極酸化排土場不同坡位土壤酸化和養(yǎng)分的分異特征

張建鋒 謝金亮 何新春 劉永兵 姜久寧 陳宇菲 鐘秀琴

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.北京林業(yè)大學水土保持學院， 北京 100083；3.中國地質(zhì)科學院國家地質(zhì)實驗測試中心， 北京 100037； 4.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關 512127)

0 前言

土壤退化已經(jīng)成為限制金屬礦區(qū)生態(tài)恢復的重要障礙因素之一，極端酸化和養(yǎng)分失衡則是土壤退化的重要表現(xiàn)之一[1]。金屬礦區(qū)排土場的大量黃鐵礦(FeS2)和其他硫化物礦物很容易產(chǎn)生富含重金屬的酸性礦山廢水，這些廢水進入土壤會導致土壤逐漸酸化問題[2]。由于礦區(qū)土壤環(huán)境特殊，植被生長的基質(zhì)較少，同時由于酸化作用會抑制有機質(zhì)分解和養(yǎng)分釋放，土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變[3]。不同坡面位置的養(yǎng)分運移是一個漫長行為，容易受土壤內(nèi)部環(huán)境、降雨、地形自然因素及人類活動影響，具有時空變異性[4-5]。

目前，金屬礦山生態(tài)恢復是建設綠色礦山的重要內(nèi)容，但針對酸化礦區(qū)排土場不同坡位的土壤酸化和養(yǎng)分分布變化的研究較少。本文選擇廣東大寶山礦新山片區(qū)的典型酸化排土場為研究區(qū)，分析了不同坡面位置的土壤酸化變化與養(yǎng)分分布特征，為我國南方金屬礦山排土場開展原位土壤改良和植被恢復治理工程提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東韶關市曲江區(qū)沙溪鎮(zhèn)大寶山礦新山片區(qū)(113°41′53″～113°46′40″E，24°30′01″～24°35′26″N)。大寶山礦是廣東省境內(nèi)露天開采的大型多金屬礦山，以鐵、銅硫、鉛鋅等礦石為主。新山片區(qū)地處嶺南山地丘陵地貌，山體相對高差大，地形地貌復雜，排土場坡陡臺高。當?shù)貧夂蚴浅睗穸嘤甑膩啛釒夂颍匀患竟?jié)為夏長，春、秋、冬短暫，多年平均氣溫為17.1～18.0 ℃，多年平均年降水量為2 083.5 mm。大寶山礦區(qū)土壤類型主要為紅壤和山地黃壤，地帶性植被類型為典型常綠闊葉林。由于長期遭受采礦破壞，植被毀壞殆盡，造成了比較嚴重的水土流失和生態(tài)環(huán)境問題。

2 研究方法

2.1 樣地選取與樣品采集

2020年5月6日，根據(jù)現(xiàn)場勘察實際情況，選擇3個具有代表性、典型性的極酸化排土場，邊坡編號依次為K1、K2和K3(圖1)。

2.1.1 0～20 cm表層土壤采樣

依據(jù)樣品采集原則，采樣點均勻分布在K1、K2、K3排土場中；同時考慮成本以及分析檢測時效等因素，基本按對角線法，分別在K1、K2、K3排土場陽坡的坡頂、坡中和坡腳處采樣，且每3個采樣點的樣品混合成1個混合樣，每組混合土樣盡量涵蓋坡頂、坡中和坡腳區(qū)域。采集深度為0～20 cm，3個坡面共計27個采樣點，采樣點編號分別為K1-1-a、K1-1-b、K1-1-c；K1-2-a、K1-2-b、K1-2-c、…、K3-9-a、K3-9-b、K3-9-c，9個混合樣品分別編號為K1-1、K1-2、…、K3-9。另外，設置了1個未酸化對照采樣點CK，共計10個采樣點(圖1)。采樣點基本情況見表1。

圖1 樣地全景圖及采樣點分布圖

表1 新山片區(qū)典型排土場各樣點基本情況

2.1.2 0～100 cm土壤剖面分層采樣

分別在排土場K1、K2、K3的坡腳，人工植被恢復區(qū)的坡中、坡腳，以及未酸化對照區(qū)CK共6個采樣區(qū)，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～100 cm分層取樣，土壤剖面分別編號為：K1-3-A1、K1-3-A2、…、K1-3-A6，K2-6-B1、K2-6-B2…K2-6-B6，K3-9-C1、K3-9-C2、…、K3-9-C6，K4-10-D1、K4-10-D2、…、K4-10-D6，K4-11-E1、K4-11-E2、…、K4-11-E6，未酸化CK1、…、未酸化CK6，共計36個樣品(圖1)。

