太原市農田土壤養分和重金屬累積特征及相關性分析

滑小贊，程 濱，趙瑞芬，霍曉蘭，王 釗

（山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

土壤養分是土壤肥力的重要組成部分，對土壤生態系統結構與功能具有重要影響[1-3]。土壤養分狀況既受自然因素的影響，也受耕作方式、土地利用方式等人為因素的影響，其含量高低直接影響著作物的生長發育及其產量的高低[1-5]。同時，土壤養分含量是合理施肥的直接依據[1]。施肥量過少，不能滿足作物生長需要；相反，施肥量過多，養分隨水分下滲污染地下水，既造成浪費又污染環境[6]。

重金屬是土壤中常見的一類污染物，不僅不易被微生物降解，而且具有移動性小、不容易隨水淋濾、潛伏期長等特點，其一旦進入土壤中，就會在土壤中不斷累積，對土壤和農作物具有潛在的生態風險[6-10]。大量的科學研究表明，土壤重金屬和養分元素之間存在一定的聯系。楊艷芳等[11]研究表明，土壤有機質與土壤重金屬Pb，Cu 和Zn 之間呈極顯著正相關，并且具有同源性。茹淑華等[12]研究表明，河北省典型蔬菜產區土壤有機質、全氮、有效磷、全磷和土壤重金屬Cd 之間存在極顯著正相關關系。徐明崗等[13]、任順榮等[14]研究表明，長期施用以畜禽糞便為原料的有機肥在提高土壤養分含量的基礎上，也使土壤重金屬含量提高。因此，研究不同行政區土壤養分和重金屬元素的累積特征及其相關性，具有重要的現實意義。

本研究通過野外實地采集土壤樣品，比較太原市不同行政區土壤養分和重金屬累積特征，分析土壤養分和重金屬含量之間的內在聯系，旨在為指導農田土壤科學施肥和重金屬污染防治提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

太原市位于山西省中部，地處晉中盆地的北端，屬于大陸性暖溫帶半干旱季風氣候，年平均溫度為9.5 ℃，無霜期平均160 d，年均降水量470 mm。太原市整體氣候較好，晝夜溫差較大，夏秋降雨集中，冬春干旱多風，分明的四季氣候很適宜拓展蔬菜品種的種植，更是多種糧食作物、蔬菜、水果等農作物生長的寶地。因此，以太原市小店區、晉源區、清徐縣、尖草坪區、陽曲縣、古交縣、婁煩縣等7 個農作物主產區為研究對象，研究土壤主要養分和重金屬累積特征及相關性，為農田土壤科學施肥和重金屬污染防治提供依據。

1.2 材料

由于土壤養分和大部分重金屬都是通過植物根系吸收進入植物體內，在作物根系周圍土壤中養分和重金屬對作物生長影響較大，故采集農作物根群較集中的表層土壤進行分析，一般采集0～20 cm表層土壤，采用多點取樣混合成一個代表樣的方法，每個代表樣最終取1 kg，在研究區共采集272 個土壤樣品。其中，小店區采集土壤樣品39 個，晉源區13 個，清徐縣69 個，尖草坪9 個，陽曲68 個，古交45 個，婁煩29 個。

1.3 試驗方法

土壤樣品經自然風干，剔除植物根系、有機殘渣以及可見侵入體，粗磨后過0.84 mm 的尼龍篩，用于測定土壤pH 值、有效磷、速效鉀、堿解氮；再細磨至全部過0.149 mm 篩，用以測定土壤有機質、全氮、全磷、全鉀和重金屬等。

1.4 測定項目及方法

土壤重金屬Pb，Cr，Ni，Cu，Zn 采用HCl-HNO3-HF-HClO4四酸消化- 原子吸收分光光度法測定；土壤重金屬Hg，As 采用王水水浴消解- 原子熒光光度法測定；有機質（SOM）采用重鉻酸鉀外加熱法測定；有效磷（AP）采用碳酸氫鈉浸提- 紫外分光光度法測定；速效鉀（AK）采用醋酸銨浸提- 火焰光度法測定；全氮（TN）采用凱氏定氮法測定；全磷（TP）采用氫氧化鈉熔融- 紫外分光光度法測定；全鉀（TK）采用氫氧化鈉熔融- 火焰光度法測定；堿解氮（AN）采用堿解擴散法測定。

