淺析土壤理化性質對元素遷移轉化的影響

周立國，朱江源，范偉順，張曉闖，于繼光，蔣莉，苗秀川

(山東省第八地質礦產勘查院，山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點實驗室,日照地質地理大數據研究院，山東 日照 276826)

0 引言

土壤當中，重金屬同時在水平方向和垂向上實施遷移，在物理、化學、生物作用下，產生形態變化且向其他介質當中進行遷移，前人通過研究土壤理化性質(pH、有機質、氧化還原電位等)對重金屬的遷移能力，用于確定重金屬的污染機理，從而采取有效措施控制土壤當中重金屬元素的分布情況。

元素在土壤中的地球化學行為取決于在土壤中的存在方式，而元素在土壤中的存在方式則與土地利用方式(水澆地、旱地、果園、林地等)和土壤的理化性質密切相關[1-2]。此外，土壤元素的含量主要與成土母質及其成土過程有關，同時土壤pH、有機質含量、陽離子交換量等理化性質，大氣干濕沉降物、化肥、農藥使用等人為活動對其的影響也不容忽視。本文從農作物及根系土元素的遷移轉換特征。分析相同含量的元素在不同理化性質的土壤中不同地球化學行為，研究土壤理化性質影響元素的轉化和作物對元素的吸收[3]。

1 工作方法

1.1 樣品采集

采樣對象以五蓮縣水澆地、旱地、果園、林地為主，同時兼顧建設用地和其他土地，以5.8個/km2的密度采集0～20cm深度的土壤樣品5851件。在農用地土壤類型采樣時，采樣點在地塊中央進行樣品采集，避開道路、院墻、肥料堆放點等潛在污染源的位置。低山丘陵區在緩平坡地、山間平原及低洼等相對平緩的地區采樣，采樣點位置與布設點位誤差小于50m。城鎮區采樣調查無法采集自然表層土壤時，均采集回填時間5年以上未被翻動過的土壤。每個采樣點確定一個中心點，向四周東南西北各15m設置分樣點，5個點按照等量采集并組合成一個土壤樣品，以中心點為GPS定點位置[4]。

小麥、玉米等大宗農作物以1個/16km2的密度采集60件樣品，同時采集配套根系土。

1.2 樣品分析

土壤樣品分析N、P、B、Mn、Zn、Cu、Se、Mo、I、S、F、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Ni、V、Co、Ge、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、OrgC、CEC、pH共29項指標；農作物樣品分析Pb、Ge、Se、I、As、Cd、Cr、Zn、Cu、Hg共計10種元素。

元素分析方法實際檢出限、準確度、精密度等各項質量指標達到或優于規范要求。取得土壤數據質量可靠，滿足要求。

2 討論

2.1 土壤中元素地球化學行為影響因素

2.1.1 有機質的影響

土壤有機質是泛指土壤中來源于生命的物質。有機質含有植物生長發育所需要的各種營養元素，有95%以上氮素是以有機狀態存在于土壤中的，有機質也是土壤中磷、硫、鈣、鎂以及微量元素的重要來源[5-6]。此外，土壤有機質能夠改善土壤物理性質，有利于土壤形成團粒結構，具有高度的保水保肥性能(表1)。

表1 調查區土壤有機質含量與各指標元素相關系數表

有機質與土壤中各項指標之間的相關系數如表1所示，N、Se、I等元素指標與有機質之間表現出良好的正相關性(圖1)，這些元素指標在表層土壤中與有機質聯系緊密，正是表層土壤中有機質的螯合、吸附作用，從而導致部分元素在表層土壤中發生次生富集。因此，增加土壤有機質含量，可以有效地提升這些元素的肥力狀況[7]。SiO2、F、pH等指標同有機質之間形成負相關，SiO2能表征土壤中砂粒含量高低，砂粒含量越高，黏粒含量越少，有機質含量即越少。有機物質在微生物的分解作用下，也會產生氨(NH3)和H2S，經氧化形成HNO3和H2SO4，降低土壤pH[8]，即有機質的地球化學行為是影響土壤pH的因素之一。

圖1 有機質與氮、硒元素含量相關性散點圖

2.1.2 土壤酸堿度的影響

土壤酸堿性是土壤的重要理化性質，對土壤微生物的活性、對礦物質和有機質的分解起重要作用，影響土壤養分和重金屬等元素的釋放、固定和遷移轉化等[9]。

對調查區pH和元素指標進行相關性統計，Se、SiO2、OrgC與pH存在一定程度的負相關性，相關性最顯著的指標為SiO2。F、CaO、MgO和Mn與pH存在一定程度的正相關性，pH與其他指標未表現出明顯的相關性(表2，圖2)。