所有樣品采集后裝入潔凈的自封袋中做好標記，每袋土樣1.5 kg，運回實驗室，經(jīng)自然風干后，過2 mm篩后備用。

2.2 指標測定方法

為了解金屬排土場土壤酸化情況，本研究選取土壤pH、電導率EC、凈產(chǎn)酸量NAG(Net Acid Generation Test)共3項指標；為研究不同坡面養(yǎng)分分布變化，選取了土壤有機質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、全磷(TN)、全鉀(TK)、速效氮(AN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)含量共7項指標。

土壤pH值采用校正過的pH計測定土水質(zhì)量比為1∶2.5的懸液的pH值[6]；電導率EC采用DDSJ- 308電導率儀測定土水質(zhì)量比為1∶5的懸液的值[7]；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀- 硫酸氧化還原滴定法測定[8]；全氮含量采用凱式定氮儀測定，全鉀含量采用火焰光度法測定，全磷含量采用硫酸- 高氯酸消煮- 鉬銻抗比色法測定[9]；速效氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用Olsen法測定，速效鉀含量采用中性乙酸銨溶液浸提- 火焰光度法測定[10]。

凈產(chǎn)酸量NAG的測定方法[11]如下：2.5 g土壤樣品過20目篩網(wǎng)后，放入500 mL錐形瓶中，加入250 mL濃度為15%的H2O2，靜置過夜24 h；采用電熱板加熱煮沸1 h至冒泡結(jié)束，以除去多余H2O2；冷卻至室溫后測pH值，即為NAG-pH。用0.1 mol/L的NaOH滴定反應溶液至pH=7，利用式(1)計算NAG值(H2SO4，kg/t)。

NAG=(49VM)/W

(1)

V為消耗的NaOH體積，mL；M為NaOH濃度，取0.1 mol/L；W為樣品質(zhì)量，取2.5。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

2.3.1 土壤養(yǎng)分分級標準

本研究區(qū)內(nèi)不同坡面位置的土壤養(yǎng)分的判別標準參考表2的全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準[12-13]。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級標準

2.3.2 土壤肥力評價

不同坡面土壤肥力評價采用土壤肥力指數(shù)法，步驟[13]如下：

1)評價指標確定。將土壤肥力指標進行主成分分析，選擇每項主成分中貢獻率較大的指標。若同一主成分有若干個貢獻率較大指標，則需進行相關性分析。顯著相關時，該評價指標選擇為貢獻率最大的指標，若不相關則都選。

2)按照公式(2)對選取指標進行標準化處理。

(2)

式中，Y為標準化后的指標值；x為選取指標值；x0是選取指標的平均值；主成分中x的系數(shù)為正時，b為-2.5，主成分中x的系數(shù)為負時，b為2.5。

3)按照公式(3)計算土壤肥力指數(shù)SFI。

(3)

式中，SFI表示土壤肥力指數(shù)；Yi是標準化后的指標值；Wi為權(quán)重，文中可用方差貢獻率作為權(quán)重。

2.3.3 養(yǎng)分指標分析

將不同坡面位置0～20 cm表層土壤的SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK等養(yǎng)分指標進行單因素方差分析，差異性檢驗采用最小顯著性差異法LSD(P<0.05)，并運用主成分分析法和回歸分析法對不同坡位的土壤肥力進行綜合評價，采用Excel2.0軟件進行數(shù)據(jù)錄入，利用SPSS20.0軟件進行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡面位置土壤酸化分布變化特征

