海南省農(nóng)產(chǎn)品基地土壤理化指標(biāo)和主要無(wú)機(jī)元素監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

吳 姬，伍成成，唐聞雄

(海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，海南?？?571126)

土壤生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是重要的污染物容納場(chǎng)所。涉重金屬企業(yè)“三廢”排放以及污水灌溉、污泥農(nóng)用、化肥的不合理施用導(dǎo)致重金屬在土壤中積累，農(nóng)用地土壤也面臨著重金屬污染帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題[1-2]。針對(duì)農(nóng)田或農(nóng)產(chǎn)品基地理化性質(zhì)變化和土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成為研究的熱點(diǎn)[3-7]。但研究區(qū)域大多集中在污染源附近的小尺度范圍，對(duì)省級(jí)層面主要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和理化指標(biāo)分布特征的研究較少。該研究選取海南省8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地，分析土壤理化指標(biāo)和主要無(wú)機(jī)元素含量及其差異特征，評(píng)價(jià)土壤主要無(wú)機(jī)元素污染風(fēng)險(xiǎn)，旨在為農(nóng)產(chǎn)品基地土壤污染防治和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況海南省屬熱帶季風(fēng)氣候，日照多，氣溫高，雨量充沛、時(shí)空變化大。全省主要土壤類型為磚紅壤、水稻土、赤紅壤、燥紅土、紫色土、火山灰土、風(fēng)沙土、新積土等。土壤成土母質(zhì)有花崗巖、基性火山巖、第四系、沉積巖、變質(zhì)巖、堿性侵入巖、中生代火山巖等。海南是發(fā)展熱帶特色高效農(nóng)業(yè)的重要區(qū)域。

1.2 樣品采集選取海南8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地，基地代碼分別為J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8。其中J1、J2土地利用方式主要為耕地(旱地)，J3、J4、J5、J6、J7土地利用方式主要為耕地(水田)，J8土地利用方式為園地(果園)。

在種植基地范圍內(nèi)采用網(wǎng)格法進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn)，網(wǎng)格大小為100 m×100 m，每個(gè)種植基地布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。每個(gè)點(diǎn)位土壤理化指標(biāo)和無(wú)機(jī)測(cè)試項(xiàng)目采集表層(0～20 cm)，單點(diǎn)采樣，每層采樣量不少于2 000 g。

1.3 樣品處理將樣品置于風(fēng)干室搪瓷盤中，自然風(fēng)干，適時(shí)壓碎、翻動(dòng)，揀出碎石、砂礫、植物殘?bào)w。在土壤樣品制備間內(nèi)完成土壤樣品粗磨、細(xì)磨、分樣等工作。

1.4 樣品分析測(cè)試?yán)砘笜?biāo)包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)和陽(yáng)離子交換量；無(wú)機(jī)項(xiàng)目以《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)》(GB 15618—2018)為基礎(chǔ)，選擇農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的基本項(xiàng)目，包括鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅。

土壤pH采用《電位法》(HJ 962—2018)，有機(jī)質(zhì)含量采用《土壤檢測(cè)第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》(NY/T 1121.6—2006)，陽(yáng)離子交換量采用《森林土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定方法》(LY/T 1243—1999)，鎘含量采用《石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)，汞和砷含量采用《微波消解/原子熒光法》(HJ 680—2013)，銅、鉛、鉻、鋅和鎳含量采用《波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法》(HJ 780—2015)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤理化指標(biāo)特征從表1～2可以看出，農(nóng)產(chǎn)品基地土壤pH最小值為4.55，最大值為7.03。土壤呈強(qiáng)酸性和酸性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位pH≤5.5的有21個(gè)，占農(nóng)產(chǎn)品基地點(diǎn)位數(shù)的52.5%；監(jiān)測(cè)點(diǎn)位5.57.5。按照土壤酸堿度進(jìn)行分類，農(nóng)產(chǎn)品基地土壤呈極強(qiáng)酸性、強(qiáng)酸性、酸性、中性的點(diǎn)位比例分別為0、52.5%、45.0%、2.5%，沒(méi)有土壤呈堿性或強(qiáng)堿性。8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地土壤呈酸性～強(qiáng)酸性，體現(xiàn)了海南熱帶高濕高熱氣候條件下土壤強(qiáng)烈風(fēng)化淋濾作用[8]。

表1 土壤理化指標(biāo)和無(wú)機(jī)項(xiàng)目結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 農(nóng)產(chǎn)品基地土壤酸堿度統(tǒng)計(jì)

土壤有機(jī)質(zhì)含量最小值為2.95 g/kg，最大值為24.80 g/kg，平均值為13.60 g/kg(表1)。農(nóng)產(chǎn)品基地土壤有機(jī)質(zhì)含量集中在9.19～18.50 g/kg的監(jiān)測(cè)結(jié)果占比最多，為72.5%(圖1)。依據(jù)有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)產(chǎn)品基地有機(jī)質(zhì)含量偏低，12.5%的點(diǎn)位有機(jī)質(zhì)含量中等，62.5%的點(diǎn)位有機(jī)質(zhì)含量較低，25.0%的點(diǎn)位有機(jī)質(zhì)含量屬于缺乏以下(表3)。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品基地有機(jī)質(zhì)頻數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of organic matter in agricultural product base

