黃土高塬溝壑區(qū)農(nóng)田土壤重金屬及礦質(zhì)元素變化分析①

徐 娜，黨廷輝*

(1陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；3 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

土壤作為地球生物賴以生存的介質(zhì)，是生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成。土壤中各種元素的含量偏低或超標(biāo)都會(huì)影響地球上所有植物的生存健康，這些元素通過綠色植物吸收，一步步地通過食物鏈到達(dá)生物體內(nèi)部富集，若導(dǎo)致某些有害元素含量超標(biāo)，則會(huì)直接危害生物的健康[1]。目前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)快速發(fā)展時(shí)期，各種化工產(chǎn)品生產(chǎn)速度快，制造量大，諸如礦業(yè)、電鍍、冶煉、化工等產(chǎn)生的廢水、廢渣以及農(nóng)田的污水灌溉，農(nóng)藥、化肥等使用不當(dāng)都會(huì)加重土壤重金屬的污染[2-3]，土壤重金屬已成為環(huán)境、土壤學(xué)界研究的熱點(diǎn)話題[4-9]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)耕地已受到一定程度的重金屬污染，其污染面積約占耕地總面積的1/5，這將直接導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，使得國(guó)家糧食產(chǎn)值受到影響[10]。土壤中的污染重金屬主要包括Cd、As、Hg、Pb、Cr等具有強(qiáng)烈生物毒性的元素，也包括具有一定毒性的一般重金屬如Ni、Cu、Zn、Si等元素，諸如此類的土壤重金屬污染具有不可逆、長(zhǎng)期性、滯后性等特點(diǎn)，潛在危害性大，若通過食物鏈累積放大進(jìn)入人體內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良后果[11-13]。黃土高塬溝壑區(qū)作為典型的渭北旱塬耕作區(qū)域，長(zhǎng)期以來大部分研究多集中于土壤養(yǎng)分元素變化、農(nóng)田耕作措施效應(yīng)以及水肥調(diào)控等方面，對(duì)于農(nóng)田土壤重金屬和土壤礦質(zhì)元素方面的研究鮮有報(bào)道[14-19]。本研究以黃土高塬溝壑區(qū)旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)域?yàn)楸尘?，其栽培管理及施肥耕作方式完全參照?dāng)?shù)氐拇筇锕芾砟Ｊ?，與其他施肥、耕作等規(guī)范化管理的田間試驗(yàn)相比，本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)的田間管理更加接近當(dāng)?shù)剞r(nóng)田的實(shí)際情況，研究結(jié)果具備更加良好的指導(dǎo)意義。重點(diǎn)研究當(dāng)?shù)剞r(nóng)田特有的兩種土壤，黑壚土和黃綿土在不同管理?xiàng)l件下的土壤重金屬變化，并對(duì)其剖面分布加以分析，初步了解黃土高塬溝壑區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的分布特征及土壤健康狀況；進(jìn)而分析土壤礦質(zhì)元素含量，了解區(qū)域土壤分化發(fā)育情況。

1 材料與方法

1.1 自然概況

監(jiān)測(cè)地位于陜西省長(zhǎng)武縣中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)站，地處黃土高原中南部陜甘交界處的長(zhǎng)武縣洪家鎮(zhèn)王東村，35°12′～35°16′N，107°40′ ～107°42′E，海拔 940～1 220 m，地下水埋深 50～80 m，年均降水580 mm，年平均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。土壤母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，土體疏松，通透性好。該區(qū)屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)域，作物所需水分均依賴于自然降水，地貌屬高塬溝壑區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)置塬面和梯田兩種監(jiān)測(cè)地形，塬面土壤類型為黑壚土，根據(jù)肥料管理設(shè)置四大試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，分別為無肥監(jiān)測(cè)區(qū)(CK)，化肥監(jiān)測(cè)區(qū)(HF)，化肥有機(jī)肥監(jiān)測(cè)區(qū)(NPM)和3塊農(nóng)民地監(jiān)測(cè)區(qū)(NM1、NM2、NM3)；梯田監(jiān)測(cè)區(qū)(LS)土壤類型為黃綿土，其培肥措施與化肥監(jiān)測(cè)區(qū)(HF)一致。農(nóng)民地監(jiān)測(cè)區(qū)是在試驗(yàn)站周圍農(nóng)田選擇具有代表性的3個(gè)農(nóng)戶田塊，施肥方式和用量均遵循當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣，以氮、磷和有機(jī)肥為主，各監(jiān)測(cè)區(qū)肥料用量范圍見表1。試驗(yàn)所用肥料氮肥以尿素為主、磷肥以過磷酸鈣為主，有機(jī)肥料以農(nóng)家肥為主，肥料基本上在作物播種前作為基肥撒施，小麥品種為“長(zhǎng)旱58”。本研究試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)的農(nóng)田管理完全符合當(dāng)?shù)卮筇锕芾砟Ｊ?，因此施肥量存在一定的波?dòng)，這樣也更能符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)田的實(shí)際情況。各監(jiān)測(cè)區(qū)面積分別為 CK 350 m2，HF 2 704 m2，NPM 350 m2，NM 1 1 998 m2，NM 2 1 332 m2，NM 3 666 m2，LS 999 m2。

