羅甸縣不同土地利用類型對土壤重金屬含量的影響

董藝博，陳 超*，周 麗，楊 豐，譚玉蘭

(1.貴州大學 動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省草地技術試驗推廣站，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】近年來，隨著工業“三廢”排放及農業生產中農藥、化肥及污泥的濫用，土壤重金屬累積污染問題越發引起高度重視[1]。重金屬作為土壤中具有代表性的污染物，一旦進入土壤，其隱蔽性、多源性和不可逆性的特點[2]，使之在土壤中不斷積累，對土壤和農作物具有潛在的生態風險，進而威脅到人類及動物的生命安全[3]。研究表明，不同土地利用類型是影響土壤重金屬積累、轉移的重要因素之一[4]。【前人研究進展】謝婧等[5]在深圳市不同土地利用類型下的土壤研究區中，對重金屬累積調查表明，荒地處于清潔警戒線內，而菜地和林地均處于輕度污染水平線內，果園地達中度污染水平。陳宗娟等[6]通過對天津東南部某區域不同土地類型下土壤中重金屬的累積程度進行分析發現：研究區大部分的土壤中重金屬富集程度都達中度污染及以上水平，內梅羅綜合指數評價結果為農業用地>工業用地>居住用地。李清良等[7]通過潛在生態風險評價研究表明，與林地和綠地相比，城鎮用地和農業用地表層土壤重金屬污染水平呈現增高趨勢。IZQUIERDO等[8]對西班牙馬德里市6個不同特征的城市園林中的土壤重金屬研究表明，Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn含量與土壤質地、pH及有機質有關。綜上所述，不同土地利用類型，雖然會明顯的改變土壤重金屬含量，但在不同地區其影響程度卻不同。貴州喀斯特是易遭受人為活動的干擾破壞的生態脆弱區，土壤侵蝕嚴重，生產力下降[9]，土壤水分及養分供應不足，易貧化流失。特殊的喀斯特生態系統對環境因素變化反應靈敏，生態穩定性差，遭到破壞后恢復能力大幅度降低[10]。在貴州喀斯特地區復雜的自然環境下，不同的土地利用類型引發的土壤質量危害程度也各不相同。【本研究切入點】目前，針對貴州喀斯特生態系統不同土地利用類型的土壤重金屬的研究還相對欠缺。【擬解決的科學問題】以貴州省羅甸縣的5種典型土地利用類型為研究對象，對巖溶地區表層土壤重金屬的分布特征及污染現狀進行探究，并運用生態風險評價對各重金屬的污染狀況進行闡述，明確土壤環境質量對不同土地利用類型的響應變化，對貴州省羅甸縣土地資源開發利用、發展特色農業及種植業推廣提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區羅甸縣(E 106°23′14″～107°3′57″，N 25°3′45″～25°45′14″，海拔600～1000 m)位于貴州省南部地處黔南州的西南部，是典型的喀斯特生態脆弱區，屬典型南亞熱帶季風濕潤氣候，四季變化呈現春夏長、秋冬短的特點，日照時間為1350～1520 h，年均溫度19.6 ℃，年均降水量1335 mm，無霜期335 d，因常年溫度較高，素有“天然溫室”之稱。縣內河域屬珠江流域紅水河水系，母巖以碳酸鹽巖為主，土壤類型主要為紅壤。植被分布以細葉馬尾松(Pinusmassoniana)、云南松(Pinusyunnanensis)、楓香樹(Liquidambarformosana)和麻風樹(Jatrophacurcas)為建群種。草地主要以白茅(Imperatacylindrica)和草地早熟禾(Poapratensis)為優勢種，并以通泉草(Mazusjaponicus)和細柄草(Capillipediumparviflorum)等為伴生種。農田主要種植玉米(Zeamays)和油菜(Brassicacampestris)，耕作方式為輪作。土地利用類型以草地、灌木林為主，其次是農用地。

1.2 材料

羅甸縣林地、天然草地、人工草地、農田和棄耕地5種土地利用類型0～20 cm的表層土壤。

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集及預處理 2017年8月對研究區域(圖1)進行實地探查和樣品采集。在研究區分別選取林地、天然草地、人工草地、農田及棄耕地5種土地利用類型，各類型隨機選取3個樣地，樣地間隔均>500 m；每一樣地按照“S”型選取10個采樣點，采集0～20 cm表層土壤。剔出土樣中的植物殘根和碎石后將其按樣地分別混合均勻，再采用四分法留取1kg土樣，共15個土樣。將土樣帶回實驗室自然風干，然后過2 mm篩備用。

