貴州省山丘區谷地及河流階地稻田耕層土壤重金屬含量田塊分異研究

郭超 王萍 姚茂明 牟力 付天嶺 何騰兵

摘 要：為掌握山丘區谷地與河流階地稻田土壤重金屬含量的差異性，在貴州省鎮遠縣金堡鄉愛河村山丘區谷地和青溪鎮雞鳴村河流階地分別采集了21個和27個田塊的稻田土壤樣品，測定了土壤的重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、銅（Cu）含量。結果表明：不同地形的土壤重金屬含量具有很大的差異，谷地和河流階地土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu含量的平均值分別為0.91、26.92、30.45、298.69、16.8 mg/kg和1.5、61.51、32.79、160.78、29.61 mg/kg，河流階地的Cd、Cr、Cu含量大于山丘區谷地，山丘區谷地田塊土壤中Zn的含量大于河流階地。在山丘區谷地統計的試驗田塊Cd、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大，Cd和Zn統計的田塊中接近均值的田塊相對集中，Pb、Cr、Cu相反，空間分布上差異較大的重金屬有Cd、Pb、Zn，其變異系數分別為76.5%、50.2%、23.1%，Cr含量小于均值的田塊多于大于均值的田塊，Cd和Zn含量最大值（1.76 mg/kg、593.29 mg/kg）與均值皆大于環境質量標準值及篩選值，在河流階地統計的試驗田塊Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大，Cr、Pb、Zn統計的田塊中接近均值達田塊相對集中，Cd、Cu相反。變異系數較大的重金屬有Cd、Zn，其變異系數分別為54.3%、29.1%。田塊之間的變異系數表明兩地形中田塊之間的重金屬含量差異大于兩地形的重金屬含量。體現出了貴州“十里不同天，十步不同土”的土壤性質差異。

關鍵詞：山丘區谷地;河流階地;稻田土壤;重金屬;田塊差異

Abstract：For mastering ShanQiu District valley and river terraces of the difference of paddy soil heavy metal content in guizhou province town far county gold BaoXiang in love village ShanQiu District valley and crow QingXi town village river terraces were collected 21 and 27 plots in paddy soil samples，determination of the soil heavy metal cadmium （Cd），chromium （Cr），lead （Pb），zinc （zinc），copper （Cu） content，through analysis shows that： Soil heavy metal content has a big difference in different terrain，valley and river terraces in the soil Cd，Cr，Pb，zinc，the average of the Cu content were 0.91，26.92，30.45，298.69，16.8 mg/kg and 1.5，61.51，32.79，160.78，29.61 mg/kg，river terraces of Cd，Cr，Cu content than ShanQiu District valley，ShanQiu District valley field soil water content of zinc in river terraces. In ShanQiu District valley statistical test plots in Cd，Pb，zinc，Cu is greater than the average field than a large，Cd and recent statistics in the field close to the average field is relatively concentrated，Pb，Cr，Cu，in contrast，differences on the spatial distribution of heavy metal Cd，Pb，zinc，the coefficient of variation were 76.5%，50.2%，23.1%，Cr content is less than the average field more than than the mean field，Cd and zinc content in the maximum （1.76 mg/kg，593.29 mg/kg） and the mean is greater than the environment quality standard and filter value，In the test plots of river terrace statistics，the plots of Cd，Cr，Pb，Zn and Cu are larger than the mean value，and the plots of Cr，Pb and Zn are relatively concentrated，while the plots of Cd and Cu are on the contrary. The heavy metals with higher coefficient of variation were Cd and Zn，and the coefficient of variation was 54.3% and 29.1%，respectively. The coefficient of variation between the fields indicates that the difference of heavy metal content between the fields is greater than that between the two terrains. The coefficient of variation between the fields indicates that the difference of heavy metal content between the fields is greater than that between the two terrains. It reflects the difference of soil properties of "different days in ten li and different soil in ten steps" in Guizhou.

