代 静1,2 司万童1,3 赵雪波1,4 刘菊梅1,3 景雪梅3 王建英1,3 张雪峰1,2
(1.内蒙古科技大学 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室，内蒙古 包头 014010； 2.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010； 3.内蒙古科技大学 生物工程与技术研究所，内蒙古 包头 014010；4.内蒙古科技大学 人文与法律学院，内蒙古 包头 014010)
摘要：以稀土尾矿库周边湿地土壤作为研究对象，无污染的黄河湿地作为对照样地，在不同深度上研究了总磷、水解氮、速效钾和有机质等土壤养分含量的垂直分布特征。结果显示：整体上0～20 cm土层土壤养分含量高于底层，水解氮随着土壤深度的增加显著降低(P<0.05)，土壤养分等级为有机质>全磷>水解氮>速效钾。整个研究区域的土壤肥力普遍较低，土壤养分表现为有机质最优，全磷和水解氮次之，速效钾最差，耕作层土壤养分高于底层。研究明确了稀土尾矿库周边湿地土壤的垂直分布状况，对当地土壤生态环境保护提供参考。
关键词：养分等级；有机质；总磷；速效钾；水解氮
土壤是人类赖以生存的基本自然资源，良好的土壤肥力是土壤生产能力、土壤污染净化能力的基本保证，然而城市的快速发展以及大规模的工农业生产，使得土壤资源受到不同程度的污染[1-2]。目前已有研究者对某些尾矿库坝地以及郊区等地的土壤肥力进行了相关调查、评价和分析[3-6]。樊军[7]根据黄土高原中南部某地土壤进行的不同施肥方式，分析速效磷含量的剖面分布特点，发现随着土层深度的加深，耕作层以下磷含量急剧下降。高乐[8]对橡胶园的土壤养分空间变异进行了研究，发现0～20 cm土层的速效磷水平高于其他土层。选取土壤全磷、速效磷等不同因子作为水耕地肥力评价因子，发现各评价单因子以及综合评价分值与水稻产量都具有较高的正相关性[9]。关于我国各主要土类的土壤养分丰缺标准和土壤综合肥力评价标准研究较多，相关学者提出了多种土壤肥力的分级方法和评分方法[10-11]。
近年来，包头市某尾矿库由于受到强风的作用及降雨的冲刷和淋滤导致重金属等污染物质扩散到周边水体和土壤中，对当地土壤质量影响较大，致使当地大量农田废弃。有学者对该区域的周边土壤污染程度进行了一定的研究[3-4]，但未涉及当地土壤养分的分布特征和变化规律。本文选用全国第二次土壤普查的推荐评价方法，对研究区的土壤肥力状况进行评价。以该尾矿库南侧湿地土壤作为研究对象，研究土壤有机质、全磷、水解氮和速效钾等土壤养分的垂直分布特征，旨在明确区域农田质量的逐年下降与当地土壤肥力的变化关系，为合理改善该区域土壤环境、提高土壤肥力提供数据参考。
1.1 研究区概况
某尾矿坝位于包头市区西12 km之外，位于哈德门和昆都仑河冲洪积扇前缘交汇处。1965年正式投产使用，是平地筑坝围成，坝体周长11.5 km，占地面积约12 km2，有效库容0.6883亿 m3。该地区常年的主要风向为夏季多东南风，冬季多北风和西北风，年蒸发量为降水量的7.6倍。尾矿库库底的废水通过池底、库体及库基出现渗漏，其水质成分复杂[12]，尾矿库周边地下水及土壤受到污染情况见表1[1, 3-4, 11]，严重影响了当地居民生活，危害人畜健康[13]。选择此处湿地作为研究样地，选择昭君岛黄河湿地和小白河黄河湿地(自然保护区水质良好，草木茂盛)作为对照样地。
表1 该尾矿库周边土壤和地下水中主要污染物及其浓度
Table 1 The main pollutants in surroud soil and groundwater of the tailing
样点污染因子浓度国家标准尾矿库南侧As58.78～124.89mg/kgII级20mg/kg土壤Cd0.41～1.05mg/kgII级1mg/kg尾矿库南侧SO2-42.54～4444mg/LⅢ级250mg/L地下水Cl-33.6～2264mg/LⅢ级250mg/LNH+4-N0.238～10.36mg/LⅢ级0.2mg/L
1.2 样点设置与样品采集
本研究共设置6个采样点，分别为尾矿库W1、W2、W3，黄河湿地H1、H2、H3(图1)。其中W1、W2、W3分别距离尾矿库250，500，750 m。黄河湿地H1位于尾矿库正南方15 km，H2和H3分别位于H1下游15 km和20 km处。在每个样点利用土钻随机钻取9个土芯(n=9)，分5层(0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm),共采集270个土样，分别封装在自封袋中带回实验室，自然阴干后过10目土壤筛备用。最后对9个平行土样的测定结果取平均值。
图1 尾矿库及黄河周边湿地土壤采集样点分布
Fig.1 Soil sampling points in tailings and surrounding wetlands in the Yellow River
1.3 土壤样品前处理与分析
根据GB 15618—1995《土壤环境质量标准》、HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》、HJ 25.1—2014《场地环境调查技术导则》和HJ 25.2—2014《场地环境监测技术导则》进行土壤样品采集与分析[14-17]。土壤营养元素的测定参考国家标准方法，有机质采用重铬酸钾加热法，总磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法，水解氮采用碱解扩散法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法。
