不同農(nóng)田土壤類型對(duì)土壤中銅和鋅含量的影響

宋曉藍(lán)　李想　鄭童月　趙珊利　杜苗苗　丁晉利

摘要：選取4種典型農(nóng)田土壤（潮土、砂姜黑土、黃褐土和褐土）并分析不同土壤類型銅（Cu）、鋅（Zn）含量的分布特征。結(jié)果表明，不同土壤類型表層Cu含量高低表現(xiàn)為黃褐土〉砂姜黑土〉褐土>潮土;其中，黃褐土的Cu含量與潮土、砂姜黑土、褐土中的Cu含量有顯著性差異;砂姜黑土表層中的Zn含量顯著高于潮土、黃褐土和褐土，其最高值達(dá)225.40mg/kg。從垂直分布特征來看，砂姜黑土和黃褐土表層（0～20cm）中的Cu、Zn含量均顯著高于20～40cm、40～60cm 土層。潮土表層Cu含量與40～60cm 土層的Cu含量之間沒有顯著差異，而褐土表層Cu含量與20～40cm、40～60cm 土層之間存在顯著差異;黃褐土、砂姜黑土和褐土Zn含量隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。4種不同類型土壤重金屬Cu、Zn平均含量低于國家農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，處于清潔、尚清潔階段。

關(guān)鍵詞：不同土壤類型;表層分布特征;垂直分布;Cu和Zn

中圖分類號(hào)：X825; S151.9+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020） 16-0026-04

DOI： 10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.005

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是提高作物產(chǎn)量及其質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，重金屬污染物大量、廣泛傳播，土壤受重金屬污染問題日趨嚴(yán)重，對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展有巨大的影響[2]。銅和鋅是土壤的主要污染物，具有污染范圍廣、在土壤中停留時(shí)間長、難降解等特性[3]。土壤中銅（Cu）和鋅（Zn）含量過高時(shí)會(huì)影響作物的生長，污染糧食子粒，并通過人類食用等渠道而逐漸在人體內(nèi)富集堆積，從而影響人們身體健康[4]。

河南省地處中原，是中國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)之一，研究農(nóng)田土壤中銅和鋅的含量分布特征對(duì)未來糧食安全具有重要意義。申洪濤等[5]對(duì)河南省各煙區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，河南省4個(gè)煙區(qū)內(nèi)各重金屬的分布差異明顯。謝娟等[6]指出土壤類型不同，其重金屬含量在垂向上的分布有顯著差異。銅和鋅在河南省不同土壤類型中的分布規(guī)律鮮見報(bào)道。本研究選取潮土、砂姜黑土、褐土、黃褐土4種土壤探討了河南省銅和鋅在不同土壤類型中表層的分布特征，并分析了銅和鋅含量隨土層深度的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)了銅和鋅的潛在風(fēng)險(xiǎn)，旨在評(píng)估河南省典型農(nóng)田土壤Cu、Zn兩種重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)，為糧食安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部，華北平原南端，地勢(shì)西高東低，地貌類型復(fù)雜多樣，土壤類型豐富，主要分布有黃棕壤、黃褐土、棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、鹽堿土和水稻土等8個(gè)土類。潮土主要分布在東部平原，分布面積最大;砂姜黑土主要分布在淮北平原及南陽盆地;豫西山地及黃土丘陵為褐土。本研究選取豫中鄭州的沙質(zhì)潮土、豫南駐馬店的砂姜黑土、南陽南召縣的黃褐土及安陽的褐土。該研究區(qū)均為糧食（小麥、玉米、豆類）主產(chǎn)區(qū)。

1.2 樣品采集及測(cè)定

于2019年4月20—30日在河南省安陽市林州市、鄭州市黃河濕地公園、南陽市南召縣、駐馬店市汝南縣的農(nóng)田進(jìn)行取樣，采用S形取樣法，設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，分3層取樣，即0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，多點(diǎn)采樣混合后，采用四分法，每層土樣取500g，放入干凈自封袋，帶回室內(nèi)風(fēng)干，除去碎石、植物殘?bào)w等，磨碎過篩，待測(cè)。

1.3 樣品測(cè)定與評(píng)價(jià)方法

土壤重金屬含量采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定[7]，Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法，土壤樣品經(jīng)過濃硝酸、氫氟酸、濃鹽酸、高氯酸消解后，利用原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定，通過空白試驗(yàn)和國家標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制。采用GB 15618—2018[8]的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)方法。

單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)，其計(jì)算方法見式（1）。

P_i=C_i/S_i（1）

式中，尺為土壤中污染物的污染指數(shù);為污染物i的實(shí)測(cè)值（mg/kg）; Si為污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg），采用GB 15618—2018[8]中的標(biāo)準(zhǔn)（pH 6.5～7.5），即Cu、Zn的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值分別為100、250 mg/kg。土壤單項(xiàng)污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)：Pi≤0.7，安全;0.73.0，重度污染。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的主要方法[9，1（）]，其計(jì)算方法見式（2）。

式中，P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pimax為某樣點(diǎn)單因子污染指數(shù)的最大值;Piave為某樣點(diǎn)單因子污染指數(shù)的平均值[11]。土壤綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，繪制圖表。采用SPSS 1.9軟件對(duì)不同類型土壤中Cu、Zn含量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤類型表層0～20 cm重金屬分布特征