3.1.1 土壤剖面各層pH值變化

排土場坡腳區(qū)土壤剖面各層樣點pH值變化如圖2所示。由圖2可以看出，與未酸化對照區(qū)CK采樣點相比，除K3-9-C采樣點20～30 cm土壤層pH值為中性外，3個排土場坡腳區(qū)域的土壤剖面各層pH值均處于1.96～3.76。K1、K2、K3坡腳的0～100 cm土壤層pH平均值分別為2.31、3.16、3.65，說明研究區(qū)排土場礦土產(chǎn)酸明顯，為強酸性區(qū)域。3個排土場坡腳的強酸化土壤剖面的pH值沒有表現(xiàn)出一定規(guī)律(pH值隨土壤深度增加而升高或降低)。此外，在人工植被恢復區(qū)，生態(tài)恢復后，坡中和坡腳2處土壤剖面的pH平均值分別為5.02、6.96，明顯高于未治理區(qū)K1、K2、K3排土場，但同時發(fā)現(xiàn)，采取人工生態(tài)恢復措施后，坡中部分位置的土壤仍有進一步酸化的傾向。

圖2 排土場坡腳區(qū)土壤剖面各層樣點pH值變化

圖3 不同坡位處0～20 cm土壤pH值變化

3.1.2 土壤表層酸化分布特征

3.1.2.1 pH值變化和電導率EC值變化

極端酸化是金屬礦區(qū)原位土壤改良與植被恢復的關鍵制約因素之一[14]，因此，酸化排土場生態(tài)恢復工程中，0～20 cm表層土壤改良受到較高重視[15]。不同坡位的0～20 cm表層土壤pH值變化和電導率EC值變化分別如圖3、圖4所示。

從圖3可以看出，未治理區(qū)3個排土場坡頂、坡中、坡腳區(qū)域的0～20 cm表層土壤pH值總體上差異不明顯，pH平均值分別為3.94、3.67、3.50。從圖4可以看出，與坡中、坡腳位置相比，3個排土場坡頂位置的0～20 cm表層土壤電導率EC明顯較高，其平均值為0.68 ms/cm。此外，未治理區(qū)K1、K2、K3排土場表層土壤電導率整體高于未酸化對照區(qū)CK和人工植被恢復區(qū)K4-10、K4-11，說明酸化的過程促進了鹽分的溶出，產(chǎn)生了嚴重的鹽害。

3.1.2.2 凈產(chǎn)酸量

凈產(chǎn)酸量(NAG)在一定程度上可以代表酸化排土場土壤的實際產(chǎn)酸量[16]。圖5和圖6為排土場不同坡面0～20 cm表層礦土的產(chǎn)酸能力。根據(jù)NAG-pH閾值劃分[17]，K1、K2、K3排土場坡面多數(shù)采樣點0～20 cm層土壤的NAG-pH不高于2.5，表明土壤中度或高度產(chǎn)酸。不同坡位土壤產(chǎn)酸能力排序為坡中<坡頂<坡腳，其土壤NAG-pH平均值分別為2.79、2.64、2.38，其中坡腳表層土壤產(chǎn)酸最明顯，其平均凈產(chǎn)酸潛力為12.25 kg/t(H2SO4)。

圖4 不同坡位處0～20 cm土壤電導率EC值變化

圖5 不同坡位處0～20 cm土壤凈產(chǎn)酸NAG-pH變化

圖6 不同坡位處0～20 cm土壤凈產(chǎn)酸量NAG變化

3.2 不同坡面土壤養(yǎng)分分布變化

酸化排土場不同坡位的0～20 cm土壤養(yǎng)分含量分布如圖7所示。

由圖7可知，不同坡位處0～20 cm土壤層SOM含量總體趨勢為坡腳>坡中>坡頂，平均含量分別是1.38 g/kg、1.24 g/kg、1.06 g/kg， SOM變化范圍分別為0.24～2.32 g/kg、0.53～1.83 g/kg、1.28～1.55 g/kg。參考全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準(表2)，3個排土場的土壤養(yǎng)分為6級極低水平，坡頂和坡中區(qū)域樣點間的SOM含量差異顯著。

圖7 酸化排土場不同坡位0～20 cm土壤養(yǎng)分含量分布注：a，b，c，d等字母表示不同坡位處0～20 cm土層樣點間顯著性水平(P<0.05)

從圖7可知，3個排土場0～20 cm土層土壤TN、TP、TK含量在不同坡位處的分布有一定差異。TN平均含量總體趨勢為坡腳>坡頂>坡中，其中坡中處樣點間的差異顯著，坡腳處土壤TN平均含量較高為0.25 g/kg，為6級極低水平；坡頂、坡中、坡腳處土壤的TP平均含量較高，分別為1.00 g/kg、1.02 g/kg、0.94 g/kg，屬于2級以上高水平，不同坡位總體差異不明顯；坡頂、坡中、坡腳處土壤的TK平均含量整體也較高，分別為44.74 g/kg、48.59 g/kg、47.81 g/kg，屬于1級很高水平，其中坡腳處各樣點間差異顯著。

