瓊北火山巖地區水田和旱地土壤中重金屬的累積特征比較*

王 鵬 王軍廣 許國強 張固成 吳 丹 張東強#

(1.海南省地質綜合勘察院,海南 ?？?570206;2.海南省熱帶海島地表過程與環境變化重點實驗室,海南 ?？?571158;3.海南省地質調查院,海南 ?？?570206)

土壤是生態系統的重要組成部分,是人類生產生活的基礎[1],[2]47。土壤也是自然環境中重金屬遷移轉化的主要場所,既是重金屬向其他生態系統遷移的源,也是重金屬聚集的匯[3]。土壤中的重金屬可以通過土壤、動植物、地表水和人體之間的多種聯系途徑產生遷移、富集,并最終對人體健康產生危害[2]47,[4-7]。1987年,周錫爵[8]報道了張士灌區鎘污染情況,該區有330 hm2稻田鎘污染嚴重,稻米鎘高達0.4～1.0 mg/kg。土壤重金屬含量水平不僅會影響土壤的可持續利用,還直接影響糧食安全[9],[10]2252,[11-12]?？傮w來講,成土母質在很大程度上決定了土壤的性質,然而土壤中的重金屬含量還會受到人類生產生活方式的影響[13]。研究表明,農藥和化肥的不合理施用、污水灌溉、工業“三廢”排放、礦山開采等生產活動的加強,會導致土壤重金屬污染加劇,土壤肥力下降,農作物減產和質量下降[14-15],因此,農用地和農產品重金屬污染問題也日益受到關注[16]。

海南是我國熱帶作物的重要產區,良好的氣候條件導致其土地利用率較高,作物熟制可達一年兩熟或一年三熟。隨著農業生產活動頻率的增加,土壤中重金屬由人為輸入的比例持續增加[17],造成土壤中重金屬的富集,使得海南土壤環境保護壓力巨大。

本研究以海南北部火山巖地區為例,開展不同利用方式(水田和旱地)的耕地土壤重金屬的累積特征研究,旨在為當地農產品生產安全保障和土壤污染防控提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于海南北部火山巖分布區,耕地面積約2 km2;其中,水田1.13 km2,集中分布在研究區東南部和北部;旱地0.87 km2,主要分布在水田的外圍。土壤類型主要為磚紅壤和水稻土,磚紅壤分布廣泛,約占研究區總面積的78%;水稻土約占22%。研究區屬于熱帶季風性海洋氣候,年平均氣溫24.3 ℃,年日照時數1 965.2 h,光、熱、水資源豐富。

1.2 樣品采集

依據研究區旱地與水田的分布情況,結合研究區農作物種植現狀,按照大約40 000～60 000 m2設置1個樣進行布點,以布設的采樣點(定點)為中心,向四周輻射確定4個分樣點,在每個定點及分樣點采樣組合成一個混合樣品。每個采樣點的采土部位、深度及重量保持一致。采集的土壤樣品均掰碎,挑出農作物根系、雜草、礫石、塑料薄膜等雜物,充分混合后,四分法留取1.0～1.5 kg裝入樣品袋。共采集樣品42個,其中旱地土壤樣品14個,水田土壤樣品28個。

1.3 樣品處理與分析

土壤樣品在實驗室進行自然風干、除去雜質、磨細過篩后備用。土壤樣品檢測指標包括As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6種重金屬以及土壤陽離子交換量(CEC)、pH和有機質(檢測方法見表1)。

表1 檢測方法Table 1 The analysis method

1.4 土壤環境質量評價方法

采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對土壤重金屬污染進行評價。單因子污染指數按照(0,1]、(1,2]、(2,3]、(3,+∞)劃分為無污染、輕度污染、中度污染、重度污染[18]。內梅羅綜合污染指數按照(0,0.7]、(0.7,1.0]、(1.0,2.0]、(2.0,3.0]、(3.0,+∞)劃分為安全、警戒、輕度污染、中度污染、重度污染[19]。

2 結果與討論

2.1 土壤理化性質

由土壤理化性質參數(見表2)可以發現,研究區旱地土壤pH為4.00～5.33,呈強酸性-酸性;水田土壤pH為4.19～5.58,也呈強酸性-酸性,旱地和水田土壤pH差別不大。旱地土壤CEC均值為4.66 cmol/kg,水田土壤CEC均值為3.42 cmol/kg,旱地土壤CEC略大于水田土壤,表明研究區旱地土壤保持養分的能力優于水田土壤。旱地和水田土壤有機質含量差別不大。

表2 土壤理化性質Table 2 Soil physico-chemical properties

2.2 土壤重金屬含量特征

研究區旱地和水田土壤重金屬含量存在一定的差異。旱地和水田土壤重金屬統計結果見表3和表4,旱地土壤重金屬變異系數表現為Ni>Cr>Hg>As>Cd>Pb,其中,Ni和Cr的變異系數超過1,而Hg、As、Cd和Pb的變異系數均較低,說明旱地土壤中Ni和Cr的分布整體上不均勻,Hg、As、Cd和Pb的分布整體上較為均勻。水田土壤重金屬變異系數表現為Ni>Cr>Cd>Hg>As>Pb,6種重金屬變異系數均不超過1,除Ni變異系數稍高外(變異系數為0.76),其余重金屬變異系數均較低,說明水田土壤中6種重金屬的分布整體上較為均勻。

