太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分和重金屬累積特征及相關(guān)性分析

滑小贊，程 濱，趙瑞芬，霍曉蘭，王 釗

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要組成部分，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能具有重要影響[1-3]。土壤養(yǎng)分狀況既受自然因素的影響，也受耕作方式、土地利用方式等人為因素的影響，其含量高低直接影響著作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其產(chǎn)量的高低[1-5]。同時(shí)，土壤養(yǎng)分含量是合理施肥的直接依據(jù)[1]。施肥量過少，不能滿足作物生長(zhǎng)需要；相反，施肥量過多，養(yǎng)分隨水分下滲污染地下水，既造成浪費(fèi)又污染環(huán)境[6]。

重金屬是土壤中常見的一類污染物，不僅不易被微生物降解，而且具有移動(dòng)性小、不容易隨水淋濾、潛伏期長(zhǎng)等特點(diǎn)，其一旦進(jìn)入土壤中，就會(huì)在土壤中不斷累積，對(duì)土壤和農(nóng)作物具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[6-10]。大量的科學(xué)研究表明，土壤重金屬和養(yǎng)分元素之間存在一定的聯(lián)系。楊艷芳等[11]研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤重金屬Pb，Cu 和Zn 之間呈極顯著正相關(guān)，并且具有同源性。茹淑華等[12]研究表明，河北省典型蔬菜產(chǎn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、全磷和土壤重金屬Cd 之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。徐明崗等[13]、任順榮等[14]研究表明，長(zhǎng)期施用以畜禽糞便為原料的有機(jī)肥在提高土壤養(yǎng)分含量的基礎(chǔ)上，也使土壤重金屬含量提高。因此，研究不同行政區(qū)土壤養(yǎng)分和重金屬元素的累積特征及其相關(guān)性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究通過野外實(shí)地采集土壤樣品，比較太原市不同行政區(qū)土壤養(yǎng)分和重金屬累積特征，分析土壤養(yǎng)分和重金屬含量之間的內(nèi)在聯(lián)系，旨在為指導(dǎo)農(nóng)田土壤科學(xué)施肥和重金屬污染防治提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中部，地處晉中盆地的北端，屬于大陸性暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均溫度為9.5 ℃，無霜期平均160 d，年均降水量470 mm。太原市整體氣候較好，晝夜溫差較大，夏秋降雨集中，冬春干旱多風(fēng)，分明的四季氣候很適宜拓展蔬菜品種的種植，更是多種糧食作物、蔬菜、水果等農(nóng)作物生長(zhǎng)的寶地。因此，以太原市小店區(qū)、晉源區(qū)、清徐縣、尖草坪區(qū)、陽(yáng)曲縣、古交縣、婁煩縣等7 個(gè)農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)為研究對(duì)象，研究土壤主要養(yǎng)分和重金屬累積特征及相關(guān)性，為農(nóng)田土壤科學(xué)施肥和重金屬污染防治提供依據(jù)。

1.2 材料

由于土壤養(yǎng)分和大部分重金屬都是通過植物根系吸收進(jìn)入植物體內(nèi)，在作物根系周圍土壤中養(yǎng)分和重金屬對(duì)作物生長(zhǎng)影響較大，故采集農(nóng)作物根群較集中的表層土壤進(jìn)行分析，一般采集0～20 cm表層土壤，采用多點(diǎn)取樣混合成一個(gè)代表樣的方法，每個(gè)代表樣最終取1 kg，在研究區(qū)共采集272 個(gè)土壤樣品。其中，小店區(qū)采集土壤樣品39 個(gè)，晉源區(qū)13 個(gè)，清徐縣69 個(gè)，尖草坪9 個(gè)，陽(yáng)曲68 個(gè)，古交45 個(gè)，婁煩29 個(gè)。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，剔除植物根系、有機(jī)殘?jiān)约翱梢娗秩塍w，粗磨后過0.84 mm 的尼龍篩，用于測(cè)定土壤pH 值、有效磷、速效鉀、堿解氮；再細(xì)磨至全部過0.149 mm 篩，用以測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和重金屬等。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤重金屬Pb，Cr，Ni，Cu，Zn 采用HCl-HNO3-HF-HClO4四酸消化- 原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤重金屬Hg，As 采用王水水浴消解- 原子熒光光度法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；有效磷（AP）采用碳酸氫鈉浸提- 紫外分光光度法測(cè)定；速效鉀（AK）采用醋酸銨浸提- 火焰光度法測(cè)定；全氮（TN）采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷（TP）采用氫氧化鈉熔融- 紫外分光光度法測(cè)定；全鉀（TK）采用氫氧化鈉熔融- 火焰光度法測(cè)定；堿解氮（AN）采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及圖表分析采用Excel 和SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 太原市農(nóng)田土壤主要養(yǎng)分含量特征