表1 各監(jiān)測(cè)區(qū)施肥水平(kg/hm2)Table 1 Fertilization levels of monitored areas

1.3 樣品采集與測(cè)定分析

土壤樣品采集：于小麥?zhǔn)斋@期分別采集 0 ～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm 剖面土壤樣品。在采樣區(qū)內(nèi)，采用“W”型布點(diǎn)，每線段采5點(diǎn)混合，形成3～6個(gè)土壤表層樣品，混勻后取部分樣品分別過1 mm和0.149 mm篩，用于土壤養(yǎng)分分析。

Cd采用HCl-HNO3-HF-HClO4-H2SO4消煮-石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定；Pb采用 HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-ICP-AES法測(cè)定；Cr、Ni采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-ICP法測(cè)定；Hg采用1∶1王水消煮-冷原子熒光吸收法測(cè)定；As采用1∶1王水消煮-氫化物發(fā)生原子熒光光譜法測(cè)定。土壤礦質(zhì)全量采用X射線熒光光譜法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料均來自中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集[20]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用 SigmaPlot 12.5和 SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施肥監(jiān)測(cè)區(qū)土壤重金屬的空間分布特征

2.1.1 土壤Cd元素含量變化 在本研究區(qū)域，各個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)土壤 Cd元素的變化規(guī)律不同(圖 1)。對(duì)于塬面黑壚土，在0～10 cm土層內(nèi)，CK、HF、NPM、NM監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤Cd元素含量分別為0.162、0.165、0.169和0.149 mg/kg，其中NM監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤 Cd元素含量明顯低于其他 3個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，而CK、HF和NPM 3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)之間無明顯差異性。在10～20 cm土層內(nèi)，所有試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)的Cd元素含量均在0.150 mg/kg左右，CK監(jiān)測(cè)區(qū)最高，為0.154 mg/kg；NPM最低，為0.143 mg/kg，各試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)之間差異不顯著。由圖1可以看出，在20 cm土層以下，隨著土層深度的加深，各試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)之間土壤Cd元素的變化差異也逐漸增大。在20～40 cm土層內(nèi)，HF監(jiān)測(cè)區(qū)的 Cd元素含量明顯高于其他試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，為0.192 mg/kg；其次是NPM監(jiān)測(cè)區(qū)，為0.162 mg/kg；NM 監(jiān)測(cè)區(qū)為 0.153 mg/kg；CK監(jiān)測(cè)區(qū)最小，為0.138 mg/kg。40～60 cm土層內(nèi)，土壤Cd元素含量表現(xiàn)出CK＞NM＞HF＞NPM，分別為0.176、0.163、0.145和0.121 mg/kg。60～100 cm土層內(nèi)，HF監(jiān)測(cè)區(qū)最高，為0.165 mg/kg，其他3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)Cd元素含量均在0.130 mg/kg左右，HF監(jiān)測(cè)區(qū)的Cd元素含量顯著高于其他3個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)。對(duì)于梯田黃綿土LS監(jiān)測(cè)區(qū)，Cd元素含量表現(xiàn)出隨著土層深度的加深呈現(xiàn)波浪式降低，依土層自上而下其Cd元素含量分別為 0.154、0.140、0.153、0.126和 0.141 mg/kg，0 ～10 cm和20～40 cm土層，Cd元素含量基本相同且高于其他土層。通過分析可知，所有試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)0 ～100 cm土層內(nèi)土壤Cd元素含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.20 mg/kg)，表層及深層土壤均未出現(xiàn)土壤Cd污染情況。由圖1可以看出，隨著土層深度的加深，LS監(jiān)測(cè)區(qū)和NPM監(jiān)測(cè)區(qū)Cd元素含量變化趨勢(shì)基本一致，都呈現(xiàn)波浪式降低，表層和中部含量較其他土層偏高；CK監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Cd元素含量表現(xiàn)出表層和中部含量高，底層含量低的分布規(guī)律；HF監(jiān)測(cè)區(qū)表現(xiàn)出中部含量高，其他土層含量相對(duì)較低；NM監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Cd元素含量在中部以上土層表現(xiàn)較穩(wěn)定，中部以下土層隨著深度的加深明顯降低?？梢钥闯?，梯田黃綿土的Cd元素含量整體低于塬面黑壚土。

