山東省白馬河沿岸耕地表層及剖面重金屬和碳、氮含量的空間分布及風險評價

樊玉娜 孫小銀 高程程 王思嬋 廉心怡 解昕昕 劉一飛

摘要：本試驗以山東省白馬河沿岸耕地為研究對象，調查分析各耕地表層及剖面中重金屬（Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn）含量與碳氮含量的空間分布特征，并采用單因子污染指數(shù)（Ei）和潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）對其進行風險評價。研究結果顯示，該區(qū)耕地土壤Cr、Cu、Ni、Pb元素含量均低于國家土壤環(huán)境質量標準二級標準限制值，有個別剖面Zn元素含量略高，Mn元素低于《農用地土壤環(huán)境質量標準（征求意見稿）》 標準值；耕地剖面潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值范圍在12.97～20.59之間，整體基本處于輕微生態(tài)風險水平；耕作層有機碳含量較小，碳氮比介于0.90～12.64范圍內且多數(shù)在10以下，表明土壤礦化作用強。在治理耕地土壤重金屬污染的同時，應注意土壤中各元素含量的均衡，提高耕地土壤生產能力。

關鍵詞：耕地表層；耕地剖面；重金屬；碳氮比；空間分布；風險評價

中圖分類號：S158.4：X53文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）04-0052-07

Abstract Taking the cultivated lands along the Baima River in Shandong Province as the research object， the spatial distribution characteristics of heavy metals（including Cr， Cu， Mn， Ni， Pb， Zn）， carbon and nitrogen in the surface and profiles were surveyed and analyzed. Their risks were evaluated by adopting the single factor pollution index （Ei） and potential ecological risk index （RI）. The results showed that the contents of Cr， Cu， Ni and Pb in cultivated soil were lower than the second grade standard limit values of the National Soil Environmental Quality Standard. The content of Zn in individual profiles were slightly higher and the content of Mn was lower than the level of the Agricultural Land Soil Environment Quality Standards（Exposure Draft）. The potential ecological risk indexes of cultivated land profiles ranged from 12.97 to 20.59， and they were in the slight ecological risk as a whole. The organic carbon content of tilling layer was small. The C/N ratios were in the range of 0.90～12.64 and most were lower than 10， which indicated the strong soil mineralization. In the controll of heavy metal pollution for cultivated land， we should simultaneously pay attention to the balance of elements in soil and improve the productivity of cultivated soil.

Keywords Cultivated land surface； Cultivated land profile； Heavy metal； C/N ratio； Spatial distribution； Risk assessment

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境和農業(yè)生產的重要資源，世界面臨的糧食、資源和環(huán)境問題都與土壤密切相關[1]。隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，特別是近20年來工業(yè)化、城市化和農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的過程中，土壤質量發(fā)生了較大變化，土壤環(huán)境污染問題呈現(xiàn)多樣化、復雜化和區(qū)域性的發(fā)展態(tài)勢，給我國經濟社會發(fā)展帶來了新威脅和挑戰(zhàn)[2]。

目前，國內外關于土壤重金屬污染的研究很多，但大多是土壤重金屬富集遷移研究和土壤重金屬污染現(xiàn)狀及修復，缺乏對耕地剖面重金屬污染的空間分布特征分析及風險評價。分析耕地土壤表層及其剖面的重金屬污染分布與污染風險，可以掌握耕地土壤中重金屬污染狀況，并針對研究結果進行有效的改良，進而確保糧食的安全生產和人體的健康。本研究對山東省白馬河沿岸耕地土壤中Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn 六種重金屬元素及其碳氮進行了分析，并采用單因子污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法對剖面進行了風險評價，從而為該流域耕地的合理使用提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白馬河流域位于山東省濟寧市境內，流經曲阜、兗州、鄒城、微山4縣（市），流域面積約 936.02 km2。白馬河在地貌上處于魯中南丘陵向魯西南平原的過渡地帶，地形起伏較大，是南四湖主要的入湖河流之一。較大支流有十里溝、石墻河、望云河、大沙河等。流域位于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，降水多集中在 7—9 月，徑流量年內分配不均勻；同時，人類活動作用頻繁，對流域徑流過程產生了不同程度的影響[3]。

1.2 樣品的采集

2016年6月份對山東省白馬河流域進行野外考察和耕地剖面（0～100 cm）的土壤樣品采集，運用土鉆按土壤發(fā)生層每10 cm連續(xù)采集，在10個采樣點共采集97個樣品。土壤剖面樣品的采集點均布設在白馬河沿岸，采樣點位置如圖1所示。

1.3 樣品的處理方法

將除去石塊等雜物的土壤樣品自然晾干。然后研磨過100目尼龍網(wǎng)篩將其儲存于密封袋中待檢測。

土壤樣品預處理采用傳統(tǒng)的電熱板消解法。稱取0.5 g樣品放入聚乙烯坩堝中，然后加入氫氟酸5 mL，硝酸6 mL，鹽酸12 mL混合消解。將電熱板調至230℃放入通風廚內，待坩堝內土樣完全消解后取下，定容至50 mL比色管中并搖勻。采用原子吸收分光光度計分別測定樣品中Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn 六種重金屬元素含量。上述試劑均采用優(yōu)級純，溶液配制用去離子水。土壤中C、N含量采用元素分析儀（Vario EL，德國Elementar Analysen systeme GmbH） 測定。