1.3.2 指標測定 土壤重金屬元素Cr及Ni采用火焰原子吸收分光光度法測定，Cd與Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Hg含量采用冷原子吸收光度法進行測定，As采用原子吸收光譜法測定[11]。

1.3.3 不同土地利用類型土壤重金屬含量的變異特征 利用變異系數反映不同利用方式下重金屬含量的變異特征，從而揭示指定區域內變量的相對變化程度[12]。變異系數(c.v.)值越高，表明該重金屬元素的含量在該區域離散程度越高[13]。根據變異按照程度可劃分為輕度變異(0

式中：c.v.為變異系數，?為標準差，μ為平均數。

1.3.4 土壤重金屬污染評價 根據研究區實際情況，選取單因子污染指數法、內梅羅綜合污染評價和Hakanson潛在生態危害評價法共同對研究區重金屬污染及潛在生態風險危害進行評估。該研究將《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)中的二級標準作為評價標準，6種重金屬元素的毒性響應系數參照Hakanson[14]的研究結果確定。

(1)單因子污染指數法。單因子污染指數法主要用于單一污染因子在特定范圍內的評價。單因子污染指數法的計算公式為:

式中，Pi為土壤中元素i的單因子污染指數；Ci為土壤中元素i的實測質量，單位mg/kg；Bi為土壤中元素i的評價標準值，單位mg/kg。

(2)內梅羅綜合污染指數法。內梅羅污染指數評價法一種對重金屬綜合污染指數計算的方法，強調了污染較重的因子對土壤質量的危害程度，但對人為造成的污染以及重金屬潛在毒害作用的突出效果不夠明顯[14]。內梅羅綜合污染指數的計算公式為:

式中，P為內梅羅綜合污染指數，maxi2為各因子環境質量指數的最大值，avei2為單因子污染指數的平均值。

(3)Hakanson潛在生態風險評價法。Hakanson潛在生態(風險)評價利用污染物的潛在生態危害指數側重評價多種重金屬對人類和環境的危害程度，突出重金屬的潛在生物有效性[15]。污染物潛在生態危害指數計算公式為:

表1 Hakanson潛在生態風險指數評價標準

1.4 數據統計分析

采用Excel和SPSS進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤重金屬的含量分布特征

從表2看出，研究區6種重金屬平均含量為Cr(37.77 mg/kg)>Pb(18.92 mg/kg)>Ni(10.29 mg/kg)>As(3.82 mg/kg)>Cd(0.07 mg/kg)>Hg(0.05 mg/kg)，均未超過貴州省各元素背景值背景值和國家標準值(表2)。其中，Cd、Cr、Pb及Ni的含量分別為0.03～0.14 mg/kg、17.80～56.34 mg/kg、12.23～30.96 mg/kg及1.85～17.50 mg/kg，變異系數分別為49 %、33 %、30 %和45 %，呈中度變異；Hg和As的含量分別為0.01～0.11 mg/kg和0.49～6.46 mg/kg，其變異系數分別為58 %和51 %，呈高度變異，表明，羅甸縣土壤重金屬含量的分布不均勻。

由表3可知，同一種重金屬元素在5種不同利用方式土壤中其含量分布存在差異。Cd含量為棄耕地>農田>人工草地>天然草地>林地，其中，農田、草地和天然草地與棄耕地及林地間存在顯著差異，棄耕地的Cd含量顯著高于其余土地類型。Cr含量為棄耕地>人工草地>林地>農田>天然草地，棄耕地的Cr含量顯著高于林地、農田和天然草地；人工草地與林地間無顯著差異，且均顯著高于農田和天然草地；農田顯著高于天然草地。Pb含量為農田>人工草地>棄耕地>天然草地>林地，農田Pb含量顯著高于天然草地和林地。Ni含量為人工草地>棄耕地>林地>農田>天然草地，人工草地與棄耕地間Ni含量差異不顯著，但均顯著高于其余土地類型；林地與農田間差異不顯著，但均顯著高于天然草地。Hg含量為農田>天然草地>棄耕地>人工草地>林地，天然草地、棄耕地和人工草地間差異不顯著，但均與農田和林地間存在顯著差異。As含量為天然草地>人工草地>林地>棄耕地>農田，天然草地、人工草地與林地間差異不顯著，但均與棄耕地、農田間存在顯著差異；棄耕地與農田間存在顯著差異。整體看，Cr、Ni和As含量均為人工草地>林地>農田，人工草地與農田間存在顯著差異；Cd、Cr和Hg含量均為棄耕地>人工草地>林地，棄耕地與林地間存在顯著差異；Cd、Cr和Ni含量均為棄耕地>農田>天然草地，棄耕地與天然草地間存在顯著差異。

