海南省農產品基地土壤理化指標和主要無機元素監測與評價

吳 姬，伍成成，唐聞雄

(海南省生態環境監測中心，海南海口 571126)

土壤生態系統是人類賴以生存的基礎，也是重要的污染物容納場所。涉重金屬企業“三廢”排放以及污水灌溉、污泥農用、化肥的不合理施用導致重金屬在土壤中積累，農用地土壤也面臨著重金屬污染帶來的環境問題[1-2]。針對農田或農產品基地理化性質變化和土壤重金屬污染的生態風險評價成為研究的熱點[3-7]。但研究區域大多集中在污染源附近的小尺度范圍，對省級層面主要農產品生產基地土壤重金屬生態風險評價和理化指標分布特征的研究較少。該研究選取海南省8個農產品基地，分析土壤理化指標和主要無機元素含量及其差異特征，評價土壤主要無機元素污染風險，旨在為農產品基地土壤污染防治和農業生產可持續發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況海南省屬熱帶季風氣候，日照多，氣溫高，雨量充沛、時空變化大。全省主要土壤類型為磚紅壤、水稻土、赤紅壤、燥紅土、紫色土、火山灰土、風沙土、新積土等。土壤成土母質有花崗巖、基性火山巖、第四系、沉積巖、變質巖、堿性侵入巖、中生代火山巖等。海南是發展熱帶特色高效農業的重要區域。

1.2 樣品采集選取海南8個農產品基地，基地代碼分別為J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8。其中J1、J2土地利用方式主要為耕地(旱地)，J3、J4、J5、J6、J7土地利用方式主要為耕地(水田)，J8土地利用方式為園地(果園)。

在種植基地范圍內采用網格法進行隨機布點，網格大小為100 m×100 m，每個種植基地布設5個監測點位。每個點位土壤理化指標和無機測試項目采集表層(0～20 cm)，單點采樣，每層采樣量不少于2 000 g。

1.3 樣品處理將樣品置于風干室搪瓷盤中，自然風干，適時壓碎、翻動，揀出碎石、砂礫、植物殘體。在土壤樣品制備間內完成土壤樣品粗磨、細磨、分樣等工作。

1.4 樣品分析測試理化指標包括土壤pH、有機質和陽離子交換量；無機項目以《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)為基礎，選擇農用地土壤污染風險篩選值的基本項目，包括鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅。

土壤pH采用《電位法》(HJ 962—2018)，有機質含量采用《土壤檢測第6部分：土壤有機質的測定》(NY/T 1121.6—2006)，陽離子交換量采用《森林土壤陽離子交換量的測定方法》(LY/T 1243—1999)，鎘含量采用《石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)，汞和砷含量采用《微波消解/原子熒光法》(HJ 680—2013)，銅、鉛、鉻、鋅和鎳含量采用《波長色散X射線熒光光譜法》(HJ 780—2015)。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤理化指標特征從表1～2可以看出，農產品基地土壤pH最小值為4.55，最大值為7.03。土壤呈強酸性和酸性，監測點位pH≤5.5的有21個，占農產品基地點位數的52.5%；監測點位5.57.5。按照土壤酸堿度進行分類，農產品基地土壤呈極強酸性、強酸性、酸性、中性的點位比例分別為0、52.5%、45.0%、2.5%，沒有土壤呈堿性或強堿性。8個農產品基地土壤呈酸性～強酸性，體現了海南熱帶高濕高熱氣候條件下土壤強烈風化淋濾作用[8]。

表1 土壤理化指標和無機項目結果統計

表2 農產品基地土壤酸堿度統計

土壤有機質含量最小值為2.95 g/kg，最大值為24.80 g/kg，平均值為13.60 g/kg(表1)。農產品基地土壤有機質含量集中在9.19～18.50 g/kg的監測結果占比最多，為72.5%(圖1)。依據有機質含量分級標準，農產品基地有機質含量偏低，12.5%的點位有機質含量中等，62.5%的點位有機質含量較低，25.0%的點位有機質含量屬于缺乏以下(表3)。

圖1 農產品基地有機質頻數分布Fig.1 Frequency distribution of organic matter in agricultural product base

