深圳市土壤重金屬背景含量垂向分布與理化特征

趙述華,羅 飛,郗秀平,楊 坤,廖 曼,趙 妍,吳靜雅,林 挺

深圳市土壤重金屬背景含量垂向分布與理化特征

趙述華,羅 飛*,郗秀平,楊 坤,廖 曼,趙 妍,吳靜雅,林 挺

(深圳市環境科學研究院,國家環境保護飲用水水源地管理技術重點實驗室,廣東 深圳 518001)

為摸清深圳市6種常規重金屬(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)在不同剖面層次的背景含量及垂向分布規律,探究土壤剖面重金屬背景含量與理化參數的關系,在全市基本生態控制線區域布設土壤典型剖面樣點50個,每個點位按A、B、C3層采集土壤樣品共150個.結果表明,土壤剖面不同采樣層次重金屬背景含量存在顯著差異,隨著深度增加,Cr、Cu、Zn、Ni的背景含量呈現逐漸增加的規律,Cd和Hg的背景含量呈現先減少后增加的趨勢.深圳市土壤剖面中6種重金屬的背景含量相對較低,整體上略低于“七五”全國土壤環境背景值.土壤剖面理化參數存在典型的南方土壤特性,土壤pH值呈酸性,隨著深度增加,土壤容重、Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加,而有機質、CaO含量呈逐漸下降趨勢,離子交換量呈先增加后減少趨勢;土壤機械組成特征為砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少.將土壤剖面重金屬背景含量與理化參數進行相關性分析,發現Fe2O3、Al2O3和土壤機械組成與土壤重金屬背景含量相關性最為顯著.逐步多元線性回歸分析表明,影響土壤重金屬背景含量的理化參數依次為Fe2O3、Al2O3、機械組成和陽離子交換量.

土壤剖面；重金屬；背景含量；理化參數；深圳市

土壤環境背景含量是指一定時間條件下,僅受地球化學過程和非點源輸入影響的土壤中元素或化合物的含量[1].土壤重金屬背景含量主要來源于母質母巖,反映了母質母巖、土壤類型、地形、氣候、生物等的共同作用[2-3].土壤環境背景值是土壤環境管理重要的基礎數據,可為制定區域土壤背景值標準、輔助修正建設用地土壤的風險篩選值和修復目標提供依據.因此,土壤環境背景值研究一直是國內外研究的熱點[4-7].我國幅員遼闊,不同地區土壤重金屬背景含量差異較大.“七五”期間,國家組織開展了截止目前全國規模最大的一次土壤元素背景值調查,為我國土壤背景值研究奠定了良好的工作基礎,為后續土壤背景值研究提供了借鑒和參考[8].隨后大量學者圍繞“七五”期間調查成果或者對不同地區開展了相關研究[9-13].由于土壤呈地帶性規律分布,不同區域、地帶、元素在土壤中的淋溶、遷移、積累等地球化學行為不同,會導致不同區域之間土壤中各種元素的背景含量和分布規律也存在明顯差異[13].目前,國內外土壤環境背景值研究主要分為區域背景值和地塊尺度背景值[15-17],其中以區域背景值研究為重點,但大部分研究集中在表層土壤[18-20],而對深層土壤重金屬背景含量研究相對較少.同時目前關于區域背景值研究多集中在背景含量的統計與表征[4,18],缺乏對背景含量影響因素的深入分析,對影響背景含量的理化參數缺少深入探討.

深圳作為我國第一個經濟特區和改革開放的窗口,經濟社會經歷了40a的快速發展,城市原有的空間格局和土地利用方式已發生劇烈變化,土壤中重金屬的背景含量也可能發生了改變.本研究通過開展土壤環境背景調查,分析土壤中普遍關注的6種常規重金屬(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)在不同剖面層次的背景含量及垂向分布,研究重金屬背景含量與土壤參數的關系,探討影響土壤剖面重金屬背景含量的因素,以期為土壤環境精細化管理提供技術支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

深圳市位于廣東省南部,毗鄰香港,屬于亞熱帶海洋性季風氣候,冬短夏長,溫暖潮濕,降水豐富.年平均氣溫22.4℃,年平均降水量1872.74mm.全市總面積1997.47km2,其中建設用地面積為968.5km2,約占全市總面積的48.5%.全市屬低山丘陵濱海區,崗巒起伏.整個地形東南高、西北低,東南屬山地,西北屬平原,地貌類型豐富,主要類型有丘陵、臺地、平原和低山.根據深圳市第二次土壤普查結果[21],全市主要土壤類型有赤紅壤、紅壤、黃壤、水稻土、濱海砂土、濱海鹽漬沼澤土等10個土類,其中赤紅壤分布最廣,是南亞熱帶生物氣候條件下形成的地帶性土壤.全市地表層的巖石分布有火成巖、沉積巖和變質巖.成土母巖、母質有花崗巖(包括花崗斑巖)、片麻巖、凝灰熔巖、砂礫頁巖、灰色灰巖、近期河流沉積物、濱海沖積物和海陸混合沉積物,其中花崗巖分布面積最大,砂礫頁巖次之.

