不同土地利用類型下土壤銅累積狀況及其污染風(fēng)險(xiǎn)控制

管濱+孫虎

摘要：對(duì)陜西省寧陜縣旬陽(yáng)壩鎮(zhèn)的菜地、階地耕地、坡耕地、荒地、林地5種不同土地利用類型的437個(gè)土壤樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查分析，探討土壤銅的累積狀況，了解不同土地利用類型下土壤銅含量的差異。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤銅的平均值為24.29mg/kg，顯著高于全國(guó)土壤銅濃度背景值（22.60mg/kg），但未超過(guò)銅元素的累積臨界值（37.45mg/kg）。與全國(guó)銅濃度背景值相比，5種不同土地利用類型土壤銅出現(xiàn)不同程度的累積，銅平均含量由高到低順序?yàn)椋翰说?階地耕地>坡耕地>荒地>林地。

關(guān)鍵詞：土地利用類型；銅；污染；風(fēng)險(xiǎn)控制

中圖分類號(hào)：S158.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2015）04-0083-05

銅是一種人體必需的微量元素。WHO推薦成年男性日需要攝入量為0.7mg，成年女性日需要攝入量為0.8mg[1]。銅攝入量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、缺血性心臟病等疾病的發(fā)生[2]。銅的口服劑量大于200mg/kg體重將會(huì)使人致命[3]。同時(shí)，植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程離不開(kāi)銅[4]，但土壤中銅的大量累積不但會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)，而且會(huì)污染生境[5]。目前對(duì)銅濃度累積狀況的研究集中在市域、縣域、湖泊[6]。本研究以鎮(zhèn)域?yàn)檠芯糠秶?，?duì)陜西省寧陜縣旬陽(yáng)壩鎮(zhèn)不同土地利用類型下銅累積狀況進(jìn)行調(diào)查分析并探討了其污染風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策。

收稿日期：2014-09-30

基金項(xiàng)目：教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“陜南南水北調(diào)水源區(qū)景觀生態(tài)變化與土壤侵蝕關(guān)系研究”（105152）

1材料與方法

1.1樣品采集與分析

本研究區(qū)為位于南水北調(diào)中線水源區(qū)和國(guó)家天然林資源保護(hù)工程項(xiàng)目區(qū)的寧陜縣旬陽(yáng)壩鎮(zhèn)。旬陽(yáng)壩鎮(zhèn)位于陜西省寧陜縣城東北34km，東經(jīng)108°25'12"～108°41'24"，北緯33°24'36"～33°36'36"，全鎮(zhèn)總面積176km2，自1998年以來(lái)，本區(qū)全面停止采伐，開(kāi)始實(shí)施天然林保護(hù)工程，許多坡耕地變成板栗林。本區(qū)森林資源豐富，森林面積1.73×104hm2，森林覆蓋率達(dá)97%以上；全鎮(zhèn)有耕地399.07hm2，均分布在月河、腰竹溝的沿河兩岸，主產(chǎn)洋芋、玉米等農(nóng)作物，占全鎮(zhèn)總面積的2%。

本次樣品采集時(shí)問(wèn)為2013年7月，根據(jù)野外采樣經(jīng)驗(yàn)選取階地耕地、坡耕地、菜地、荒地、林地5種土地利用類型，根據(jù)研究區(qū)的地勢(shì)、地形特點(diǎn)，每種土地類型每隔5m選取一個(gè)樣點(diǎn)，采用“S”法取樣，深度為耕層O～20cm，取樣工具為不銹鋼土鉆。同時(shí)，考慮到采樣面積小，需要定位的精度高，普通GPS難以滿足定位的需求，因此，用皮尺在田間測(cè)量確定采樣點(diǎn)，用GPS確定4個(gè)邊界點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)每個(gè)土地類型面積的大小確定點(diǎn)位和布點(diǎn)數(shù)量，共采集437個(gè)樣本。樣品取后帶回實(shí)驗(yàn)室，把植物根系、石子等雜物取出，自然風(fēng)干。采樣點(diǎn)具體情況見(jiàn)表1，各樣地形狀及走向見(jiàn)圖1。