Keywords：Hilly valley;River terrace;Paddy soil;Heavy meta;Field difference

隨著我國城市化和工業化的高速發展，農田土壤重金屬污染問題越來越嚴重。造成土壤重金屬污染的主要原因包括成土過程次生富集、土壤地質背景高和人類生產生活活動[1]，重金屬進入土壤的主要途徑有：采礦、冶煉、電鍍、化工等工業“三廢”的排放以及污水灌概、污泥農用、農藥和化肥的不合理施用（尤其是含磷化肥）[2-3]。金屬會隨著時間的推移，在土壤中不斷累積，影響農作物正常生長，甚至通過食物鏈等途徑在人體內富集，危害人類的身體健康[4]。土壤重金屬Cd、Pb、Cu的形態分別在由南到北或從東至西各土壤以及在紫色土和褐色土各亞類中各自表現出隨地域而變的分異規律。由于各土壤性質不同，其分異的程度有差異。成土年齡等原因，其形態的分配隨土壤pH值和碳酸鹽的變化而具有明顯的規律性[5]。牟力等[6]在貴州省鎮遠縣青溪鎮雞鳴村河流階地27個田塊采集土壤樣品，測定其重金屬（ Cd、Cr、Pb、Zn、Cu） 含量，結果表明：土壤受到重度污染，土壤環境質量較差，其中 Cd 為重度污染，Zn 為輕度污染，Pb、Cr 和 Cu 為無污染。重金屬來源主要包括農業運輸源、交通污染源、自然活動源。據《全國土壤污染狀況調查點位布設技術規定》中要求，普查點位由省環保部門用 Arc GIS 軟件在 1∶25 萬電子地圖上布設網格，其規格是：未利用土地、林草地和耕地分別按照40 km×40 km，16 km×16 km 和 8 km×8 km 的網格[7]。目前有山丘區谷地與河流階地稻田土壤重金屬稻田土壤污染風險評價的相關報道[6]，但是對于山丘谷地與河流階地之間稻田土壤污染程度以及小面積布點采樣討論地形重金屬差異的研究相對較少。本研究以貴州省鎮遠縣山丘區谷地和河流階地上的稻田土壤為研究對象，采集不同田塊的稻田土壤耕作層樣品，測定土壤重金屬含量，探討不同田塊之間土壤重金屬含量的差異性，為不同地區耕地土壤重金屬調查布點采樣和土壤環境質量類別劃分提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鎮遠縣地處貴州省的東部，隸屬黔東南州，總面積約為1878 km2，距離州府凱里市190公里，位于貴州省東部武陵山區。屬貴州高原以及逐漸向東遞降的斜坡地帶地貌，地形為典型的巖溶地區，且分布有巨厚的白云巖、石灰巖。研究區位于金堡鄉和青溪鎮內。金堡鄉研究區位于鎮遠縣城以南方向，海拔約830 m，東經108°27′54′′～108°28′01′′，北緯26°52′57′′～27°53′00′′，地形為山丘區谷地，土壤類型為變余砂巖發育的黃紅壤經水耕熟化形成的潴育型水稻土，研究區田塊總面積約5000 m2。青溪鎮研究區位于鎮遠縣城以東，海拔約390 m，東經108°43′14′′～108°43′24′′，北緯27°06′17′′～27°06′26′′，地形為山丘區河流階地，土壤類型為舞陽河河流沖積物發育的潮土經水耕熟化形成的潴育型水稻土，田塊總面積約15000 m2。目前，關于不同地形地貌稻田土壤重金屬差異的研究甚少。

1.2 樣品采集及制備

在充分考慮研究區田塊面積的基礎上，在金堡鄉愛河村谷地上21個田塊和在青溪鎮雞鳴村河流階地上27個田塊分別進行采樣（約10 m×10 m），用GPS記錄每個田塊的中心坐標，每個田塊內均按照五點采樣法，用竹削刀取0～20 cm深度的土壤，充分混合后用四分法取1 kg左右土壤裝入布袋并標記運到實驗室，在室內自然風干土壤樣品，挑出石礫和根系等異物，將自然風干后的土壤進行研磨，分別過2 mm和0.149 mm尼龍篩，密封干燥保存，備用。

