羅甸縣不同土地利用類型對(duì)土壤重金屬含量的影響

董藝博，陳 超*，周 麗，楊 豐，譚玉蘭

(1.貴州大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省草地技術(shù)試驗(yàn)推廣站，貴州 貴陽(yáng) 550025)

【研究意義】近年來(lái)，隨著工業(yè)“三廢”排放及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥及污泥的濫用，土壤重金屬累積污染問題越發(fā)引起高度重視[1]。重金屬作為土壤中具有代表性的污染物，一旦進(jìn)入土壤，其隱蔽性、多源性和不可逆性的特點(diǎn)[2]，使之在土壤中不斷積累，對(duì)土壤和農(nóng)作物具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而威脅到人類及動(dòng)物的生命安全[3]。研究表明，不同土地利用類型是影響土壤重金屬積累、轉(zhuǎn)移的重要因素之一[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】謝婧等[5]在深圳市不同土地利用類型下的土壤研究區(qū)中，對(duì)重金屬累積調(diào)查表明，荒地處于清潔警戒線內(nèi)，而菜地和林地均處于輕度污染水平線內(nèi)，果園地達(dá)中度污染水平。陳宗娟等[6]通過對(duì)天津東南部某區(qū)域不同土地類型下土壤中重金屬的累積程度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)大部分的土壤中重金屬富集程度都達(dá)中度污染及以上水平，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為農(nóng)業(yè)用地>工業(yè)用地>居住用地。李清良等[7]通過潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究表明，與林地和綠地相比，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地表層土壤重金屬污染水平呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。IZQUIERDO等[8]對(duì)西班牙馬德里市6個(gè)不同特征的城市園林中的土壤重金屬研究表明，Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn含量與土壤質(zhì)地、pH及有機(jī)質(zhì)有關(guān)。綜上所述，不同土地利用類型，雖然會(huì)明顯的改變土壤重金屬含量，但在不同地區(qū)其影響程度卻不同。貴州喀斯特是易遭受人為活動(dòng)的干擾破壞的生態(tài)脆弱區(qū)，土壤侵蝕嚴(yán)重，生產(chǎn)力下降[9]，土壤水分及養(yǎng)分供應(yīng)不足，易貧化流失。特殊的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境因素變化反應(yīng)靈敏，生態(tài)穩(wěn)定性差，遭到破壞后恢復(fù)能力大幅度降低[10]。在貴州喀斯特地區(qū)復(fù)雜的自然環(huán)境下，不同的土地利用類型引發(fā)的土壤質(zhì)量危害程度也各不相同?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，針對(duì)貴州喀斯特生態(tài)系統(tǒng)不同土地利用類型的土壤重金屬的研究還相對(duì)欠缺?！緮M解決的科學(xué)問題】以貴州省羅甸縣的5種典型土地利用類型為研究對(duì)象，對(duì)巖溶地區(qū)表層土壤重金屬的分布特征及污染現(xiàn)狀進(jìn)行探究，并運(yùn)用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)各重金屬的污染狀況進(jìn)行闡述，明確土壤環(huán)境質(zhì)量對(duì)不同土地利用類型的響應(yīng)變化，對(duì)貴州省羅甸縣土地資源開發(fā)利用、發(fā)展特色農(nóng)業(yè)及種植業(yè)推廣提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)羅甸縣(E 106°23′14″～107°3′57″，N 25°3′45″～25°45′14″，海拔600～1000 m)位于貴州省南部地處黔南州的西南部，是典型的喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)，屬典型南亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季變化呈現(xiàn)春夏長(zhǎng)、秋冬短的特點(diǎn)，日照時(shí)間為1350～1520 h，年均溫度19.6 ℃，年均降水量1335 mm，無(wú)霜期335 d，因常年溫度較高，素有“天然溫室”之稱?？h內(nèi)河域?qū)僦榻饔蚣t水河水系，母巖以碳酸鹽巖為主，土壤類型主要為紅壤。植被分布以細(xì)葉馬尾松(Pinusmassoniana)、云南松(Pinusyunnanensis)、楓香樹(Liquidambarformosana)和麻風(fēng)樹(Jatrophacurcas)為建群種。草地主要以白茅(Imperatacylindrica)和草地早熟禾(Poapratensis)為優(yōu)勢(shì)種，并以通泉草(Mazusjaponicus)和細(xì)柄草(Capillipediumparviflorum)等為伴生種。農(nóng)田主要種植玉米(Zeamays)和油菜(Brassicacampestris)，耕作方式為輪作。土地利用類型以草地、灌木林為主，其次是農(nóng)用地。

