卡房尾矿库土壤重金属化合物对微团聚体稳定性的影响

彭沛宇，王卫华

(昆明理工大学农业与食品学院，云南 昆明 650500)

土壤团聚体是土壤当中土粒直径<10 mm的结构体，通常以直径0.25 mm为界，将其分成微团聚体与大团聚体，土壤中粒径≤0.25 mm的团聚体为土壤微团聚体，作为土壤结构的颗粒单位，能够有效反映出土壤的团聚性，是良好土壤结构的物质基础[1-2]。云南省地质地理条件复杂且矿产资源丰富，云南省个旧市是全国著名的“锡都”，因此个旧地区存在数量众多的尾矿库。人类的矿物开采活动从物理上改变了土壤微团聚体的结构形态，而伴随着生产排放物渗透入土壤的化学元素又使得土壤微团聚体的化学性质产生了一定变化。土壤微团聚体的化学结构和组成特点对土壤物理和化学变化有重要的影响[3]。

土壤整体稳定性与土壤微团聚体的稳定性有着密切的关系。近年来，一些学者针对土壤团聚结构稳定性的影响因素展开了大量研究。陈晓东等[4]通过对原生盐碱土进行试验发现施用有机物料能够显著增加土壤微团聚体结构稳定性。Guo等[5]发现秸秆还田在提高团聚体内有机碳含量的同时，显著提高了水稳性团聚体的稳定性。张世祺等[6]研究表明土壤团聚体与有机碳含量关系密切，是影响团聚体水稳定性的重要因素。Wang等[7]在比较不同种类作物土壤后发现蔬菜土壤中有机碳含量与水稳性团聚体之间的相关性低于水稻土壤。综合来看，土壤团聚体结构稳定性主要受土壤有机质含量的影响最大，但目前对于有机质以外的影响因素研究较为薄弱，尤其对于基本不含有机质而富含重金属的尾矿库土壤团聚结构的相关研究鲜见报道。本研究以云南省个旧市卡房尾矿库为例，通过检测尾矿库的土壤各项数据，分析土壤微团聚体在垂向不同深度的稳定性，同时探究尾矿库土壤中的重金属化合物与微团聚体稳定性之间的关系，为尾矿库土体结构稳定维护、解决尾矿库稳定性评价难题提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于云南省个旧市南部的卡房镇，103°03′～103°24′E，23°07′～23°17′N，最高海拔为2 494 m，属上半山区，地势北高南低，年平均气温17.5℃，年降雨量1 600 mm。研究区域为云锡卡房分公司管理和使用的云南锡业集团有限责任公司卡房尾矿库，下文简称卡房尾矿库。卡房尾矿库库区面积为91.3万 m2，设计库容为1 853万 m3，目前共堆放约1 000万吨尾矿。

1.2 样品采集及测量方法

测点均处库区沉积淤泥区，环绕库区均匀布设28个测点，利用钻井收集表层至地下15 m深的土柱。采样点利用手持GPS 定位记录经纬度。将采样土柱分别进行标记，用环刀取土柱从顶端往下2、5、8 m及15 m处的土层土壤样品送往云南省分析测试中心。运用湿筛法过滤粒径>0.25 mm大团聚体，然后使用吸管法测定水稳性微团聚体的分布[8-9]。通过能谱仪测定重金属化合物含量。

其他物理性质测定：通过烘干法测定土壤含水率，土壤质地和颗粒组成使用马氏激光分析仪测定，土粒比重采用比重瓶法测定。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 基本参数统计分析 以经典统计学理论为基础，使用SPSS 25软件对所测得样品数据进行分析、处理[10]，结果如表1所示。

使用GS+9.0软件的Autocorrelation模块对研究区域不同土层深度下重金属化合物含量进行半方差的拟合，将数据导入Surfer 11软件，结合Kriging插值法将离散数据进行网格化计算，绘制出重金属化合物含量空间分布图；利用SPSS 25软件对重金属化合物含量与土壤微团聚体稳定性指标进行方差分析 (ANOVA) 和回归分析。

1.3.2 平均重量直径 (MWD) 和几何平均直径(GMD) 平均重量直径(MWD)计算公式[11]：

(1)

几何平均直径(GMD)计算公式[12]：

(2)

式(1)、(2)中，di是筛分出来的任意粒径范围内微团聚体的平均直径(mm)；wi是任意粒径范围内微团聚体的质量占土样干重的百分比(%)。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体的评价指标

土壤团聚体是构成土壤的最基本的结构单位，反映了土壤结构状况的好坏。非水稳性团聚体会在水中破碎分解为小粒径的水稳性团聚体，因而水稳性团聚体较非水稳性团聚体更能反映土壤结构整体稳定性。