1.3 樣品測定分析

土壤 pH 采用 1∶2.5 土液比浸提法，pH 計測定;土壤重金屬 Cd、Cr、Pb、Cu 和 Zn 采用 HNO3 -HF 微波消解，然后再采用電感耦合等離子體質譜儀（ ICP-MS-700X） 測定[8]。分析過程中加入國家標準土壤樣品（ GSS-22） 進行質量控制，每個樣品重復數3次，試劑均采用優級純。

利用 Microsoft Office Excel2010、DPSv7.5對試驗數據進行整理、計算和描述性統計分析。

2 結果與分析

2.1 谷地稻田土壤重金屬含量田塊差異性

如表1所示，谷地土壤重金屬Cd、Pb、Zn、Cu的偏度系數為峰度系數分別為0.39、0.53、0.29、0.13，峰度系數為-1.14、1.88、-1.04、1.82，均值為0.91、30.45、298.7、16.8 mg/kg，整體分布在均值偏右（偏度系數>0），統計的試驗田塊Cd、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大。Cd和Zn統計的田塊中接近均值達田塊相對集中（峰度系數<0），Pb、Cr、Cu相反。Cr偏度系數為-0.34，Cr含量小于均值的田塊多于大于均值的田塊，整體分布在均值偏左。Cd和Zn含量最大值（1.76 mg/kg、593.3 mg/kg）與均值皆高于農用地土壤污染風險篩選值[9]（GB15618-2018），且二者田塊中接近均值達田塊集中，Cd、Zn超標嚴重。Cd、Pb、Zn含量的變動相對較大，其變異系數分別為76.5%、50.2%、23.1%，說明這三種重金屬的含量在該試驗區的空間分布上差異較大，表現為顯著的空間差異性。

2.2 河流階地稻田土壤重金屬含量田塊差異性

河流階地土壤重金屬Cd、Cr、Pb、Zn、Cu的偏度系數為峰度系數分別為1.29、0.55、0.68、0.64、0.98，峰度系數為1.75、-0.22、-0.09、-0.54、0.22，均值為1.50、61.51、32.79、160.8、29.6 mg/kg，整體分布在均值偏右（偏度系數>0），統計的試驗田塊Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大，Cr、Pb、Zn統計的田塊中接近均值達田塊相對集中（峰度系數<0），Cd、Cu相反。Cd含量最小值（0.54 mg/kg）與最大值（3.82 mg/kg）大于農用地土壤污染風險篩選值，從偏度系數來看，大于均值（1.50 mg/kg）的田塊占比大，Cd超標嚴重。Cd、Zn的變異系數分別為54.3%、29.1%，其含量變動和變異系數都較大，含量在空間分布上差異較大。

2.3 谷地與河流階地稻田土壤重金屬含量田塊差異性的比較

由表1可知，發現河流階地的土壤重金屬含量大于山丘區谷地的重金屬元素有Cd、Cr、Cu，山丘區谷地與河流階地土壤中Cd、Cr、Cu含量分別為0.29～1.76、13.83～36.6、8.79～24.78 mg/kg，0.54～3.82、43.1～83.02、21.8～47.37 mg/kg之間，研究區兩地形的Cd含量均大于貴州土壤背景值[10]以及農用地土壤污染風險篩選值，存在Cd超標篩選值現象，Cr、Cu含量均小于貴州土壤背景值和農用地土壤污染風險篩選值，研究區兩地形土壤中Cr及Cu的含量沒有超標篩選值現象，但河流階地土壤中Cr含量相對接近背景值。可能存在超標的風險。其中河流階地土壤中的Cd、Cr、Cu的含量均大于山丘區谷地。山丘區谷地土壤中的Pb范圍在14.5～45.2之間，平均值為30.5，標準差為6.74，河流階地土壤中Pb的范圍在28.2～39.6 mg/kg之間，兩地形的Pb含量均小于貴州土壤背景值和農用地土壤污染風險篩選值，不存在Pb超篩選值。兩地形稻田土壤中的Zn的含量范圍分別在91.8～593.3 mg/kg、97.2～259.8 mg/kg之間，對比貴州土壤背景值和農用地土壤污染風險篩選值發現，其含量遠遠超過背景值和篩選值，存在嚴重超篩選值的風險。且山丘區谷地中的Zn大于河流階地，山丘區谷地受到Zn超標程度大于河流階地。山丘區谷地稻田土壤重金屬Cd、Pb、Zn、Cu、Cr的變異系數分別為76.5%、50.2%、23.1%、22.0%和16.86%。河流階地稻田土壤重金屬Cd、Pb、Zn、Cu、Cr的變異系數分別為54.3%、8.58%、29.1%、23.6%、16.3%，根據Fu等[11]對變異程度的分類，變異系數<10%表示弱變異，10%～90%表示中等變異，>90%表示高度變異。同一區域內，相鄰地塊間的重金屬含量水平上都存在極顯著差異（p<0.01），如研究區山丘區谷地中，Cd最小值僅為0.29 mg/kg，最大值高達1.76 mg/kg，高出最小值地塊6倍多。該研究區土壤重金屬均屬于中等變異，研究區部分田塊已經呈現高度的Cd、Pb累積特征。土壤Cu和Zn也表現了不同程度的富集特征，最大值超過背景值數倍。河流階地稻田土壤重金屬Pb屬于弱變異，其余重金屬Cd、Cr、Zn、Cu屬于中等變異。說明兩個試驗區重金屬含量變異性較高，其含量具有顯著的空間差異性。田塊之間的變異系數表明兩地形中田塊之間的重金屬含量差異大于兩地形的重金屬含量。

