抑制作用，其含量越高，沙棘生長(zhǎng)狀況越差；土壤養(yǎng)分含量對(duì)沙棘覆蓋度的影響較小.

2.3 土壤重金屬含量與沙棘生長(zhǎng)狀況的相關(guān)性分析

取3個(gè)平臺(tái)的沙棘植物修復(fù)樣地的土壤重金屬含量與沙棘生長(zhǎng)狀況數(shù)據(jù)，采用EXCEL軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，得表3.

表3 尾礦沙棘生長(zhǎng)狀況和土壤重金屬污染相關(guān)系數(shù)(各層平臺(tái)平均)

由表3可知，生物量、主根長(zhǎng)、根徑、地徑、株高與Pb和As含量有著極高的正相關(guān)性，與Cr 和Ni含量呈現(xiàn)較高負(fù)相關(guān)相關(guān)性，說(shuō)明Pb和As含量越高，沙棘生長(zhǎng)越好，Cr 和Ni含量越高，沙棘生長(zhǎng)狀況越差；覆蓋度與Cd含量呈極高的相關(guān)性.沙棘生長(zhǎng)狀況與土壤Cu含量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)不大.

3 土壤綜合性質(zhì)對(duì)沙棘生長(zhǎng)影響的權(quán)重分析

針對(duì)尾礦庫(kù)土壤綜合性質(zhì)和沙棘生長(zhǎng)狀況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重分析，運(yùn)用灰色系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析法，分析土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤重金屬與地表植被狀況的關(guān)聯(lián)度，并確定其影響權(quán)重[7，8].首先參考相關(guān)研究[9]，采用德爾菲調(diào)查法，確定地表沙棘影響因子比例詳見表4.

表4 沙棘影響因子比例表

提取表4中的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用灰色系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析法，分析土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤重金屬與沙棘狀況的關(guān)聯(lián)度[10，11]，并確定其影響權(quán)重.

根據(jù)表4的原始數(shù)據(jù)，列矩陣為：

進(jìn)行初值變換后，得：

構(gòu)成絕對(duì)差值矩陣，得：

Δmin=0，Δmax=0.26，取k=0.5，求得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

求得關(guān)聯(lián)度：γ(1，0)=0.70；γ(2，0)=0.74；γ(3，0)=0.62.

排出關(guān)聯(lián)序：γ(2，0)>γ(1，0)>γ(3，0).

由此排出的關(guān)聯(lián)序可見：土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分和土壤重金屬污染三者中，與地表植被狀況關(guān)聯(lián)度最差的為土壤重金屬含量.

在確定權(quán)重的過(guò)程中，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析可以比較客觀地確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，而且方法比較簡(jiǎn)單[12，13].在此，利用所得結(jié)果來(lái)說(shuō)明因子權(quán)重的確定.

對(duì)上述計(jì)算關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理：

得權(quán)重向量為：(α1，α2，α3)=(0.341，0.362，0.297)

式中：α1—土壤理化性質(zhì)權(quán)重；α2—土壤養(yǎng)分權(quán)重；α3—土壤重金屬污染權(quán)重.

綜上可知，土壤養(yǎng)分對(duì)沙棘生長(zhǎng)狀態(tài)影響的權(quán)重值最大，其次是土壤的理化性質(zhì)，土壤重金屬污染的影響最小.

4 土壤性質(zhì)對(duì)沙棘生長(zhǎng)影響的綜合評(píng)價(jià)

4.1 土壤理化性質(zhì)指數(shù)的確定

針對(duì)土壤水分、土壤pH、陽(yáng)離子交換量這三個(gè)因子，列出評(píng)價(jià)與指數(shù)表[9，14，15]，見表5所示.

表5 土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)因子與指數(shù)表

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得出尾礦庫(kù)土壤理化性質(zhì)指數(shù)統(tǒng)計(jì)見表6.

表6 土壤理化性質(zhì)指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.2 土壤養(yǎng)分指數(shù)的確定

土壤養(yǎng)分分級(jí)參考相關(guān)研究[16-18]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得出尾礦庫(kù)土壤養(yǎng)分指數(shù)統(tǒng)計(jì)見表7.

表7 土壤養(yǎng)分指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.3 土壤重金屬污染指數(shù)的確定

以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和單因子污染指數(shù)法[19]，計(jì)算得出尾礦庫(kù)土壤重金屬污染指數(shù)，詳見表8.

表8 土壤重金屬污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.4 土壤性質(zhì)對(duì)沙棘生長(zhǎng)影響的綜合評(píng)價(jià)

表9 土壤性質(zhì)對(duì)沙棘生長(zhǎng)影響綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算表

由表9可見，土壤綜合性質(zhì)對(duì)C區(qū)沙棘(3層沙棘)生長(zhǎng)影響最大，其次是A區(qū)沙棘(1層沙棘)，對(duì)B區(qū)沙棘(2層沙棘)生長(zhǎng)影響最小.

5 結(jié)論

1)生物量、根徑、地徑和株高與密度、pH值、電導(dǎo)率和陽(yáng)離子交換量呈較高的負(fù)相關(guān)性，與孔隙比呈較高的正相關(guān)性，說(shuō)明密度、電導(dǎo)率(EC)、pH值和陽(yáng)離子交換量(CEC)越大，沙棘生長(zhǎng)越差，孔隙比越高，沙棘生長(zhǎng)越好；主根長(zhǎng)與電導(dǎo)率和陽(yáng)離子交換量有著顯著的相關(guān)性.總之，土壤理化性質(zhì)對(duì)沙棘生長(zhǎng)有著一定的影響，適當(dāng)調(diào)整土壤密度、孔隙比、pH值和陽(yáng)離子交換量等可以促進(jìn)沙棘生長(zhǎng).

2)土壤養(yǎng)分含量對(duì)沙棘的生長(zhǎng)起到很大作用.沙棘的生物量、根徑、地徑、株高與土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量總體呈極高的正相關(guān)，與全磷含量有著極高的負(fù)相關(guān)，提高有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀、全氮、全鉀、堿解氮含量可以促進(jìn)沙棘的生長(zhǎng)，全磷含量對(duì)沙棘生長(zhǎng)起抑制作用，其含量越高，沙棘生長(zhǎng)狀態(tài)越差；土壤養(yǎng)分對(duì)沙棘覆蓋度的影響較小.

3)生物量、主根長(zhǎng)、根徑、地徑、株高與Pb、As含量有著極高的正相關(guān)性，與Cr 和Ni含量呈現(xiàn)較高負(fù)相關(guān)相關(guān)性，說(shuō)明Pb和As含量越高，沙棘生長(zhǎng)越好，Cr 和Ni含量越高，沙棘生長(zhǎng)狀況越差；覆蓋度與Cd含量呈極高的相關(guān)性.沙棘生長(zhǎng)狀況與土壤Cu含量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)不大.

4)土壤養(yǎng)分對(duì)沙棘生長(zhǎng)狀態(tài)影響的權(quán)重值最大，其次是土壤理化性質(zhì)，土壤重金屬污染的影響最小.

5)土壤綜合性質(zhì)對(duì)C區(qū)沙棘生長(zhǎng)影響最大，其次是A區(qū)沙棘，對(duì)B區(qū)沙棘生長(zhǎng)影響最小.