卡房尾礦庫土壤重金屬化合物對微團聚體穩(wěn)定性的影響

彭沛宇，王衛(wèi)華

(昆明理工大學農(nóng)業(yè)與食品學院，云南 昆明 650500)

土壤團聚體是土壤當中土粒直徑<10 mm的結(jié)構(gòu)體，通常以直徑0.25 mm為界，將其分成微團聚體與大團聚體，土壤中粒徑≤0.25 mm的團聚體為土壤微團聚體，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)地理條件復(fù)雜且礦產(chǎn)資源豐富，云南省個舊市是全國著名的“錫都”，因此個舊地區(qū)存在數(shù)量眾多的尾礦庫。人類的礦物開采活動從物理上改變了土壤微團聚體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，而伴隨著生產(chǎn)排放物滲透入土壤的化學元素又使得土壤微團聚體的化學性質(zhì)產(chǎn)生了一定變化。土壤微團聚體的化學結(jié)構(gòu)和組成特點對土壤物理和化學變化有重要的影響[3]。

土壤整體穩(wěn)定性與土壤微團聚體的穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。近年來，一些學者針對土壤團聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素展開了大量研究。陳曉東等[4]通過對原生鹽堿土進行試驗發(fā)現(xiàn)施用有機物料能夠顯著增加土壤微團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Guo等[5]發(fā)現(xiàn)秸稈還田在提高團聚體內(nèi)有機碳含量的同時，顯著提高了水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。張世祺等[6]研究表明土壤團聚體與有機碳含量關(guān)系密切，是影響團聚體水穩(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)蔬菜土壤中有機碳含量與水穩(wěn)性團聚體之間的相關(guān)性低于水稻土壤。綜合來看，土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要受土壤有機質(zhì)含量的影響最大，但目前對于有機質(zhì)以外的影響因素研究較為薄弱，尤其對于基本不含有機質(zhì)而富含重金屬的尾礦庫土壤團聚結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究鮮見報道。本研究以云南省個舊市卡房尾礦庫為例，通過檢測尾礦庫的土壤各項數(shù)據(jù)，分析土壤微團聚體在垂向不同深度的穩(wěn)定性，同時探究尾礦庫土壤中的重金屬化合物與微團聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為尾礦庫土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定維護、解決尾礦庫穩(wěn)定性評價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)，地勢北高南低，年平均氣溫17.5℃，年降雨量1 600 mm。研究區(qū)域為云錫卡房分公司管理和使用的云南錫業(yè)集團有限責任公司卡房尾礦庫，下文簡稱卡房尾礦庫?？ǚ课驳V庫庫區(qū)面積為91.3萬 m2，設(shè)計庫容為1 853萬 m3，目前共堆放約1 000萬噸尾礦。

1.2 樣品采集及測量方法

測點均處庫區(qū)沉積淤泥區(qū)，環(huán)繞庫區(qū)均勻布設(shè)28個測點，利用鉆井收集表層至地下15 m深的土柱。采樣點利用手持GPS 定位記錄經(jīng)緯度。將采樣土柱分別進行標記，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試中心。運用濕篩法過濾粒徑>0.25 mm大團聚體，然后使用吸管法測定水穩(wěn)性微團聚體的分布[8-9]。通過能譜儀測定重金屬化合物含量。

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

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 基本參數(shù)統(tǒng)計分析 以經(jīng)典統(tǒng)計學理論為基礎(chǔ)，使用SPSS 25軟件對所測得樣品數(shù)據(jù)進行分析、處理[10]，結(jié)果如表1所示。

使用GS+9.0軟件的Autocorrelation模塊對研究區(qū)域不同土層深度下重金屬化合物含量進行半方差的擬合，將數(shù)據(jù)導入Surfer 11軟件，結(jié)合Kriging插值法將離散數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化計算，繪制出重金屬化合物含量空間分布圖；利用SPSS 25軟件對重金屬化合物含量與土壤微團聚體穩(wěn)定性指標進行方差分析 (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)計算公式[11]：

(1)

幾何平均直徑(GMD)計算公式[12]：

(2)