1.2 材料

羅甸縣林地、天然草地、人工草地、農(nóng)田和棄耕地5種土地利用類型0～20 cm的表層土壤。

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集及預(yù)處理 2017年8月對(duì)研究區(qū)域(圖1)進(jìn)行實(shí)地探查和樣品采集。在研究區(qū)分別選取林地、天然草地、人工草地、農(nóng)田及棄耕地5種土地利用類型，各類型隨機(jī)選取3個(gè)樣地，樣地間隔均>500 m；每一樣地按照“S”型選取10個(gè)采樣點(diǎn)，采集0～20 cm表層土壤。剔出土樣中的植物殘根和碎石后將其按樣地分別混合均勻，再采用四分法留取1kg土樣，共15個(gè)土樣。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，然后過2 mm篩備用。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定 土壤重金屬元素Cr及Ni采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，Cd與Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，Hg含量采用冷原子吸收光度法進(jìn)行測(cè)定，As采用原子吸收光譜法測(cè)定[11]。

1.3.3 不同土地利用類型土壤重金屬含量的變異特征 利用變異系數(shù)反映不同利用方式下重金屬含量的變異特征，從而揭示指定區(qū)域內(nèi)變量的相對(duì)變化程度[12]。變異系數(shù)(c.v.)值越高，表明該重金屬元素的含量在該區(qū)域離散程度越高[13]。根據(jù)變異按照程度可劃分為輕度變異(0

式中：c.v.為變異系數(shù)，?為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為平均數(shù)。

1.3.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià) 根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，選取單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)和Hakanson潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)法共同對(duì)研究區(qū)重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害進(jìn)行評(píng)估。該研究將《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，6種重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)參照Hakanson[14]的研究結(jié)果確定。

(1)單因子污染指數(shù)法。單因子污染指數(shù)法主要用于單一污染因子在特定范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)。單因子污染指數(shù)法的計(jì)算公式為:

式中，Pi為土壤中元素i的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中元素i的實(shí)測(cè)質(zhì)量，單位mg/kg；Bi為土壤中元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，單位mg/kg。

(2)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)法一種對(duì)重金屬綜合污染指數(shù)計(jì)算的方法，強(qiáng)調(diào)了污染較重的因子對(duì)土壤質(zhì)量的危害程度，但對(duì)人為造成的污染以及重金屬潛在毒害作用的突出效果不夠明顯[14]。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的計(jì)算公式為:

式中，P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，maxi2為各因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的最大值，avei2為單因子污染指數(shù)的平均值。

(3)Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法。Hakanson潛在生態(tài)(風(fēng)險(xiǎn))評(píng)價(jià)利用污染物的潛在生態(tài)危害指數(shù)側(cè)重評(píng)價(jià)多種重金屬對(duì)人類和環(huán)境的危害程度，突出重金屬的潛在生物有效性[15]。污染物潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算公式為:

表1 Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤重金屬的含量分布特征

從表2看出，研究區(qū)6種重金屬平均含量為Cr(37.77 mg/kg)>Pb(18.92 mg/kg)>Ni(10.29 mg/kg)>As(3.82 mg/kg)>Cd(0.07 mg/kg)>Hg(0.05 mg/kg)，均未超過貴州省各元素背景值背景值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值(表2)。其中，Cd、Cr、Pb及Ni的含量分別為0.03～0.14 mg/kg、17.80～56.34 mg/kg、12.23～30.96 mg/kg及1.85～17.50 mg/kg，變異系數(shù)分別為49 %、33 %、30 %和45 %，呈中度變異；Hg和As的含量分別為0.01～0.11 mg/kg和0.49～6.46 mg/kg，其變異系數(shù)分別為58 %和51 %，呈高度變異，表明，羅甸縣土壤重金屬含量的分布不均勻。

由表3可知，同一種重金屬元素在5種不同利用方式土壤中其含量分布存在差異。Cd含量為棄耕地>農(nóng)田>人工草地>天然草地>林地，其中，農(nóng)田、草地和天然草地與棄耕地及林地間存在顯著差異，棄耕地的Cd含量顯著高于其余土地類型。Cr含量為棄耕地>人工草地>林地>農(nóng)田>天然草地，棄耕地的Cr含量顯著高于林地、農(nóng)田和天然草地；人工草地與林地間無(wú)顯著差異，且均顯著高于農(nóng)田和天然草地；農(nóng)田顯著高于天然草地。Pb含量為農(nóng)田>人工草地>棄耕地>天然草地>林地，農(nóng)田Pb含量顯著高于天然草地和林地。Ni含量為人工草地>棄耕地>林地>農(nóng)田>天然草地，人工草地與棄耕地間Ni含量差異不顯著，但均顯著高于其余土地類型；林地與農(nóng)田間差異不顯著，但均顯著高于天然草地。Hg含量為農(nóng)田>天然草地>棄耕地>人工草地>林地，天然草地、棄耕地和人工草地間差異不顯著，但均與農(nóng)田和林地間存在顯著差異。As含量為天然草地>人工草地>林地>棄耕地>農(nóng)田，天然草地、人工草地與林地間差異不顯著，但均與棄耕地、農(nóng)田間存在顯著差異；棄耕地與農(nóng)田間存在顯著差異。整體看，Cr、Ni和As含量均為人工草地>林地>農(nóng)田，人工草地與農(nóng)田間存在顯著差異；Cd、Cr和Hg含量均為棄耕地>人工草地>林地，棄耕地與林地間存在顯著差異；Cd、Cr和Ni含量均為棄耕地>農(nóng)田>天然草地，棄耕地與天然草地間存在顯著差異。