太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量分析結(jié)果顯示，7 個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的中位數(shù)均低于其均值，偏度和豐度均大于0，分布屬于右偏態(tài)，表明土壤養(yǎng)分元素含量高于均值的采樣點(diǎn)相對(duì)較多。TK 含量的變異系數(shù)為9%，小于25%，呈低變異性，表明在區(qū)域內(nèi)變化較小；TN，TP 含量的變異系數(shù)介于25%～50%，呈中變異性，表明在區(qū)域上有一定差異，但變化不顯著；AN，AP，AK，SOM含量的變異系數(shù)大于50%，呈高變異性，表明在區(qū)域上差異顯著，可能受人類活動(dòng)影響較大（表1）。

表1 太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)（n＝272）

從表2 可以看出，不同行政區(qū)土壤主要養(yǎng)分含量存在明顯差異。太原市農(nóng)田土壤有效磷（AP）含量由大到小依次是小店區(qū)（40.26 mg/kg）＞清徐縣（22.77 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（17.97 mg/kg）＞晉源區(qū)（14.41 mg/kg）＞古交市（14.40 mg/kg）＞婁煩縣（9.82 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（5.18 mg/kg），其中小店區(qū)與其他6 個(gè)縣區(qū)存在顯著差異；土壤中全氮（TN）含量由大到小依次是晉源區(qū)（0.155%）＞小店區(qū)（0.134%）＞清徐縣（0.115%）＞陽(yáng)曲縣（0.089%）＞尖草坪區(qū)（0.077%）＞古交市（0.074%）＞婁煩縣（0.070%）；土壤中堿解氮（AN）含量由大到小依次是小店區(qū)（79.21 mg/kg）＞晉源區(qū)（68.25 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（61.46 mg/kg）＞清徐縣（47.12 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（42.99 mg/kg）＞古交市（39.51 mg/kg）＞婁煩縣（23.72 mg/kg）；土壤中有機(jī)質(zhì)（SOM）含量由大到小依次是晉源區(qū)（47.31 g/kg）＞小店區(qū)（28.97 g/kg）＞清徐縣（21.09 g/kg）＞古交市（13.71 g/kg）＞尖草坪區(qū)（13.13 g/kg）＞陽(yáng)曲縣（12.60 g/kg）＞婁煩縣（10.83 g/kg）；土壤中速效鉀（AK）含量由大到小依次是小店區(qū)（257 mg/kg）＞清徐縣（193 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（155 mg/kg）＞古交市（144 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（130 mg/kg）＞婁煩縣（126 mg/kg）＞晉源區(qū)（98.3 mg/kg）；土壤中全磷（TP）含量由大到小依次是小店區(qū)（1 144 mg/kg）＞清徐縣（1 026 mg/kg）＞晉源區(qū)（932 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（876 mg/kg）＞古交市（800 mg/kg）＞婁煩縣（762 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（720 mg/kg）；土壤中全鉀（TK）含量由大到小依次是清徐縣（2.02%）＞小店區(qū)（2.01%）＞古交市（1.98%）＞尖草坪區(qū)（1.94%）＞陽(yáng)曲縣（1.92%）＝婁煩縣（1.92%）＞晉源區(qū)（1.70%）（表2）。