1.5 數據處理

數據處理及圖表分析采用Excel 和SPSS 統計軟件進行。

2 結果與分析

2.1 太原市農田土壤主要養分含量特征

太原市農田土壤養分含量分析結果顯示，7 個土壤養分指標的中位數均低于其均值，偏度和豐度均大于0，分布屬于右偏態，表明土壤養分元素含量高于均值的采樣點相對較多。TK 含量的變異系數為9%，小于25%，呈低變異性，表明在區域內變化較??；TN，TP 含量的變異系數介于25%～50%，呈中變異性，表明在區域上有一定差異，但變化不顯著；AN，AP，AK，SOM含量的變異系數大于50%，呈高變異性，表明在區域上差異顯著，可能受人類活動影響較大（表1）。

表1 太原市農田土壤養分含量統計（n＝272）

從表2 可以看出，不同行政區土壤主要養分含量存在明顯差異。太原市農田土壤有效磷（AP）含量由大到小依次是小店區（40.26 mg/kg）＞清徐縣（22.77 mg/kg）＞陽曲縣（17.97 mg/kg）＞晉源區（14.41 mg/kg）＞古交市（14.40 mg/kg）＞婁煩縣（9.82 mg/kg）＞尖草坪區（5.18 mg/kg），其中小店區與其他6 個縣區存在顯著差異；土壤中全氮（TN）含量由大到小依次是晉源區（0.155%）＞小店區（0.134%）＞清徐縣（0.115%）＞陽曲縣（0.089%）＞尖草坪區（0.077%）＞古交市（0.074%）＞婁煩縣（0.070%）；土壤中堿解氮（AN）含量由大到小依次是小店區（79.21 mg/kg）＞晉源區（68.25 mg/kg）＞陽曲縣（61.46 mg/kg）＞清徐縣（47.12 mg/kg）＞尖草坪區（42.99 mg/kg）＞古交市（39.51 mg/kg）＞婁煩縣（23.72 mg/kg）；土壤中有機質（SOM）含量由大到小依次是晉源區（47.31 g/kg）＞小店區（28.97 g/kg）＞清徐縣（21.09 g/kg）＞古交市（13.71 g/kg）＞尖草坪區（13.13 g/kg）＞陽曲縣（12.60 g/kg）＞婁煩縣（10.83 g/kg）；土壤中速效鉀（AK）含量由大到小依次是小店區（257 mg/kg）＞清徐縣（193 mg/kg）＞陽曲縣（155 mg/kg）＞古交市（144 mg/kg）＞尖草坪區（130 mg/kg）＞婁煩縣（126 mg/kg）＞晉源區（98.3 mg/kg）；土壤中全磷（TP）含量由大到小依次是小店區（1 144 mg/kg）＞清徐縣（1 026 mg/kg）＞晉源區（932 mg/kg）＞陽曲縣（876 mg/kg）＞古交市（800 mg/kg）＞婁煩縣（762 mg/kg）＞尖草坪區（720 mg/kg）；土壤中全鉀（TK）含量由大到小依次是清徐縣（2.02%）＞小店區（2.01%）＞古交市（1.98%）＞尖草坪區（1.94%）＞陽曲縣（1.92%）＝婁煩縣（1.92%）＞晉源區（1.70%）（表2）。

表2 太原市不同行政區土壤主要養分含量

參考全國第二次土壤普查養分分級標準（表3）和太原市不同行政區農田土壤養分含量結果分析（表2）可以看出，小店區、晉源區、清徐縣土壤肥力較高，這是因為這3 個區縣是太原市主要蔬菜供應基地，復種指數較高，注重有機肥和化肥的投入，其中，晉源區土壤中有機質和全氮含量明顯高于其他6 個區縣，而土壤中有效磷和速效鉀含量相對較低，這與農民習慣施用有機肥有關；尖草坪區、陽曲縣、古交縣和婁煩縣等4 個區縣屬于中等肥力水平，有機質和速效鉀含量較豐富，有效磷含量處于較豐富和中等水平。目前，在農業部提出的減肥減藥大的環境條件下，應根據種植結構和土壤養分狀況精準施肥，提高肥料利用率。

表3 全國第二次土壤普查養分分級標準

2.2 太原市農田土壤重金屬含量特征

太原市農田土壤重金屬元素含量分析結果顯示，全部7 種土壤重金屬元素含量的中位數均低于其均值，偏度和豐度均大于0，分布屬于右偏態，表明土壤重金屬元素含量高于均值的采樣點相對較多。Cr，Cu，Zn，As，Ni，Pb 含量的變異系數均小于等于25%，呈低變異性，表明在區域內變化不大，基本未受到人類活動的影響；Hg 含量的變異系數大于50%，呈高變異性，表明在區域上差異顯著，主要是受人類活動影響。重金屬Cr，Cu，As 含量的平均值分別為68.38，24.13，8.59 mg/kg，均低于1994 年太原市土壤重金屬元素背景值[15]；重金屬Zn，Hg，Ni 和Pb含量的平均值分別為76.71，0.08，30.26，24.23 mg/kg，均高于太原市重金屬元素背景值，說明Zn，Hg，Ni和Pb 等4 種重金屬在土壤中存在積累現象。從偏度和豐度來看，除Hg 元素外，其他重金屬均近似正態分布，以1994 年太原市土壤背景值為評價標準，重金屬Cr，Cu，Zn，As，Hg，Ni，Pb 的超標率分別為19.5%，27.9%，43.0%，10.3%，30.5%，58.0%，38.6%；參照全國《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）,7 種重金屬含量均符合國家標準（表4）。