此外，從圖7還可以看出，不同坡位0～20 cm土壤層的速效養(yǎng)分含量分布也有一定差異。其中AN平均含量總體趨勢為坡腳>坡頂>坡中，坡頂、坡中、坡腳處AN平均含量分別為34.53 mg/kg、26.60 mg/kg、54.37 mg/kg，屬于5級以下低水平，樣點間差異顯著，變化范圍為18.55～91.70 mg/kg；坡頂、坡中、坡腳處AP平均含量分別為3.52 mg/kg、2.52 mg/kg、2.15 mg/kg，屬于5級以下低水平，坡頂處樣點間的AP含量差異顯著，坡中和坡腳變化不明顯，AP含量變化范圍為1.55～5.26 mg/kg；坡頂、坡中、坡腳處AK平均含量分別為36.67 mg/kg、36.67 mg/kg、38.33 mg/kg，屬于5級以下低水平，坡腳處樣點間的AK含量差異顯著(P<0.05)，變化范圍為10.00～90.00 mg/kg。

3.3 不同坡面位置土壤肥力特征及評價

運用主成分分析和回歸分析法對排土場不同坡位處0～20 cm土層土壤肥力進行綜合評價，結(jié)果見表3、表4和表5。根據(jù)累計方差百分比達到80%以上原則，選擇第1、2、3主成分的土壤肥力指標，其累計方差貢獻率為83.42%。第1主成分中，土壤pH、AP、AK均有較高系數(shù)，且pH與AP、AK呈顯著、極顯著相關(表3)，因此土壤pH系數(shù)最大，可作為第1主成分評價指標。在第2主成分中，SOM和TN有較大系數(shù)，SOM與TN顯著相關，且TN系數(shù)最大，故TN可作為第2主成分評價指標。第3主成分中只有TK系數(shù)較高，可作為其評價指標。

表3 土壤肥力各項指標相關性矩陣

表4 解釋的總方差

利用公式(2)、(3)可計算得到不同坡位處0～20 cm土層的土壤肥力指數(shù)SFI，結(jié)果見表6。從表6可以看出，SFI變化范圍為0.28～0.52，總體上不同坡位處土壤肥力大小為：坡腳>坡頂>坡中。

根據(jù)表1和表6中不同坡位處海拔高度和土壤肥力指數(shù)，進行回歸分析，得到0～20 cm表層土壤肥力指數(shù)隨海拔高度的變化趨勢，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，極酸性金屬排土場土壤肥力隨平均海拔高度的降低呈增大趨勢，決定系數(shù)R2=0.034。

表5 土壤肥力指標主成分分析結(jié)果

表6 極酸化排土場不同坡位處0～20 cm土壤層土壤肥力指數(shù)(SFI)

圖8 不同坡位處0～20 cm土壤層土壤肥力指數(shù)隨排土場平均海拔高度的變化

4 討論

1)本研究結(jié)果顯示，未治理區(qū)3個排土場坡腳0～100 cm各土壤層的pH值均較小，土壤產(chǎn)酸明顯，這是因為金屬礦區(qū)排土場中的硫礦物(主要為黃鐵礦FeS2)暴露于空氣中，加上天然淋濾作用，與空氣(主要是O2)和水蒸氣充分接觸，在鐵離子和鐵/硫氧化細菌的催化作用下會迅速發(fā)生氧化反應而產(chǎn)酸[3]。有學者發(fā)現(xiàn)尾礦土壤表層作為強氧化層在氧化后產(chǎn)酸比較明顯，pH值會隨土壤剖面深度增加而增加[15]，但本研究結(jié)果中3個強酸化排土場土壤pH值沒有隨深度表現(xiàn)出一定規(guī)律，這可能是因為pH值受排土場堆積年限、堆積方式、礦石成分、雨水淋溶時間等多種因素影響。