1.2 點位布設

圖1 土壤環境背景調查采樣點分布

深圳市城市建設高速發展,建成區面積增長較快,為加強生態保護,促進城市建設可持續發展,2005年深圳市劃定了基本生態控制線,作為生態保護范圍的界線,面積為974.5km2,約占全市陸地面積的49.9%.基本生態控制線的范圍包括一級水源保護區、風景名勝區、自然保護區、森林及郊野公園等生態環境保護良好的區域.根據土壤環境背景調查要求,調查區域應不受或很少受人類活動影響和不受或很少受現代工業污染與破壞.因此,本研究以全市不受或很少受人類活動影響的基本生態控制線區域作為調查范圍,采用環境單元法與網格法相結合的方法進行點位布設,根據主要土壤類型和母質母巖,結合地形地貌、采樣條件、土地利用現狀、植被利用類型等劃分采樣單元,按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166-2004)[22]中土壤環境背景調查布點原則和方法,共布設土壤典型剖面樣點50個,基本覆蓋了調查區域的土壤類型和母質母巖.土壤環境背景調查采樣點分布見圖1.

1.3 樣品采集

本研究于2018年7～10月在調查區域開展野外采樣工作.土壤環境背景野外采樣點位置的確定和樣品采集過程均按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166-2004)[22]要求進行.剖面樣點一般按照長1.5m,寬0.8m,深1.2m挖掘剖面,采用鋤頭、鐵鏟等工具進行人工挖掘,采用木鏟進行樣品采集.每個剖面按土壤自然發生層次自下而上分層分別采集C(母質層)、B(淀積層)、A(淋溶層)3層土樣,各土層樣品以劃定的土層范圍為界上下均勻全覆蓋多點混合采集而成.本次調查共采集土壤剖面樣品150個,并按照不少于樣品總數4%的比例設置密碼平行樣點,同步采集密碼平行樣13個.

1.4 樣品分析測試

按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166-2004)等要求進行樣品保存與制備.Cd的分析測試方法采用《土壤質量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[23],Hg采用《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第1部分:土壤中總汞的測定》(GB/T 22105.1-2008)[24],Cr、Cu、Zn和Ni采用《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發射光譜法》(HJ 781-2016)[25].土壤pH值的測定方法為《土壤檢測第2部分:土壤pH值的測定》(NY/T 1121.2-2006)[26],有機質含量的測定方法為《土壤檢測第6部分:土壤有機質的測定》(NY/T 1121.6-2006)[27],陽離子交換量測定方法為《森林土壤陽離子交換量的測定》(LY/T 1243- 1999)[28],機械組成測定方法為《森林土壤顆粒組成(機械組成)的測定》(LY/T1225-1999)[29].CaO、Al2O3和Fe2O3的測定方法為《區域地球化學樣品分析方法第1部分:三氧化二鋁等24個成分量測定粉末壓片-X射線熒光光譜法》(DZ/T 0279.1-2016)[30].本次調查采用全過程質量控制,通過現場密碼平行樣和統一監控樣進行實驗室外部質量控制,通過室內密碼平行樣和標準物質等進行實驗室內部質量控制,以保證測試結果的準確性和可靠性.

1.5 數據處理與統計分析

對于低于分析方法檢出限的測定結果以”nd”表示,統計分析時按1/2檢出限計算.土壤剖面重金屬數據先進行異常值判別與處理,再檢驗數據分布類型,進行不同剖面層次土壤重金屬背景含量統計,最后用圖件和表格相結合的形式表征不同剖面層次土壤重金屬背景含量.首先采用Grubb’s檢驗法和T(Thompson)法來剔除異常值[31],綜合分析異常值屬于外來污染或來自高背景區,對于點位周邊沒有明顯污染源、采樣時也沒有發現有明顯污染痕跡的異常值予以保留.本次研究無異常值剔除.采用偏度-峰度法和Shapiro-Wilk檢法,對重金屬數據進行分布狀態檢驗.