母質在山丘區谷地主要是坡積物而河流階地主要是沖積物，發育的水稻土性質出現較大差別，土壤重金屬含量差別大。

2.4 不同地形下土壤重金屬區域分異的原因淺析

研究區地形為典型的巖溶地區，且分布有巨厚的白云巖、石灰巖，山丘區谷地是一山間谷地，地勢起伏，田塊間穿插有山間溪流，西北方向約2 km處有廢棄的鉛鋅礦產區，已關停11年左右，有鋇長石，鈷，方錳石，銅，芒硝等資源，田塊間穿插有機耕道穿插。研究區中河流階地為舞陽河河流階地，地勢平坦。磷肥、復合肥等化肥中含有一定量的重金屬，有機肥中Zn、Cu等重金屬含量較高，不同類型的母質發育的土壤重金屬也有所差異，研究區涉及的母質有白云巖、石灰巖分布以及河流沖積物。同時過量施肥會造成農田土壤中重金屬積累。由表3可以看出，不同地形稻田肥料使用差異很大，河流階地的N、P2O5和K2O用量均遠山丘區谷地，N總量分別為383.7、421.9 kg·hm-2·a-1，施P2O5總量分別為243.7、294.0 kg·hm-2·a-1，施K2O總量分別為148.2、490.2 kg·hm-2·a-1。顯示本研究河流階地肥料用量遠高于山丘區谷地，可能是造成河流階地土壤中重金屬Cd、Cr、Cu含量高于山丘區谷地的重要原因。研究區與河流（舞陽河）大面積接壤，河流的對土壤中重金屬的含量影響相對大，試驗數據顯示，在統計上述元素超標情況的田塊中，發現重金屬含量超標的田塊均分布在沿河流一帶，沉淀懸浮顆粒物、溶解相、沉積物三部分是河流中的重金屬元素主要存在方式，河流的淋溶與沉淀作用導致重金屬元素遷移，從而使得田塊中重金屬含量有一定的差異。在山丘區谷地田塊中含量超標的鎘、鉻、鋅田塊均分布在靠近山峰以及路邊的田塊中，其中尤其是鋅含量，超標情況相對嚴重。噴施農藥、道路汽車輪胎消耗以及工業活動對重金屬含量有影響。