圖1 不同施肥處理土壤Cd元素含量變化Fig.1 Profile distributions of Cd contents under different fertilization levels

2.1.2 土壤Pb元素含量變化 不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)之間土壤Pb元素的變化規(guī)律不同(圖2)。對(duì)于塬面黑壚土，在表層0～10 cm土層內(nèi)，HF監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量最高，為22.33 mg/kg；其次是CK監(jiān)測(cè)區(qū)和NPM監(jiān)測(cè)區(qū)，二者之間無明顯差異，21.90 mg/kg左右；NM監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量最小，為21.43 mg/kg。在10～20 cm土層，NPM監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量明顯低于其他3個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，為21.17 mg/kg，而HF、NM和CK監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量均在22 mg/kg左右。由圖2可以看出，在20 cm土層之下，各監(jiān)測(cè)區(qū)之間Pb元素含量差異增大。在20～40 cm土層內(nèi)表現(xiàn)出HF＞NPM＞CK＞NM，Pb元素含量分別為23.7、22.73、21.37和21.23 mg/kg。40～60 cm土層內(nèi)，CK監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量最高，為23.57 mg/kg，其余3個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)Pb含量均在22.50 mg/kg左右。在60～100 cm土層內(nèi)，HF監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量顯著高于其他3個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，為 24.87 mg/kg；CK、NPM、NM監(jiān)測(cè)區(qū) Pb元素含量依次降低，分別為 22.77、22.47和21.77 mg/kg。對(duì)于梯田黃綿土監(jiān)測(cè)區(qū)，在0～20 cm土層內(nèi)，Pb元素含量基本相同，均在21.40 mg/kg左右；20 cm土層以下，隨著土層深度的加深Pb元素含量逐漸降低，維持在20.00 mg/kg左右。通過分析可知，在該研究區(qū)域，黑壚土和黃綿土監(jiān)測(cè)區(qū)域的0～100 cm土層內(nèi)，Pb元素含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≤35 mg/kg)，未造成土壤重金屬 Pb的污染。由圖2分析可知，對(duì)于CK、HF和NPM監(jiān)測(cè)區(qū)，Pb元素含量表現(xiàn)出隨著土層深度的加深而逐漸增大的趨勢(shì)；NM監(jiān)測(cè)區(qū)Pb元素含量基本維持穩(wěn)定狀態(tài)；LS監(jiān)測(cè)區(qū) Pb元素含量隨著土層深度的加深逐漸降低。整體看出，梯田黃綿土的Pb元素含量明顯小于塬面黑壚土的Pb元素含量，這一方面與土壤類型本身有關(guān)，另一方面也與梯田土壤性質(zhì)相關(guān)。

圖2 不同施肥處理土壤Pb元素含量變化Fig. 2 Profile distributions of Pb contents under different fertilization levels