土壤銅濃度測(cè)定：首先利用振動(dòng)磨（粉磨時(shí)間為10s）將土壤樣品制成粉末，混合均勻；其次，稱取4g樣品于樣品環(huán)內(nèi)，在壓片機(jī)上壓成樣片（壓力定為30L），并將樣片放入干燥箱進(jìn)行干燥。最后，將制好的樣品放在X射線熒光光譜儀樣品盒內(nèi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)操作，樣品自動(dòng)輸入射線熒光光譜儀，48h后得出土壤銅濃度結(jié)果。

1.2數(shù)據(jù)處理

用ArcGIS10.0制作研究區(qū)地理位置圖。采用SPSS17.0做正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和方差分析。使用Origin8.5檢驗(yàn)并制作5種土地利用類型下銅濃度對(duì)數(shù)直方圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同土地利用類型下土壤銅濃度

由表2看出，437個(gè)樣點(diǎn)銅濃度的幾何平均值為24.29mg/kg，顯著高于全國(guó)土壤銅濃度背景值（22.60mg/kg）[7]（P<0.01）。5種土地利用類型下銅濃度（濃度對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后）頻數(shù)直方圖如圖2所示。在5種土地利用類型中，菜地銅濃度均值最大，為25.47mg/kg；階地耕地次之，為25.26mg/kg；坡耕地為25.13mg/kg。菜地、階地耕地、坡耕地土壤銅濃度均高于荒地、林地。荒地、林地土壤銅平均濃度分別為23.36、23.23mg/kg，仍高于全國(guó)土壤銅濃度背景值。

土壤元素累積臨界值是土壤是否污染的判斷標(biāo)準(zhǔn)[8]。銅元素的累積臨界值為37.45mg/kg（由幾何平均數(shù)和方差的平方的乘積確定）。在全部437個(gè)樣點(diǎn)中，其中一菜地樣點(diǎn)的濃度最大，為32.30mg/kg，但仍小于銅元素的累積臨界值。菜地銅濃度均值最大（濃度為25.69mg/kg），但仍顯著小于臨界值37.45mg/kg（P<0.01）?？梢?jiàn)陜兩省寧陜縣旬陽(yáng)壩鎮(zhèn)土壤并未受到銅元素的污染。

2.2不同土地利用類型下銅濃度差異

5種土地利用類型下銅濃度差異的方差分析結(jié)果（表3）表明，坡耕地、階地耕地、菜地銅濃度均值顯著高于荒地與林地（P<0.01）；階地耕地和坡耕地之間沒(méi)有顯著差異，可見(jiàn)，地形對(duì)土壤銅濃度的累積沒(méi)有顯著影響。菜地銅濃度雖高于階地耕地和坡耕地，但無(wú)顯著差異。因?yàn)?，兩類耕地和菜地同樣受人為活?dòng)影響，相對(duì)來(lái)講菜地耕作強(qiáng)度更大，且使用有機(jī)肥和農(nóng)藥更多；荒地和林地中土壤銅濃度遠(yuǎn)低于其他土地利用類型，因?yàn)榇祟惖仄h(yuǎn)或地形復(fù)雜，受人為擾動(dòng)小，但是荒地和林地土壤銅平均濃度顯著高于全國(guó)土壤銅背景值。

2.3土壤銅來(lái)源分析

成土母質(zhì)、銅制劑農(nóng)藥、有機(jī)肥是土壤銅的主要來(lái)源。土壤是地殼表層巖石風(fēng)化與成土作用的產(chǎn)物，除了礦點(diǎn)和污染點(diǎn)外，總體上看土壤的化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定，元素的含量水平和變化幅度也相對(duì)穩(wěn)定[7]。土壤背景值是未受污染的土壤基本化學(xué)組成[9]。本試驗(yàn)測(cè)得土壤銅的平均濃度為24.29mg/kg，比全國(guó)土壤銅背景值（22.60mg/kg）高0.84mg/kg，銅濃度背景值占本研究區(qū)銅濃度的93.04%?？梢?jiàn)，在本研究中成土母質(zhì)是銅的最主要來(lái)源。endprint

