福建沿海地區農田土壤理化性質與重金屬含量的關系

2014-08-28 11:53:32陳穗玲李錦文鄧紅梅

湖北農業科學 2014年13期

陳穗玲++李錦文++鄧紅梅

摘要：對福建沿海地區農田土壤理化指標與重金屬含量進行了調查，在此基礎上探討了土壤理化性質與土壤重金屬含量之間的相關性，初步分析了土壤理化性質對重金屬含量的影響。結果表明，福建沿海地區農田土壤的平均pH 5.56；土壤有機質含量為30.20 g/kg，屬中上水平；土壤的其他養分含量也達到中上水平。土壤中Pb含量與土壤全氮含量相關顯著；土壤中Hg含量與土壤有機質和陽離子交換量相關顯著；其他理化指標與重金屬含量相關不顯著。土壤有機質是影響土壤中重金屬Hg含量的主要因子，土壤顆粒粗細對土壤重金屬含量也產生影響。

關鍵詞：土壤理化性質；重金屬；相關關系；福建沿海地區農田

中圖分類號：X131.3；X53；S15 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）13-3025-05

The Relationship between Physical and Chemical Properties of Soil and

Heavy Metal Content in Fujian Coastal Farmland

CHEN Sui-ling，LI Jin-wen，DENG Hong-mei

（School of Environment Sciences and Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The physicochemical properties and heavy metal content of farmland soil in Fujian coastal area were investigated. The relationship between soil physicochemical properties and heavy metal content of soil was studied with correlation analysis. The results showed that the average pH of farmland soil in Fujian coastal area was 5.56. The content of soil organic matter was 30.20 g/kg on the genus level. Other soil nutrient content reached middle level. Significant correlation between Pb content in soil and soil total nitrogen content was found. The Hg content in soil and organic matter and cations exchange capacity in soil was not significantly correlated. Other physicochemical properties and heavy metal content was correlated. Soil organic matter was the main factor affecting the content of heavy metal Hg in soils. Soil particle size can affect the content of heavy metal in soil.

Key words： physical and chemical property of soil； heavy metal； correlation relation； Fujian coast farmland

土壤重金屬污染是世界性環境問題之一，它將導致土壤環境惡化，嚴重危害生態系統的良性循環和人類生存環境，對人類健康構成嚴重威脅。自然情況下，土壤重金屬主要來源于母巖和殘落的生物物質，但隨著工農業生產活動迅猛發展，人為活動對土壤重金屬含量分布的影響呈現增長的趨勢[1]。大多數重金屬在土壤中相對穩定且難以遷出土體，有研究[2-5]表明，土壤物理化學性狀的改變尤其是土壤質地、pH、陽離子交換量、有機質等的改變可以影響土壤重金屬的含量，決定土壤的毒性，并直接影響和制約重金屬在土壤環境中的行為。福建沿海地區農田是福建省重要的糧食生產區，糧食產區的土壤環境與當地居民的健康有著密切的關系，調查發現福建沿海地區農田土壤、稻米、蔬菜重金屬污染超標嚴重[6-14]。在已有工作基礎上對福建沿海地區農田土壤理化性質與重金屬汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）含量關系進行分析，旨在進一步探明重金屬污染是否與該地區土壤的性質有關，以便當地有關部門有針對性地提出切實可行的土壤改良措施，減小土壤性質對重金屬的遷移轉化的影響，為土壤綜合治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點的布置與采樣方法

本研究從福建沿海地區的北部到南部選擇了10個區域作為監測單元進行布點采樣，涉及的行政區域有福鼎市、福安市、福州市、福清市、莆田市市轄區、仙游縣、泉州市、漳州市、云霄縣、詔安縣。10個行政區域分別代表了沿海地區10個不同的流域（圖1）。分別是沙埕港流域（福鼎市）、交溪流域（福安市）、閩江流域（福州市）、龍江流域（福清市）、萩蘆溪流域（莆田市）、木蘭溪流域（仙游縣）、晉江流域（泉州市）、九龍江流域（漳州市）、漳江流域（云霄縣）、東溪流域（詔安縣）。

