巴中市巴州區(qū)水田與旱地土壤重金屬富集與垂直分布特征

陳海英,虎 嘯,覃 昆,魏騰川,白 薇

(四川省巴中市巴州區(qū)農(nóng)業(yè)基礎設施建設和農(nóng)業(yè)機械化服務中心,四川 巴中 636000)

重金屬是一種移動性差、持久性強、無法生物降解并可被生物富集的有毒、有害物質(zhì),使得土壤重金屬會長期滯留和積累,難以徹底清除[1-3]。土壤重金屬積累到一定量后,會造成土壤酶活抑制、微生物群落結(jié)構(gòu)失衡、植物根系受損、地上部生長不良等諸多危害,并通過食物鏈影響人類健康[4]。土壤為植物生長提供了必要的營養(yǎng)物質(zhì)基礎,其環(huán)境質(zhì)量的好壞決定了植物是否能正常生長,是否能生產(chǎn)出安全的農(nóng)產(chǎn)品。因此,對土壤中重金屬污染程度進行評價意義重大。目前,針對某一區(qū)域土壤表層和垂直剖面重金屬含量狀況進行了大量研究報道,分析了土壤重金屬的存在形態(tài)、富集特征、空間分布、垂直遷移規(guī)律、成因環(huán)境以及其對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響等[5-8],但針對某一區(qū)域水田、旱地的土壤重金富集特征和垂直剖面分布狀況的差異還鮮見報道。本文以四川省巴州區(qū)為例,評價該區(qū)域水田、旱地土壤重金屬含量水平,分析水田、旱地土壤重金屬垂直分布特征,以期為當?shù)乇Ｗo利用耕地資源提供基礎資料和決策依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

巴州區(qū)位于四川省東北部,米倉山南麓,屬盆北低山丘陵區(qū),地勢北高南低。氣候?qū)賮啛釒Т箨懶詽駶櫦撅L氣候,四季分明,降水充沛,但時空分布不均,熱量資源豐富,但受地勢起伏變化大,光照適宜,無霜期長,少霜雪。境內(nèi)典型成土母質(zhì)主要為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組和白堊系城墻巖群紫色砂泥巖、新生界第四系更新統(tǒng)礫石層和全新統(tǒng)近代河流沖積層等類型。由于較為復雜的地形地貌、氣候條件和較多的成土母質(zhì)共同作用,形成的土壤類型多樣,其中耕地土壤以水稻土居多,占比70%,水稻土也成為巴州區(qū)主要土類,其次為紫色土。

1.2 供試剖面土樣采集

選取巴州區(qū)砂泥巖坡殘積物發(fā)育的水稻土、紫色土為研究對象,兼顧城鎮(zhèn)周邊和一般農(nóng)區(qū)、種植制度和土壤類型,于2017年9月至2018年1月采集水田剖面21個、旱地剖面29個。采樣同時,詳細記錄土壤剖面所在位置、土壤類型、母質(zhì)類型、種植制度等信息。選擇地塊相對方正的中部位置,挖掘好土壤剖面,然后按照土壤發(fā)生分類方法進行土層劃分(根據(jù)實際情況劃分至母質(zhì)層為止,每個剖面劃分4個層次),最后采取5cm×15cm的規(guī)格,自上而下分層連續(xù)采集土樣,做好標記于室內(nèi)風干,除去根系、礫石等雜質(zhì)后,流轉(zhuǎn)至第三方實驗室分析測定土壤As、Hg、Cr、Pb、Cd含量。

1.3 測定項目與方法

土壤樣品流轉(zhuǎn)到重慶市九升檢測技術(shù)有限公司實驗室進行測定。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)檢測土壤Cd、Pb、Cr;原子熒光光度計(AFS)檢測土壤Hg、As;臺式酸度計檢測土壤pH。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表繪制采用EXCEL2017進行。采用地累積指數(shù)法評價水田、旱地表層土壤富集狀況[9-10],該方法是德國科學家Muller 在1969年提出的,是一種研究土壤、沉積物中重金屬污染程度的定量指標,可反映重金屬的自然累計特征,并判別土壤環(huán)境受人為活動的影響程度。計算公式為:

式中:Ci是樣品中元素i的實測濃度;Bi是土壤中元素i的地球化學背景值,四川省表層(A0)[11]土壤Cd、Pb、Cr、Hg、As的背景值(算術(shù)平均)分別為0.079mg/kg、30.9mg/kg、79mg/kg、0.0395mg/kg、10.4mg/kg。重金屬地累積指數(shù)(Ig)分級與富集程度劃分標準:Ig<0,無富集;05,極強富集。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤重金屬元素含量水平