1.4 重金屬污染風險評價方法

以國家《土壤環(huán)境質量標準》一級標準[4]和《農用地土壤環(huán)境質量標準（征求意見稿）》標準值[5]為參比值，采用單因子污染指數(shù)（Ei）[6] 和潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）評價耕地表層和剖面土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險[7]。因Hakanson[6]研究的是8種有機污染物和重金屬的潛在生態(tài)風險，而RI的大小與參評污染物的種類和數(shù)量有關，污染物的數(shù)目越多、毒性越強，RI 值就越大，因此，應用 RI 進行生態(tài)風險評價時，必須根據(jù)參評污染物的種類和數(shù)量對其進行調整，本研究根據(jù)文獻[8]中的方法對分級標準做了相應調整[9]，調整后的重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評價標準如表1所示。

2 結果與分析

2.1 白馬河沿岸耕地表層重金屬含量分布

由表2可知，白馬河沿岸耕作層（0～30 cm，下同）土壤樣品6種重金屬含量除S1、S3、S8和S9采樣點Zn略高于國家《土壤環(huán)境質量標準》二級標準值以外，其余5種重金屬元素采樣點監(jiān)測值均未超標，這說明研究區(qū)土壤對重金屬還有一定的環(huán)境容量[10]。10個采樣點耕作層之間重金屬鎳含量有較大的區(qū)域差異，受人為因素影響的可能性大，其他5種重金屬含量區(qū)域變化小。研究區(qū)各樣點耕作層重金屬平均含量略有差異：S1（白馬河源頭）、S2、S3、S4、S7、S10采樣點重金屬平均含量是Mn>Zn>Cr>Pb>Cu>Ni；S5平均含量為Mn>Cr>Zn>Pb>Cu>Ni；S6平均含量為Mn>Cr>Zn>Cu>Pb>Ni；S8和S9兩地的耕作層重金屬平均含量Mn>Zn>Cr>Cu>Pb>Ni。這些差異可能由于耕作層年年翻作導致不同地點不同重金屬含量無明顯變化規(guī)律。

具體分析表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Cr、Cu、Mn、Pb 4種重金屬在不同耕作層的含量最大相差約2倍；Zn的區(qū)域變化大約是3倍；而Ni在所有重金屬中含量最少，但在各耕作層上含量相差9倍還多。造成不同耕作層重金屬含量不等的原因：污水灌溉、肥料和農藥的施用、大氣沉降及其他農業(yè)活動。

采用單因子指數(shù)法對研究區(qū)耕作層土壤中的6種重金屬污染狀況進行評價[11]。由于耕作層是農作物主要生長環(huán)境，為了更好的了解該研究區(qū)耕地是否符合農業(yè)生產要求，研究采用《土壤環(huán)境質量標準》二級標準（二級標準：為保障農業(yè)生產，維護人體健康的土壤限制值）作為參比值[12]，將污染程度劃分為4個等級：清潔（P<1）、輕度污染（1 ≤P<2）、中度污染（2≤P<3）、重度污染（P≥ 3）。研究結果如表3所示，S8采樣點的Zn污染指數(shù)為2，達到中度污染。S2、S8、S9采樣點的Cu，S1、S2、S4、S7、S8、S10采樣點的Pb以及S1、S2、S3、S7、S9、S10采樣點的Zn污染指數(shù)均大于1，呈現(xiàn)輕度污染水平。其余采樣點耕作層土壤中重金屬污染程度均屬于清潔水平。

2.2 流域耕地表層C、N含量分布

土壤有機碳和氮是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，也是植物生長發(fā)育過程中的必需元素[13]。土壤中碳氮元素含量超標或不達標都會使植物體內營養(yǎng)物質不平衡。碳氮在土壤中分解和轉化，把復雜的碳素物質變成簡單易溶，易于根系和氣孔的吸收[14]。分析研究區(qū)土壤中C、N數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同樣點耕地表層平均C含量差異明顯，依次為：S9>S7>S2>S1>S6>S3>S10>S5>S8>S4。而不同耕地表層平均N含量差異較小，依次為：S2>S7>S5=S10>S3>S6=S9>S4>S8>S1。

土壤碳氮比的高低對植物生長發(fā)育具有重要影響。如果碳氮比較低，則有利于微生物在有機質分解過程中的養(yǎng)分釋放，促進土壤中有效氮的增加；反之，碳氮比較高，則會出現(xiàn)微生物在分解有機質的過程中存在氮受限，從而與植物競爭土壤無機氮，不利于植物的生長[15]。由表4可知，山東省白馬河沿岸耕地表層碳氮比范圍在0.90～12.64之間，不同耕地表層碳氮比差異顯著。不同耕地表層碳氮比大小順序依次為：S1>S9>S2>S7>S6>S3>S10>S5>S8>S4。