表2 太原市不同行政區(qū)土壤主要養(yǎng)分含量

參考全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表3）和太原市不同行政區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量結(jié)果分析（表2）可以看出，小店區(qū)、晉源區(qū)、清徐縣土壤肥力較高，這是因?yàn)檫@3 個(gè)區(qū)縣是太原市主要蔬菜供應(yīng)基地，復(fù)種指數(shù)較高，注重有機(jī)肥和化肥的投入，其中，晉源區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮含量明顯高于其他6 個(gè)區(qū)縣，而土壤中有效磷和速效鉀含量相對(duì)較低，這與農(nóng)民習(xí)慣施用有機(jī)肥有關(guān)；尖草坪區(qū)、陽(yáng)曲縣、古交縣和婁煩縣等4 個(gè)區(qū)縣屬于中等肥力水平，有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量較豐富，有效磷含量處于較豐富和中等水平。目前，在農(nóng)業(yè)部提出的減肥減藥大的環(huán)境條件下，應(yīng)根據(jù)種植結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分狀況精準(zhǔn)施肥，提高肥料利用率。

表3 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 太原市農(nóng)田土壤重金屬含量特征

太原市農(nóng)田土壤重金屬元素含量分析結(jié)果顯示，全部7 種土壤重金屬元素含量的中位數(shù)均低于其均值，偏度和豐度均大于0，分布屬于右偏態(tài)，表明土壤重金屬元素含量高于均值的采樣點(diǎn)相對(duì)較多。Cr，Cu，Zn，As，Ni，Pb 含量的變異系數(shù)均小于等于25%，呈低變異性，表明在區(qū)域內(nèi)變化不大，基本未受到人類活動(dòng)的影響；Hg 含量的變異系數(shù)大于50%，呈高變異性，表明在區(qū)域上差異顯著，主要是受人類活動(dòng)影響。重金屬Cr，Cu，As 含量的平均值分別為68.38，24.13，8.59 mg/kg，均低于1994 年太原市土壤重金屬元素背景值[15]；重金屬Zn，Hg，Ni 和Pb含量的平均值分別為76.71，0.08，30.26，24.23 mg/kg，均高于太原市重金屬元素背景值，說明Zn，Hg，Ni和Pb 等4 種重金屬在土壤中存在積累現(xiàn)象。從偏度和豐度來看，除Hg 元素外，其他重金屬均近似正態(tài)分布，以1994 年太原市土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬Cr，Cu，Zn，As，Hg，Ni，Pb 的超標(biāo)率分別為19.5%，27.9%，43.0%，10.3%，30.5%，58.0%，38.6%；參照全國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）,7 種重金屬含量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