表3 旱地土壤的重金屬Table 3 Heavy metal concentration of dry land soil

表4 水田土壤的重金屬Table 4 Heavy metal concentration of paddy field soil

與GB 15618—2018中農用地土壤污染風險篩選值進行比較,旱地土壤中Ni和Cr分別有21.4%和28.6%的樣品超標。而水田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6種重金屬無樣品超標現象。

與海南土壤背景值相比,旱地土壤中Cd含量超過背景值樣品比例最高,為57.1%,Cr和Ni次之,均為42.9%,Pb為7.1%;水田土壤中Cd超過背景值樣品比例最高,達到了82.1%,Ni和Cr次之,均為7.1%。說明土壤中Cd、Cr、Pb和Ni 4種重金屬有不同程度的累積,其中Cd累積程度較重。有研究表明,海南島北部基性火山巖土壤中Ni、Cr、Hg、Cu、Cd含量相對較高,個別地區Cr、Zn、As、Cu含量超過中國土壤元素背景值[10]2251,海南農用化肥中Pb也有超過《有機肥料》(NY 525—2012)的現象[10]2254,[21]。綜上所述,筆者認為,研究區旱地和水田土壤中部分樣品Cd、Cr和Ni不同程度地高于背景值,這與其母質為具有高背景值的基性火山巖密切相關[22],而Pb含量高可能與農業生產中化肥農藥的使用有關。

研究區旱地和水田土壤中的As、Cd、Pb、Hg平均含量差異不大,而Cr、Ni差異較大,旱地土壤中Cr、Ni平均值分別是水田土壤的3.50、5.03倍。一般認為,旱地耕作層大多在0～30 cm土壤層中,土壤相對疏松,重金屬等多在此范圍內聚集[23],而水田不斷翻耕,常年存水時間較長,更有利于重金屬向深層淋溶遷移。Cr和Ni可能相對較活潑,所以兩者在水田土壤中向更深層遷移較多。

2.3 土壤重金屬相關性分析

研究區旱地和水田土壤中6 種重金屬之間的相關性系數見表5和表6。

表5 旱地土壤重金屬間的相關性系數1)Table 5 Correlation coefficients between different heavy metals in dry land soil

表6 水田土壤重金屬間的相關性系數Table 6 Correlation coefficients between different heavy metals in paddy field soil

旱地土壤中除了As和Cd,Pb和Cd、Cr、Ni、Hg呈負相關之外,其余重金屬之間均呈正相關,正相關的重金屬之間可能存在同源關系,進而產生協同效應,增加了研究區旱地土壤重金屬含量。Cr與Ni、Hg的相關系數最高,分別為0.960和0.944,說明Cr與Ni、Hg之間具有相同的影響因素,可能存在復合污染的現象。

水田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6種重金屬之間既有正相關關系也有負相關關系?？傮w來看,Cr與Ni正相關關系非常明顯,相關系數達到0.955,說明水田土壤中Cr與Ni可能同源。

總體來看,旱地和水田土壤中Cr與Ni有較高的正相關關系,且含量均較高,可能具有同源性。有研究表明,瓊北地區工業較少,雨量充沛,農田基本采用地下水或水庫水灌溉,不存在灌溉污染[10]2252。本次調查顯示,研究區工業較少且無污水灌溉情況。因此認為,研究區旱地和水田土壤中Cr與Ni的較高含量,是受基性火山巖地質背景的影響。

2.4 土壤環境質量評價

依據海南土壤背景值對土壤環境質量進行評價,總體來看(見表7),旱地土壤中Ni單因子污染指數最大,為3.30,Cr和Cd次之,分別為2.23和1.25,As、Hg和Pb單因子污染指數小于1;水田土壤中除Cd外,其余重金屬單因子污染指數均小于1。研究區旱地Cr和Ni污染比較嚴重,應引起重視。從內梅羅綜合污染指數來看,研究區旱地土壤重金屬污染明顯高于水田土壤,水田土壤重金屬為輕度污染,而旱地土壤重金屬已達到中度污染。

表7 重金屬污染指數Table 7 The pollution index of heavy metal

3 結 論

(1) 研究區旱地和水田土壤pH均呈強酸性-酸性(pH為4.00～5.58)。旱地CEC(4.66 cmol/kg)略大于水田土壤(3.42 cmol/kg),旱地土壤保持養分的能力優于水田土壤,研究區兩種土地利用類型下土壤有機質含量差別不大。

(2) 與海南土壤背景值進行比較,研究區旱地和水田土壤中Cd、Cr、Pb和Ni 4種重金屬均有不同程度的累積,其中Cd累積程度較重。土壤重金屬相關性分析顯示,研究區旱地和水田土壤中Cr與Ni正相關關系均較明顯,可能同源,且受基性火山巖地質背景的影響較大。

(3) 從內梅羅綜合污染指數來看,研究區旱地土壤重金屬污染明顯高于水田土壤,水田土壤重金屬為輕度污染,而旱地土壤重金屬已達到中度污染。從單因子污染指數來看,研究區旱地Cr和Ni污染比較嚴重,應引起重視。

(致謝：感謝海南省熱帶海島地表過程與環境變化重點實驗室的資助及實驗室趙志忠主任的指導、吳丹老師在樣品測試過程中提供的幫助。)