表2 調查區土壤pH與各指標元素相關系數表

圖2 pH與CaO、F含量相關性散點圖

2.2 耕作層土壤-農作物元素遷移轉化影響因素

土壤重金屬元素對植物的生態效應是受多種因素控制的，植物從土壤中吸收元素的量與土壤中元素的總量有一定的關系，但土壤元素的總含量并不是植物吸收的一個可靠指標，元素在土壤-植物系統中的遷移轉化主要受土壤的理化性質(pH、Eh、黏粒、有機質等)、土壤中重金屬形態和植物特性等因素的影響[10]。根據本次調查獲得的小麥、玉米與根系土數據，對根系土-玉米籽實、根系土-小麥籽實之間元素的遷移轉化影響因素進行了研究。

2.2.1 元素在土壤與農作物之間的相互關系

對土壤中的元素與玉米和小麥籽實中的元素進行相關性統計(表3，圖3)，土壤與玉米籽實中相關性較明顯的指標為Zn；土壤與小麥籽實中相關性較明顯的指標為Ge[11-12]。

表3 土壤元素與小麥、玉米籽實元素相關系數(N=60)

圖3 土壤元素與農作物籽實元素含量相關性散點圖

2.2.2 元素在農作物中交互作用

植物吸收重金屬的機制復雜，但研究表明，不同重金屬之間會存在互相作用，如拮抗作用，相互抑制，或者存在互相促進作用，這里通過統計分析，簡單探析元素之間的相互作用關系。

小麥籽實中元素的相關性統計見表4和圖4，不同元素的相互作用各不相同，呈正相關的有Cu-Zn、Zn-Pb、Zn-Cd、Zn-Se、Cr-Se、Pb-As、Pb-Cd、Pb-Hg、Cd-Se和Se-Hg，元素組合間相互促進；呈負相關的有Cu-As、Cr-Hg、Pb-I和Ge-Hg，元素間相互抑制，Hg元素與較多元素間會產生拮抗作用，為抑制作用。

表4 小麥籽實中各元素指標相關性統計表(N=60)

圖4 小麥籽實中硒與鋅、鎘元素含量相關性散點圖

玉米籽實中元素間的相關性統計見表5和圖5，Se與Hg元素相關系數最明顯，為0.69。呈正相關有Cd-Cr、Zn-Pb、Pb-Cr、Cu-Ge、As-Hg和Hg-Se，元素組合間相互促進；呈負相關的有Hg-Pb、As-I、Se-I和I-Hg，I元素與較多元素間會產生拮抗作用，為抑制作用。

表5 玉米籽實中各元素指標相關性統計表(N=60)

圖5 玉米籽實中汞與砷、硒元素含量相關性散點圖

2.2.3 元素的富集系數及其影響因素

富集系數是指某種物質或元素在生物體的濃度與生物生長環境(水、土壤、空氣)中該物質或元素的濃度之比。作物吸收As、Cd等有害元素的影響因素眾多，過程非常復雜，因此，本文僅從統計規律角度，總結了玉米和小麥籽實對元素的吸收(富集系數)規律，建立籽實As、Cd等含量與土壤pH、OrgC或其他指標的定量關系，以期進行區域尺度的生態安全性評價和研究。

(1)pH對富集系數的影響。由表6可知，對于土壤酸堿度pH而言，土壤pH與小麥、玉米籽實中各元素富集系數之間的相關性不明顯。

表6 pH對農作物富集系數相關性統計表(N=60)

從統計結果來看，土壤酸堿性的調節無論是對營養元素還是重金屬元素的吸收影響較小。整體來看酸堿度對重金屬元素的影響為負相關，即土壤酸化會促進籽實對重金屬元素的吸收。

(2)有機質對富集系數的影響。通過對有機質與各元素指標的富集系數進行相關性統計(表7)，土壤有機質與小麥、玉米籽實中各元素指標的富集系數相關性不明顯。

表7 有機質對農作物富集系數相關性統計表(N=60)

從統計的結果來看，土壤有機質的增加都會降低營養元素和重金屬元素向籽實中的遷移轉化效率。土壤有機質的增加，增加土壤元素全量和有效量的同時，也增加了植物對元素的吸收，但植物體內的增幅小于土壤中的增幅，即土壤向植物中遷移轉化的效率降低。

3 結論

通過土壤理化性質對元素遷移轉化的影響分析研究，得出以下結論：

(1)五蓮縣土壤中N、Se、I等元素與有機質之間表現出良好的正相關性，增加土壤有機質含量，可以有效地提升這些元素的肥力狀況；土壤中Se、SiO2、OrgC等元素指標與pH存在一定程度的負相關性，土壤鹽堿化減低土壤的透氣性，易造成土壤的板結。

(2)土壤與玉米籽實中相關性較明顯的指標為Zn，與小麥籽實中相關性較明顯的指標為Ge。土壤中增施鋅、鍺等微量元素肥料，可以提高玉米、小麥籽實中有益元素的吸收。

(3)土壤pH與小麥、玉米籽實中各元素富集系數之間的相關性不明顯。整體來看酸堿度對重金屬元素的影響為負相關，即土壤酸化會促進籽實對重金屬元素的吸收。

(4)土壤有機質與小麥、玉米籽實中各元素指標的富集系數相關性不明顯。從統計的結果來看，土壤有機質的增加都會降低營養元素和重金屬元素向籽實中的遷移轉化效率。