由表2可知，研究区域土壤中以≤0.25 mm粒级的微团聚体为主，在不同深度的土壤中，微团聚体基本集中在0.25～0.01 mm粒级区间，>0.25 mm粒级的土壤大团聚体仅占总体的3.26%。结合表2数据，研究区域土壤中的大团聚体分布情况并未表现出任何的规律性，甚至在5～8 m土层深度中的土壤大团聚体仅有0.44%，故本文选取对研究区域土壤整体状况起到真正影响的水稳性微团聚体作为研究对象。

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是用来描述土壤微团聚体稳定性的常见指标。一般而言，平均重量直径(MWD)与几何平均直径(GMD)的取值越大，土壤平均粒径的团聚程度越高，抗侵蚀能力越强，结构越稳定。从图1中可以看出，深度在0～5 m土层的土壤的MWD和GMD值明显高于5～15 m土层的土壤，并且5～8 m深度处土壤的MWD和GMD值远低于其他三层土壤。由此可见，研究区域土层深度0～5 m内的土壤团聚性最好，土壤抗侵蚀性最强，微团聚体结构最稳定。

2.2 土壤重金属化合物含量统计值

本文采用传统统计学的方式来描述土壤重金属化合物含量的总体变化情况，通过Kolmogorov-Smirnov正态性检验[P(K-S)>0.05]来检验样本的正态分布特征，土壤重金属化合物含量的描述性统计分析见表3。根据K-S检验值可以看出土壤重金属化合物含量在各土层深度均呈现正态分布。

样本变异程度可分为强变异性、中等变异性与弱变异性。由表3可以看出，6种重金属化合物整体变异程度强弱性为：CuO>As2O3>Cr2O3>NiO>ZnO>Co3O4，各种重金属化合物含量在0～15 m土层内变异系数值全部介于0.1与1.0之间，均呈现中等变异性。

表1 供试土样基本理化性质

表2 不同深度土壤水稳性团聚体分布/%

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

图1 不同土层深度下的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)Fig.1 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of water-stablemicro-aggregate in soil at different depths

2.3 土壤重金属化合物空间变异特征

采用 GS+9.0 对尾矿库不同土层深度重金属化合物含量进行半方差分析，表4为分析拟合结果。各种重金属化合物的半方差拟合类型以高斯 (Gaussian) 模型为主。尾矿库土壤中重金属化合物含量的块金值(C0) 均很小，表明在试验测定中由各种随机因素导致的空间变异程度很低。基台值(C0+C) 反映了重金属化合物在研究区域内的空间总变异程度，除了土层深度0～2 m的Co3O4、Cr2O3的拱高基台比0.25≤[C/(C0+C)]≤0.75，土层深度2～5 m的 ZnO和5～8 m的Co3O4、CuO、ZnO以及8～15 m的Cr2O3的拱高基台比 [C/(C0+C)]<0.25，其余数据拱高基台比均大于0.75，说明尾矿库土壤重金属化合物在研究尺度上具有较强的空间自相关。

表3 土壤重金属化合物含量描述性统计分析

表4 土壤重金属化合物半方差函数模型

2.4 土壤重金属化合物在各土层的分布情况

根据各种重金属化合物在尾矿库土层不同深度处的含量分布变化规律，结合普通克里金法内插取最优值，通过Surfer 11.0软件绘制出土壤重金属化合物含量空间插值分布图，并将其调整成为不同土壤深度下的垂向切片图(图2)。

由图2可见，卡房尾矿库土壤中各种重金属化合物的空间分布总体上差异较大。As2O3与NiO在尾矿库中随土层深度的增加，含量逐渐降低；CuO与ZnO在尾矿库中的变化趋势为随着土层深度增加，含量先在0～8 m深度中逐渐降低，后在8～15 m深度内增加；Cr2O3与Co3O4在尾矿库0～8 m深度中分布相对均匀，在8～15 m深度中含量增加。

2.5 土壤重金属化合物含量对水稳性微团聚体特征指标贡献水平分析

多元逐步回归分析方法能够获取各个解释变量对被解释变量的影响程度，并在回归方程出现异方差性，影响拟合效果，则会将此解释变量剔除[13]。本文以As2O3(X1)、Co3O4(X2)、Cr2O3(X3)、CuO(X4)、NiO(X5)、ZnO(X6) 等6种重金属化合物含量作为自变量，以MWD和GMD作为应变量Y，采用多元逐步回归分析进行拟合。由表5计算结果可以看出，回归方程的拟合效果较好，且经过方程筛选后的变量表明，尾矿库土壤中的 CuO与 ZnO含量是对水稳性微团聚体特征指标MWD与GMD产生影响的主要变量。