此次土壤調查根據農田土壤環境質量監測的要求，并結合各區域分布特點，確定樣品采集布點方法和采樣數量。本研究采集表層（耕作層）土壤進行分析，在表層土位置自下而上多點取樣，采樣深度0～20 cm，土壤量約2.5 kg，采集3～5個等量土樣并混合均勻后制成一個土壤樣品。采集土壤樣品195個。土壤樣品用四分法采用1～2 kg，做好樣品采集記錄并貼上標簽，用聚乙烯塑料袋盛裝，運回實驗室待處理。從195個土壤樣品中選取了40個有代表性樣品進行理化性質分析，包括福鼎市（2個），福安市（2個），福州市（11個），福清市（2個），莆田市的市轄區（2個）、仙游縣（7個），泉州市（5個），漳州市的龍海市（4個）、云霄縣（2個）、詔安縣（3個）。

1.2 樣品的處理與測定方法

土壤樣品的處理：在白色瓷盤內和塑料薄膜上，攤成約2 cm厚的薄層，用木棍間斷壓碎、翻動，使自然、均勻風干，在風干過程中剔除石塊、植物殘體等雜物，風干后，用瑪瑙研缽研磨，用四分法分取所需土壤量，使其全部通過20目（0.25 mm）尼龍篩，過篩后的土壤在聚乙烯薄膜上充分混勻后，再用四分法縮分至100 g左右，取適量過100目（0.15 mm）尼龍篩后盛裝在具塞玻璃試劑瓶中，用于土壤元素形態及全量分析。另一部分樣品過60目（0.30 mm）尼龍篩，用于土壤pH、陽離子交換量、土壤有機質、土壤全氮含量、總有機碳、鹽分、有效磷等理化性質分析，土壤樣品處理執行《土壤環境監測技術規范（HJ/T166-2004）》。

重金屬測定方法：汞（Hg）采用冷原子熒光光譜法（GB/T17136-1997）測定；鉛（Pb）、鎘（Cd）采用石墨爐原子吸收光譜法（GB/T17141-1997）測定。

理化指標分析方法：土壤理化性質采用LY/T1239-1999、LY/T1233-1999、LY/T1237-1999、LY/T 1225-1999中的方法測定。

數據處理采用SPSS18.0分析統計軟件。評價標準采用《土壤環境質量標準（GB15618-1995）》[15]。土壤樣品分析由廣東省生態環境與土壤研究所完成。

2 結果與分析

2.1 福建沿海地區農田土壤的理化性質

2.1.1 土壤的機械組成福建沿海地區整體農田土壤顏色以黃色、淺黃色、灰黃、暗黃色為主。土壤的粒徑主要分布在0.100～0.050 mm、0.020～0.002 mm和<0.002 mm 3個粒級范圍，經鑒定這些土壤為黏壤土和沙質黏壤土。

2.1.2 土壤pH 福建沿海地區農田土壤樣品pH測定結果見表1。表1結果顯示，福建沿海地區農田土壤以酸性為主，平均pH 5.56。其中pH<4.5的極酸性土壤樣品數為0；pH 4.5～5.5的強酸性土壤樣品占50%（20個）；pH 5.5～6.5微酸性土壤樣品占45%（18個）；pH 6.5～7.5中性土壤樣品占2.5%（1個）；pH 7.5～8.5微堿性土壤樣品占2.5%（1個）。福建沿海地區土壤pH最大值為福鼎市的7.95，其后大小依次為福清市、龍海市、泉州市、福安市、莆田市市轄區、詔安縣、云霄縣、仙游縣、福州市。酸性土壤對重金屬的吸附-解析、氧化-還原、絡合-分離、溶解-沉淀等一系列化學平衡產生影響；對土壤養分的有效性、土壤中微生物分布與活動產生影響[16]。

2.1.3 土壤陽離子交換量土壤陽離子交換量（CEC）的大小基本上代表了土壤可能保持的養分數量，可作為評價土壤保肥能力的指標。福建沿海地區CEC平均值為9.58 cmol/kg（表1）。總體來看，福建沿海地區土壤CEC不高，各區域之間變化較大，最大值15.80 cmol/kg，最小值4.81 cmol/kg。各地區CEC大小順序為漳州市、莆田市市轄區、福安市、福州市、福鼎市、福清市、詔安縣、云霄縣、泉州市、仙游縣，分別為12.88、11.80、10.52、10.21、10.02、9.64、8.48、7.90、7.75、6.35 cmol/kg。土壤CEC高于10 cmol/kg的樣品占40.0%，5～10 cmol/kg的樣品占52.5%，低于5 cmol/kg的樣品占7.5%。福建沿海地區土壤保肥能力為中上水平。