3 結論與討論

鎮遠縣屬于典型的巖溶地區縣屬于典型的巖溶地區，貴州發育于砂巖、頁巖、第四紀紅色粘土母質的淹育型、潴育型、潛育型黃壤性水稻土，山區谷地是坡積物，河流階地為沖積物，山丘區谷地和河流階地上的田塊土壤重金屬含量分析表明，首先兩個地貌單元中土壤pH較低，屬微酸性至強酸性土壤，重金屬含量有所差異，山丘區谷地的成土母質主要是坡積物，河流階地的主要是沖積物，成土母質不同，導致重金屬含量存在不同的原因之一，山丘區谷地田塊土壤Cr含量小于均值的田塊多于大于均值的田塊，整體分布在均值偏左。Cd和Zn含量最大值（1.76 mg/kg、593.3 mg/kg）與均值皆大于環境質量標準值及篩選值，且二者田塊中接近均值達田塊集中，Cd、Zn超標嚴重。河流階地田塊土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大，Cr、Pb、Zn統計的田塊中接近均值達田塊相對集中（峰度系數<0），Cd、Cu相反。Cd含量最小值（0.54 mg/kg）與最大值（3.82 mg/kg）大于環境質量標準值，從偏度系數來看，大于均值（1.50 mg/kg）的田塊占比大，Cd超標嚴重。山丘區谷地中的Zn大于河流階地，山丘區谷地受到Zn超標程度大于河流階地。不同地形稻田肥料使用差異很大，河流階地的N、P2O5和K2O用量均遠山丘區谷地，N總量分別為383.7、421.9 kg·hm-2·a-1，施P2O5總量分別為243.7、294.0 kg·hm-2·a-1，施K2O總量分別為148.2、490.2 kg·hm-2·a-1。顯示本研究河流階地肥料用量遠高于山丘區谷地，可能是造成河流階地土壤中重金屬Cd、Cr、Cu含量高于山丘區谷地的重要原因，但河流階地的Cd含量相對高，Cr的含量均未超標，河流階地的Cr含量相對偏高，可能存在超標的風險，山丘區谷地和河流階地中的Pb含量均未超標，但河流階地Pb含量整體高于山丘區谷地，山丘區谷地和河流階地的Cu的含量沒有超標現象。山丘區谷地田塊中Cu含量低于河流階地。山丘區谷地與河流階地土壤重金屬Cd、Pb、Zn、Cu統計的試驗田塊大于平均值的田塊占比大，其中Cd超標情況嚴重。

鎮遠縣屬于典型的巖溶地區縣屬于典型的巖溶地區，貴州發育于砂巖、頁巖、第四紀紅色粘土母質的淹育型、潴育型、潛育型黃壤性水稻土，山區谷地是坡積物，河流階地為沖積物，母質不同導致重金屬含量不同。山丘區谷地與河流階地中土壤pH較低，均屬微酸性至強酸性土壤。兩個地貌單元中土壤中 Cd、Cr、Pb、Zn、Cu 的平均含量分別為0.91、26.92、30.45、298.69、16.8 mg/kg和1.50、61.51、32.79、160.78、29.61 mg/kg，其中Cd和Zn兩地貌均大于背景值和篩選值，河流階地土壤中的Cd、Cr、Cu的含量均大于山丘區谷地。山丘區谷地中的Zn大于河流階地，兩個試驗區重金屬含量變異性較高，其含量具有顯著的空間差異性。本次采用10 m×10 m采樣，相比《全國土壤污染狀況調查點位布設技術規定》中的要求小數倍，然而兩地形中田塊之間重金屬含量差異程度大于地形之間差異。體現出貴州“十里不同天，十步不同土”的土壤性質差別。

在山丘區谷地統計的試驗田塊Cd、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大，Cd和Zn統計的田塊中接近均值達田塊相對集中，Pb、Cr、Cu相反，Cd、Pb、Zn的變異系數分別為76.5%、50.2%、23.1%，空間分布上差異較大。田塊之間Cd、Pb、Zn含量差異大。

在河流階地統計的試驗田塊Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田塊占比大，Cr、Pb、Zn統計的田塊中接近均值達田塊相對集中，Cd、Cu相反。Cd、Zn的變異系數分別為54.3%、29.1%，其含量變動和變異系數都較大，含量在空間分布上差異較大。Cd、Zn含量差異大。

河流階地的N、P2O5和K2O用量均遠山丘區谷地，N總量分別為383.7、421.9 kg·hm-2·a-1，施P2O5總量分別為243.7、294.0 kg·hm-2·a-1，施K2O總量分別為148.2、490.2 kg·hm-2·a-1。河流階地肥料用量遠高于山丘區谷地，可能是造成河流階地土壤中重金屬Cd、Cr、Cu含量高于山丘區谷地的重要原因。

參 考 文 獻：

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