表2 羅甸縣土壤重金屬的含量

表3 描述統計不同土地利用類型表層土壤重金屬的含量

2.2 不同土地利用方式土壤重金屬元素、pH、陽離子交換量(CEC)和有機質(SOM)的相關性

由表4可知，不同土地利用類型土壤重金屬、土壤pH、CEC及SOM之間存在一定的相關性。其中，各元素之間具有普遍的相關性，Cr與Ni呈極顯著正相關，Hg與As呈極顯著負相關，相關性系數分別為0.911和-0.691，故Cr與Ni、Hg與As具有相似污染源。Pb與Hg、As分別呈顯著正相關和顯著負相關，相關性系數分別為0.533和-0.637，故Pb與Hg、As具有相似污染源。pH與As呈顯著負相關，與其他元素相關性不顯著，說明土壤pH對重金屬As的含量具有較大影響。CEC與Cd、Cr呈顯著負相關，相關性系數分別為-0.596和-0.634，但與其他元素相關性較弱，表明CEC與土壤重金屬Cd、Cr含量密切相關。SOM與Hg、As分別呈極顯著正相關和負相關，相關系數分別為0.850和-0.868；與Pb呈顯著正相關，相關系數為0.592，說明，重金屬Hg、As和Pb含量與SOM的關聯性較強。

2.3 不同土地利用類型土壤重金屬污染評價

由表5看出，不同土地利用類型土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Hg及As的單因子污染指數(Pi)均小于1。Cd的Pi為0.12～0.47，Cr的Pi為0.13～0.34，Pb的Pi為0.05～0.10，Ni的Pi為0.05～0.36，Hg的Pi為0.04～0.34，As的Pi為0.01～0.14。其中，以棄耕地土壤Cd和Cr，農田土壤Pb和Hg，人工草地Ni和天然草地As的Pi最大；以林地土壤Cd、Pb和Hg，天然草地Cr和Ni，農田土壤As的Pi最小。各種土地利用類型的內梅羅綜合污染指數(P)為棄耕地>農田>人工草地>林地>天然草地，且均<0.7，均處于清潔水平。說明，各土地利用類型的土壤均未受到上述6種重金屬的污染。

表4 羅甸縣土壤重金屬元素和土壤基本理化性質Pearson相關性

表5 羅甸縣不同土地利用類型土壤重金屬的污染指數

表6 羅甸縣不同土地利用類型土壤重金屬的潛在生態危害系數和危害指數

2.4 不同土地利用類型土壤重金屬潛在生態風險評價

潛在生態危害指數(RI)綜合考慮多種重金屬元素協同作用、毒性水平以及環境對重金屬污染敏感程度。從表6可知， 5種土地利用類型6種重金屬的潛在生態危害指數值(RI)分別為林地8.77、天然草地15.85、人工草地15.40、農田22.13和棄耕地24.25，皆小于輕微生態危害的上限值(RI=150)，屬輕度生態危害。由此可見，研究區總體綜合危害程度屬輕度范圍。

3 討 論

羅甸縣土壤的Cd、Cr、Pb及Ni均表現為中度變異，Hg和As表現為高度變異，表明其土壤重金屬分布不均勻，且可能受到人為活動的影響。即，該地區土壤重金屬含量不只受土壤本底值影響，還可能受到土地利用類型變化的干擾。若研究區土壤重金屬間相關性呈顯著或者極顯著相關，說明二者或多者來源相似[16]。該研究結果表明，Cr與Ni，Hg與As可能具有相同來源。前人研究指出，Cr主要來源于母巖和成土過程，肥料和農藥等人為因素產生的Cr遠遠小于土壤中原有的重金屬量[17]；Ni來源于成土母質[18]。根據研究報道，Hg和As是工業排放的顯著指標[19-20]，有色金屬冶煉、煤炭開采和燃燒對土壤中Hg和As的積累有顯著貢獻[21-22]，說明Hg與As可能具有相同來源；肥料的施用也可能增加Hg與As的含量，與HUANG等[23-24]的研究結果相似。