2.1.4 土壤有機質土壤有機質能改善土壤的物理結構和化學性質，有利于土壤團粒結構的形成，從而促使植物的生長和養分的吸收。土壤有機質也是植物所需各種礦物營養的重要來源，并能與各種微量元素形成絡合物，增加微量元素的有效性。根據對土壤樣品分析，福建沿海地區土壤有機質含量平均值為30.20 g/kg（表1）。根據全國第二次土壤普查推薦的土壤肥力分級標準，有機質含量1級（大于40 g/kg）的地區為0；2級（30～40 g/kg）的地區有漳州市、詔安市、福鼎市、福安市、莆田市市轄區，含量分別為37.40、35.30、33.05、32.25、30.50 g/kg；3級（20～30 g/kg）的地區有泉州市、福州市，仙游縣、福清市、云霄縣，含量分別為29.20、28.20、27.00、26.20、22.00 g/kg；沒有低于20.00 g/kg的地區。結果顯示，福建沿海地區土壤有機質含量屬于中上水平。這可能與福建沿海地區土壤成土母質的地球化學背景有關[17]，同時調查區域主要是水稻種植區，部分區域與工業區交錯，墾殖前為生長繁茂的生物群落，墾殖后一直栽種水稻，土壤長時間處于還原狀態，有利于土壤有機質的積累，合理施肥及輪作制度能夠提高土壤有機質含量。

2.1.5 土壤的全氮、有效磷、速效鉀福建沿海地區土壤全氮含量平均值為1.75 g/kg（表1），按分級標準為2級（1.5～2.0 g/kg）；有效磷含量平均值為32.14 mg/kg，按分級標準為2級（20～40 mg/kg）；速效鉀含量平均值為96.50 mg/kg，按分級標準為4級（50～100 mg/kg）。10個地區中全氮含量為1級（>2.0 g/kg）的2個、2級（1.5～2.0 g/kg）的5個、3級（1.0～1.5 g/kg）的3個；有效磷含量為1級（>40 mg/kg）的5個、2級（20～40 mg/kg）的5個；速效鉀含量為2級（150～200 mg/kg）的2個、3級（100～150 mg/kg）的3個、4級（50～100 mg/kg）的4個、5級（0～50 mg/kg）的1個。結果顯示，福建沿海地區土壤的養分在1級和2級的樣點比例較大，監測區域土壤的養分在中上水平。

2.2 重金屬Hg、Pb、Cd含量特征

福建沿海地區土壤重金屬Hg、Pb、Cd的統計描述量見表2。從表2可知，土壤重金屬Hg、Pb、Cd平均含量分別為0.44、64.69、0.22 mg/kg，平均值大小順序為Pb、Hg、Cd，平均值高于福建土壤背景值[18]，根據國家土壤環境質量標準評價為Hg平均值超過二級標準限值，Pb、Cd平均值在二級標準限值內，Pb的含量與土壤環境質量二級標準限值比較偏低。其中，Hg含量符合一級標準的樣品有47個（占24.10%），符合二級標準的樣品有74個（占37.95%），超標的樣品有74個（占37.95%）。Pb含量符合一級標準的樣品有10個（占5.13%），符合二級標準的樣品有185個（占94.87%），且全部遠低于二級標準限值。Cd含量符合一級標準的樣品有137個（占70.26%），符合二級標準的樣品有40個（占20.51%），超標的樣品有18個（占9.23%）。調查還發現Hg超標樣品主要分布在漳州市（42個）、福州市（17個）、莆田市和福安市；Pb含量漳州市、福州市、泉州市和福安市比其他地區略高。Cd超標樣品主要分布在福州市和泉州市。重金屬含量超標樣品主要集中在漳州市、福州市和泉州市等中心城區附近，這些地區是福建省水稻種植和工業交錯區，也是該省新興的制造業基地，經濟發展迅速，工業活動頻繁。

2.3 Hg、Pb、Cd含量與土壤理化性質的關系

利用統計分析軟件對土壤樣品重金屬Cd、Hg、Pb含量與土壤理化性質進行相關分析，結果見表3。土壤中重金屬Hg與土壤陽離子交換量的相關系數為0.405，相關極顯著；與有機質、總有機碳的相關系數分別為0.383、0.382，相關顯著；與土壤的有效磷、速效鉀、土壤pH相關不顯著。Pb與土壤全氮含量相關系數為0.348，相關顯著；與土壤其他理化性質相關不顯著。Cd與土壤理化性質相關不顯著。

2.4 土壤理化性質對重金屬含量的影響

2.4.1 重金屬Pb 土壤中Pb與土壤全氮含量相關顯著（表3），土壤中全氮含量可以預測重金屬元素的行為和含量[4]。土壤中的Pb、Cd之間存在極顯著的關系，土壤中Pb與Cd可能有同一個來源和途徑，存在同源關系，表現為協同作用。土壤中Pb與土壤其他理化參數沒有表現出明顯相關性，表明土壤中Pb受土壤的理化性質影響較小。