表2 羅甸縣土壤重金屬的含量

表3 描述統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型表層土壤重金屬的含量

2.2 不同土地利用方式土壤重金屬元素、pH、陽(yáng)離子交換量(CEC)和有機(jī)質(zhì)(SOM)的相關(guān)性

由表4可知，不同土地利用類型土壤重金屬、土壤pH、CEC及SOM之間存在一定的相關(guān)性。其中，各元素之間具有普遍的相關(guān)性，Cr與Ni呈極顯著正相關(guān)，Hg與As呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.911和-0.691，故Cr與Ni、Hg與As具有相似污染源。Pb與Hg、As分別呈顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.533和-0.637，故Pb與Hg、As具有相似污染源。pH與As呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他元素相關(guān)性不顯著，說(shuō)明土壤pH對(duì)重金屬As的含量具有較大影響。CEC與Cd、Cr呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為-0.596和-0.634，但與其他元素相關(guān)性較弱，表明CEC與土壤重金屬Cd、Cr含量密切相關(guān)。SOM與Hg、As分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.850和-0.868；與Pb呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.592，說(shuō)明，重金屬Hg、As和Pb含量與SOM的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

2.3 不同土地利用類型土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

由表5看出，不同土地利用類型土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Hg及As的單因子污染指數(shù)(Pi)均小于1。Cd的Pi為0.12～0.47，Cr的Pi為0.13～0.34，Pb的Pi為0.05～0.10，Ni的Pi為0.05～0.36，Hg的Pi為0.04～0.34，As的Pi為0.01～0.14。其中，以棄耕地土壤Cd和Cr，農(nóng)田土壤Pb和Hg，人工草地Ni和天然草地As的Pi最大；以林地土壤Cd、Pb和Hg，天然草地Cr和Ni，農(nóng)田土壤As的Pi最小。各種土地利用類型的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P)為棄耕地>農(nóng)田>人工草地>林地>天然草地，且均<0.7，均處于清潔水平。說(shuō)明，各土地利用類型的土壤均未受到上述6種重金屬的污染。

表4 羅甸縣土壤重金屬元素和土壤基本理化性質(zhì)Pearson相關(guān)性

表5 羅甸縣不同土地利用類型土壤重金屬的污染指數(shù)

表6 羅甸縣不同土地利用類型土壤重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)

2.4 不同土地利用類型土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)綜合考慮多種重金屬元素協(xié)同作用、毒性水平以及環(huán)境對(duì)重金屬污染敏感程度。從表6可知， 5種土地利用類型6種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)值(RI)分別為林地8.77、天然草地15.85、人工草地15.40、農(nóng)田22.13和棄耕地24.25，皆小于輕微生態(tài)危害的上限值(RI=150)，屬輕度生態(tài)危害。由此可見，研究區(qū)總體綜合危害程度屬輕度范圍。

3 討 論

羅甸縣土壤的Cd、Cr、Pb及Ni均表現(xiàn)為中度變異，Hg和As表現(xiàn)為高度變異，表明其土壤重金屬分布不均勻，且可能受到人為活動(dòng)的影響。即，該地區(qū)土壤重金屬含量不只受土壤本底值影響，還可能受到土地利用類型變化的干擾。若研究區(qū)土壤重金屬間相關(guān)性呈顯著或者極顯著相關(guān)，說(shuō)明二者或多者來(lái)源相似[16]。該研究結(jié)果表明，Cr與Ni，Hg與As可能具有相同來(lái)源。前人研究指出，Cr主要來(lái)源于母巖和成土過程，肥料和農(nóng)藥等人為因素產(chǎn)生的Cr遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤中原有的重金屬量[17]；Ni來(lái)源于成土母質(zhì)[18]。根據(jù)研究報(bào)道，Hg和As是工業(yè)排放的顯著指標(biāo)[19-20]，有色金屬冶煉、煤炭開采和燃燒對(duì)土壤中Hg和As的積累有顯著貢獻(xiàn)[21-22]，說(shuō)明Hg與As可能具有相同來(lái)源；肥料的施用也可能增加Hg與As的含量，與HUANG等[23-24]的研究結(jié)果相似。