1.4 土壤养分分级
分级方法采用第二次土壤普查及有关标准(表2)。
1.5 数据分析
利用SPSS 19.0和Excel 2003软件包进行数据统计与分析,利用One-way ANOVA进行方差分析，P<>
表2 土壤养分分级标准
Table 2 Classification standards of soil nutrient
级别有机质/(g·kg-1)水解氮/(mg·kg-1)全磷/(g·kg-1)速效钾/(mg·kg-1)1>40>150>1.0>200230～40120～1500.8～1.0150～200320～3090～1200.6～0.8100～150410～2060～900.4～0.650～10056～1030～600.2～0.430～506<><><><>
2.1 有机质含量变化
土壤中不同深度有机质含量分布如图2所示。在H1、H2、H3处有机质含量随着与尾矿库距离增加而降低，W1、W2、W3处0～60 cm土层有机质含量随尾矿库距离的增加而升高，除W3点有机质含量随深度的增加显著降低外，其他各采样地土壤中有机质含量的空间异质性不明显。这与各采样点的植被性有较大关系，因为有机质主要由土壤微生物、土壤动物及其分泌物、土体中植物残体和植物分泌物构成。在H1、H2、H3和W1处，指标类型比较单一，以芦苇和香蒲为主，其他植物数量极少，这两种植物根系发达且入土很深，土壤常年处于水体浸泡的厌氧状态，使得当地土壤在0～100 cm的深度内，动植物残体和微生物种群相对稳定，这是当地有机质在各层之间差异较小的主要原因。W3采样点距离尾矿库湿地水边5 m左右土壤含水率较低，植被类型以芦苇为主，但多样性较高，草本类矮草较多，芦苇根系不发达，表层孔隙度大，有利于微生物的生长，这是在W3样点上有机质含量随深度逐层显著下降的主要原因。由于植被多样性高，W3上层(0～40 cm)有机质含量显著高于W1和W2，W2植被情况介于W1和W3之间。
2.2 水解氮含量变化
由图3可知：各采样点不同层土壤中水解氮的含量变化规律比较一致，随着与尾矿库距离的增加含量逐渐降低，即W1>W2>W3，H1>H2>H3。随着深度的增加，各采样点水解氮含量亦呈显著下降趋势，耕作层含量均显著大于底层含量。土壤中水解氮包括氨态氮和硝态氮等无机态氮，以及一部分易分解的有机态氮如氨基酸、酰胺态氮等，其含量受多方面因素的影响，如植物固氮作用、人工施肥、有机质分解及其土壤母质等。这些物质的形成绝大部分得益于好氧微生物对水生动植物残体的氧化分解，因此在土壤的表层富氧区含量较高。
2.3 全磷含量变化
由于磷的迁移率较低，在不施肥的情况下土壤中的磷含量会逐渐减低。磷在聚磷菌的长期作用下容易在植物根系富集，同时表层土壤的有机或无机胶体对土壤中的磷酸根也有较强的吸附作用。动植物残体会释放一部分磷元素积累在土壤上层，导致土壤耕作层的磷含量一般都高于底层，尤其是在植被多样性高且根系较浅的地方。在尾矿库湿地中，随着与尾矿库距离的增加，总磷含量逐渐降低(W1>W2>W3)(图4)。除了H1以外，其他各样点0～20 cm土壤总磷含量均显著高于深层土壤，且含量随着土层深度的增加呈下降趋势。尾矿库3个采样点的全磷含量低于黄河，这可能与黄河包头段磷含量较高有较大关系。黄河流经河套灌区后大量的富磷农灌退水排入黄河，导致黄河水中磷含量较高。
2.4 速效钾含量变化
土壤中的速效钾指易溶的钾盐，比如碳酸钾和硝酸钾等。此类钾离子较易被淋溶流失，因此一般在多雨的南方土壤中流失较严重，而在北方干旱土壤中含量较高。土壤中速效钾的来源除了本底和施肥外，动植物残体的释放也有一定贡献。从图5可见，速效钾含量整体趋势与水解氮相一致，在尾矿库样点(W1、W2、W3)，随着与尾矿库距离的增加速效钾含量升高，在含水量较低的W3速效钾含量最大。整体而言，各样点速效钾含量均随着土层深度的增加呈下降趋势，各样点速效钾含量均在表层(0～20 cm)处最高。这可能由于所有样点均在水边采样，0～20 cm处均高出水面，其他各层低于水面，含水量较高，受到水草的腐烂以及尾矿库渗漏水的下渗淋洗作用影响较大。
2.5 土壤养分评价
根据全国第二次土壤普查及有关标准(表2)对各采样点不同土层的土壤养分进行分级评价(表3)。结果显示,所有样点速效钾养分水平较低，均为6级水平；其次是水解氮含量，处于5～6级，表层土的水解氮养分水平稍高于其他土层；全磷水平处于中等水平，为3～4级；有机质水平处于1～4级，除H2、W1以外的表层土壤养分水平高于其他土层，W3点的有机质水平空间差异性较大，0～20 cm为1级水平而底层则为4级水平。
本研究明确了稀土尾矿库周边湿地土壤的垂直分布状况，主要表现为以下特征： 1)有机质水平最优，全磷和水解氮次之，速效钾最差。2)耕作层的肥力明显高于其他土层，但仍不利于植物的生长。
表3 各样点养分分级
Table 3 Soil nutrient classification of each plot