表3 農產品基地土壤有機質含量分級統計

土壤陽離子交換量最小值為1.28 cmol/kg，最大值為10.80 cmol/kg，平均值為5.59 cmol/kg(表1)。農產品基地土壤陽離子交換量含量集中在4.0～8.0 cmol/kg的監測結果占比最多，點位數共26個，占農產品基地點位數的65.0%(圖2)。

圖2 農產品基地陽離子交換量頻數分布Fig.2 Frequency distribution of cation exchange capacity in agricultural product base

從表4可以看出，8個農產品基地中，J8(園地)基地pH為5.92，高于耕地基地(J1～J7)，有機質含量和陽離子交換量分別為5.0 g/kg和 1.64 cmol/kg，均低于耕地基地。

表4 農產品基地土壤理化指標結果統計

2.2 研究區土壤無機元素含量特征從表1可以看出，鎘含量為0.02～0.37 mg/kg，平均值為0.10 mg/kg；汞含量為0.012～0.126 mg/kg，平均值為0.038 mg/kg；砷含量為0.26～6.75 mg/kg，平均值為1.65 mg/kg；鉛含量為14.7～50.1 mg/kg，平均值為27.9 mg/kg；鉻含量為10.1～118.0 mg/kg，平均值為37.1 mg/kg；銅含量為4.2～23.1 mg/kg，平均值為9.0 mg/kg；鎳含量為3.7～44.8 mg/kg，平均值為10.2 mg/kg；鋅含量為14.3～105.0 mg/kg，平均值為45.9 mg/kg。不同無機元素在樣點間的變異程度不同，鎳的變異系數最大(78.4%)，其次是砷、鉻、汞、鎘、鋅、銅，鉛的變異系數最小(36.6%)。

土壤pH是控制土壤重金屬有效性的重要因素之一[9]。分析土壤pH與對應主要無機元素含量的關系(圖3和表5)發現，鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅和鎳含量與pH的相關系數分別為0.416、0.100、0.047、-0.257、0.013、0.173、-0.057、-0.003。由此可見，土壤pH與主要無機元素含量之間相關性不顯著(P>0.05)。從表5可以看出，有機質含量、陽離子交換量與主要無機元素含量之間相關性不顯著(P>0.05)。8個無機元素含量的相關性分析結果表明，鉻含量與銅、鎳含量呈現顯著相關(P<0.05)，相關系數分別為0.826、0.915；銅含量與鎳含量呈顯著相關(P<0.05)，相關系數為0.866；其他元素含量之間相關性不顯著(P>0.05)。

2.3 不同類型農產品基地土壤主要無機元素分布規律從圖3可以看出，鎘含量最大值出現在J8(果園)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為果園型(J8)>旱地型(J1、J2)>水田型(J3～J7)；汞含量最大值出現在J1(旱地)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為旱地型>水田型>果園型；砷含量最大值出現在J5(水田)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為水田型>旱地型>果園型；鉛含量最大值出現在J4(水田)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為水田型>旱地型>果園型；鉻含量最大值出現在J1(旱地)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為旱地型>水田型>果園型；銅含量最大值出現在J1(旱地)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為旱地型>果園型>水田型；鋅含量最大值出現在J4(水田)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為水田型>旱地型>果園型；鎳含量最大值出現在J1(旱地)監測點，在各類型農產品基地中的平均值表現為旱地型>水田型>果園型?？梢姡麍@型農產品基地鎘含量最高(平均值在3類基地中排名第1)，旱地型農產品基地鉻、銅、鎳、汞含量最高，水田型農產品基地砷、鉛、鋅含量最高。

圖3 土壤主要無機元素含量及其與pH的關系Fig.3 Relationships between main organic elements contents and pH in soil

表5 土壤理化指標和主要無機元素相關性分析

傅楊榮[8]研究發現海南島土壤元素地球化學基準值和背景值深刻繼承了成土母巖母質的元素地球化學特征，如基性火山巖土壤富集鐵族元素(鉻、銅、鎳、錳等)，第四系土壤富集二氧化硅(SiO2)，堿性侵入巖土壤富集鉛、鎘等。8個農產品基地成土母巖涉及3類成土母巖，J1基地成土母巖為基性火山巖，J2、J3、J4、J5、J8均為第四系，J6和J7為花崗巖。由此可見，J1基地鉻、銅、鎳含量遠高于其他基地主要是受玄武巖富含鉻、銅、鎳所致。成土母巖為第四系的基地，其無機元素含量分布主要與農業耕作和肥料施用等相關。成土母巖為花崗巖的基地，無機元素含量是成土母巖元素含量和農業生產疊加影響所致。