表3 農(nóng)產(chǎn)品基地土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)統(tǒng)計(jì)

土壤陽(yáng)離子交換量最小值為1.28 cmol/kg，最大值為10.80 cmol/kg，平均值為5.59 cmol/kg(表1)。農(nóng)產(chǎn)品基地土壤陽(yáng)離子交換量含量集中在4.0～8.0 cmol/kg的監(jiān)測(cè)結(jié)果占比最多，點(diǎn)位數(shù)共26個(gè)，占農(nóng)產(chǎn)品基地點(diǎn)位數(shù)的65.0%(圖2)。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品基地陽(yáng)離子交換量頻數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of cation exchange capacity in agricultural product base

從表4可以看出，8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地中，J8(園地)基地pH為5.92，高于耕地基地(J1～J7)，有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量分別為5.0 g/kg和 1.64 cmol/kg，均低于耕地基地。

表4 農(nóng)產(chǎn)品基地土壤理化指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2 研究區(qū)土壤無(wú)機(jī)元素含量特征從表1可以看出，鎘含量為0.02～0.37 mg/kg，平均值為0.10 mg/kg；汞含量為0.012～0.126 mg/kg，平均值為0.038 mg/kg；砷含量為0.26～6.75 mg/kg，平均值為1.65 mg/kg；鉛含量為14.7～50.1 mg/kg，平均值為27.9 mg/kg；鉻含量為10.1～118.0 mg/kg，平均值為37.1 mg/kg；銅含量為4.2～23.1 mg/kg，平均值為9.0 mg/kg；鎳含量為3.7～44.8 mg/kg，平均值為10.2 mg/kg；鋅含量為14.3～105.0 mg/kg，平均值為45.9 mg/kg。不同無(wú)機(jī)元素在樣點(diǎn)間的變異程度不同，鎳的變異系數(shù)最大(78.4%)，其次是砷、鉻、汞、鎘、鋅、銅，鉛的變異系數(shù)最小(36.6%)。

土壤pH是控制土壤重金屬有效性的重要因素之一[9]。分析土壤pH與對(duì)應(yīng)主要無(wú)機(jī)元素含量的關(guān)系(圖3和表5)發(fā)現(xiàn)，鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅和鎳含量與pH的相關(guān)系數(shù)分別為0.416、0.100、0.047、-0.257、0.013、0.173、-0.057、-0.003。由此可見(jiàn)，土壤pH與主要無(wú)機(jī)元素含量之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。從表5可以看出，有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量與主要無(wú)機(jī)元素含量之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。8個(gè)無(wú)機(jī)元素含量的相關(guān)性分析結(jié)果表明，鉻含量與銅、鎳含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.826、0.915；銅含量與鎳含量呈顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.866；其他元素含量之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

2.3 不同類型農(nóng)產(chǎn)品基地土壤主要無(wú)機(jī)元素分布規(guī)律從圖3可以看出，鎘含量最大值出現(xiàn)在J8(果園)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為果園型(J8)>旱地型(J1、J2)>水田型(J3～J7)；汞含量最大值出現(xiàn)在J1(旱地)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為旱地型>水田型>果園型；砷含量最大值出現(xiàn)在J5(水田)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為水田型>旱地型>果園型；鉛含量最大值出現(xiàn)在J4(水田)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為水田型>旱地型>果園型；鉻含量最大值出現(xiàn)在J1(旱地)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為旱地型>水田型>果園型；銅含量最大值出現(xiàn)在J1(旱地)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為旱地型>果園型>水田型；鋅含量最大值出現(xiàn)在J4(水田)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為水田型>旱地型>果園型；鎳含量最大值出現(xiàn)在J1(旱地)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類型農(nóng)產(chǎn)品基地中的平均值表現(xiàn)為旱地型>水田型>果園型?？梢?jiàn)，果園型農(nóng)產(chǎn)品基地鎘含量最高(平均值在3類基地中排名第1)，旱地型農(nóng)產(chǎn)品基地鉻、銅、鎳、汞含量最高，水田型農(nóng)產(chǎn)品基地砷、鉛、鋅含量最高。

圖3 土壤主要無(wú)機(jī)元素含量及其與pH的關(guān)系Fig.3 Relationships between main organic elements contents and pH in soil

表5 土壤理化指標(biāo)和主要無(wú)機(jī)元素相關(guān)性分析

傅楊榮[8]研究發(fā)現(xiàn)海南島土壤元素地球化學(xué)基準(zhǔn)值和背景值深刻繼承了成土母巖母質(zhì)的元素地球化學(xué)特征，如基性火山巖土壤富集鐵族元素(鉻、銅、鎳、錳等)，第四系土壤富集二氧化硅(SiO2)，堿性侵入巖土壤富集鉛、鎘等。8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地成土母巖涉及3類成土母巖，J1基地成土母巖為基性火山巖，J2、J3、J4、J5、J8均為第四系，J6和J7為花崗巖。由此可見(jiàn)，J1基地鉻、銅、鎳含量遠(yuǎn)高于其他基地主要是受玄武巖富含鉻、銅、鎳所致。成土母巖為第四系的基地，其無(wú)機(jī)元素含量分布主要與農(nóng)業(yè)耕作和肥料施用等相關(guān)。成土母巖為花崗巖的基地，無(wú)機(jī)元素含量是成土母巖元素含量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)疊加影響所致。

