淺析土壤理化性質(zhì)對元素遷移轉(zhuǎn)化的影響

周立國，朱江源，范偉順，張曉闖，于繼光，蔣莉，苗秀川

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點實驗室,日照地質(zhì)地理大數(shù)據(jù)研究院，山東 日照 276826)

0 引言

土壤當中，重金屬同時在水平方向和垂向上實施遷移，在物理、化學、生物作用下，產(chǎn)生形態(tài)變化且向其他介質(zhì)當中進行遷移，前人通過研究土壤理化性質(zhì)(pH、有機質(zhì)、氧化還原電位等)對重金屬的遷移能力，用于確定重金屬的污染機理，從而采取有效措施控制土壤當中重金屬元素的分布情況。

元素在土壤中的地球化學行為取決于在土壤中的存在方式，而元素在土壤中的存在方式則與土地利用方式(水澆地、旱地、果園、林地等)和土壤的理化性質(zhì)密切相關(guān)[1-2]。此外，土壤元素的含量主要與成土母質(zhì)及其成土過程有關(guān)，同時土壤pH、有機質(zhì)含量、陽離子交換量等理化性質(zhì)，大氣干濕沉降物、化肥、農(nóng)藥使用等人為活動對其的影響也不容忽視。本文從農(nóng)作物及根系土元素的遷移轉(zhuǎn)換特征。分析相同含量的元素在不同理化性質(zhì)的土壤中不同地球化學行為，研究土壤理化性質(zhì)影響元素的轉(zhuǎn)化和作物對元素的吸收[3]。

1 工作方法

1.1 樣品采集

采樣對象以五蓮縣水澆地、旱地、果園、林地為主，同時兼顧建設(shè)用地和其他土地，以5.8個/km2的密度采集0～20cm深度的土壤樣品5851件。在農(nóng)用地土壤類型采樣時，采樣點在地塊中央進行樣品采集，避開道路、院墻、肥料堆放點等潛在污染源的位置。低山丘陵區(qū)在緩平坡地、山間平原及低洼等相對平緩的地區(qū)采樣，采樣點位置與布設(shè)點位誤差小于50m。城鎮(zhèn)區(qū)采樣調(diào)查無法采集自然表層土壤時，均采集回填時間5年以上未被翻動過的土壤。每個采樣點確定一個中心點，向四周東南西北各15m設(shè)置分樣點，5個點按照等量采集并組合成一個土壤樣品，以中心點為GPS定點位置[4]。

小麥、玉米等大宗農(nóng)作物以1個/16km2的密度采集60件樣品，同時采集配套根系土。

1.2 樣品分析

土壤樣品分析N、P、B、Mn、Zn、Cu、Se、Mo、I、S、F、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Ni、V、Co、Ge、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、OrgC、CEC、pH共29項指標；農(nóng)作物樣品分析Pb、Ge、Se、I、As、Cd、Cr、Zn、Cu、Hg共計10種元素。

元素分析方法實際檢出限、準確度、精密度等各項質(zhì)量指標達到或優(yōu)于規(guī)范要求。取得土壤數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，滿足要求。

2 討論

2.1 土壤中元素地球化學行為影響因素

2.1.1 有機質(zhì)的影響

土壤有機質(zhì)是泛指土壤中來源于生命的物質(zhì)。有機質(zhì)含有植物生長發(fā)育所需要的各種營養(yǎng)元素，有95%以上氮素是以有機狀態(tài)存在于土壤中的，有機質(zhì)也是土壤中磷、硫、鈣、鎂以及微量元素的重要來源[5-6]。此外，土壤有機質(zhì)能夠改善土壤物理性質(zhì)，有利于土壤形成團粒結(jié)構(gòu)，具有高度的保水保肥性能(表1)。

