尾矿库土壤综合性质与沙棘生长状况相关性分析

郝 喆，陈 娜，张 颖，张 亮，肖圣博

(辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110013)

0 引言

尾矿库是指由山谷口、河道或洼地周围筑坝构成的，用以堆存和沉淀金属和非金属矿山进行矿石选别后的尾矿或其他工业废渣的贮存场所[1].尾矿库在矿山开采生产过程中是一个非常重要的设施，但也是一个巨大的环境风险源和危险源，它所带来的环境、安全问题需要得到社会的关注.由于矿产资源过度开采，导致区域生态环境极其脆弱，因此，开展尾矿库生态修复是必然之路[2，3].尾矿库生态修复后的土壤综合质量主要体现在土壤理化性质、土壤养分和土壤重金属含量，这些指标和修复植物生长状况之间存在着密切的相关性[4，5].本文主要根据尾矿库生态修复因子的检测结果，针对尾矿库土壤理化性质、土壤养分和土壤重金属污染与沙棘生长状况进行相关性分析和权重分析，旨为尾矿库生态修复研究提供理论依据.

1 现场采样

1.1 现场简介

歪头山尾矿库始建于1970年，正式投产使用于1972年，该尾矿库属省管二等山谷型尾矿库.现占地面积1.62 km2，汇水面积1.56 km2，水域面积15万m2，调洪库容56万m2，现库容量约为7 423×104m3.尾矿库现坝底标高180 m，坝顶标高为280 m，高约为100 m，坝顶坝长约为1 600 m.尾矿坝外坡陆续开展了生态修复工作.现场植被种类包括：沙棘(灌木)、紫穗槐(灌木)、紫花苜蓿(草本)、狗尾草(草本)、柠条锦鸡儿(灌木)、榆树(乔木)、杨树(乔木)等.

1.2 现场采样布置

采集尾矿库三个台阶的沙棘和其根系土壤进行实验分析，针对土壤理化性质、土壤养分和土壤重金属污染与沙棘生长状况进行相关性分析和权重分析.现场采样布置见图1所示.

2 土壤性质与沙棘生长状况的相关性分析

2.1 土壤理化性质与沙棘生长状况相关性分析

取3个平台(每平台8个样地)的沙棘生长状况与土壤理化性质数据进行平均处理，采用EXCEL软件将处理后的数据进行相关性分析，得表1.

图1 现场取样平面位置图

表1 尾矿沙棘生长状况和土壤理化性质相关系数(各层平台平均)

由表1可知，沙棘生长状况与土壤密度、电导率、pH值和阳离子交换量总体呈负相关，与含水率、孔隙比呈正相关.沙棘生物量、根径、地径、株高与土壤密度、孔隙比、pH值、阳离子交换量的相关性极高，与电导率呈现较高相关性，说明密度、pH值和阳离子交换量越大，沙棘生长越差，孔隙比越高，沙棘生长越好；主根长与电导率、阳离子交换量有着显著的相关性；土壤理化性质对沙棘覆盖度的影响较小.

2.2 土壤养分与沙棘生长状况的相关性分析

土壤养分与沙棘株高、地径等生长状况有着密切关系[6].取3个平台的沙棘植物修复样地的土壤养分与沙棘生长状况数据，采用EXCEL软件进行相关性分析，得表2.

表2 尾矿沙棘生长状况和土壤养分相关系数(各层平台平均)

由表2可知，沙棘生物量、根径、地径、株高与土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷含量呈极高的正相关性，与速效钾含量的正相关性较高，与土壤全磷含量呈显著的负相关，由此说明，提高土壤有机质、速效磷和速效钾、全氮、全钾、碱解氮的含量可以促进沙棘生长起，全磷对沙棘生长起抑制作用，其含量越高，沙棘生长状况越差；土壤养分含量对沙棘覆盖度的影响较小.

2.3 土壤重金属含量与沙棘生长状况的相关性分析

取3个平台的沙棘植物修复样地的土壤重金属含量与沙棘生长状况数据，采用EXCEL软件进行相关性分析，得表3.

表3 尾矿沙棘生长状况和土壤重金属污染相关系数(各层平台平均)

由表3可知，生物量、主根长、根径、地径、株高与Pb和As含量有着极高的正相关性，与Cr 和Ni含量呈现较高负相关相关性，说明Pb和As含量越高，沙棘生长越好，Cr 和Ni含量越高，沙棘生长状况越差；覆盖度与Cd含量呈极高的相关性.沙棘生长状况与土壤Cu含量呈负相关，但相关系数不大.

