淄搏煙區(qū)土壤中微量元素特征及重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊繼鑫 戴華偉 王英俊 高加明 李方明 彭玉龍 劉明宏 邱軍 張繼光

摘要：為明確淄博煙田土壤的中微量元素豐缺特征及重金屬風(fēng)險(xiǎn)特征，在淄川、博山和沂源3個(gè)煙葉主產(chǎn)區(qū)采集42個(gè)典型土壤樣品，測(cè)定了基本養(yǎng)分指標(biāo)、4種中微量元素（Ca、Mg、B和Mo）及8種重金屬元素（cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn），并采用地積累指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行了污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，淄博3個(gè)主產(chǎn)煙區(qū)（沂源、博山和淄川）土壤pH呈中性，有機(jī)質(zhì)含量較缺乏，速效鉀含量呈中等-缺乏水平，全氮和有效磷含量為較豐富-豐富水平交換性鈣和交換性鎂的總體含量極豐富，有效硼和有效鉬含量處于適宜水平。地積累指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，淄博煙區(qū)土壤重金屬安全性較好，適宜優(yōu)質(zhì)煙葉的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：淄博煙田;中微量元素;重金屬風(fēng)險(xiǎn)特征

土壤為烤煙生長(zhǎng)發(fā)育提供了所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及環(huán)境條件，土壤養(yǎng)分含量及供應(yīng)能力與烤煙生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，是優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)。但目前生產(chǎn)中主要關(guān)注大量元素肥料，而忽視了微肥的施用，導(dǎo)致土壤中微量元素日益缺乏，煙株養(yǎng)分供給不均衡。中微量元素對(duì)烤煙的品質(zhì)及產(chǎn)量的形成有著大量營(yíng)養(yǎng)元素不可替代的作用4。當(dāng)土壤有效鉬含量低于020mgkg會(huì)少上等煙葉的產(chǎn)率，煙葉缺硼容易出現(xiàn)葉片失綠、增厚、皺縮等現(xiàn)象。準(zhǔn)確了解煙區(qū)土壤中微量元素豐缺情況，可以有針對(duì)性地科學(xué)施肥。

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。重金屬污染具有毒性大、持久性長(zhǎng)、生物富集性強(qiáng)等特點(diǎn)。土壤中重金屬可以通過(guò)食物鏈不斷積累，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重影響。研究表明煙葉中重金屬含量受土壤重金屬含量影響，土壤重金屬污染會(huì)對(duì)煙葉產(chǎn)質(zhì)量和安全性帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。目前對(duì)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有地積累指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法等，地積累指數(shù)考慮的是成巖作用對(duì)土壤背景值的影響，而內(nèi)梅羅指數(shù)法可全面反映重金屬對(duì)土壤的不同作用。結(jié)合兩種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可為研究區(qū)土壤重金屬的防控提供科學(xué)依據(jù)。

淄博煙區(qū)作為全國(guó)煙草種植最早地區(qū)之一，所產(chǎn)煙葉特色鮮明，具有典型中間香型特點(diǎn)，煙田土壤主要為棕壤和淋溶褐土2。淄博地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，高污染風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)較多，區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有一定壓力，目前關(guān)于淄博煙田重金屬特征及其風(fēng)險(xiǎn)狀況的研究較少。本文以淄博煙田土壤為研究對(duì)象，探究煙田土壤中微量元素含量特征及重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)水平，這對(duì)優(yōu)化淄博煙田生態(tài)環(huán)境，保障煙葉安全生產(chǎn)具有重要理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

淄博煙區(qū)位于北緯355520"～37°1714"，東經(jīng)117932'15"～118°3100"之間，是山東重要烤煙產(chǎn)區(qū)，有著近90年的烤煙歷史，是歷史上著名的青州煙產(chǎn)地之ー叫。淄博烤煙種植區(qū)主要分布在南部的山地丘陵區(qū)，集中于沂源縣、淄川區(qū)和博山區(qū)，海拔約400m，多為典型的喀斯特地貎，是山東海拔最高的植煙區(qū)之一。淄博煙區(qū)地處暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，干濕交替，四季分明，年均降雨量800mm，具備生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的優(yōu)良生態(tài)條件1。