2.4 農(nóng)產(chǎn)品基地土壤主要無(wú)機(jī)元素的污染風(fēng)險(xiǎn)從表6可以看出，農(nóng)產(chǎn)品基地土壤8種無(wú)機(jī)元素含量平均值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說(shuō)明該研究區(qū)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低，一般情況下可以忽略。

對(duì)比海南省土壤環(huán)境背景值[10]發(fā)現(xiàn)(表6)，各農(nóng)產(chǎn)品基地砷、銅、鎳含量平均值低于土壤背景值，汞、鉻、鋅含量均僅有1個(gè)基地元素含量平均值高于土壤背景值，其中J1基地汞、鉻含量平均值分別是土壤背景值的1.62、1.07倍，J4基地鋅含量平均值是土壤背景值的1.47倍。J4、J5、J6這3個(gè)基地鉛含量分別為土壤背景值的1.51、1.49、1.03倍。各基地鎘含量均高于土壤背景值，為土壤背景值的1.25～3.75倍。由此可見(jiàn)，人為活動(dòng)影響下，研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品基地土壤主要無(wú)機(jī)元素產(chǎn)生了一定積累。其中鎘受人為影響積累程度相對(duì)最高，鉛次之，汞、鉻、鋅積累程度較小，砷、銅、鎳含量呈下降趨勢(shì)。

表6 不同農(nóng)產(chǎn)品基地土壤主要無(wú)機(jī)元素平均值

人為因素是造成農(nóng)田土壤重金屬積累的主要因素，主要包括施肥、動(dòng)物糞便和生物固體應(yīng)用、污水灌溉、大氣沉降等[11-12]。李建國(guó)等[13]研究發(fā)現(xiàn)無(wú)錫市土壤As、Cu、Hg、Pb和Zn空間變異受人類活動(dòng)的影響明顯，均超出當(dāng)?shù)氐耐寥辣尘爸?。李?shù)輝等[2]研究指出有機(jī)肥尤其是商品有機(jī)肥也呈現(xiàn)出重金屬含量升高、種類增加的趨勢(shì)。王美等[14]研究指出有機(jī)肥如畜禽糞便、污泥及其堆肥中的重金屬含量高于化肥，豬糞中的銅、鋅、砷、鎘含量明顯高于其他有機(jī)廢棄物，雞糞中鉻含量高；污泥和垃圾堆肥中鉛或汞含量高。鑒于上述研究成果，海南農(nóng)產(chǎn)品基地鎘、鉛等重金屬高于土壤背景值可能受基地生產(chǎn)中化肥、動(dòng)物糞便施用等人為影響，應(yīng)引起關(guān)注。

3 結(jié)論

(1)8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地的土壤普遍呈酸性，強(qiáng)酸性和酸性點(diǎn)位比例為97.5%，沒(méi)有土壤呈堿性或強(qiáng)堿性。陽(yáng)離子交換量為1.28～10.80 cmol/kg。有機(jī)質(zhì)含量為2.95～24.80 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量偏低。園地(J8)基地pH最高，有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量均低于耕地(旱地或水田)基地(J1～J7)。

(2)土壤鎘含量0.02～0.37 mg/kg，汞含量0.012～0.126 mg/kg，砷含量0.26～6.75 mg/kg，鉛含量14.7～50.1 mg/kg，鉻含量10.1～118.0 mg/kg，銅含量4.2～23.1 mg/kg，鎳含量3.7～44.8 mg/kg，鋅含量為14.3～105.0 mg/kg。相關(guān)性分析結(jié)果表明，pH、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量與主要無(wú)機(jī)元素含量之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。鉻、銅、鎳含量之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.05)，其他無(wú)機(jī)元素含量之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

(3)不同類型農(nóng)產(chǎn)品基地主要無(wú)機(jī)元素含量不同。果園型農(nóng)產(chǎn)品基地鎘含量最高，旱地型農(nóng)產(chǎn)品基地鉻、銅、鎳、汞含量最高，水田型農(nóng)產(chǎn)品基地砷、鉛、鋅含量最高。

(4)8個(gè)農(nóng)產(chǎn)品基地土壤中各主要無(wú)機(jī)元素含量的平均值均未超過(guò)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，污染風(fēng)險(xiǎn)可忽略。與海南省土壤環(huán)境背景值比較結(jié)果表明，人為活動(dòng)影響下研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品基地土壤主要無(wú)機(jī)元素可能產(chǎn)生了一定積累。鎘受人為影響積累程度相對(duì)最高，鉛次之，汞、鉻、鋅積累程度較小，砷、銅、鎳含量呈下降趨勢(shì)。