2.1.3 土壤Cr元素含量變化 塬面黑壚土的不同施肥監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Cr元素含量變化規(guī)律基本一致，在各個(gè)土層內(nèi)，不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)之間Cr元素含量變化差異明顯；而梯田黃綿土的Cr元素含量變化率不大(圖3)。對(duì)于黑壚土監(jiān)測(cè)區(qū)域來說，在0～10 cm土層內(nèi)，Cr元素含量表現(xiàn)出 CK＞HF＞NPM＞NM 監(jiān)測(cè)區(qū)，分別為77.93、76.97、73.67和67.17 mg/kg，NM監(jiān)測(cè)區(qū)的Cr元素平均含量顯著低于其他監(jiān)測(cè)區(qū)。在10 cm 以下土層，Cr含量均表現(xiàn)出 HF＞CK＞NPM＞NM，特別是在10～20 cm和20～40 cm土層變化率最大，其含量分別為 78.70、76.67 、71.87、68.7 mg/kg和77.33、77.16、75.8、68.06 mg/kg，NM監(jiān)測(cè)區(qū)的Cr元素含量顯著低于其他監(jiān)測(cè)區(qū)。40～60 cm土層內(nèi)各監(jiān)測(cè)區(qū)之間的Cr元素含量差異減小，均在72～78 mg/kg之間；60～100 cm土層，CK和HF監(jiān)測(cè)區(qū)Cr元素含量均在84 mg/kg左右，NPM和NM監(jiān)測(cè)區(qū)Cr元素含量均在77 mg/kg左右。對(duì)于梯田黃綿土LS監(jiān)測(cè)區(qū)而言，其Cr元素含量隨著土層深度的加深未表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，表層含量略高，為67.50 mg/kg，其他土層基本維持在65.00 mg/kg左右。所有試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)0～100 cm土層內(nèi)，土壤Cr元素含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(≤90 mg/kg)。由圖3可以看出，黑壚土不同施肥監(jiān)測(cè)區(qū)的Cr元素含量在土壤垂直剖面上均表現(xiàn)出隨土層深度的增加而增大的趨勢(shì)。NM監(jiān)測(cè)區(qū)Cr元素平均含量在40 cm以下土層出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；其他3個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)Cr含量在60 cm以下土層出現(xiàn)明顯的持續(xù)增長(zhǎng)。梯田黃綿土的Cr元素含量明顯低于黑壚土監(jiān)測(cè)區(qū)域。

圖3 不同施肥處理土壤Cr元素含量變化Fig. 3 Profile distributions of Cr contents under different fertilization levels

2.1.4 土壤Ni元素含量變化 不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Ni元素含量變化不同(圖4)。對(duì)于塬面黑壚土，0 ～10 cm土層，NM監(jiān)測(cè)區(qū)的Ni元素含量顯著高于其他試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，達(dá)到40.03 mg/kg；其次是HF監(jiān)測(cè)區(qū)，為34.97 mg/kg；CK監(jiān)測(cè)區(qū)和NPM監(jiān)測(cè)區(qū)含量最小，均在33 mg/kg左右。10～20 cm土層，CK、HF和NPM監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Ni元素含量變化率都較小，NM監(jiān)測(cè)區(qū)出現(xiàn)明顯下降，下降至31.8 mg/kg。20～40 cm土層內(nèi)，NM監(jiān)測(cè)區(qū)Ni元素含量升高至37.6 mg/kg，CK和HF均在35 mg/kg左右，NPM監(jiān)測(cè)區(qū)繼續(xù)維持在33 mg/kg左右。40 cm土層以下，土壤Ni含量持續(xù)增長(zhǎng)，并呈現(xiàn)出HF＞CK＞NPM＞NM的趨勢(shì)，分別為40.1，37.5，36.3和35.6 mg/kg。梯田黃綿土0～10 cm土層的Ni元素含量為30.13 mg/kg，隨著土層深度的加深，Ni元素含量出現(xiàn)略微增長(zhǎng)，均維持在30.75 mg/kg左右。通過與土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≤40 mg/kg)比較可知，NM監(jiān)測(cè)區(qū)0～10 cm土層和HF監(jiān)測(cè)區(qū)60～100 cm土層的土壤Ni含量略微偏高，其他試驗(yàn)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)土層Ni含量均處于正常水平。由圖 4可以看出，梯田黃綿土 LS監(jiān)測(cè)區(qū)的 Ni元素含量明顯低于黑壚土監(jiān)測(cè)區(qū)域，且隨土層深度的變化率較??；塬面黑壚土NM監(jiān)測(cè)區(qū)表層土壤Ni含量顯著高于底層土壤，其他3個(gè)不同施肥監(jiān)測(cè)區(qū)均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而增加的趨勢(shì)，出現(xiàn)Ni的深層累積現(xiàn)象。

圖4 不同施肥處理土壤Ni元素含量變化Fig. 4 Profile distributions of Ni contents under different fertilization levels

