山東省水岸帶土壤理化特征及其與重金屬含量的關系

吳愛琴等

摘要：通過對山東省水岸帶土壤理化性質和重金屬含量研究表明：山東省水岸帶土壤pH和有機碳含量均值分別高于和低于山東省土壤背景值，水岸帶土壤pH、粒徑組成和有機碳含量的空間分布差異相對較大，反映了土壤質地、物質來源和周圍環境條件對土壤性質的影響；各重金屬含量均與土壤有機碳值極顯著相關（P<0.01），除Pb和Hg外，其他重金屬含量均與土壤的平均粒徑呈極顯著的負相關關系（P<0.01），而只有Cd和Pb分別與pH呈顯著正相關和負相關關系，表明土壤有機質和粒度對水岸帶重金屬含量影響較大，而土壤pH對重金屬含量影響較小。

關鍵詞：水岸帶；土壤理化特征；重金屬；山東省

中圖分類號：X833； X131.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）18-4429-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.012

山東省位于中國黃河下游地區、中國東部沿海、京杭大運河的中北段。境內以平原為主，約占陸地總面積的55.0%；其次是山地，約占15.5%；再次是丘陵，約占13.2%；湖沼占4.4%；洼地占4.1%；其他占7.8%；其中農業用地占其土地面積的45.1%。山東省氣候溫和，常年平均氣溫11～14 ℃，雨量集中，多年平均降水量550～950 mm，屬暖溫帶季風氣候。

目前，山東全省干流長度在50 km以上的有1 000多條，大于10 km的河流共計1 552條，長度在5 km以上的河流有5 000多條，全省平均河網密度為0.24 km/km2。分屬黃河、淮河、海河流域及獨流入海水系（圖1）。主要河流有黃河、徒駭河、馬頰河、沂河、大汶河、小清河、濰河、沭河、東魚河、泗河、洙趙新河、德惠新河、大沽河、彌河等，還有著名人工河流大運河，其中中國第二大河黃河在山東境內自西南向東北斜穿入海，流程617 km；京杭大運河自東南向西北縱貫魯西平原，流程長630 km。湖泊主要有淮河流域內的南四湖（微山湖、昭陽湖、獨山湖、南陽湖）、黃河流域內的東平湖、稻屯洼和小清河流域內的白云湖、馬踏湖等。全省共有大、中、小型水庫5 563座，其中大型水庫32座，中型水庫151座，小型水庫5 380座，總庫容1.577×1010 m3，興利庫容8.190×109 m3。由于降水偏少，人口眾多，經濟發達，山東為我國北方嚴重缺水的省份之一，年人均水資源占有量僅有334.000 m3，約為全國的1/6，世界的1/25[1]。

人類活動產生的大量重金屬元素絕大部分以固態形式蓄積于沉積物中，尤其是水岸帶沉積物之中，并對水岸帶生態環境產生深遠影響[2]。水岸帶（Riparian Zone）是指河岸、湖岸、海岸以及溪溝渠塘等各種水—陸過渡地帶[3]，具有水域與陸地生態系統的雙重屬性[4]。水岸帶由于植物的截留作用，可以有效地減緩徑流的流速，保護河岸，同時通過物理、化學和生物過程滯留阻控地表徑流中的多種污染物質，如總固體懸浮物（SS）、營養物質（N和P）、持久性有機污染物（POPs）以及重金屬等物質[5-8]。N、P等營養物質可以通過生物吸收轉化等作用被降解或去除，但重金屬類物質不能夠被生物降解，會長期留存于水岸帶中，對水岸帶生態系統造成持久性的影響與威脅[9]。同時重金屬具有持久性、生物富集性、毒性和來源的廣泛性等特點，是水岸帶土壤中具有極大危害的污染物，也是典型的難以降解的持久性毒物（PTs）[10]。沉積物中重金屬的活性與環境條件有關，即在一定的理化條件下，重金屬會被重新釋放，形成二次污染[11]。通過對山東省水岸帶土壤理化性質和重金屬含量的分析，并建立兩者之間的關系，以期為水岸帶生態系統的保護、恢復和重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 資料收集與采樣點布設