由表1可知,研究區(qū)旱地、水田表層土壤重金屬元素Cr、Pb含量變幅較小,變異系數(shù)低于17%;As、Hg、Cd含量變幅較大,變異系數(shù)均超過了29%,說明該區(qū)耕地土壤As、Hg、Cd受人為活動等因素的影響較大,與竇韋強等[9]和趙慶令等[10]的研究結(jié)果相似。表層土壤As含量旱地為3.7～15.4mg/kg、水田為1.2～15.8mg/kg,變異系數(shù)水田高出旱地10.2個百分點;表層土壤Hg含量旱地為0.02～0.10mg/kg、水田為0.03～0.14mg/kg,變異系數(shù)水田和旱地基本一致;表層土壤Cd含量旱地為0.08～0.38mg/kg、水田為0.12～0.42mg/kg,變異系數(shù)旱地高出水田7.3個百分點。因此,該區(qū)域從事耕種活動時,應重視土壤As、Hg、Cd對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

表1 表層土壤重金屬元素含量分析

2.2 研究區(qū)土壤重金屬含量評價

以四川省表層(A0)土壤元素背景值計算5種元素的地累積指數(shù),計算結(jié)果如表2所示。從表層土壤5種元素Ig均值可得出:Cd>Hg>Pb>Cr>As,土壤Ig值水田高于旱地;絕大多數(shù)旱地、水田土壤Cd的富集程度達到輕微富集或中度富集,個別點位Hg達到輕微富集;其他元素均屬于無富集。其中旱地土壤Cd輕微富集和中度富集樣點占比均為44.8%,水田土壤Cd輕微富集、中度富集樣點占比分別為52.4%、47.6%;旱地土壤Hg輕微富集樣點占比41.4%,水田土壤Cd輕微、中度富集樣點占比分別為38.1%、4.8%。總體上看,水田、旱地土壤Cd、Hg元素受人為生產(chǎn)生活影響,積累較為明顯,尤其是水田土壤表現(xiàn)更明顯。Bi等[12]和Zhang等[13]研究認為,Cd和Hg主要與化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便的施用、燃料燃燒排放、污水灌溉和工業(yè)活動有關(guān),而研究區(qū)無污水灌溉來源且少有工業(yè)活動。因此,研究區(qū)耕地土壤Cd和Hg的積累可能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入品使用不當造成的。

表2 表層土壤重金屬元素地累積指數(shù)評價情況

2.3 研究區(qū)土壤重金屬的垂直分布

如圖1所示,旱地、水田土壤pH隨土層加深升高,表層土壤pH相對母質(zhì)層分別下降了0.64、0.78,呈現(xiàn)出表層土壤變酸趨勢。耕作表層土壤酸度下降,易增強Cd、Pb等重金屬離子活性,造成作物吸收累積,影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[14-15]。如圖所示,土壤Hg、Cd隨土層加深而降低,旱地、水田土壤Hg表層是母質(zhì)層的1.40倍、1.30倍;土壤Cd表層是母質(zhì)層的1.56倍、2.02倍,水田土壤Cd表層富集顯著。土壤重金屬超標常常受母巖和人為活動共同影響[16-18],由于當前研究區(qū)域無工礦和化工污染源,土壤表層Hg、Cd含量又明顯高于土壤背景值,可能受人為耕作長期施用化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便以及秸稈還田等影響[19-21]。土壤Pb在水田、旱地各土層差異較小,且含量低于土壤背景值,可能是Pb屬于自然源重金屬[22],在研究區(qū)域主要受地質(zhì)母巖和成土作用影響。如圖所示,表層土壤As低于母質(zhì)層,表現(xiàn)為底層聚集趨勢,與施強等[23]的研究較為一致,水田犁底層土壤As相對表層下降了2%,而旱地亞耕層土壤As相對表層下降了17.4%,可能是由于水田犁底層的存在,一定程度阻礙了As向下遷移。各剖面土壤Cr均低于土壤背景值,而旱地表

圖1 耕地土壤剖面重金屬的垂直分布特征

層Cr低于母質(zhì)層,表現(xiàn)為淋溶下遷趨勢,這與竇偉強[10]的研究結(jié)果相似。與此相反,水田表層土壤Cr高出母質(zhì)層,呈現(xiàn)表聚趨勢,可能是受犁底層阻礙,Cr淋溶下移減弱,而犁底層以下土層受地下水位周期運動,Cr逐漸溶解流出土體,導致犁底層以下土層Cr含量下降更明顯。

3 結(jié)論

研究區(qū)土壤重金屬含量呈現(xiàn)出不同的變異水平,以As、Hg、Cd含量變幅較大,受人為活動影響較大,應重視As、Hg、Cd元素對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

表層土壤5種元素Ig均值可得出:Cd>Hg>Pb>Cr>As,土壤Ig值水田高于旱地;絕大多數(shù)旱地、水田土壤Cd的富集程度達到輕微富集或中度富集,個別點位Hg達到輕微富集。總體上看,水田、旱地土壤Cd、Hg元素受人為生產(chǎn)生活影響,積累較為明顯,尤其是水田土壤表現(xiàn)更明顯,存在Cd污染風險。

表層土壤有變酸趨勢。旱地土壤Cd、Hg明顯表聚,As、Cr呈現(xiàn)淋溶下遷趨勢;水田土壤Cd、Hg、Cr有明顯表聚趨勢,As呈現(xiàn)淋洗下遷趨勢。在今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,應控制Cd、Hg污染來源,適時采取深翻深耕措施降低兩種重金屬在耕作層的含量,降低其對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。