2.1.5 土壤Hg元素含量的變化 不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)各土層內(nèi)土壤Hg元素含量不同，塬面黑壚土監(jiān)測(cè)區(qū)表層(0～20 cm)基本呈現(xiàn)出NPM＞HF＞NM＞CK的變化規(guī)律，含量分別為0.041、0.036、0.032和0.024 mg/kg；0～10 cm和 10～20 cm 土層的 Hg含量變化率較小。在20～40 cm土層，CK監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Hg含量出現(xiàn)明顯升高，達(dá)到0.042 mg/kg；其次是HF監(jiān)測(cè)區(qū)，Hg含量未出現(xiàn)明顯變化；NPM和NM監(jiān)測(cè)區(qū)均出現(xiàn)明顯降低，分別降至 0.027 mg/kg和 0.023 mg/kg。40～60 cm土層，各監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Hg含量仍出現(xiàn)持續(xù)降低，HF、CK、NPM和NM監(jiān)測(cè)區(qū)的Hg含量分別為 0.024、0.020、0.019 和 0.016 mg/kg。60～100 cm土層土壤Hg含量變化率較小，基本維持穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于梯田黃綿土 LS監(jiān)測(cè)區(qū)而言，Hg元素含量隨著土層深度的加深變化率不大，各土層內(nèi)的Hg含量基本維持在0.014 mg/kg左右，低于黑壚土各監(jiān)測(cè)區(qū)域Hg含量。由分析結(jié)果可知，在0～100 cm土層，各試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤Hg含量均小于土壤環(huán)境一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.15 mg/kg)。由圖5可知，各施肥監(jiān)測(cè)區(qū)表層(0～20 cm)Hg含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤底層含量，并且隨著土層深度的加深呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢(shì)，在 10 ～20 cm土層出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，60 cm土層以下變化率降低，基本維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 不同施肥處理土壤Hg元素含量變化Fig. 5 Profile distribution of Hg contents under different fertilization levels

有研究表明，重金屬Hg元素與土壤pH呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)，尤其是在pH＞5時(shí)，隨著pH的繼續(xù)升高，土壤中Hg2+的吸附量降低[21-22]。本研究區(qū)域的黑壚土和黃綿土的 pH均大于7.5，呈強(qiáng)堿性土壤，在一定程度上減少了土壤中Hg2+的吸附，使土壤重金屬Hg的含量偏低。

2.1.6 土壤 As元素含量的變化 不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)土壤As元素含量不同，對(duì)于塬面黑壚土而言，在整個(gè)監(jiān)測(cè)土層范圍內(nèi)，NM監(jiān)測(cè)區(qū)土壤As元素含量明顯小于其他施肥監(jiān)測(cè)區(qū)(圖6)。在0～10 cm土層內(nèi)，NPM＞HF＞CK＞NM，其As元素含量分別為14.67、14.50、13.43 和 11.53 mg/kg，并且在 10 ～20 cm土層As含量也呈現(xiàn)出相同的大小規(guī)律。30 cm土層以下，不同施肥監(jiān)測(cè)區(qū)As元素含量的大小發(fā)生變化，表現(xiàn)為HF＞CK＞NPM＞NM監(jiān)測(cè)區(qū)。20 ～40 cm土層，As含量按大小順序分別為14.27、13.53、13.00 和 11.27 mg/kg；40～60 cm 土層分別為 14.97、14.83、14.5和 10.3 mg/kg；60～100 cm 土層分別為15.83、15.80、15.47和10.57 mg/kg。整體看出，黑壚土NM監(jiān)測(cè)區(qū)的As元素含量顯著低于其他施肥監(jiān)測(cè)區(qū)，在表層0～30 cm，各監(jiān)測(cè)區(qū)之間As元素含量變化差異較大，隨著土層深度的加深，CK、HF和NPM之間的As含量差異減小。對(duì)于梯田黃綿土LS監(jiān)測(cè)區(qū)而言，其As元素含量隨著土層深度的加深緩慢降低，依土層自上而下其 As含量依次為11.00、11.17、10.97、11.13和10.43 mg/kg。與土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≤15 mg/kg)相比，CK監(jiān)測(cè)區(qū)和HF監(jiān)測(cè)區(qū)的60～100 cm土層，NPM監(jiān)測(cè)區(qū)的10 ～20 cm、60～100 cm土層，As元素含量均出現(xiàn)超標(biāo)，其他各試驗(yàn)監(jiān)測(cè)土層As含量均處在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。由圖6可以看出，CK、HF和NM監(jiān)測(cè)區(qū)As元素含量在0～40 cm土層內(nèi)變化率較小，NPM監(jiān)測(cè)區(qū)呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，40 cm土層以下，As含量基本呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，整體表現(xiàn)表層低、底層高，As元素出現(xiàn)深層累積現(xiàn)象。LS監(jiān)測(cè)區(qū)As元素含量隨著土層深度的加深變化率較小。

