江漢平原不同土地利用方式下土壤砷元素的含量特征
——以沙洋鎮(zhèn)為例

袁知洋吳殷琪孫佩潘飛段碧輝楊良哲黃彬王天一趙敏夏偉

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000；2.湖北省硒生態(tài)環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)中心，湖北 武漢430000)

砷及其化合物具有毒性，可以通過(guò)土壤-農(nóng)作物-人體的方式逐級(jí)累積最終危害人體健康[1，2]。研究顯示，在一些土壤或者水體含砷量過(guò)高的地區(qū)，由于農(nóng)業(yè)活動(dòng)中無(wú)意識(shí)地進(jìn)行了污水灌溉、污泥覆蓋等，如采礦區(qū)排放區(qū)，農(nóng)作物都會(huì)不同程度出現(xiàn)砷過(guò)量風(fēng)險(xiǎn)[3，4]。也有因?yàn)橥寥腊l(fā)生背景不同或者地形地貌因素所形成的土壤砷含量的差異[5，6]，近年來(lái)越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)或者土地利用方式變化對(duì)土壤-植物的砷遷移體系有較大影響，從而產(chǎn)生人類食物鏈的風(fēng)險(xiǎn)[7，8]。在平原地區(qū)，人類活動(dòng)較為劇烈，如成都平原上不同土地利用方式土壤砷含量差異顯著，人類活動(dòng)在一些地區(qū)超過(guò)了土壤自然形成的砷元素含量[9]；成都溫江區(qū)平原中的工業(yè)用地和城市建設(shè)用地土壤砷濃度值非常高，對(duì)應(yīng)調(diào)查點(diǎn)土壤砷含量超過(guò)了國(guó)家安全限[10]，江漢平原是湖北省糧食和蔬菜的主產(chǎn)區(qū)，因此有必要對(duì)土壤砷環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究。

本研究區(qū)沙洋鎮(zhèn)位于湖北省沙洋縣，該縣地處鄂中腹地，漢江中下游，居江漢平原與鄂西北山區(qū)結(jié)合部，沙洋鎮(zhèn)為縣城駐地，研究區(qū)地貌以平原為主，是農(nóng)業(yè)種植區(qū)，且人類活動(dòng)較為強(qiáng)烈，土地利用方式多樣且典型[11]，區(qū)域內(nèi)也發(fā)現(xiàn)過(guò)土壤汞元素在不同土地利用情況下含量有顯著差異，水田和灘涂是土壤重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[12]，因此該地區(qū)的土壤砷環(huán)境安全是本研究的一個(gè)切入點(diǎn)。本文借助“湖北省沙洋縣土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)”項(xiàng)目中對(duì)沙洋鎮(zhèn)表層土壤的調(diào)查采樣數(shù)據(jù)，針對(duì)性地深入分析了沙洋鎮(zhèn)土壤砷元素對(duì)土地利用方式的響應(yīng)，旨在揭示土壤砷元素在江漢平原人類活動(dòng)活躍區(qū)不同土地利用方式下的含量特征，為今后土壤砷元素的干預(yù)治理和合理利用土地資源提供一定的科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沙洋縣地處鄂中腹地，漢江中下游，江漢平原北端，地跨E109°11′～109°55′，N29°33′～30°12′，沙洋鎮(zhèn)位于本研究沙洋縣調(diào)查工區(qū)南部，見(jiàn)圖1，毗鄰漢江。土壤類型主要為第四紀(jì)孫家河組沖洪積層潮土，土層較厚，色澤多棕黃或者灰黃，人類居住和耕作等活動(dòng)較為強(qiáng)烈。

圖1 研究區(qū)沙洋鎮(zhèn)在沙洋縣所在位置

1.2 研究區(qū)土地利用概況

如圖2所示，研究區(qū)總面積為53.49km2，旱地面積為11.55km2；建設(shè)用地面積為22.28km2；林地面積為2.29km2，水面面積為7.54km2，水田面積為7.53km2，灘涂面積為2.24km2，草地面積為0.05km2，7類土地分別占比為21.59%、41.66%、4.28%、14.10%、14.09%、4.19%、0.10%。

圖2 研究區(qū)的不同土地利用方式和采樣點(diǎn)分布

圖3 沙洋鎮(zhèn)土壤砷元素統(tǒng)計(jì)直方圖

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

在沙洋縣金土地項(xiàng)目1∶5萬(wàn)土壤調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，見(jiàn)圖1，選取了覆蓋沙洋縣沙洋鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的285個(gè)土壤采樣點(diǎn)，3～4個(gè)·km-2，土壤調(diào)查中對(duì)每樣土壤定點(diǎn)采取了5點(diǎn)采樣法進(jìn)行采樣，即圍繞中心點(diǎn)的5等分混合采樣，土壤采樣深度均為0～20cm，將土壤樣品進(jìn)行無(wú)污染自然風(fēng)干后，取出細(xì)根、石粒等雜質(zhì)，碾磨后過(guò)0.1mm孔徑塞篩，制成待測(cè)土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤全量砷元素的檢測(cè)。