2 結果與討論

2.1 土壤剖面重金屬背景含量垂向分布規律

表1 土壤剖面重金屬背景含量統計(mg/kg)

2.2 土壤剖面理化參數分析

表2 土壤剖面理化參數背景含量統計

土壤理化參數是土壤的基本屬性,能反映出土壤質地、結構、透氣性、肥力和保水等方面的情況,它不僅影響土壤過程與土壤質量,也關系到水土侵蝕、養分貯存、生物地球化學循環等重要生態環境問題[41].研究表明,土壤中礦物質元素Ca、Fe、Al主要以CaO、Fe2O3和Al2O3的形式存在,并對土壤性質、結構和功能產生影響[42].由表2可見,從平均值和95%分位值統計結果來看,土壤pH值呈酸性,隨著深度增加土壤容重逐漸增大;陽離子交換量隨著深度增加呈現先增加后減少趨勢;A層土壤有機質含量最高,隨著深度增加有機質含量逐漸減少;土壤機械組成特征為砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少;土壤CaO含量相對較低,隨著深度增加CaO含量呈下降趨勢;土壤Al2O3和Fe2O3含量較高,隨著深度增加Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加.土壤剖面理化參數存在典型的南方土壤特性.這可能是由于深圳市氣候濕熱、高溫多雨,土壤母巖的化學風化和淋溶作用強烈,風化分解出來的鹽基和硅被強烈淋失,而遷移性較弱的鐵、鋁氧化物在土體中則有明顯的積聚,不斷形成高嶺石和含水鐵、鋁氧化物為主的次生粘土礦物[21].同時在脫硅富鋁化作用為特點的漫長的成土過程中,形成的地帶性赤紅壤具有土層深厚、鹽基飽和度低、粘粒硅鐵鋁率低、酸性強的特點[21].

2.3 土壤剖面重金屬背景含量與土壤理化參數相關分析

土壤中各元素的背景含量反映了在不受或很少受污染的情況下,通過母質的風化并在成土過程中發生元素的遷移轉化.不同土壤在發育過程中具有各自的特點,一些研究表明土壤元素背景含量不僅受成土母質母巖、土壤類型、氣候、地形地貌、生物條件影響,還與土壤pH值、有機質、機械組成密切相關[9,40].此外,土壤中Ca、Al、Fe的含量對土壤重金屬背景含量亦有不同程度的影響[3,43].從土壤重金屬背景含量與土壤理化參數的相關性分析結果來看(表3),大部分土壤重金屬背景含量與理化參數不呈顯著相關.A層Cd除與CaO呈顯著正相關(<0.05)外,與其它參數不顯著相關;Cr、Cu、Zn、Ni與Fe2O3呈顯著正相關(<0.01).B層Cd與有機質含量呈顯著正相關;Hg與粉粒呈顯著負相關,與Al2O3呈顯著正相關;Cr與粘粒、Fe2O3呈顯著正相關; Cu、Zn與Fe2O3呈顯著正相關;Ni與容重呈顯著負相關,與Fe2O3呈顯著正相關.C層Cd與各理化參數均不顯著相關;Hg與粘粒、Al2O3呈顯著正相關(<0.05); Cr與粘粒、Fe2O3呈顯著正相關(<0.01)、與Al2O3呈顯著負相關(<0.05); Cu、Zn與Fe2O3呈顯著正相關(<0.01);Ni與容重呈顯著負相關(<0.05)、與粘粒、Fe2O3呈顯著正相關.綜觀相關性分析結果,Fe2O3、Al2O3和土壤機械組成與土壤重金屬背景含量相關性最為顯著.這可能是因為土壤粘粒含量越高,土壤顆粒對重金屬的吸附能力越強,而砂粒含量越高,土壤對重金屬的吸附和滯留作用差,再加上南方雨水較多,土壤淋溶強烈[37,44].張毅[45]研究表明,重金屬能夠被土壤中的鐵、鋁、鈣等固定,結合生成復雜的難溶性化合物,減少重金屬的淋溶流失.

表3 土壤剖面重金屬背景含量與土壤參數的相關性

注:*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關,**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關.CEC表示陽離子交換量.

2.4 土壤剖面重金屬背景含量與土壤理化參數回歸分析

在重金屬背景含量與土壤理化參數相關性分析的基礎上,進一步對影響因素pH值(1)、容重(2)、CEC(3)、有機質(4)、粘粒(5)、粉粒(6)、砂粒(7)、CaO(8)、Al2O3(9)、Fe2O3(10)采用逐步多元線性回歸分析,在<0.05的顯著性水平下,建立線性回歸方程,確定重金屬背景含量的主要影響因素.由表4可以看出,A層土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影響因素為Fe2O3;Cd背景含量的第1影響因素為CaO;其次,陽離子交換量、Al2O3、有機質和粉粒含量為第2或第3影響因素.B層土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影響因素為Fe2O3;第2影響因素為Al2O3.C層土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影響因素為Fe2O3;Hg背景含量的第1影響因素為粘粒;Al2O3是影響C層土壤Hg和Cr背景含量的第2影響因素.綜觀主要影響因素的排序,Fe2O3、CaO、陽離子交換量、Al2O3、有機質、粉粒含量是影響A層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3和Al2O3含量是影響B層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3、Al2O3和粘粒含量是影響C層土壤重金屬背景含量的主要因素.由此可見,研究的10種土壤理化參數中,Fe2O3是影響土壤重金屬(Cr、Cu、Zn、Ni)背景含量的第1因素,其次為Al2O3.這可能是由于深圳市地處富鋁風化殼,主要土壤類型為赤紅壤,土壤中鐵、鋁氧化物含量豐富,Cr、Cu、Zn、Ni等重金屬容易與鐵、鋁氧化物結合,受鐵、鋁氧化物含量的影響.Cd和Hg背景含量受土壤理化參數因素影響不明顯,這可能與Cd和Hg主要受城市工農業生產活動、交通運輸等導致的大氣干濕沉降有關[40].