圖6 不同施肥處理土壤As元素含量變化Fig. 6 Profile distribution of As contents under different fertilization levels

通過分析可知，在本研究監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，黃綿土監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)各類重金屬含量均小于土壤環(huán)境一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，其重金屬元素含量相對(duì)黑壚土偏低，這主要與黃綿土所處的地形有關(guān)，其為梯田形式，在改造過程中使得長(zhǎng)期經(jīng)過人為耕作影響的表土剝離，生土裸露，而深層土壤受化肥、農(nóng)藥等污染較小，加之沒有其他工業(yè)污染來源，其重金屬含量自然偏低。黑壚土各施肥監(jiān)測(cè)區(qū)0～100 cm土層內(nèi)Cd、Pb、Cr、Hg元素含量均小于土壤環(huán)境一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值；農(nóng)民地監(jiān)測(cè)區(qū)0～10 cm和HF監(jiān)測(cè)區(qū)60～100 cm土層Ni含量略微偏高，其他監(jiān)測(cè)土層內(nèi)Ni含量均處于正常水平；無肥監(jiān)測(cè)區(qū)和化肥監(jiān)測(cè)區(qū)60～100 cm土層，化肥有機(jī)肥監(jiān)測(cè)區(qū)10～20 cm、60～100 cm土層As元素含量均出現(xiàn)超標(biāo)。對(duì)于不同施肥條件而言，農(nóng)民地監(jiān)測(cè)區(qū)的Cd元素含量相對(duì)其他施肥監(jiān)測(cè)區(qū)較高，其余重金屬元素含量農(nóng)民地監(jiān)測(cè)區(qū)都表現(xiàn)出含量較低，這說明在該研究區(qū)域農(nóng)田，農(nóng)民地目前的施肥習(xí)慣沒有造成土壤重金屬的嚴(yán)重積累以及重金屬污染現(xiàn)象，土壤健康狀況良好。

2.2 土壤礦質(zhì)全量分析

土壤不是由單一物質(zhì)組成，它是由多種元素組成的礦物質(zhì)所構(gòu)成。土壤礦物質(zhì)作為土壤的重要組成部分，占土壤固體部分的95% 以上。土壤礦物質(zhì)主要以 O、Si、Al、Fe所占比例較大，SiO2、Al2O3和 Fe2O3是構(gòu)成土壤的骨干成分。土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成主要受成土條件及過程影響，分析土壤礦質(zhì)全量的化學(xué)組成，有利于掌握礦質(zhì)元素在剖面的遷移和變化，闡明土壤化學(xué)性質(zhì)在成土過程中的演變情況，了解土壤的風(fēng)化發(fā)育程度。