2.4.2 重金屬Hg 土壤中Hg與土壤有機質呈顯著相關（表3）。研究區域土壤有機質含量在中上水平。土壤有機質是影響土壤重金屬形態，特別是有機結合態重金屬的一個重要因素，這與實際相符，福建沿海地區土壤重金屬Hg賦存形態以有機結合態所占比例最大，為52.3%，土壤重金屬Hg賦存形態所占比例大小順序是有機結合態、殘渣態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化結合態、可交換態[9]。馮新斌等[19]認為土壤Hg的富集與土壤質地有關，黏土及有機質高的土壤易富集Hg，而貧瘠的沙土對Hg的積累能力很弱。研究[20，21]還認為，土壤有機質可以決定土壤中重金屬元素的有效性，降低重金屬的毒性。土壤有機質具有很強的吸附重金屬的能力，能強烈吸附土壤中Hg、Cu、Pb、Sn等離子。通過重金屬的吸附、絡合、離子交換等作用，可使土壤中某些重金屬沉積，并依靠與有機質的專性吸附和表面配位作用來影響土壤中重金屬元素的行為和移動性。研究區域土壤的陽離子交換量屬中上水平，土壤中Hg與土壤陽離子交換量呈極顯著相關，同時，土壤有機質與陽離子交換量之間也存在極顯著相關。土壤CEC越高，土壤顆粒的凈負電荷就越多，因此陽離子的吸附點也就越多，對重金屬元素的專性吸附也就越強，對重金屬元素的移動性和活動性的影響也增強。研究區域土壤重金屬Hg、土壤有機質與土壤陽離子交換量三者之間存在顯著或極顯著相關。表明土壤有機質含量是影響重金屬Hg含量的主要因子。

2.4.3 重金屬Cd 研究區域土壤屬強酸性土壤，土壤酸堿度直接影響生物對重金屬的吸收，而且土壤pH主要是通過影響重金屬化合物在土壤溶液中的溶解度來影響重金屬元素的行為。有研究[22，23]認為，不同類型土壤對Cd的吸收率不同的主要原因是水溶解出土壤中的Cd隨酸堿度發生變化，pH降低，Cd的溶出率增大，反之則溶出率降低。土壤pH的變化造成Cd的形態改變，從而使Cd的有效性發生變化。研究區域土壤中的Cd與土壤理化性質沒有表現出明顯相關性。表明土壤中的Cd受土壤理化性質影響較小，但由于研究區域土壤呈強酸性的特點，應注意重金屬Cd含量的監測。

2.5 福建沿海地區農田土壤顆粒與重金屬的關系

表4為福建沿海地區農田土壤顆粒與重金屬Cd、Hg、Pb含量的相關分析。由表4可知，土壤中的Cd與粒徑>2.000 mm的顆粒呈極顯著相關，即土壤顆粒越大Cd含量相對增加。土壤中的Pb與土壤粒徑相關不顯著。土壤中的Hg與粒徑0.002～0.020 mm、<0.002 mm兩種較細粒徑表現出正的弱相關性，與土壤較粗顆粒表現出負的弱相關性，進一步分析Hg的相關系數，發現土壤顆粒越細，土壤Hg含量有相對增加的趨勢。

3 小結

1）福建沿海地區農田土壤屬強酸性和酸性土壤，土壤有機質、陽離子交換量為中上水平，土壤其他養分為2～3級，也屬中上水平。

2）土壤重金屬含量與土壤部分理化性質有顯著或極顯著的相關性。土壤中Hg與土壤有機質、陽離子交換量相關顯著或極顯著；土壤中Pb與土壤全氮含量相關顯著；土壤有機質含量是影響重金屬Hg含量的主要因子；土壤顆粒的粗細也影響重金屬含量的變化。

3）研究區域重金屬Cd、Hg在土壤中的移動性及交互作用有待深入研究。為防止農業土壤中重金屬進一步升高和保證糧食安全，建議通過調節土壤性質進行控制治理，如改變耕作制度，調整作物品種，選擇能降低土壤重金屬污染的化肥，或施用能夠固定重金屬的有機肥等，調節土壤水分、養分、土壤pH和土壤氧化還原狀態及氣溫、濕度等生態因子，實現對重金屬污染物環境介質的調控。

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