1.3.2 土壤砷元素測(cè)定方法

土壤砷采用了GB/T 22105規(guī)定的原子熒光光譜測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)試，每批土壤樣品做3次空白樣和平行樣，取平均值作為樣品砷元素的最終含量，測(cè)試過(guò)程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)(GSS-12)進(jìn)行質(zhì)量控制，各重金屬的回收率均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。即方法檢出限為0.01mg·kg-1，數(shù)據(jù)報(bào)出率為100%，分析精密度為3.87%，重復(fù)檢驗(yàn)合格率為100%，ΔlgC為-0.01。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件，圖像采用MapGis 67和Origin 8.1繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤砷元素總體含量特征

如表1所示，沙洋鎮(zhèn)土壤砷元素平均值為10.298mg·kg-1，變異系數(shù)為36.2%，屬于中等變異程度。從圖2可以看出，其偏態(tài)分布較為明顯，因此說(shuō)明研究區(qū)土壤As分布不均勻，局部出現(xiàn)了不穩(wěn)定的高值，可能受到人類活動(dòng)的影響。

表1 沙洋鎮(zhèn)土壤砷元素特征值統(tǒng)計(jì)表

2.2 研究區(qū)土壤砷元素在不同土地利用下含量特征

由表2、圖4可知，砷元素在沙洋鎮(zhèn)中灘涂的均值含量最高，達(dá)到15.646mg·kg-1，其次是建設(shè)用地和水田，對(duì)比來(lái)看，砷元素在沙洋鎮(zhèn)灘涂含量均值是建設(shè)用地的1.18倍，是水田的1.38倍，是林地的1.46倍，是草地的1.68倍，是旱地的1.8倍，是水面利用方式的1.98倍，在研究區(qū)中城鎮(zhèn)建設(shè)用地土壤出現(xiàn)了砷的最高含量值19.827mg·kg-1，其次是旱地土壤砷的最高值為19.020mg·kg-1，土壤砷在不同土地利用下的均值含量排序?yàn)闉┩?建設(shè)用地>水田>林地>草地>旱地>水面，這和陳同斌等發(fā)現(xiàn)在北京的不同土地利用方式土壤砷含量特征相似[13]，灘涂水田等土壤砷含量較高，林業(yè)用地土壤砷含量較為安全。

表2 不同土地利用方式下砷元素的統(tǒng)計(jì)特征

圖4 不同土地利用方式下砷元素的含量柱狀圖

由圖5可知，砷元素總體在沙洋鎮(zhèn)的中心城區(qū)含量較為聚集，但是面積較小的灘涂中砷元素含量均值也較高，如閘口村到沙洋縣城一帶的灘涂中靠近縣城一側(cè)，沙洋縣城區(qū)人口和建筑密集區(qū)，且這些建設(shè)用地毗鄰有大量的水稻田，其土壤砷元素含量偏高，其次為沙洋鎮(zhèn)的西北方向，為沙洋縣目前已建成的開(kāi)發(fā)區(qū)，土壤砷元素在沙洋鎮(zhèn)的南部含量較少，此區(qū)域主要為旱地和未開(kāi)發(fā)用地。

圖5 不同土地利用方式下砷元素地球化學(xué)特征

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

土壤砷元素在不同土地利用情況下土壤重金屬元素含量特征差異顯著。砷元素在沙洋鎮(zhèn)中灘涂的均值含量最高，達(dá)到15.646mg·kg-1，其次是建設(shè)用地和水田，灘涂土壤砷元素含量均值是建設(shè)用地的1.18倍、水田的1.38倍、林地的1.46倍、草地的1.68倍、旱地的1.8倍、水面利用方式的1.98倍，在研究區(qū)中城鎮(zhèn)建設(shè)用地土壤出現(xiàn)了砷的最高含量值19.827mg·kg-1，其次是旱地土壤砷的最高值為19.020mg·kg-1，土壤砷在不同土地利用下的均值含量排序?yàn)闉┩?建設(shè)用地>水田>林地>草地>旱地>水面，除了灘涂其他用地砷平均含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)值15mg·kg-1。

旱地和水面土地利用方式下土壤砷元素含量較少，但是個(gè)別旱地要注意砷元素的外來(lái)干擾。

3.2 討論

從相關(guān)灘涂和濕地的土壤砷元素研究中得知，濕地土壤砷元素通常是由有機(jī)物不斷沉積而來(lái)，特別是水生動(dòng)物和植物的殘?bào)w沉積[14]，而且灘涂沉積物所累積的砷元素對(duì)灘涂水體進(jìn)行砷元素的釋放，并且對(duì)水體砷元素的影響大于降水的砷沉降的影響[15]。有學(xué)者在研究河口灘涂沉積物中砷元素發(fā)現(xiàn)，砷元素在強(qiáng)還原條件下容易形成惰性態(tài)而沉積固定，在氧化環(huán)境中可以活化成游離態(tài)[16]，因此有必要在灘涂等強(qiáng)還原環(huán)境下適當(dāng)進(jìn)行抽水暴曬，創(chuàng)造一定的氧化環(huán)境，因此為了防止在沙洋鎮(zhèn)大片的灘涂和漢江濕地發(fā)生砷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)發(fā)生砷增多的灘涂進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)，可以適當(dāng)采取排水、暴曬、翻整、清淤等措施。