主要采用了資料收集、現場樣品采集和實驗室分析相結合的方式。通過網絡資源的搜索和文本的查閱，在《山東省水資源公報》和《山東環境狀況公報》等報告中收集了2001-2012年山東省河流和湖泊水體水質狀況的相關數據。在此基礎上，對山東省的大運河、趙王河、巨龍河等24條主要河流和東平湖等5個水庫進行了實地調查（表1），并詳細記錄各水岸帶采樣點周圍環境性狀，包括土地使用類型、植被類型和水體環境概況等環境要素，共采集了37個水岸帶土壤樣品，回實驗室后對其基本理化性質和重金屬含量水平進行了分析。

1.2 樣品采集和預處理

于2010年9～10月，在各水岸帶采樣點采集0～20 cm深度土壤。采樣點位于河流的近岸帶（距離水體0～3 m），采樣過程中用有機玻璃鏟刮去水岸帶表層的腐殖質層和枯枝落葉等，均勻采集0～20 cm深度的表層土壤樣品，同時采用多點（5～12點）混合取樣法取樣，每個水岸帶采樣點用四分法組成1個混合樣品，共采集樣品37個。所有采集的樣品均現場裝入聚乙烯密封塑料袋，然后放入便攜式冷藏箱冷藏，帶回實驗室以后低溫保存到冷凍冰柜中。

在實驗室內，土壤樣品在陰涼處經自然風干，用塑料鑷子剔除樣品中植物根系、樹枝、大型無脊椎動物、石塊和小磚頭等雜質后，用木棍碾碎，取出部分樣品裝入聚乙烯密封塑料袋中用以測定土壤的pH和粒度；剩余部分樣品用瑪瑙研缽研磨，過100目尼龍網篩后裝入聚乙烯密封塑料袋中用于土壤中重金屬和有機質含量的測定。

1.3 樣品分析方法

樣品pH的測定采用pH計法（水土比為2.5∶1.0），采用LS 13 320型激光粒度儀（美國Beckman Coulter公司）測定土壤的粒徑組成，土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀法[12]。樣品在經過密閉微波消解后，在中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室用ICP-AES測定重金屬Cr、Ni、Cu、Co、Cd、Zn和Pb的含量，用直接汞分析儀測定Hg的含量。在分析測試過程中均做相應的試劑空白試驗，并利用國家土壤標準物質GSS-6進行3個平行分析測定方法的回收率試驗，各重金屬元素分析結果最大誤差均在5%以內。分析測試的過程中還隨機抽取了4個樣品做5次重復試驗，各重金屬元素的相對標準偏差均能控制在10%以內。

2 結果與分析

2.1 水岸帶土壤的基本理化性質

2.1.1 pH 山東省水岸帶土壤pH 5.67～8.49，平均值為7.84，略高于山東省土壤環境背景值（pH=7.7）（圖2）；空間變異系數為9.90%，空間差異顯著；沭河、乳山河、日照水庫、高陵水庫、門樓水庫、米山水庫等6個點位水岸帶土壤的pH均小于7，略偏酸性，其中以米山水庫水岸帶土壤酸性最強（pH=5.67），其他點位土壤均呈堿性，其中洙趙新河岸帶土壤pH為8.49，為所有采樣點位中堿性最強。

山東省水體水岸帶土壤的酸堿度空間差異性較大，可能是與受到成土母質的影響導致土壤類型的不同有關[13，14]。

2.1.2 粒度 由表2和圖3可知，山東省各采樣點水岸帶土壤平均粒徑變化較大，其范圍在13.42（東平湖3）～455.21 μm（高陵水庫）之間，平均粒徑為89.69 μm，其中約 25.60%點位的土壤平均粒徑大于100 μm，平均粒徑的變異系數為107.00%，山東省水岸帶土壤粒度的空間分布差異明顯且土壤顆粒較大。從土壤的質地來看，水岸帶土壤主要以粉粒和沙粒為主（88.81%），粘粒次之，石礫所占比例最低，僅有5個點位（日照水庫、米山水庫、高陵水庫、乳山河和濰河2）的土壤樣品中有石礫檢出，其中高陵水庫水岸帶土壤中石礫含量最高，達10.90%。