1.2研究方法與樣品采集

1.2.1土壤樣品采集根據(jù)淄博煙區(qū)的烤煙分布情況，2017年在淄博3個(gè)主產(chǎn)煙區(qū)采集了42個(gè)土壤樣品（沂源縣21個(gè)、博山區(qū)9個(gè)、淄川區(qū)12個(gè)）。采樣時(shí)間為施肥起壟前，采樣深度為0～25cm，采樣方法為“梅花”布點(diǎn)或S形采樣（采樣時(shí)避開(kāi)溝邊、肥堆、田埂、路邊等特殊部位），采樣量1.0kg左右，樣品采回后進(jìn)行風(fēng)干、研磨，過(guò)20目篩備用。

1.2.2測(cè)定項(xiàng)目及方法土壤pH采用電位法水土比（m）為2.5：測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法、全氮采用半微量開(kāi)氏法、有效磷采用碳酸氫鈉法、速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法、交換性鈣、鎂采用乙酸銨漫提-原子吸收分光光度法、有效硼采用沸水浸提-姜黃素比色法、有效鉬采用草酸草酸銨浸提KCNS比色法進(jìn)行測(cè)定壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn等8種重金屬全量采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）方法測(cè)定。

3重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.3.1地積累指數(shù)法地積累指數(shù)（a。）又名Miler指數(shù)，以重金屬總量為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)，此方法同時(shí)考慮自然成巖作用和人為活動(dòng)分別對(duì)背景值和環(huán)境的影響。計(jì)算公式如（1）所示。

為重金屬i的地積累指數(shù)C是土壤中重金屬i的實(shí)測(cè)濃度K為消除不同地區(qū)成巖作用造成背景值波動(dòng)差異而設(shè)置的常數(shù)（通常取值1.5）：B為重金屬元素參考值，本文參考值參照山東省土壤背景值，0、0e1、1《2、2《e3、3《l4、4l5和s5分別對(duì)應(yīng)著“無(wú)”、輕微污染"、“輕度污染”、“中度污染、“重度污染”、“重極嚴(yán)重污染”和“極嚴(yán)重污染”7個(gè)等級(jí)。

1.3.2內(nèi)梅羅指數(shù)法內(nèi)梅羅指數(shù)法是在土壤污染評(píng)價(jià)中使用最為廣泛的綜合指數(shù)法，其計(jì)算公式為式中：P為重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù);C為重金屬i在土壤中的實(shí)含量，mgkg：S為重金屬在土壤中的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值2，mgkg：（CS）是土壤中重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值（CS）ave是土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。根據(jù)P值將污染等級(jí)分為4級(jí)：P≤1、1《P≤2、2P≤3和P》3分別對(duì)應(yīng)著“非污染”、“輕度污染”、“中度污染”和“重度污染”;根據(jù)P值將污染等級(jí)分為5級(jí)：P綜≤0.7、0.7P≤1.0、1《P≤2、2《P≤3和P》3分別對(duì)應(yīng)“安全”、“警戒限”、“輕污染中污染”和“重污染”。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、表格制作及統(tǒng)計(jì)分析，IBM Statistics SPSS20.0軟件進(jìn)行顯著性比較以及土壤重金屬含量相關(guān)性分析，Origin Pro9.1進(jìn)行箱狀圖的繪制。

2結(jié)果

淄博煙區(qū)土壤養(yǎng)分特征及豐缺狀況

參照陳江華等的煙田土壤養(yǎng)分分級(jí)方法3縣區(qū)土壤養(yǎng)分含量之間差異不顯著。淄博煙田土壤pH整體呈中性（表1），其中淄川最高為728，沂源最低為6.85，均處于較適宜種植煙草的土壤pH值（6.67.5）范圍2。3個(gè)煙區(qū)有機(jī)質(zhì)含量均值分別為15.50、154、13.98gkg，僅有淄川達(dá)到中等水平（15～25gkg）。淄川和博山全氮處于較豐富水平（1.5～2gkg），沂源屬于中等水平（1～1.5gkg）。個(gè)煙區(qū)有效磷含量均處于豐富程度（20～40mgkg），差異不大。壤速效鉀淄川最高且達(dá)到中等水平（150～20mgkg），而其他兩地均處于缺乏水平（80150mgkg）