2.4 農產品基地土壤主要無機元素的污染風險從表6可以看出，農產品基地土壤8種無機元素含量平均值均低于農用地土壤污染風險篩選值，說明該研究區對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態環境的風險低，一般情況下可以忽略。

對比海南省土壤環境背景值[10]發現(表6)，各農產品基地砷、銅、鎳含量平均值低于土壤背景值，汞、鉻、鋅含量均僅有1個基地元素含量平均值高于土壤背景值，其中J1基地汞、鉻含量平均值分別是土壤背景值的1.62、1.07倍，J4基地鋅含量平均值是土壤背景值的1.47倍。J4、J5、J6這3個基地鉛含量分別為土壤背景值的1.51、1.49、1.03倍。各基地鎘含量均高于土壤背景值，為土壤背景值的1.25～3.75倍。由此可見，人為活動影響下，研究區農產品基地土壤主要無機元素產生了一定積累。其中鎘受人為影響積累程度相對最高，鉛次之，汞、鉻、鋅積累程度較小，砷、銅、鎳含量呈下降趨勢。

表6 不同農產品基地土壤主要無機元素平均值

人為因素是造成農田土壤重金屬積累的主要因素，主要包括施肥、動物糞便和生物固體應用、污水灌溉、大氣沉降等[11-12]。李建國等[13]研究發現無錫市土壤As、Cu、Hg、Pb和Zn空間變異受人類活動的影響明顯，均超出當地的土壤背景值。李樹輝等[2]研究指出有機肥尤其是商品有機肥也呈現出重金屬含量升高、種類增加的趨勢。王美等[14]研究指出有機肥如畜禽糞便、污泥及其堆肥中的重金屬含量高于化肥，豬糞中的銅、鋅、砷、鎘含量明顯高于其他有機廢棄物，雞糞中鉻含量高；污泥和垃圾堆肥中鉛或汞含量高。鑒于上述研究成果，海南農產品基地鎘、鉛等重金屬高于土壤背景值可能受基地生產中化肥、動物糞便施用等人為影響，應引起關注。

3 結論

(1)8個農產品基地的土壤普遍呈酸性，強酸性和酸性點位比例為97.5%，沒有土壤呈堿性或強堿性。陽離子交換量為1.28～10.80 cmol/kg。有機質含量為2.95～24.80 g/kg，有機質含量偏低。園地(J8)基地pH最高，有機質含量和陽離子交換量均低于耕地(旱地或水田)基地(J1～J7)。

(2)土壤鎘含量0.02～0.37 mg/kg，汞含量0.012～0.126 mg/kg，砷含量0.26～6.75 mg/kg，鉛含量14.7～50.1 mg/kg，鉻含量10.1～118.0 mg/kg，銅含量4.2～23.1 mg/kg，鎳含量3.7～44.8 mg/kg，鋅含量為14.3～105.0 mg/kg。相關性分析結果表明，pH、有機質含量、陽離子交換量與主要無機元素含量之間相關性不顯著(P>0.05)。鉻、銅、鎳含量之間呈現顯著相關(P<0.05)，其他無機元素含量之間相關性不顯著(P>0.05)。

(3)不同類型農產品基地主要無機元素含量不同。果園型農產品基地鎘含量最高，旱地型農產品基地鉻、銅、鎳、汞含量最高，水田型農產品基地砷、鉛、鋅含量最高。

(4)8個農產品基地土壤中各主要無機元素含量的平均值均未超過農用地土壤污染風險篩選值，污染風險可忽略。與海南省土壤環境背景值比較結果表明，人為活動影響下研究區農產品基地土壤主要無機元素可能產生了一定積累。鎘受人為影響積累程度相對最高，鉛次之，汞、鉻、鋅積累程度較小，砷、銅、鎳含量呈下降趨勢。