表4 土壤剖面重金屬背景含量與土壤參數的線性回歸

注:表示顯著性值,“—”表示該數據空缺.

3 結論

3.1 土壤剖面不同采樣層次重金屬背景含量存在顯著差異.隨著深度增加,Cr、Cu、Zn、Ni等重金屬的背景含量呈現逐漸增加的規律,Cd和Hg的背景含量呈現先減少后增加的趨勢.與“七五”全國土壤背景值相比,深圳市土壤剖面中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni的背景含量相對較低,總體上略低于“七五”期間全國調查結果.

3.2 土壤剖面理化參數存在典型的南方土壤特性.土壤pH值呈酸性,隨著深度增加,土壤容重、Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加,有機質、CaO含量呈逐漸下降趨勢,離子交換量呈先增加后減少趨勢;土壤機械組成特征為砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少.

3.3 土壤剖面重金屬(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)背景含量與土壤參數相關分析結果表明,A層土壤重金屬背景含量與Fe2O3、CaO含量呈顯著相關性,B層土壤重金屬背景含量與Fe2O3、Al2O3、粘粒、粉粒、容重、有機質等含量呈顯著相關性,C層土壤重金屬背景含量與Fe2O3、Al2O3、粘粒、容重等含量呈顯著相關性.Fe2O3、Al2O3和土壤機械組成與土壤重金屬背景含量相關性最為顯著.

3.4 土壤剖面重金屬背景含量與土壤參數逐步多元線性回歸分析結果表明,Fe2O3、CaO、陽離子交換量、有機質、粉粒含量是影響A層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3和Al2O3含量是影響B層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3、Al2O3和粘粒含量是影響C層土壤重金屬背景含量的主要因素.Fe2O3是第一影響因素,其次為Al2O3、機械組成和陽離子交換量.

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Vertical distribution of background content of heavy metals and physicochemical parameters in soil of Shenzhen City.

ZHAO Shu-hua, LUO Fei*, XI Xiu-ping, YANG Kun, LIAO Man, ZHAO Yan, WU Jing-ya, LIN Ting

(State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Management and Technology, Shenzhen Academy of Environmental Science, Shenzhen 518001, China)., 2022,42(11)：5246～5254

In order to find out the background content and vertical distribution of six conventional heavy metals (Cd, Hg, Cr, Cu, Zn and Ni), and to explore the relationship between the background content of heavy metals and the physicochemical parameters in different soil profile levels in Shenzhen, 50 typical soil profile sample points were laid out in the area of basic ecological control line, and 150 soil samples were collected at each point according to three layers A, B and C. The results showed that there were significant differences in the background contents of heavy metals in different sampling levels of soil profile. With the increase of depth, the background contents of Cr, Cu, Zn and Ni increased gradually, while Cd and Hg decreased first and then increased. The background contents of six heavy metals in Shenzhen soil profile were relatively low, which was slightly lower than the national soil environmental background values in the Seventh Five Year Plan. The physicochemical parameters of soil profile showed typical Southern soil characteristics. The pH values of soil were acidic. With the increased of depth, the soil bulk density, Al2O3and Fe2O3contents increased gradually, while the contents of organic matter and CaO decreased gradually, and the cation exchange capacity increased first and then decreased; the characteristics of soil mechanical composition were that sand particles were the most, silt particles were the second, and clay particles were the least. The correlation between the background content of heavy metals and physicochemical parameters was analyzed, and it was found that Fe2O3, Al2O3and soil mechanical composition had the most significant correlation with the background content of heavy metals in soil. The stepwise multiple linear regression analysis showed that the physicochemical parameters affecting the background content of heavy metals in soil were found to be Fe2O3, Al2O3, mechanical composition and cation exchange capacity.

soil profile；heavy metals；background content；physicochemical parameters；Shenzhen

X53

A

1000-6923(2022)11-5246-09

趙述華(1987-),男,湖南邵陽人,碩士,主要從事土壤環境調查與修復研究.發表論文10篇.

2022-04-12

國家重點研發計劃項目(2017YFC0506605)

* 責任作者, 高級工程師, feiluo2006@qq.com