2.2淄搏煙區(qū)土壤中微量元素豐缺特征

2.2.1淄博煙區(qū)土壤交換性鈣含量特征鈣是影響烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的重要中微量元素，是煙株吸收量?jī)H次于鉀的礦質(zhì)元素。由表2可知，淄博煙田土壤交換性鈣平均含量為11980.46mgkg，處于極豐富水平（》2000mgkg），但樣點(diǎn)間變異系數(shù)較大，含量分布不均勻，應(yīng)適當(dāng)控制含鈣肥料在煙田土壤的施用。

2.2.2淄博煙區(qū)土壤交換性鎂含量特征鎂是葉綠素的重要成分，適量鎂能夠促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育提升烤煙的內(nèi)在品質(zhì)。由表3可知，淄博煙田土壤交換性鎂平均含量為559.02mg/kg，整體處于豐富（200-400mg/kg）或極豐富水平（》400mgkg）。其中博山煙區(qū)變異較大，淄川交換性鎂含量顯著低于沂源。

2.2.3淄博市煙區(qū)土壤有效硼含量特征硼元素影響煙株子葉的形成及組織分化，且對(duì)煙株體內(nèi)運(yùn)輸組織的影響較大。由表4可知知，總體來(lái)看，淄博市煙田土壤有效硼平均含量0.87mgkg，有64.29%的植煙土壤處于適中水平。其中，淄川有3/4的煙田土壤有效硼含量適宜烤煙生長(zhǎng)，有1/4的煙田土壤有效硼含量偏低;博山煙田土壤有效硼含量相對(duì)較豐富，有2/3的煙田土壤有效硼含量偏高沂源煙田土壤有效硼整體含量適中。

2.2.4淄博煙區(qū)土壤有效鉬特征分析鉬是煙草生長(zhǎng)的必需微量元素，缺乏易引起作物葉片脈間失綠、葉片畸形等問(wèn)題2。從表5可知，淄川、博山和沂源3煙區(qū)的有效鉬均值分別為0.16、0.15和0.17mgkg，處于中等水平。淄博煙田各取樣點(diǎn)有35.71%處于缺乏（0.10-0.15mgkg）或極缺乏（《0.10mgkg）水平，建議適當(dāng)補(bǔ)充鉬肥，以確保優(yōu)質(zhì)煙葉生長(zhǎng)需求。

2.3淄博煙區(qū)土壤重金屬元素含量分析

2.3.1煙區(qū)土壤重金屬含量分布特征參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》2對(duì)淄博煙區(qū)土壤各重金屬含量進(jìn)行評(píng)價(jià)可知（表6），Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、i和Zn的重金屬均值分別為0.36、0.07、5.61、14.55、25.56、15.83、10.21和68.41mgkg，8種土壤重金屬均未超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)篩選值，土壤安全性較高。

2.3.2地積累指數(shù)評(píng)價(jià)各重金屬的地積累指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示，其中Cd和Hg的地累積指數(shù)均高于0，達(dá)到“輕微”風(fēng)險(xiǎn)范疇，這可能與淄博地區(qū)Cd和Hg背景值極低有關(guān);As、Pb、Cr、Cu、

Ni和Zn的地積累指數(shù)整體低于0，表明這6種重金屬在土壤中為無(wú)污染”水平。8種重金屬相比較，其污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別依次排序?yàn)椋篊d>Hg>Zn>As>Cu>Pb>Cr>Ni。

2.3.3內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)淄博煙區(qū)土壤重金屬的內(nèi)梅羅單因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如表7所示，Pb、Hg和Ni變異系數(shù)較大;從整體數(shù)據(jù)可看出淄博煙區(qū)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均《1，表明淄博煙區(qū)各單項(xiàng)重金屬指數(shù)均處于“非污染”狀態(tài);其中需要注意Cd指數(shù)的最大值已經(jīng)接近“輕度污染”水平（1.0），應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算出土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，淄博煙區(qū)土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)指數(shù)如表8所示，綜合指數(shù)值均低于0.7，污染等級(jí)為“安全表明煙田目前不存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