采样点深度/cm水解氮全磷速效钾有机质H10～20536220～40536240～60636260～80636280～1006362H20～20526220～40536340～60636360～80636280～1006363H30～20536420～40636440～60636460～80636480～1006364W10～20536320～40536440～60636460～80646480～1006363W20～20536320～40636340～60646360～80646380～1006464W30～20636120～40636240～60646360～80646480～1006464
3)根据土壤养分划分标准得出该研究区域的土壤肥力普遍较低，大部分土壤养分处于3～6级。应及时采取合理措施改善当地土壤环境，增加土壤养分，提高土壤肥力。
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张雪峰(1964-), 女, 博士, 教授, 博导,主要从事废弃物资源综合利用研究。jianyw1945@163.com
DAI Jing1,2, SI Wan-tong1,3, ZHAO Xue-bo1,4, LIU Ju-mei1,3, JING Xue-mei3, WANG Jian-ying1,3, ZHANG Xue-feng1,2
(1.Key laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2.School of Energy Resources and Environment Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 3.Inner Mongolia Key Laboratory of Biomass-Energy Conversion, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 4.School of Humanities and Laws, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)
Abstract：Comparing with the wetland of Yellow River in Baotou, a relatively unpolluted area was chosen as control plot. The concentrations of soil nutrients (organic matter, total phosphorus, hydrolytic nitrogen, and available potassium) were studied in different depths. The results showed that soil nutrients contents of top soils (0～20 cm) were higher than that in bottom layer. Especially, the nitrogen contents were significantly decreased with the increase of soil depth (P<0.05). overall,="" the="" soil="" nutrient="" level="" was="" organic="" matter="">total phosphorus>hydrolytic nitrogen>available potassium. The soil fertility of the study area was generally low, and the organic matter was the best, following with the total phosphorus and hydrolytic nitrogen, and available potassium was poor. The soil fertility in tillage layer was higher than that in bottom layer. This study assessed vertical distribution feature of soil nutrient in the rare tailings surrounding wetland, and had great significance for the local soil ecological environment protection.
Keywords：nutrient grade; organic matter; total phosphorus; available potassium; hydrolytic nitrogen
*国家自然科学基金(31460142); 环保部公益性行业专项(201309005); 内蒙古自然科学基金(2014BS0311, 2015MS0332)。
收稿日期：2016-04-15
DOI：10.13205/j.hjgc.201612033
第一作者：代静(1991-), 女, 硕士研究生,主要从事环境工程研究。15028426096@163.com
通信作者：司万童(1986-), 男, 博士, 副教授, 硕导,主要从事环境生物学研究。siwt02@163.com
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