表4 太原市農(nóng)田土壤重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)（n＝272）

太原市不同行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量結(jié)果分析顯示（表5），不同區(qū)縣土壤重金屬含量存在顯著性差異。土壤中鉻（Cr）含量由大到小依次是小店區(qū)（74.63 mg/kg）＞清徐縣（70.90 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（70.01 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（67.45 mg/kg）＞晉源區(qū)（66.58 mg/kg）＞古交市（65.09 mg/kg）＞婁煩縣（64.86 mg/kg）。土壤中鎳（Ni）含量由大到小依次是小店區(qū)（33.38 mg/kg）＞清徐縣（32.26 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（30.99 mg/kg）＞晉源區(qū)（30.31 mg/kg）＞古交市（29.09 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（29.07 mg/kg）＞婁煩縣（28.22 mg/kg）。土壤中銅（Cu）含量由大到小依次是小店區(qū)（28.43 mg/kg）＞晉源區(qū)（28.22 mg/kg）＞清徐縣（27.26 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（24.62 mg/kg）＞古交市（23.05 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（21.83 mg/kg）＞婁煩縣（20.62 mg/kg）。土壤中鋅（Zn）含量由大到小依次是小店區(qū)（100.67 mg/kg）＞晉源區(qū)（84.88 mg/kg）＞清徐縣（82.58 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（75.11 mg/kg）＞古交市（73.05 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（68.53 mg/kg）＞婁煩縣（61.67 mg/kg）。土壤中鉛（Pb）含量由大到小依次是晉源區(qū)（30.58 mg/kg）＞小店區(qū)（29.05 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（26.16 mg/kg）＞清徐縣（25.58 mg/kg）＞古交市（22.39 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（22.05 mg/kg）＞婁煩縣（20.52 mg/kg）。土壤中砷（As）含量由大到小依次是婁煩縣（8.91 mg/kg）＞小店區(qū)（8.64 mg/kg）＞清徐縣（8.51 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（7.74 mg/kg）＞晉源區(qū)（7.56 mg/kg）＞古交市（6.97 mg/kg）＞尖草坪區(qū)（6.96 mg/kg）。土壤中汞（Hg）含量由大到小依次是晉源區(qū)（0.180 mg/kg）＞小店區(qū)（0.094 mg/kg）＞清徐縣（0.080 mg/kg）=尖草坪區(qū)（0.080 mg/kg）＞陽(yáng)曲縣（0.060 mg/kg）= 婁煩縣（0.060 mg/kg）＞古交市（0.057 mg/kg）。從表5 還可以看出，晉源區(qū)土壤中汞（Hg）含量明顯高于其他6 個(gè)區(qū)縣；小店區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣3 個(gè)區(qū)縣土壤重金屬含量綜合來說高于尖草坪區(qū)、陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣等4 個(gè)區(qū)縣的土壤重金屬含量，這是因?yàn)樾〉陞^(qū)、晉源區(qū)和清徐縣等3 個(gè)區(qū)縣是太原市主要蔬菜供應(yīng)基地，復(fù)種指數(shù)較高，注重有機(jī)肥、化肥和農(nóng)藥的投入，有機(jī)肥、化肥和農(nóng)藥中含有少量重金屬，在使用過程中帶入土壤中[16-19]。這與表1 的結(jié)果一致，土壤養(yǎng)分含量與土壤重金屬含量存在一定的相關(guān)關(guān)系。

表5 太原市各縣市區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量 mg/kg

2.3 太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量與重金屬含量之間的相關(guān)性

太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分和土壤重金屬元素含量相關(guān)性分析顯示，土壤中Cr，Cu，Zn，Hg，Pb 含量與土壤AP，TN，SOM，TP 含量間均呈極顯著正相關(guān)；土壤中Cr，Cu，Zn，Pb 含量與土壤AK 含量均呈極顯著正相關(guān)；土壤中Cr，Cu，Zn，As，Ni 含量與土壤TK 含量均呈極顯著正相關(guān)。土壤中Hg 含量與Cr，Cu，Zn，Pb 含量均呈極顯著正相關(guān)，與As 含量不相關(guān)；土壤中As 含量與Cr，Cu，Zn，Ni 含量呈極顯著正相關(guān)，與Hg，Pb 含量不相關(guān)（表6）。

表6 太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分和土壤重金屬元素含量相關(guān)性分析

表7 主成分分析法得到的全部解釋變量

表8 具有Kaiser 標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法得到的因子和全部解釋變量

主成分分析作為一種用來輔助數(shù)據(jù)分析的統(tǒng) 計(jì)方法，可進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)解釋，因此，為了進(jìn)一步明確太原市農(nóng)田土壤中重金屬的污染來源，對(duì)土壤養(yǎng)分和重金屬進(jìn)行主成分分析，對(duì)7 種養(yǎng)分指標(biāo)和7 種重金屬指標(biāo)共14 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表7，8），14 個(gè)指標(biāo)可由前3 個(gè)主成分反映75.03%的信息，即對(duì)前3 個(gè)主成分進(jìn)行分析就可以反映14 個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的大部分信息。矩陣變換后，第1 個(gè)主成分包含Hg，SOM，Pb 和TN，第2 個(gè)主成分主要包括Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As，第3個(gè)主成分包括AP，TP，AK 和AN。3 個(gè)主成分中第1主成分的貢獻(xiàn)率為26.17%，表現(xiàn)為因子變量在元素Hg，SOM，Pb 等上有較高的載荷特點(diǎn)，并且SOM與Hg，Pb 含量呈極顯著正相關(guān)，具有同源性，其中，SOM主要來源于有機(jī)肥和有機(jī)物料的施入，因此，有機(jī)肥和有機(jī)物料的施入是其污染的主要來源。第2 主成分的貢獻(xiàn)率為24.80%，這一成分主要在Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As 上有較高的貢獻(xiàn)率；從表1 和表4 可以看出，Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As 變異系數(shù)均小于等于25%，屬于低變異性，表明在區(qū)域內(nèi)變化不大，基本未受到人類活動(dòng)的影響，反映了成土母質(zhì)是其主要來源。第3 主成分的貢獻(xiàn)率為24.05%，這一成分主要在AP，TP，AK 和AN 上有較高的貢獻(xiàn)率，AP，AK 和AN 主要來源于化學(xué)類肥料，因此，化學(xué)類肥料是其主要來源。