不同土壤類型中表層土重金屬Cu含量如圖1a所示。Cu含量高低表現(xiàn)為黃褐土>砂姜黑土>褐土>潮土，Cu含量最高值為41.41 mg/kg，且黃褐土的Cu含量與潮土、砂姜黑土、褐土中的Cu含量差異性顯著。這4種土壤之間的Cu含量存在顯著性差異，表明土壤類型對(duì)重金屬Cu的含量分布具有顯著影響。這可能是由于砂姜黑土、黃褐土和褐土的表層含黏粒多或土壤結(jié)構(gòu)疏松，對(duì)Cu的吸附作用強(qiáng)[12]，導(dǎo)致較多的重金屬Cu富集在砂姜黑土、黃褐土和褐土的表層土壤中。此外，土壤重金屬含量受農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響[13]，特別是畜禽糞便等有機(jī)肥的大量施用也會(huì)導(dǎo)致Cu的累積[14]。

不同土壤類型表層中，砂姜黑土重金屬Zn含量最高，為225.40 mg/kg（圖1b）。砂姜黑土表層的Zn含量顯著高于潮土、黃褐土和褐土，黃褐土與褐土之間的Zn含量無顯著差異，這可能是由于砂姜黑土表層土壤結(jié)構(gòu)疏松，對(duì)Zn的吸附作用較強(qiáng)[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，大量施用農(nóng)家有機(jī)肥可能會(huì)導(dǎo)致Zn留存在土壤中[12]。而潮土表層Zn含量較低主要是由于潮土的有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)含量低[15]，有機(jī)質(zhì)可與鋅相互作用形成較難溶的絡(luò)合物較少，對(duì)重金屬的吸附作用弱，土壤固鋅的能力較低[16]。

2.2不同土壤類型重金屬垂直分布特征

Cu是植物生長的必需營養(yǎng)元素，但當(dāng)土壤中的Cu超過一定量時(shí)，植物的生長發(fā)育會(huì)受到阻礙。從表2可以看出，潮土中，重金屬Cu含量隨深度的增加呈先下降后上升的趨勢(shì)，且0～20 cm 土層與40～?60cm 土層的含量之間無顯著差異。砂姜黑土的Cu含量在表層0～20cm處最高，與20～40cm和40～60cm 土層之間存在顯著性差異。這可能是受土壤母質(zhì)和人類活動(dòng)的影響[17]。黃褐土和褐土中表層0～20cm的Cu含量顯著筒于20～40cm和40～60cm 土層，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的含量對(duì)植物吸收重金屬產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)有機(jī)質(zhì)在土壤中含量較高時(shí)會(huì)顯著降低植物對(duì)土壤中重金屬的吸收[18]。

黃褐土、砂姜黑土和褐土中的Zn含量均隨著土壤深度增加而呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。其中，砂姜黑土Zn含量在0～20cm 土層含量與20～40cm、40～60cm 土層的含量差異顯著，而潮土0～20cm 土層Zn含量顯著低于20～40cm和40～60cm 土層（表2），這可能是由于砂姜黑土土體深厚，質(zhì)地偏重，透水能力弱，Zn隨著降水進(jìn)人土壤深層較為困難，因此重金屬Zn集聚在表層，而潮土屬于半水成土，其表層有機(jī)質(zhì)較少，固Zn能力較弱[16]，易隨水遷移至下層土壤[19]。

2.3 不同土壤重金屬污染程度分析

根據(jù)單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，評(píng)價(jià)潮土、砂姜黑土、黃褐土、褐土4種不同類型土壤中Cu、Zn的單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)，結(jié)果如表3所示。從單因子污染指數(shù)來看，Cu在4種土壤類型中均未超標(biāo)，處于安全階段;Zn在4種土壤類型中均未超標(biāo)，其中，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在（0.7，1.0]的有砂姜黑土 33.3%、黃褐土 66.6%、褐土100%，存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)給予關(guān)注，其余處于安全階段。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)大小表現(xiàn)為砂姜黑土（0.733）> 黃褐土（0.689）> 褐土（0.645）> 潮土（0.392），潮土、黃褐土、褐土處于清潔階段，但黃褐土、褐土接近警戒線水平，砂姜黑土處于尚清潔階段。綜上所述，研究區(qū)鄭州（潮土）、駐馬店（砂姜黑土）、南陽（黃褐土）、安陽（褐土）均未受到重金屬Cu、Zn的污染。

3 小結(jié)

1） 4種土壤類型的土壤表層（0～20 cm） Cu、Zn含量最高分別在黃褐土（41.41mg/kg）和砂姜黑土（225.40 mg/kg）; Cu含量高低表現(xiàn)為黃褐土>砂姜黑土>褐土>潮土，且4種土壤間的Cu含量存在顯著差異;砂姜黑土表層土壤中Zn含量顯著高于潮土、黃褐土和褐土，而黃褐土與褐土之間的Zn含量無顯著差異。

2）砂姜黑土和黃褐土中的Cu、Zn含量在表層最高，顯著高于20～40、40～60cm 土層。潮土20～?40cm 土層的Cu含量最低，與0～20 cm、40～60cm土層存在顯著差異，其Zn含量隨土壤深度的增加而逐漸上升;褐土表層Cu含量與20～40 cm、40～60cm 土層之間則存在顯著差異，其表層Zn含量與20～40cm 土層之間存在顯著差異，與40～60cm 土層無顯著差異。3）4種不同類型土壤均未受到重金屬Cu、Zn的污染，處于清潔、尚清潔階段。

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收稿日期：2020-01-08

基金項(xiàng)目：河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201912949008）;鄭州師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（DCZ2018023）

作者簡(jiǎn)介：宋曉藍(lán)（1997-），男，廣西欽州人，在讀本科生，地理科學(xué)專業(yè)，（電話）13271592475（電子信箱）xsyxb5283@163.com;通信作者，丁晉利（1978-），女，山西晉城人，講師，博士，主要從事土壤生態(tài)與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究，（電話）13592486855（電子信箱）dingjinlil978@163.com。