2)較低的土壤pH值易使可溶性鹽含量增加，進而導致土壤電導率提高，造成土壤板結(jié)。本研究結(jié)果顯示，未治理區(qū)K1、K2、K3排土場整體表層土壤電導率EC高于未酸化對照組CK和人工植被恢復區(qū)，這也說明人工植被恢復后，酸化得到改善，植物對于促進土壤熟化和形成具有重要作用[18]。本研究發(fā)現(xiàn)已酸化排土場坡腳位置土壤表層凈產(chǎn)酸量NAG最明顯，這可能是因為長期降雨量大，坡腳往往匯流匯集較多雨水。

3)有機質(zhì)具有疏松土壤結(jié)構(gòu)、提高微生物活性、提高土壤保肥性和緩沖性等作用[19]。本研究顯示，酸化排土場0～20 cm表層土壤有機質(zhì)含量和全氮含量均較低，這是因為95%以上的土壤氮素以有機態(tài)存在，土壤全氮量主要決定于有機質(zhì)含量，土壤全氮含量與有機質(zhì)含量間存在很好的線性正相關性[20-21]。此外，本研究還顯示礦區(qū)全磷含量和全鉀含量較高，主要原因可能與排土場土壤成土母質(zhì)富含鉀和磷有關。

4)本研究表明，礦區(qū)土壤速效養(yǎng)分含量均較低，且坡頂、坡中、坡腳不同坡位處各樣點間的速效氮含量均存在顯著差異。一方面，速效氮含量可能受坡面徑流沖刷與雨水淋溶等因素影響；另一方面與缺乏土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化微生物有關。由于速效氮含量和全氮含量正相關, 隨有機質(zhì)含量增加而增加[21]，因此可以通過提高土壤有機質(zhì)含量來增強土壤全氮和速效氮的水平。土壤速效態(tài)養(yǎng)分以離子、分子狀態(tài)存在于土壤溶液中，能夠直接被作物吸收利，而全量養(yǎng)分一般存在于土壤礦物質(zhì)和有機質(zhì)中，需要通過化學作用和微生物作用變?yōu)樗傩юB(yǎng)分才能被植物吸收。本研究的速效磷和速效鉀含量很低，可能是因為土壤缺乏土壤氮轉(zhuǎn)化、磷轉(zhuǎn)化、鉀轉(zhuǎn)化的硝化細菌、磷細菌、鉀細菌等相關益生微生物。

5 結(jié)論

1)排土場坡腳區(qū)0～100 cm土壤層的pH值范圍為1.96～3.76，產(chǎn)酸明顯。坡頂、坡中、坡腳0～20 cm土壤pH值總體上差異不明顯，土壤pH均值分別為3.94、3.67、3.50。0～20 cm土層NAG-pH≤2.5，表明土壤中度或高度產(chǎn)酸，產(chǎn)酸能力大小為坡中<坡頂<坡腳。坡腳處產(chǎn)酸最明顯，凈產(chǎn)酸潛力NAG平均為12.25 kg/t(H2SO4)。

2)不同坡位處0～20 cm土層有機質(zhì)含量總體趨勢為坡腳>坡中>坡頂，變化范圍分別為0.24～2.32 g/kg、0.53～1.83 g/kg、1.28～1.55 g/kg，為6級極低水平。

3) 0～20 cm土層全氮平均含量總體趨勢為坡腳>坡頂>坡中，坡腳處較高，為0.25 g/kg，屬于6級極低水平；未治理區(qū)排土場全磷平均含量和全鉀平均含量均較高，坡頂、坡中、坡腳處分別為1.00 g/kg、1.02 g/kg、0.94 g/kg和44.74 g/kg、48.59 g/kg、47.81 g/kg，分別為2級以上高水平和1級很高水平。

4) 0～20 cm土層速效氮平均含量總體呈坡腳>坡頂>坡中的趨勢，平均含量分別為54.37 mg/kg、34.53 mg/kg、26.60 mg/kg，為5級以下低水平，不同坡位處速效氮含量差異顯著。坡頂、坡中、坡腳0～20 cm土層的速效磷和速效鉀平均含量分別為3.52 mg/kg、2.52 mg/kg、2.15 mg/kg，和36.67 mg/kg、36.67 mg/kg、38.33 mg/kg，均為5級以下低水平。

5)不同坡位處0～20 cm土層土壤肥力指數(shù)(SFI)為0.28～0.52，總體上呈坡腳>坡頂>坡中的趨勢。