2.4 太原市農(nóng)田土壤環(huán)境安全閾值預(yù)測(cè)

通過對(duì)太原市農(nóng)田土壤養(yǎng)分和重金屬之間的相關(guān)性和主成分分析可看出，土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）與Hg，Pb 間分別存在極顯著正相關(guān)的關(guān)系，以農(nóng)業(yè)部綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 391—2013）土壤中Hg 和Pb 的含量限值分別為0.35，50 mg/kg，推測(cè)Hg 和Pb 達(dá)限值時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)的安全累計(jì)值即作為土壤有機(jī)質(zhì)環(huán)境安全閾值。

通過土壤有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Hg，Pb 含量極顯著正相關(guān)的預(yù)測(cè)模型，估算了土壤有機(jī)質(zhì)環(huán)境安全閾值（表9）。從表9 可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Hg 的預(yù)測(cè)模型中，由線性方程和二次方程得到有機(jī)質(zhì)的安全閾值分別為50.35，67.31 g/kg；土壤有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Pb 的預(yù)測(cè)模型中，由線性方程和二次方程得到有機(jī)質(zhì)的安全閾值分別為69.80，81.60 g/kg。不同的預(yù)測(cè)模型得到的有機(jī)質(zhì)臨界值存在明顯差異。為了土壤環(huán)境安全考慮，由不同方程獲得的最小值作為土壤有機(jī)質(zhì)環(huán)境安全閾值，即土壤有機(jī)質(zhì)安全閾值為50.35 g/kg，與茹淑華等[12]預(yù)測(cè)的河北省典型蔬菜產(chǎn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的環(huán)境安全閾值（30.86 g/kg）和孫超等[20]預(yù)測(cè)的溫室黃瓜中壤土有機(jī)質(zhì)的環(huán)境安全閾值（20.0 g/kg）存在一定差異，可能是由土壤類型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同引起的。

表9 土壤中有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Hg，Pb 之間的相關(guān)性

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，太原市不同行政區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分和重金屬含量存在極顯著差異，小店區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣3 個(gè)區(qū)縣土壤養(yǎng)分和重金屬含量相對(duì)較高，尖草坪區(qū)、陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣等4 個(gè)區(qū)縣的土壤養(yǎng)分和重金屬含量相對(duì)較低。

采用SPSS 軟件對(duì)土壤養(yǎng)分和重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，得出土壤中重金屬含量與土壤養(yǎng)分存在顯著的相關(guān)性。其中，土壤中重金屬Hg，Pb 和土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）存在極顯著正相關(guān)性，主要來源于有機(jī)物料的施入；重金屬元素Ni，Cu，Cr，As，Zn 和土壤全鉀（TK）存在極顯著正相關(guān)性，主要來源于成土母質(zhì)；土壤中有效磷（AP）、速效鉀（AK）和堿解氮（AN）主要來源于化學(xué)類肥料。

為太原市農(nóng)田土壤環(huán)境安全考慮，利用土壤有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Hg，Pb 含量呈極顯著正相關(guān)的預(yù)測(cè)模型，估算出土壤有機(jī)質(zhì)環(huán)境安全閾值為50.35 g/kg。