式(1)、(2)中，di是篩分出來的任意粒徑范圍內(nèi)微團聚體的平均直徑(mm)；wi是任意粒徑范圍內(nèi)微團聚體的質(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)性團聚體的評價指標

土壤團聚體是構(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)性團聚體會在水中破碎分解為小粒徑的水穩(wěn)性團聚體，因而水穩(wěn)性團聚體較非水穩(wěn)性團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粒級的微團聚體為主，在不同深度的土壤中，微團聚體基本集中在0.25～0.01 mm粒級區(qū)間，>0.25 mm粒級的土壤大團聚體僅占總體的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聚體僅有0.44%，故本文選取對研究區(qū)域土壤整體狀況起到真正影響的水穩(wěn)性微團聚體作為研究對象。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是用來描述土壤微團聚體穩(wěn)定性的常見指標。一般而言，平均重量直徑(MWD)與幾何平均直徑(GMD)的取值越大，土壤平均粒徑的團聚程度越高，抗侵蝕能力越強，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值遠低于其他三層土壤。由此可見，研究區(qū)域土層深度0～5 m內(nèi)的土壤團聚性最好，土壤抗侵蝕性最強，微團聚體結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

2.2 土壤重金屬化合物含量統(tǒng)計值

本文采用傳統(tǒng)統(tǒng)計學的方式來描述土壤重金屬化合物含量的總體變化情況，通過Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗[P(K-S)>0.05]來檢驗樣本的正態(tài)分布特征，土壤重金屬化合物含量的描述性統(tǒng)計分析見表3。根據(jù)K-S檢驗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 對尾礦庫不同土層深度重金屬化合物含量進行半方差分析，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。尾礦庫土壤中重金屬化合物含量的塊金值(C0) 均很小，表明在試驗測定中由各種隨機因素導致的空間變異程度很低。基臺值(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的拱高基臺比 [C/(C0+C)]<0.25，其余數(shù)據(jù)拱高基臺比均大于0.75，說明尾礦庫土壤重金屬化合物在研究尺度上具有較強的空間自相關(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，卡房尾礦庫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在尾礦庫中隨土層深度的增加，含量逐漸降低；CuO與ZnO在尾礦庫中的變化趨勢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0～8 m深度中分布相對均勻，在8～15 m深度中含量增加。

2.5 土壤重金屬化合物含量對水穩(wěn)性微團聚體特征指標貢獻水平分析

多元逐步回歸分析方法能夠獲取各個解釋變量對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行擬合。由表5計算結(jié)果可以看出，回歸方程的擬合效果較好，且經(jīng)過方程篩選后的變量表明，尾礦庫土壤中的 CuO與 ZnO含量是對水穩(wěn)性微團聚體特征指標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自變量CuO(X4)與ZnO(X6)的標準化回歸系數(shù)。標準化回歸系數(shù)可以解釋為當自變量X變化1個標準差時，應(yīng)變量Y將會隨之變化相應(yīng)標準化回歸系數(shù)數(shù)值的標準差，因此本文采用標準化回歸系數(shù)來解釋重金屬化合物對水穩(wěn)性微團聚體特征指標MWD與GMD的貢獻水平。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，尾礦庫0～8 m深度內(nèi)，在ZnO保持不變的前提下，當CuO增加1個標準差時，MWD和GMD增加約0.6個標準差；在CuO保持不變的前提下，當ZnO增加1個標準差時，MWD和GMD增加約0.3個標準差，CuO含量對MWD和GMD的貢獻水平大約是ZnO含量的2倍。尾礦庫8～15m土層深度內(nèi)，CuO和ZnO含量對水穩(wěn)性微團聚體特征指標MWD和GMD的貢獻水平基本持平。

表6 標準化回歸系數(shù)

3 討 論

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

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

4 結(jié) 論

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

2)卡房尾礦庫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)通過地統(tǒng)計學方法分析出卡房尾礦庫土壤重金屬化合物含量具有較強程度的空間自相關(guān)。

4)重金屬化合物含量在卡房尾礦庫的土壤中出現(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)影響卡房尾礦庫土壤微團聚體結(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)對微團聚體穩(wěn)定性的貢獻水平為2∶1，在8～15 m深度內(nèi)呈現(xiàn)貢獻水平為1∶1。