表4 太原市農田土壤重金屬元素含量統計（n＝272）

太原市不同行政區農田土壤重金屬含量結果分析顯示（表5），不同區縣土壤重金屬含量存在顯著性差異。土壤中鉻（Cr）含量由大到小依次是小店區（74.63 mg/kg）＞清徐縣（70.90 mg/kg）＞尖草坪區（70.01 mg/kg）＞陽曲縣（67.45 mg/kg）＞晉源區（66.58 mg/kg）＞古交市（65.09 mg/kg）＞婁煩縣（64.86 mg/kg）。土壤中鎳（Ni）含量由大到小依次是小店區（33.38 mg/kg）＞清徐縣（32.26 mg/kg）＞尖草坪區（30.99 mg/kg）＞晉源區（30.31 mg/kg）＞古交市（29.09 mg/kg）＞陽曲縣（29.07 mg/kg）＞婁煩縣（28.22 mg/kg）。土壤中銅（Cu）含量由大到小依次是小店區（28.43 mg/kg）＞晉源區（28.22 mg/kg）＞清徐縣（27.26 mg/kg）＞尖草坪區（24.62 mg/kg）＞古交市（23.05 mg/kg）＞陽曲縣（21.83 mg/kg）＞婁煩縣（20.62 mg/kg）。土壤中鋅（Zn）含量由大到小依次是小店區（100.67 mg/kg）＞晉源區（84.88 mg/kg）＞清徐縣（82.58 mg/kg）＞尖草坪區（75.11 mg/kg）＞古交市（73.05 mg/kg）＞陽曲縣（68.53 mg/kg）＞婁煩縣（61.67 mg/kg）。土壤中鉛（Pb）含量由大到小依次是晉源區（30.58 mg/kg）＞小店區（29.05 mg/kg）＞尖草坪區（26.16 mg/kg）＞清徐縣（25.58 mg/kg）＞古交市（22.39 mg/kg）＞陽曲縣（22.05 mg/kg）＞婁煩縣（20.52 mg/kg）。土壤中砷（As）含量由大到小依次是婁煩縣（8.91 mg/kg）＞小店區（8.64 mg/kg）＞清徐縣（8.51 mg/kg）＞陽曲縣（7.74 mg/kg）＞晉源區（7.56 mg/kg）＞古交市（6.97 mg/kg）＞尖草坪區（6.96 mg/kg）。土壤中汞（Hg）含量由大到小依次是晉源區（0.180 mg/kg）＞小店區（0.094 mg/kg）＞清徐縣（0.080 mg/kg）=尖草坪區（0.080 mg/kg）＞陽曲縣（0.060 mg/kg）= 婁煩縣（0.060 mg/kg）＞古交市（0.057 mg/kg）。從表5 還可以看出，晉源區土壤中汞（Hg）含量明顯高于其他6 個區縣；小店區、晉源區和清徐縣3 個區縣土壤重金屬含量綜合來說高于尖草坪區、陽曲縣、古交市和婁煩縣等4 個區縣的土壤重金屬含量，這是因為小店區、晉源區和清徐縣等3 個區縣是太原市主要蔬菜供應基地，復種指數較高，注重有機肥、化肥和農藥的投入，有機肥、化肥和農藥中含有少量重金屬，在使用過程中帶入土壤中[16-19]。這與表1 的結果一致，土壤養分含量與土壤重金屬含量存在一定的相關關系。

表5 太原市各縣市區農田土壤重金屬含量 mg/kg

2.3 太原市農田土壤養分含量與重金屬含量之間的相關性

太原市農田土壤養分和土壤重金屬元素含量相關性分析顯示，土壤中Cr，Cu，Zn，Hg，Pb 含量與土壤AP，TN，SOM，TP 含量間均呈極顯著正相關；土壤中Cr，Cu，Zn，Pb 含量與土壤AK 含量均呈極顯著正相關；土壤中Cr，Cu，Zn，As，Ni 含量與土壤TK 含量均呈極顯著正相關。土壤中Hg 含量與Cr，Cu，Zn，Pb 含量均呈極顯著正相關，與As 含量不相關；土壤中As 含量與Cr，Cu，Zn，Ni 含量呈極顯著正相關，與Hg，Pb 含量不相關（表6）。