土壤pH是影響土壤重金屬溶解度、遷移過程和生物活性的重要因素之一[25]。土壤pH的降低可使土壤中重金屬生物有效性增加[26]。該研究還發現，土壤pH與As呈顯著負相關。研究區土壤pH為4.04～5.38，隨著土壤酸性的增加，元素As生物有效性也隨之增強，與王浩等[27]的研究相似。因此，在酸性土壤中某些重金屬的流動性和生物有效性具有較高的潛力[28]。

陽離子交換量(CEC)與土壤重金屬的含量密切相關。CEC與Cd、Cr呈顯著負相關，表明2種重金屬元素的含量隨CEC的增加而減少，主要是因為隨著CEC的增加，土壤中負電荷量逐漸升高，從而提供更多吸附點位起到固定重金屬離子的作用，進而降低重金屬的生物活性[29-30]。

此外，有機質(SOM)被認為是影響土壤重金屬活性的最主要因子之一。該研究表明，SOM與Hg呈極顯著正相關，可能是因為SOM含量升高，土壤對重金屬As的吸附作用增強，離子活度降低，促進了研究區土壤重金屬的積累，降低了其遷移轉化速度，與TRAMMELL等[31]的研究結果一致；SOM與As呈極顯著負相關性，SOM通過形成金屬有機配合物影響養分的有效性，通過與重金屬離子形成不溶性配合物從而降低其生物活性[32]。

該研究采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染評價和Hakanson潛在生態危害評價法共同評估研究區重金屬的生態危害，結果表明：3種評價結果基本相同，不同土地利用類型的土壤重金屬Cd、Cr、Pb、Ni、Hg及As皆處于清潔水平，未對土壤造成污染。5種土地利用類型均處于輕度生態危害。不同土地利用類型的內梅羅綜合指數評價結果依次為棄耕地>農田>人工草地>林地>天然草地，元素Cr在棄耕地土壤中含量最高，在該研究中，棄耕地土壤中重金屬含量高于耕作土壤，該結論與湯文光等[33]的長期免耕可降低土壤中重金屬含量的研究結果相反，出現該現象的原因可能是因為棄耕地土壤自身養分和重金屬含量較高所致，研究中的棄耕地棄耕前為菜地，農民在耕作過程中施肥以有機肥為主，有機肥的大量施加可活化土壤養分，提高肥力，進而增加重金屬含量[34]；再者研究區棄耕地棄耕時間為3年，棄耕年限不長，土壤養分和重金屬含量無法在短時間內轉移出去。農田中谷類作物在吸收土壤養分的同時，土壤中部分重金屬也隨之被遷移轉出，并且由于研究區土壤偏酸性且溫度常年偏高，重金屬的生物有效性提高，使作物更容易吸收重金屬，最終導致農田重金屬含量比棄耕地低。

4 結 論

對貴州省羅甸縣5種土地利用類型表層土壤6種重金屬元素(Cr、Pb、Ni、As、Cd及Hg)的分析評估結果表明，表層土壤重金屬元素含量為Cr>Pb>Ni>As>Cd>Hg，各元素含量均低于貴州土壤背景值和國家標準值。整體看，5種不同土地利用類型土壤Cr、Ni和As的含量均為人工草地>林地>農田，人工草地與農田存在顯著差異；Cd、Cr和Hg的含量均為棄耕地>人工草地>林地，棄耕地與林地存在顯著差異；Cd、Cr和Ni的含量均為棄耕地>農田>天然草地，棄耕地與天然草地存在顯著差異。相關性分析結果表明，Cr與Ni，Hg與As間存在顯著相關性，具有相似的污染來源，Cr和Ni主要來源于成土母質；Hg和As除成土母質外還可能來源于煤炭開采與燃燒及肥料的施用。土壤重金屬含量受土壤pH、CEC和有機質(SOM)的影響。

潛在生態風險評價結果表明，研究區單因子污染指數和潛在生態風險指數皆處于清潔水平，羅甸縣表層土壤重金屬未對當地土壤造成污染。可綜合考慮土壤養分、肥力和土地利用類型，大力發展無公害農業。