图2 土壤重金属化合物含量空间插值垂向切片图Fig.2 Vertical slice map of heavy metal compounds in soil at different depths

表5 逐步回归分析拟合结果

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

表6是回归方程中的两个自变量CuO(X4)与ZnO(X6)的标准化回归系数。标准化回归系数可以解释为当自变量X变化1个标准差时，应变量Y将会随之变化相应标准化回归系数数值的标准差，因此本文采用标准化回归系数来解释重金属化合物对水稳性微团聚体特征指标MWD与GMD的贡献水平。

根据表中数据可以看出，尾矿库0～8 m深度内，在ZnO保持不变的前提下，当CuO增加1个标准差时，MWD和GMD增加约0.6个标准差；在CuO保持不变的前提下，当ZnO增加1个标准差时，MWD和GMD增加约0.3个标准差，CuO含量对MWD和GMD的贡献水平大约是ZnO含量的2倍。尾矿库8～15m土层深度内，CuO和ZnO含量对水稳性微团聚体特征指标MWD和GMD的贡献水平基本持平。

表6 标准化回归系数

3 讨 论

卡房尾矿库土壤中的重金属化合物主要来自经过采选之后的尾矿，在土壤中随自然作用和人为影响迁移至尾矿库各处位置，各种重金属化合物对土壤的性质产生了不同程度的影响。关于土壤重金属对团聚体或微团聚体的影响已有了一些研究，但是不同学者的研究结果各有不同。韩馥[14]发现部分重金属元素在土壤微团聚体中含量较高，微团聚体在黏结形成大团聚体后会增加重金属的质量荷载；黄斌[15]通过试验发现游离氧化铁对土壤团聚体中重金属含量变化没有重要作用，与许多研究观点相反；侯彪[16]发现成都地区部分土壤重金属与团聚体稳定性呈现负相关；本研究发现，在卡房尾矿库中土壤的 CuO和 ZnO含量皆对微团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)影响极为明显，As2O3、Co3O4、Cr2O3、NiO对MWD和GMD的影响不明显，表明土壤中重金属化合物对土壤微团聚体的影响十分复杂，在尾矿库的特殊土壤环境下尤其如此。

在常规环境的土壤中，土壤微团聚体结构稳定性主要受到有机质含量的影响[17-18]。前人的大量试验表明有机质在土壤微团聚体中形成的胶结结构还会影响重金属的分布状况[19-21]。由于土壤有机质主要分布于微团聚体中，并且粒径越小越集中[22]，导致部分学者对大团聚体的研究结果为重金属含量与团聚体结构稳定性呈负相关。对于此种现象，国内外已有相关研究证明重金属元素对大团聚体稳定性、微团聚体稳定性具有相反的影响作用[23-24]。在卡房尾矿库的土壤中有机质含量极低而重金属含量较高，可以判断卡房尾矿库土壤团聚结构的形成基本未受有机质的作用，且尾矿库土壤内以微团聚体为主，由此看出微团聚体的形成主要受到土壤重金属化合物的影响[25]。基于此原因，卡房尾矿库土壤中 CuO和 ZnO含量与微团聚体结构稳定性呈现显著正相关。而研究结果中As2O3、Co3O4、Cr2O3、NiO这4种重金属化合物对土壤微团聚体稳定性影响不显著的原因，在查阅相关资料后，推测可能与这几种重金属阳离子在土壤中离子交换敏感性较低有关，导致土壤正电荷性质较弱，降低了其在土壤团聚过程中的静电吸附作用[26]。

4 结 论

1)卡房尾矿库的土壤中以水稳性微团聚体为主，占总体的96.74%。土层深度0～5 m的微团聚体团聚程度最高，结构最稳定。

2)卡房尾矿库土壤重金属化合物含量属于中等变异程度，在各土层深度中均服从正态分布。

3)通过地统计学方法分析出卡房尾矿库土壤重金属化合物含量具有较强程度的空间自相关。

4)重金属化合物含量在卡房尾矿库的土壤中出现2种分布规律：As2O3与 NiO 的含量随土层深度的增加而逐渐降低；CuO、ZnO、Co3O4与 Cr2O3的含量在0～8 m深度内均匀分布或者逐层下降，在8～15 m深度内含量上升。

5)影响卡房尾矿库土壤微团聚体结构稳定性的重金属化合物为CuO和ZnO，CuO与ZnO在0～8 m深度内呈现对微团聚体稳定性的贡献水平为2∶1，在8～15 m深度内呈现贡献水平为1∶1。