表6 太原市農田土壤養分和土壤重金屬元素含量相關性分析

表7 主成分分析法得到的全部解釋變量

表8 具有Kaiser 標準化的正交旋轉法得到的因子和全部解釋變量

主成分分析作為一種用來輔助數據分析的統 計方法，可進一步對數據進行詳細解釋，因此，為了進一步明確太原市農田土壤中重金屬的污染來源，對土壤養分和重金屬進行主成分分析，對7 種養分指標和7 種重金屬指標共14 個指標進行主成分分析，結果發現（表7，8），14 個指標可由前3 個主成分反映75.03%的信息，即對前3 個主成分進行分析就可以反映14 個指標數據的大部分信息。矩陣變換后，第1 個主成分包含Hg，SOM，Pb 和TN，第2 個主成分主要包括Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As，第3個主成分包括AP，TP，AK 和AN。3 個主成分中第1主成分的貢獻率為26.17%，表現為因子變量在元素Hg，SOM，Pb 等上有較高的載荷特點，并且SOM與Hg，Pb 含量呈極顯著正相關，具有同源性，其中，SOM主要來源于有機肥和有機物料的施入，因此，有機肥和有機物料的施入是其污染的主要來源。第2 主成分的貢獻率為24.80%，這一成分主要在Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As 上有較高的貢獻率；從表1 和表4 可以看出，Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As 變異系數均小于等于25%，屬于低變異性，表明在區域內變化不大，基本未受到人類活動的影響，反映了成土母質是其主要來源。第3 主成分的貢獻率為24.05%，這一成分主要在AP，TP，AK 和AN 上有較高的貢獻率，AP，AK 和AN 主要來源于化學類肥料，因此，化學類肥料是其主要來源。

2.4 太原市農田土壤環境安全閾值預測

通過對太原市農田土壤養分和重金屬之間的相關性和主成分分析可看出，土壤有機質（SOM）與Hg，Pb 間分別存在極顯著正相關的關系，以農業部綠色食品產地環境質量標準（NY/T 391—2013）土壤中Hg 和Pb 的含量限值分別為0.35，50 mg/kg，推測Hg 和Pb 達限值時土壤有機質的安全累計值即作為土壤有機質環境安全閾值。

通過土壤有機質含量與重金屬Hg，Pb 含量極顯著正相關的預測模型，估算了土壤有機質環境安全閾值（表9）。從表9 可以看出，土壤有機質含量與重金屬Hg 的預測模型中，由線性方程和二次方程得到有機質的安全閾值分別為50.35，67.31 g/kg；土壤有機質含量與重金屬Pb 的預測模型中，由線性方程和二次方程得到有機質的安全閾值分別為69.80，81.60 g/kg。不同的預測模型得到的有機質臨界值存在明顯差異。為了土壤環境安全考慮，由不同方程獲得的最小值作為土壤有機質環境安全閾值，即土壤有機質安全閾值為50.35 g/kg，與茹淑華等[12]預測的河北省典型蔬菜產區土壤有機質的環境安全閾值（30.86 g/kg）和孫超等[20]預測的溫室黃瓜中壤土有機質的環境安全閾值（20.0 g/kg）存在一定差異，可能是由土壤類型和評價標準不同引起的。

表9 土壤中有機質含量與重金屬Hg，Pb 之間的相關性

3 結論

本研究結果表明，太原市不同行政區農田土壤養分和重金屬含量存在極顯著差異，小店區、晉源區和清徐縣3 個區縣土壤養分和重金屬含量相對較高，尖草坪區、陽曲縣、古交市和婁煩縣等4 個區縣的土壤養分和重金屬含量相對較低。

采用SPSS 軟件對土壤養分和重金屬含量進行相關性分析和主成分分析，得出土壤中重金屬含量與土壤養分存在顯著的相關性。其中，土壤中重金屬Hg，Pb 和土壤有機質（SOM）、全氮（TN）存在極顯著正相關性，主要來源于有機物料的施入；重金屬元素Ni，Cu，Cr，As，Zn 和土壤全鉀（TK）存在極顯著正相關性，主要來源于成土母質；土壤中有效磷（AP）、速效鉀（AK）和堿解氮（AN）主要來源于化學類肥料。

為太原市農田土壤環境安全考慮，利用土壤有機質含量與重金屬Hg，Pb 含量呈極顯著正相關的預測模型，估算出土壤有機質環境安全閾值為50.35 g/kg。