銅制劑農(nóng)藥是導(dǎo)致土壤銅增加的一個(gè)重要原因[10]。波爾多液因其粘著力強(qiáng)且長(zhǎng)期使用不產(chǎn)生抗藥性而作為最典型的銅制劑農(nóng)藥，同時(shí)也是生產(chǎn)上使用較廣泛的農(nóng)藥。波爾多液噴灑過(guò)程中，一部分直接噴灑在土壤上，其余部分會(huì)隨著枝葉進(jìn)入土壤，這樣會(huì)導(dǎo)致土壤中銅含量增加。巴西可可種植園、法國(guó)的葡萄園及英國(guó)的蘋果園土壤銅含量銅量較高也是大量噴灑波爾多液的結(jié)果[12]。波爾多液等含銅制劑不僅用在果園，在菜地也使用[13]。本研究中，5種不同土壤利用類型中菜地含銅量最高，這與菜地使用波爾多液等含銅制劑農(nóng)藥有關(guān)。

有機(jī)肥的施用是土壤銅增加的一個(gè)重要因素。有機(jī)肥具有培肥地力和改善作物品質(zhì)等特性，因此在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中經(jīng)常施用[14]。王開(kāi)峰等[15]通過(guò)對(duì)7塊稻田長(zhǎng)期試驗(yàn)觀測(cè)得出，有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用增加了土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，中高量有機(jī)肥的施用使銅的活化率、全量和有效態(tài)含量明顯升高。本研究中，階地耕地和坡耕地的銅含量顯著高于荒地和林地，有機(jī)肥在銅累積方面起到重要作用。

2.4土壤銅污染控制對(duì)策

銅在土壤中的污染不僅與銅的含量有關(guān)，還與土壤對(duì)銅的吸附、解吸、遷移等特性以及外界環(huán)境因素有關(guān)[16]。吸附、解吸是銅進(jìn)入土壤后發(fā)生的主要化學(xué)過(guò)程，影響著銅在固相、液相中的分配[17]。通過(guò)調(diào)節(jié)吸附和解吸的影響因素（pH值，土壤組分）可以減少土壤液相中銅離子，增加土壤固相的銅離子，從而減少植物對(duì)銅離子的吸收，降低果實(shí)中的銅含量。外界環(huán)境（降水，溫度）是影響銅污染的因素之一，可影響作物對(duì)銅的吸收量、吸收速度以及吸收時(shí)間。

含銅農(nóng)藥波爾多液作為殺菌劑在果園、菜地上的廣泛使用，使得土壤中銅大量增加，甚至導(dǎo)致土壤污染，果實(shí)銅含量超標(biāo)。為此必須尋找抗菌植物或者尋找波爾多液替代者。有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用增加了重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于有機(jī)肥的施用，需在正確指導(dǎo)的前提下科學(xué)使用。

植物修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)、持久的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行大面積污染治理，因此逐漸成為修復(fù)土壤污染的良好技術(shù)措施。自1983Chaney[18]提出植物修復(fù)以來(lái)，超富集植物修復(fù)土壤污染的研究日益增多。目前已發(fā)現(xiàn)海州香薷、星香草、紫花苜蓿等植物具有銅超積累特性。其中，已知的銅積累量最高的植物是異葉柔花（AeollanthusbiformifoliusDeWild），其含銅量高達(dá)3.92mg/g[19]。因此，可選擇合適的超富集植物來(lái)修復(fù)銅濃度過(guò)高或銅污染土壤。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)寧陜縣旬陽(yáng)壩鎮(zhèn)土壤中銅的調(diào)查分析表明，研究區(qū)土壤銅的平均值為24.29mg/kg，顯著高于全國(guó)土壤銅濃度背景值（22.60mg/kg），但未超過(guò)銅元素的累積臨界值（37.45mg/kg）。在5種不同土地利用類型中，銅含量由高到低的順序?yàn)椋翰说?階地耕地>坡耕地>荒地>林地。與全國(guó)土壤銅背景值相比，5種土地利用類型的土壤銅含量都顯著增加，出現(xiàn)一定的累積。endprint