2.4土壤重金屬的相關(guān)性分析

通常認(rèn)為有顯著正相關(guān)關(guān)系的重金屬元素，具有相似的來(lái)源2列。各重金屬指標(biāo)相關(guān)性如表9所示，Cd與Hg和Zn之間呈顯著正相關(guān)（p《0.05），H與Cr及Zn呈極顯著正相關(guān)（p《0.01），而與Cu呈顯著正相關(guān)，As與Ni呈極顯著正相關(guān)，與Cr呈顯著正相關(guān)，Pb與Ni呈顯著負(fù)相關(guān)，Cr與Cu呈極顯著正相關(guān)，Cu與Zn呈極顯著正相關(guān)。結(jié)合淄博地理特征分析，推測(cè)重金屬Cd與Hg來(lái)源相同，主要是外源輸入，可能受當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)“三廢”的影響;而其他6種重金屬的含量均接近背景值，主要受成土母質(zhì)等因素影響。

3討論

本研究通過(guò)對(duì)淄博植煙區(qū)土壤中微量元素的監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，土壤交換性鈣和交換性鎂含量處于極豐富水平，而有效硼和有效鉬含量適中，這除了與當(dāng)?shù)爻赏聊纲|(zhì)有關(guān)外，也與煙田中微量元素的缺乏補(bǔ)充有重要關(guān)系。有研究表明22，土壤中微量元素含量會(huì)直接影響到煙葉中微量元素含量。李明德等2研究表明，在缺乏中微量元素的土壤上，植煙應(yīng)適當(dāng)增施中微量元素肥料，可以促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育，增加煙葉產(chǎn)量，提高煙葉品質(zhì)。紫云霞等究表明，煙田增施硼、鋅、鎂等中微量元素肥料，可提高煙葉的成熟度和外觀質(zhì)量，改善煙葉內(nèi)在化學(xué)成分協(xié)調(diào)性。因此，應(yīng)針對(duì)性的進(jìn)行平衡施肥，協(xié)調(diào)土壤中微量元素比例，保證優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的土壤環(huán)境條件，提高煙葉的工業(yè)可用性。

從重金屬含量上可知，淄博煙區(qū)整體重金屬含量偏低，但Cd元素最大值接近限量值，需要重點(diǎn)關(guān)注并采取有效的防控措施，而其他重金屬含量均遠(yuǎn)低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值。在本研究中，淄博煙田各金屬地積累指數(shù)的評(píng)價(jià)次序?yàn)椋篊d》Hg》Zn》As》Cu〉P》Cr》Ni，其中Cd和g風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)略高于其他重金屬，這可能是受到成土母質(zhì)、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等因素的影，需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中注意控制這兩種重金屬的輸入。內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)則表明淄博煙區(qū)土壤質(zhì)量處于“安全”水平，結(jié)合兩種評(píng)價(jià)方法可以看出，目前淄博地區(qū)煙田土壤處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，這與閆慧峰等的研究結(jié)果相似。各重金屬之間相關(guān)性主要是正相關(guān)，說(shuō)明重金屬都有相似的來(lái)源，而Pb和Ni呈顯著負(fù)相關(guān)，表明Pb和Ni是異源污染物，在土壤中此消彼長(zhǎng)，造成復(fù)合污染的可能性較小。整體上看，淄博煙區(qū)中微量元素處于中等及豐富水平，土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)較低，適宜煙葉高質(zhì)量安全生產(chǎn)。

4結(jié)論

（1）淄博煙區(qū)土壤整體pH呈中性，有機(jī)質(zhì)含量整體偏低，全氮含量適中，有效磷含量較豐富，而速效鉀含量除淄川含量適中外，其他兩地較缺乏。（2）淄博煙區(qū)土壤中交換性鈣和交換性鎂含量處于極豐富水平，而有效硼和有效鉬含量適中。（3）地積累指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明淄博煙區(qū)土壤受重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)影響較低，內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示淄博煙區(qū)土壤重金屬污染等級(jí)處于安全水平，適宜優(yōu)質(zhì)煙葉的安全生產(chǎn)。

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