2.3 沿岸耕地剖面重金屬含量分布特征

不同采樣點土壤剖面中（0～100 cm ，其中S8采樣點土壤剖面深度為0～70 cm）重金屬元素含量垂直分布如圖2所示，可以看出，研究區(qū)各剖面Cr、Cu、Ni、Pb重金屬含量均未超過國家《土壤環(huán)境質量標準》二級標準；Mn含量低于《農用地土壤環(huán)境質量標準（征求意見稿）》標準值；Zn含量除S3（20～30 cm）和S8（10～20 cm）分別為247.55、249.4 μg/g，超出二級標準值外，其余剖面均未超標。各剖面重金屬含量基本符合Mn>Zn> Cr， Cu、Ni、Pb三種重金屬含量無明顯差異。

分析各采樣點剖面重金屬垂直變化趨勢（圖2）可以看出，在0～30 cm土壤剖面上，多數(shù)采樣點重金屬含量明顯增加，原因在于表層土壤重金屬隨著淋溶作用下滲并富集于地下20～30 cm處。土壤剖面30 cm以下各段變化沒有明顯規(guī)律，這與各采樣點土壤性質差異有關。下游S10采樣點Zn含量在30 cm以下剖面呈明顯的下降趨勢，其余重金屬含量也同樣隨著土壤剖面深度的增加而呈現(xiàn)出遞減趨勢。

2.4 土壤C、N的剖面分布

總體上來看，耕地表層有機碳質量分數(shù)比30 cm以下深度土壤有機碳質量分數(shù)相對較高，主要原因可能是耕作表層農作物秸稈還田和有機肥的施用。大部分采樣點（S4、S5、S6、S7、S8、S10）土壤有機碳含量隨著剖面深度的增加呈明顯的下降趨勢。不同土壤剖面有機碳含量變化總體呈波動型。土壤剖面中氮質量分數(shù)變化總體呈波動型，變化幅度較小。分析圖3發(fā)現(xiàn)，流域內各耕地剖面碳氮比依次為：S2>S1>S9>S3>S7>S6>S10>S5>S8>S4。碳氮比在水平分布上差異顯著。而且表土層與底土層土壤碳氮比存在顯著差異。

2.5 耕地重金屬污染風險評價

以國家土壤環(huán)境質量標準和山東省土壤環(huán)境質量標準作參比值，采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法，計算得到白馬河沿岸耕地土壤重金屬在各樣點剖面的單項潛在生態(tài)風險指數(shù)（Ei）及綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI），根據(jù)潛在生態(tài)風險分級標準進行了生態(tài)風險評價[7]。重金屬元素Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的毒性系數(shù)分別取2、5、1、5、5和1[6]。如表5所示，70%采樣點Cu、Pb單項潛在生態(tài)風險指數(shù)介于5～10之間，30%采樣點的指數(shù)大于4，表明研究區(qū)Cu、Pb處于中等生態(tài)危害水平，其余重金屬均屬輕微生態(tài)危害水平。由表6看出，綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值范圍介于12.97～20.59，S8潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值大于20，呈現(xiàn)中等生態(tài)危害水平，研究區(qū)其余采樣點基本屬于輕微生態(tài)風險水平。

由表6還可看出，S2取樣點0～10 cm土層和S8部分土層RI值大于20，表明這幾個土層生態(tài)風險指數(shù)較高，均屬中等生態(tài)風險水平。其余研究點雖處于輕微生態(tài)風險，但存在個別生態(tài)風險指數(shù)較高的剖面，RI值超過19的占到11.34%。沿岸耕地平均潛在生態(tài)風險指數(shù)大小為：S8>S9>S1>S2>S7>S5>S6>S4>S3>S10。

3 結論

白馬河沿岸耕地土壤重金屬Cr、Cu、Ni、Pb含量低于《土壤環(huán)境質量標準》二級標準值，有個別剖面Zn含量略高；Mn含量低于《農用地土壤環(huán)境質量標準（征求意見稿）》標準值。該研究區(qū)整體看符合國家對農業(yè)生產的要求。由于耕地表層農業(yè)活動頻繁，導致不同耕地各種重金屬含量分布特征不明顯。大部分研究點耕作層重金屬平均含量大小為Mn>Zn>Cr>Pb>Cu>Ni，Mn和Ni在各樣點均是含量最高和最低的元素。耕地潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值范圍介于12.97～20.59，基本處于輕微生態(tài)風險水平，個別剖面處于中等生態(tài)風險水平，還有多個剖面處于輕微生態(tài)風險最高值。為保持該研究區(qū)優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境，需加強對中等生態(tài)風險水平的土壤進行治理。

不同土壤耕作層的有機碳質量分數(shù)基本都比耕地剖面底層的有機碳質量分數(shù)相對較高。不同耕地剖面C、N質量分數(shù)變化總體呈波動型。流域內不同耕地表層碳氮比依次為：S1>S9>S2>S7>S6>S3>S10>S5>S8>S4。流域內耕地剖面碳氮比水平分布差異顯著，碳氮比依次為：S2>S1>S9>S3>S7>S6>S10>S5>S8>S4。

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