本研究不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)土壤礦質(zhì)全量分析結(jié)果見表2。由結(jié)果可知，對(duì)于塬面黑壚土監(jiān)測(cè)區(qū)而言，SiO2在土壤化學(xué)物質(zhì)組成中所占比例最大，其次是Al2O3，二者作為土壤構(gòu)成的主要成分，占土壤礦物質(zhì)總量的70% 以上；其次是Fe2O3和CaO，這兩者含量幾乎相同，均在50 g/kg左右；MgO、K2O、Na2O的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MnO和P2O5。在本研究區(qū)域，黑壚土土壤中的礦質(zhì)全量總體上呈現(xiàn)出 SiO2＞Al2O3＞CaO≈Fe2O3＞K2O≈MgO＞Na2O＞TiO2＞P2O5＞MnO的趨勢(shì)。SiO2在整個(gè)剖面土層上表現(xiàn)出下層含量高于中上層，分析原因可能是由于黏粒的機(jī)械淋溶和淀積作用所致[23]；CaO和P2O5體現(xiàn)出表層含量高的結(jié)果，可能是與在土壤形成時(shí)期黃土沉積作用有關(guān)，也與土壤母質(zhì)有關(guān)[24]；其余礦質(zhì)元素含量隨剖面土層的變化均較弱，沒有出現(xiàn)明顯的聚集和淋溶現(xiàn)象。MnO2在土壤中最不易發(fā)生變化，受土壤風(fēng)化作用的影響較小，含量也屬于微量。黃綿土LS監(jiān)測(cè)區(qū)各類土壤礦質(zhì)元素含量在剖面土層上沒有表現(xiàn)出明顯的差異，這主要與梯田土壤性質(zhì)有關(guān)，經(jīng)過改造生土裸露地表，土壤性狀差異不大，總體上呈現(xiàn)出 SiO2＞Al2O3＞CaO＞Fe2O3＞K2O≈MgO＞Na2O＞TiO2＞P2O5＞MnO的趨勢(shì)，與黑壚土土壤礦質(zhì)全量變化規(guī)律基本相同，但其 SiO2和 Al2O3含量相對(duì)稍微偏低，CaO含量偏高。

表2 土壤礦質(zhì)元素組成與風(fēng)化指標(biāo)Table 2 Composition of soil mineral elements and soil weathering indexes

土壤的硅鋁率(Sa)、硅鐵率(Sf)、硅鋁鐵率(Saf)作為反映土壤礦物風(fēng)化強(qiáng)度的指標(biāo)之一，能夠反映出在黏粒及鐵、鋁等物質(zhì)在剖面土層中的累積及遷移情況。本研究區(qū)域，各試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)之間硅鋁率(Sa)、硅鐵率(Sf)、硅鋁鐵率(Saf)差異均不明顯，并且在同一剖面土層的垂直變化差異較小，礦質(zhì)元素遷移不明顯，其大小范圍分別是 4.5～4.9、11.3～12.5、3.2 ～3.5。硅鋁鐵率(Saf)反映土壤的風(fēng)化分解程度，并與之呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)SiO2/ R2O3＞2時(shí)，土壤為高硅性土，此類土壤鹽基含量高，吸水、保水、保肥能力強(qiáng)，持水力高，水分滲透率低；同時(shí)含蒙脫石類黏土礦物多，具有強(qiáng)烈的膨脹性和收縮性，易與腐殖酸鈣緊密結(jié)合形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體，土質(zhì)較好。本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤在長(zhǎng)期人為耕作管理的條件下，土壤發(fā)育較為成熟，屬于良好的耕作土壤。

3 結(jié)論

1)從土壤重金屬的垂直分布來看，黑壚土不同施肥條件下的土壤重金屬變化規(guī)律不同，重金屬元素在土壤剖面中的累積也出現(xiàn)差異。CK無肥監(jiān)測(cè)區(qū)土壤Cd元素表層和中部含量高，底層含量相對(duì)較低；Pb、Cr、Ni、As元素含量隨著土層深度的加深而增大；HF化肥監(jiān)測(cè)區(qū) Pb、Cr、Ni元素均出現(xiàn)深層累積；NPM 化肥有機(jī)肥監(jiān)測(cè)區(qū) Cd元素在土壤垂直剖面上出現(xiàn)降低，Pb、Cr、Ni、As則出現(xiàn)深層累積；NM農(nóng)民地監(jiān)測(cè)區(qū) Cd、Cr元素底層含量較高，Ni、Hg元素表層含量較高。對(duì)于黃綿土LS監(jiān)測(cè)區(qū)，Cd元素在土壤表層和中部含量較其他土層偏高；Pb元素表層含量高，20 cm土層以下逐漸降低；Cr、Ni、Hg、As在土壤垂直剖面上的變化率不大。

2)本研究區(qū)域土壤礦質(zhì)元素中 SiO2占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；其次是Al2O3；CaO略高于Fe2O3，總體上呈現(xiàn)出 SiO2＞Al2O3＞CaO≈Fe2O3＞K2O≈MgO＞Na2O＞TiO2＞P2O5＞MnO 的趨勢(shì)，F(xiàn)e2O3出現(xiàn)了一定的深層淋溶現(xiàn)象，CaO、P2O5、Na2O表層積累較多，其他礦質(zhì)元素土層間變化差異不大。各試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)硅鋁率(Sa)、硅鐵率(Sf)、硅鋁鐵率(Saf)差異均不明顯，并且在同一剖面土層的垂直變化差異較小，礦質(zhì)元素遷移不明顯。