成土母質是影響水岸帶土壤粒度大小的主要因素，水岸帶對地表徑流中總固體懸浮物（SS）和泥沙的選擇性截留也是影響水岸帶土壤粒徑的因素。此外，汛期水體淹沒水岸帶，沖刷帶走土壤中的細顆粒物質并沉淀下泥沙和使部分石礫暴露并進入土壤也可能是導致水岸帶土壤粒徑較粗的原因[15，16]。

2.1.3 有機碳 山東省水體水岸帶土壤有機碳含量為1.51～19.57 g/kg，平均含量為5.44 g/kg，顯著低于山東省土壤背景值（6.71 g/kg）（圖4），洙趙新河2號點位采樣點土壤有機碳含量高于其他點位，另有11個點位略高于山東省土壤背景值，其中約有81.60%的點位土壤有機碳含量小于8 g/kg；水岸帶土壤有機碳含量的空間變異系數為64.70%，空間差異性較大。土壤有機碳含量與平均粒徑呈現一定的負相關關系（r=-0.361，P<0.05），說明土壤有機碳含量受土壤粒度影響較大，主要是不同粒度的顆粒吸附作用差異明顯。

水岸帶土壤有機碳的含量除受到成土母質的影響外，其上附生植被也會顯著改變土壤有機碳含量。根據現場調查，多數采樣點水岸帶區域均被改造成為耕地或林地，每年補充到水岸帶土壤中的有機物質量較少；另一方面，水岸帶區域對地表徑流和汛期水體中較大顆粒泥沙的截留能力較強，而使土壤中細小顆粒被沖刷走，使其吸附有機碳的能力下降[15，16]；同時，土壤粒徑較大導致土壤孔隙度較大，透氣性能較好，利于氧氣的滲入，可以促進土壤中有機物質的礦化作用，從而降低水岸帶土壤有機碳的含量。

綜上所述，從各理化參數的平均值上看，山東省水岸帶土壤pH和有機碳含量分別高于和低于山東省土壤背景值；而從其變異系數來看，水岸帶土壤pH、粒徑組成和有機碳含量的空間分布差異相對較大，反映了土壤質地、物質來源和周圍環境條件對土壤性質的影響。

2.2 水岸帶各重金屬含量

山東省水岸帶土壤重金屬含量見表3。整體來看，山東省水岸帶土壤中各種金屬平均含量大小順序為Zn>Cr>Ni>Pb>Cu>Co>Cd>Hg。

3 小結與討論

一般來說重金屬元素可以被土壤顆粒和有機質吸附，并且能夠與有機質形成絡合物[17，18]。土壤粘土所占比例越高，粒徑越小，比表面積越大，其吸附能力越強，重金屬含量往往越高；有機質對重金屬含量的影響是通過其主要成分腐殖質對重金屬強烈的吸附和絡合作用[17]，使得重金屬含量隨有機質含量增加而增加；土壤pH是影響土壤重金屬含量的關鍵因子之一[15，19]，土壤pH越高，部分重金屬的溶解性越差，土壤吸附的量就越多，流失量少，含量就越高。

從本研究來看，各重金屬含量均與土壤有機碳值極顯著相關（P<0.01）（表4），表明土壤有機質是重金屬重要的載體，也說明山東省水岸帶土壤有機質含量是影響重金屬在土壤環境中行為的重要因子。這與Stone等[20]研究認為的多種重金屬在土壤中的存在形態主要是有機質結合態的結論是相符的。除Pb和Hg外，其他重金屬含量均與土壤的平均粒徑呈極顯著的負相關關系（P<0.01），說明土壤粒徑對于山東省水岸帶土壤重金屬的含量分布影響較大；從各重金屬與pH的相關性關系來看，除Cd和Pb分別與pH呈顯著正相關和負相關關系外，其他相關關系均較弱，說明Cd和Pb可能受到土壤pH的影響外，其他基本不受pH影響。

4 結論

1）從各理化參數的平均值上看，山東省水岸帶土壤pH和有機碳含量分別高于和低于山東省土壤背景值；而從其變異系數來看，水岸帶土壤pH、粒徑組成和有機碳含量的空間分布差異相對較大，反映了土壤質地、物質來源和周圍環境條件對土壤性質的影響。

2）山東省水岸帶土壤中有機碳和平均粒徑與土壤重金屬均呈現顯著的相關關系（p<0.01），說明二者對水岸帶重金屬含量影響較大，而土壤pH對重金屬含量影響不大。

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