土壤pH是影響土壤重金屬溶解度、遷移過程和生物活性的重要因素之一[25]。土壤pH的降低可使土壤中重金屬生物有效性增加[26]。該研究還發(fā)現(xiàn)，土壤pH與As呈顯著負(fù)相關(guān)。研究區(qū)土壤pH為4.04～5.38，隨著土壤酸性的增加，元素As生物有效性也隨之增強(qiáng)，與王浩等[27]的研究相似。因此，在酸性土壤中某些重金屬的流動(dòng)性和生物有效性具有較高的潛力[28]。

陽(yáng)離子交換量(CEC)與土壤重金屬的含量密切相關(guān)。CEC與Cd、Cr呈顯著負(fù)相關(guān)，表明2種重金屬元素的含量隨CEC的增加而減少，主要是因?yàn)殡S著CEC的增加，土壤中負(fù)電荷量逐漸升高，從而提供更多吸附點(diǎn)位起到固定重金屬離子的作用，進(jìn)而降低重金屬的生物活性[29-30]。

此外，有機(jī)質(zhì)(SOM)被認(rèn)為是影響土壤重金屬活性的最主要因子之一。該研究表明，SOM與Hg呈極顯著正相關(guān)，可能是因?yàn)镾OM含量升高，土壤對(duì)重金屬As的吸附作用增強(qiáng)，離子活度降低，促進(jìn)了研究區(qū)土壤重金屬的積累，降低了其遷移轉(zhuǎn)化速度，與TRAMMELL等[31]的研究結(jié)果一致；SOM與As呈極顯著負(fù)相關(guān)性，SOM通過形成金屬有機(jī)配合物影響?zhàn)B分的有效性，通過與重金屬離子形成不溶性配合物從而降低其生物活性[32]。

該研究采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)和Hakanson潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)法共同評(píng)估研究區(qū)重金屬的生態(tài)危害，結(jié)果表明：3種評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同，不同土地利用類型的土壤重金屬Cd、Cr、Pb、Ni、Hg及As皆處于清潔水平，未對(duì)土壤造成污染。5種土地利用類型均處于輕度生態(tài)危害。不同土地利用類型的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果依次為棄耕地>農(nóng)田>人工草地>林地>天然草地，元素Cr在棄耕地土壤中含量最高，在該研究中，棄耕地土壤中重金屬含量高于耕作土壤，該結(jié)論與湯文光等[33]的長(zhǎng)期免耕可降低土壤中重金屬含量的研究結(jié)果相反，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)闂壐赝寥雷陨眇B(yǎng)分和重金屬含量較高所致，研究中的棄耕地棄耕前為菜地，農(nóng)民在耕作過程中施肥以有機(jī)肥為主，有機(jī)肥的大量施加可活化土壤養(yǎng)分，提高肥力，進(jìn)而增加重金屬含量[34]；再者研究區(qū)棄耕地棄耕時(shí)間為3年，棄耕年限不長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分和重金屬含量無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移出去。農(nóng)田中谷類作物在吸收土壤養(yǎng)分的同時(shí)，土壤中部分重金屬也隨之被遷移轉(zhuǎn)出，并且由于研究區(qū)土壤偏酸性且溫度常年偏高，重金屬的生物有效性提高，使作物更容易吸收重金屬，最終導(dǎo)致農(nóng)田重金屬含量比棄耕地低。

4 結(jié) 論

對(duì)貴州省羅甸縣5種土地利用類型表層土壤6種重金屬元素(Cr、Pb、Ni、As、Cd及Hg)的分析評(píng)估結(jié)果表明，表層土壤重金屬元素含量為Cr>Pb>Ni>As>Cd>Hg，各元素含量均低于貴州土壤背景值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。整體看，5種不同土地利用類型土壤Cr、Ni和As的含量均為人工草地>林地>農(nóng)田，人工草地與農(nóng)田存在顯著差異；Cd、Cr和Hg的含量均為棄耕地>人工草地>林地，棄耕地與林地存在顯著差異；Cd、Cr和Ni的含量均為棄耕地>農(nóng)田>天然草地，棄耕地與天然草地存在顯著差異。相關(guān)性分析結(jié)果表明，Cr與Ni，Hg與As間存在顯著相關(guān)性，具有相似的污染來(lái)源，Cr和Ni主要來(lái)源于成土母質(zhì)；Hg和As除成土母質(zhì)外還可能來(lái)源于煤炭開采與燃燒及肥料的施用。土壤重金屬含量受土壤pH、CEC和有機(jī)質(zhì)(SOM)的影響。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)皆處于清潔水平，羅甸縣表層土壤重金屬未對(duì)當(dāng)?shù)赝寥涝斐晌廴?。可綜合考慮土壤養(yǎng)分、肥力和土地利用類型，大力發(fā)展無(wú)公害農(nóng)業(yè)。