表1 調(diào)查區(qū)土壤有機質(zhì)含量與各指標元素相關(guān)系數(shù)表

有機質(zhì)與土壤中各項指標之間的相關(guān)系數(shù)如表1所示，N、Se、I等元素指標與有機質(zhì)之間表現(xiàn)出良好的正相關(guān)性(圖1)，這些元素指標在表層土壤中與有機質(zhì)聯(lián)系緊密，正是表層土壤中有機質(zhì)的螯合、吸附作用，從而導致部分元素在表層土壤中發(fā)生次生富集。因此，增加土壤有機質(zhì)含量，可以有效地提升這些元素的肥力狀況[7]。SiO2、F、pH等指標同有機質(zhì)之間形成負相關(guān)，SiO2能表征土壤中砂粒含量高低，砂粒含量越高，黏粒含量越少，有機質(zhì)含量即越少。有機物質(zhì)在微生物的分解作用下，也會產(chǎn)生氨(NH3)和H2S，經(jīng)氧化形成HNO3和H2SO4，降低土壤pH[8]，即有機質(zhì)的地球化學行為是影響土壤pH的因素之一。

圖1 有機質(zhì)與氮、硒元素含量相關(guān)性散點圖

2.1.2 土壤酸堿度的影響

土壤酸堿性是土壤的重要理化性質(zhì)，對土壤微生物的活性、對礦物質(zhì)和有機質(zhì)的分解起重要作用，影響土壤養(yǎng)分和重金屬等元素的釋放、固定和遷移轉(zhuǎn)化等[9]。

對調(diào)查區(qū)pH和元素指標進行相關(guān)性統(tǒng)計，Se、SiO2、OrgC與pH存在一定程度的負相關(guān)性，相關(guān)性最顯著的指標為SiO2。F、CaO、MgO和Mn與pH存在一定程度的正相關(guān)性，pH與其他指標未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性(表2，圖2)。

表2 調(diào)查區(qū)土壤pH與各指標元素相關(guān)系數(shù)表

圖2 pH與CaO、F含量相關(guān)性散點圖

2.2 耕作層土壤-農(nóng)作物元素遷移轉(zhuǎn)化影響因素

土壤重金屬元素對植物的生態(tài)效應是受多種因素控制的，植物從土壤中吸收元素的量與土壤中元素的總量有一定的關(guān)系，但土壤元素的總含量并不是植物吸收的一個可靠指標，元素在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化主要受土壤的理化性質(zhì)(pH、Eh、黏粒、有機質(zhì)等)、土壤中重金屬形態(tài)和植物特性等因素的影響[10]。根據(jù)本次調(diào)查獲得的小麥、玉米與根系土數(shù)據(jù)，對根系土-玉米籽實、根系土-小麥籽實之間元素的遷移轉(zhuǎn)化影響因素進行了研究。

2.2.1 元素在土壤與農(nóng)作物之間的相互關(guān)系

對土壤中的元素與玉米和小麥籽實中的元素進行相關(guān)性統(tǒng)計(表3，圖3)，土壤與玉米籽實中相關(guān)性較明顯的指標為Zn；土壤與小麥籽實中相關(guān)性較明顯的指標為Ge[11-12]。

表3 土壤元素與小麥、玉米籽實元素相關(guān)系數(shù)(N=60)

圖3 土壤元素與農(nóng)作物籽實元素含量相關(guān)性散點圖

2.2.2 元素在農(nóng)作物中交互作用

植物吸收重金屬的機制復雜，但研究表明，不同重金屬之間會存在互相作用，如拮抗作用，相互抑制，或者存在互相促進作用，這里通過統(tǒng)計分析，簡單探析元素之間的相互作用關(guān)系。

小麥籽實中元素的相關(guān)性統(tǒng)計見表4和圖4，不同元素的相互作用各不相同，呈正相關(guān)的有Cu-Zn、Zn-Pb、Zn-Cd、Zn-Se、Cr-Se、Pb-As、Pb-Cd、Pb-Hg、Cd-Se和Se-Hg，元素組合間相互促進；呈負相關(guān)的有Cu-As、Cr-Hg、Pb-I和Ge-Hg，元素間相互抑制，Hg元素與較多元素間會產(chǎn)生拮抗作用，為抑制作用。

表4 小麥籽實中各元素指標相關(guān)性統(tǒng)計表(N=60)