3 土壤综合性质对沙棘生长影响的权重分析

针对尾矿库土壤综合性质和沙棘生长状况统计数据进行权重分析，运用灰色系统的关联分析法，分析土壤理化性质、土壤养分、土壤重金属与地表植被状况的关联度，并确定其影响权重[7，8].首先参考相关研究[9]，采用德尔菲调查法，确定地表沙棘影响因子比例详见表4.

表4 沙棘影响因子比例表

提取表4中的相关数据，运用灰色系统的关联分析法，分析土壤理化性质、土壤养分、土壤重金属与沙棘状况的关联度[10，11]，并确定其影响权重.

根据表4的原始数据，列矩阵为：

进行初值变换后，得：

构成绝对差值矩阵，得：

Δmin=0，Δmax=0.26，取k=0.5，求得关联系数矩阵：

求得关联度：γ(1，0)=0.70；γ(2，0)=0.74；γ(3，0)=0.62.

排出关联序：γ(2，0)>γ(1，0)>γ(3，0).

由此排出的关联序可见：土壤理化性质和土壤养分和土壤重金属污染三者中，与地表植被状况关联度最差的为土壤重金属含量.

在确定权重的过程中，运用灰色关联分析可以比较客观地确定评价指标的权重，而且方法比较简单[12，13].在此，利用所得结果来说明因子权重的确定.

对上述计算关联度进行归一化处理：

得权重向量为：(α1，α2，α3)=(0.341，0.362，0.297)

式中：α1—土壤理化性质权重；α2—土壤养分权重；α3—土壤重金属污染权重.

综上可知，土壤养分对沙棘生长状态影响的权重值最大，其次是土壤的理化性质，土壤重金属污染的影响最小.

4 土壤性质对沙棘生长影响的综合评价

4.1 土壤理化性质指数的确定

针对土壤水分、土壤pH、阳离子交换量这三个因子，列出评价与指数表[9，14，15]，见表5所示.

表5 土壤理化性质评价因子与指数表

经统计分析，得出尾矿库土壤理化性质指数统计见表6.

表6 土壤理化性质指数统计表

4.2 土壤养分指数的确定

土壤养分分级参考相关研究[16-18]，经统计分析，得出尾矿库土壤养分指数统计见表7.

表7 土壤养分指数统计表

4.3 土壤重金属污染指数的确定

以《土壤环境质量标准》为依据，利用内梅罗综合污染指数法和单因子污染指数法[19]，计算得出尾矿库土壤重金属污染指数，详见表8.

表8 土壤重金属污染指数统计

4.4 土壤性质对沙棘生长影响的综合评价

表9 土壤性质对沙棘生长影响综合评价指数计算表

由表9可见，土壤综合性质对C区沙棘(3层沙棘)生长影响最大，其次是A区沙棘(1层沙棘)，对B区沙棘(2层沙棘)生长影响最小.

5 结论

1)生物量、根径、地径和株高与密度、pH值、电导率和阳离子交换量呈较高的负相关性，与孔隙比呈较高的正相关性，说明密度、电导率(EC)、pH值和阳离子交换量(CEC)越大，沙棘生长越差，孔隙比越高，沙棘生长越好；主根长与电导率和阳离子交换量有着显著的相关性.总之，土壤理化性质对沙棘生长有着一定的影响，适当调整土壤密度、孔隙比、pH值和阳离子交换量等可以促进沙棘生长.

2)土壤养分含量对沙棘的生长起到很大作用.沙棘的生物量、根径、地径、株高与土壤的有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾的含量总体呈极高的正相关，与全磷含量有着极高的负相关，提高有机质、速效磷和速效钾、全氮、全钾、碱解氮含量可以促进沙棘的生长，全磷含量对沙棘生长起抑制作用，其含量越高，沙棘生长状态越差；土壤养分对沙棘覆盖度的影响较小.

3)生物量、主根长、根径、地径、株高与Pb、As含量有着极高的正相关性，与Cr 和Ni含量呈现较高负相关相关性，说明Pb和As含量越高，沙棘生长越好，Cr 和Ni含量越高，沙棘生长状况越差；覆盖度与Cd含量呈极高的相关性.沙棘生长状况与土壤Cu含量呈负相关，但相关系数不大.

4)土壤养分对沙棘生长状态影响的权重值最大，其次是土壤理化性质，土壤重金属污染的影响最小.

5)土壤综合性质对C区沙棘生长影响最大，其次是A区沙棘，对B区沙棘生长影响最小.