[1] 張曉敏, 張秀英, 鐘太洋, 等. 中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬富集狀況及其空間分布研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(2):692-703

[2] Adriano D C. Trace elements in terrestrial environments[J].Quarterly Review of Biology, 2001, 32(1): 374

[3] 王國(guó)梁, 周生路, 趙其國(guó), 等. 菜地土壤剖面上重金屬元素含量隨時(shí)間的變化規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006, 22(1): 79-84

[4] 鐘曉蘭, 周生路, 李江濤, 等. 經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)土壤重金屬累積評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 6(31): 1608-1616

[5] Baldrian P. Effect of heavy metals on saprotrophic soil fungi[J]. Soil Biology, 2010, 19: 263-297

[6] 霍霄妮, 李紅, 孫丹峰, 等. 北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬狀態(tài)評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(1): 66-71

[7] 蔣紅群, 王彬武, 劉曉娜, 等. 北京市土壤重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(4): 731-746

[8] Tonmoy K. Heavy metal accumulation in soil amended with roadside pond sediment and uptake by rice[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2010,41(5): 2577-2594

[9] Tomohito A, SatoruI, Masaharu M, et al. Heavy metal contamination of agricultural soil and countermeasures in Japan[J]. Paddy Water Environ, 2010, 8(12): 247-257

[10] 李廣云, 曹永富, 趙書民, 等. 土壤重金屬危害及修復(fù)措施[J]. 山東林業(yè)科技, 2011(6): 96-101

[11] 陳玉東, 周健民, 邢璐, 等. 黑龍江海倫市農(nóng)田土壤重金屬與磷素含量的特征研究[J]. 土壤, 2015, 47(5): 965-972

[12] 張?zhí)伊? 科學(xué)認(rèn)識(shí)和防治耕地土壤重金屬污染[J]. 土壤,2015, 47(3): 435-439

[13] 楊敏, 滕應(yīng), 任文杰, 等. 石門雄黃礦周邊農(nóng)田土壤重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 土壤, 2016, 48(6): 1172-1178

[14] 戚瑞生, 黨廷輝, 楊紹瓊, 等. 長(zhǎng)期輪作與施肥對(duì)農(nóng)田土壤磷素形態(tài)和吸持特性的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2012,49(6): 1136-1146

[15] 成婧, 吳發(fā)啟, 云峰, 等. 渭北旱塬坡耕地玉米－苜蓿間作對(duì)土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持通報(bào), 2013,33(4): 228-232

[16] 戴健, 王朝輝, 李強(qiáng), 等. 氮肥用量對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量及夏閑期土壤硝態(tài)氮變化的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013,50(5): 956-965

[17] 何曉雁, 郝明德, 李慧成, 等. 黃土高原旱地小麥?zhǔn)┓蕦?duì)產(chǎn)量及水肥利用效率的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2010, 16(6): 1333 -1340

[18] 孟紅旗, 劉景, 徐明崗, 等. 長(zhǎng)期施肥下我國(guó)典型農(nóng)田耕層土壤的 pH演變[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(6): 1109-1116

[19] 章孜亮, 劉金山, 王朝輝, 等. 基于土壤氮素平衡的旱地冬小麥監(jiān)控施氮[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2012, 18(6):1387-1396

[20] 劉文兆, 黨廷輝. 中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)與研究數(shù)據(jù)集·農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)卷·陜西長(zhǎng)武站[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2012

[21] 陳永, 黃標(biāo), 胡文友, 等. 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)重金屬積累特征及生態(tài)效應(yīng)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(4): 693

[22] 毛明翠, 黃標(biāo), 李元, 等. 我國(guó)北方典型日光溫室蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤重金屬積累趨勢(shì)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(4):835-841

[23] 郭曼, 安韶山, 常慶瑞, 等. 寧南寬谷丘陵區(qū)土壤礦質(zhì)元素與氧化鐵的特征[J]. 水土保持研究, 2005, 12(3):38-40-702

[24] 劉素華, 王慧強(qiáng). 遼寧朝陽第四紀(jì)古紅土的礦質(zhì)元素與氧化鐵特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備, 2008(3): 19-22