圖4 小麥籽實中硒與鋅、鎘元素含量相關(guān)性散點圖

玉米籽實中元素間的相關(guān)性統(tǒng)計見表5和圖5，Se與Hg元素相關(guān)系數(shù)最明顯，為0.69。呈正相關(guān)有Cd-Cr、Zn-Pb、Pb-Cr、Cu-Ge、As-Hg和Hg-Se，元素組合間相互促進；呈負相關(guān)的有Hg-Pb、As-I、Se-I和I-Hg，I元素與較多元素間會產(chǎn)生拮抗作用，為抑制作用。

表5 玉米籽實中各元素指標相關(guān)性統(tǒng)計表(N=60)

圖5 玉米籽實中汞與砷、硒元素含量相關(guān)性散點圖

2.2.3 元素的富集系數(shù)及其影響因素

富集系數(shù)是指某種物質(zhì)或元素在生物體的濃度與生物生長環(huán)境(水、土壤、空氣)中該物質(zhì)或元素的濃度之比。作物吸收As、Cd等有害元素的影響因素眾多，過程非常復雜，因此，本文僅從統(tǒng)計規(guī)律角度，總結(jié)了玉米和小麥籽實對元素的吸收(富集系數(shù))規(guī)律，建立籽實As、Cd等含量與土壤pH、OrgC或其他指標的定量關(guān)系，以期進行區(qū)域尺度的生態(tài)安全性評價和研究。

(1)pH對富集系數(shù)的影響。由表6可知，對于土壤酸堿度pH而言，土壤pH與小麥、玉米籽實中各元素富集系數(shù)之間的相關(guān)性不明顯。

表6 pH對農(nóng)作物富集系數(shù)相關(guān)性統(tǒng)計表(N=60)

從統(tǒng)計結(jié)果來看，土壤酸堿性的調(diào)節(jié)無論是對營養(yǎng)元素還是重金屬元素的吸收影響較小。整體來看酸堿度對重金屬元素的影響為負相關(guān)，即土壤酸化會促進籽實對重金屬元素的吸收。

(2)有機質(zhì)對富集系數(shù)的影響。通過對有機質(zhì)與各元素指標的富集系數(shù)進行相關(guān)性統(tǒng)計(表7)，土壤有機質(zhì)與小麥、玉米籽實中各元素指標的富集系數(shù)相關(guān)性不明顯。

表7 有機質(zhì)對農(nóng)作物富集系數(shù)相關(guān)性統(tǒng)計表(N=60)

從統(tǒng)計的結(jié)果來看，土壤有機質(zhì)的增加都會降低營養(yǎng)元素和重金屬元素向籽實中的遷移轉(zhuǎn)化效率。土壤有機質(zhì)的增加，增加土壤元素全量和有效量的同時，也增加了植物對元素的吸收，但植物體內(nèi)的增幅小于土壤中的增幅，即土壤向植物中遷移轉(zhuǎn)化的效率降低。

3 結(jié)論

通過土壤理化性質(zhì)對元素遷移轉(zhuǎn)化的影響分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)五蓮縣土壤中N、Se、I等元素與有機質(zhì)之間表現(xiàn)出良好的正相關(guān)性，增加土壤有機質(zhì)含量，可以有效地提升這些元素的肥力狀況；土壤中Se、SiO2、OrgC等元素指標與pH存在一定程度的負相關(guān)性，土壤鹽堿化減低土壤的透氣性，易造成土壤的板結(jié)。

(2)土壤與玉米籽實中相關(guān)性較明顯的指標為Zn，與小麥籽實中相關(guān)性較明顯的指標為Ge。土壤中增施鋅、鍺等微量元素肥料，可以提高玉米、小麥籽實中有益元素的吸收。

(3)土壤pH與小麥、玉米籽實中各元素富集系數(shù)之間的相關(guān)性不明顯。整體來看酸堿度對重金屬元素的影響為負相關(guān)，即土壤酸化會促進籽實對重金屬元素的吸收。

(4)土壤有機質(zhì)與小麥、玉米籽實中各元素指標的富集系數(shù)相關(guān)性不明顯。從統(tǒng)計的結(jié)果來看，土壤有機質(zhì)的增加都會降低營養(yǎng)元素和重金屬元素向籽實中的遷移轉(zhuǎn)化效率。