巴中市巴州区水田与旱地土壤重金属富集与垂直分布特征

陈海英,虎 啸,覃 昆,魏腾川,白 薇

(四川省巴中市巴州区农业基础设施建设和农业机械化服务中心,四川 巴中 636000)

重金属是一种移动性差、持久性强、无法生物降解并可被生物富集的有毒、有害物质,使得土壤重金属会长期滞留和积累,难以彻底清除[1-3]。土壤重金属积累到一定量后,会造成土壤酶活抑制、微生物群落结构失衡、植物根系受损、地上部生长不良等诸多危害,并通过食物链影响人类健康[4]。土壤为植物生长提供了必要的营养物质基础,其环境质量的好坏决定了植物是否能正常生长,是否能生产出安全的农产品。因此,对土壤中重金属污染程度进行评价意义重大。目前,针对某一区域土壤表层和垂直剖面重金属含量状况进行了大量研究报道,分析了土壤重金属的存在形态、富集特征、空间分布、垂直迁移规律、成因环境以及其对农产品质量的影响等[5-8],但针对某一区域水田、旱地的土壤重金富集特征和垂直剖面分布状况的差异还鲜见报道。本文以四川省巴州区为例,评价该区域水田、旱地土壤重金属含量水平,分析水田、旱地土壤重金属垂直分布特征,以期为当地保护利用耕地资源提供基础资料和决策依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

巴州区位于四川省东北部,米仓山南麓,属盆北低山丘陵区,地势北高南低。气候属亚热带大陆性湿润季风气候,四季分明,降水充沛,但时空分布不均,热量资源丰富,但受地势起伏变化大,光照适宜,无霜期长,少霜雪。境内典型成土母质主要为侏罗系蓬莱镇组和白垩系城墙岩群紫色砂泥岩、新生界第四系更新统砾石层和全新统近代河流冲积层等类型。由于较为复杂的地形地貌、气候条件和较多的成土母质共同作用,形成的土壤类型多样,其中耕地土壤以水稻土居多,占比70%,水稻土也成为巴州区主要土类,其次为紫色土。

1.2 供试剖面土样采集

选取巴州区砂泥岩坡残积物发育的水稻土、紫色土为研究对象,兼顾城镇周边和一般农区、种植制度和土壤类型,于2017年9月至2018年1月采集水田剖面21个、旱地剖面29个。采样同时,详细记录土壤剖面所在位置、土壤类型、母质类型、种植制度等信息。选择地块相对方正的中部位置,挖掘好土壤剖面,然后按照土壤发生分类方法进行土层划分(根据实际情况划分至母质层为止,每个剖面划分4个层次),最后采取5cm×15cm的规格,自上而下分层连续采集土样,做好标记于室内风干,除去根系、砾石等杂质后,流转至第三方实验室分析测定土壤As、Hg、Cr、Pb、Cd含量。

1.3 测定项目与方法

土壤样品流转到重庆市九升检测技术有限公司实验室进行测定。采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测土壤Cd、Pb、Cr;原子荧光光度计(AFS)检测土壤Hg、As;台式酸度计检测土壤pH。

1.4 数据处理方法

数据统计和图表绘制采用EXCEL2017进行。采用地累积指数法评价水田、旱地表层土壤富集状况[9-10],该方法是德国科学家Muller 在1969年提出的,是一种研究土壤、沉积物中重金属污染程度的定量指标,可反映重金属的自然累计特征,并判别土壤环境受人为活动的影响程度。计算公式为:

式中:Ci是样品中元素i的实测浓度;Bi是土壤中元素i的地球化学背景值,四川省表层(A0)[11]土壤Cd、Pb、Cr、Hg、As的背景值(算术平均)分别为0.079mg/kg、30.9mg/kg、79mg/kg、0.0395mg/kg、10.4mg/kg。重金属地累积指数(Ig)分级与富集程度划分标准:Ig<0,无富集;05,极强富集。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤重金属元素含量水平

由表1可知,研究区旱地、水田表层土壤重金属元素Cr、Pb含量变幅较小,变异系数低于17%;As、Hg、Cd含量变幅较大,变异系数均超过了29%,说明该区耕地土壤As、Hg、Cd受人为活动等因素的影响较大,与窦韦强等[9]和赵庆令等[10]的研究结果相似。表层土壤As含量旱地为3.7～15.4mg/kg、水田为1.2～15.8mg/kg,变异系数水田高出旱地10.2个百分点;表层土壤Hg含量旱地为0.02～0.10mg/kg、水田为0.03～0.14mg/kg,变异系数水田和旱地基本一致;表层土壤Cd含量旱地为0.08～0.38mg/kg、水田为0.12～0.42mg/kg,变异系数旱地高出水田7.3个百分点。因此,该区域从事耕种活动时,应重视土壤As、Hg、Cd对农产品质量的影响。

表1 表层土壤重金属元素含量分析

2.2 研究区土壤重金属含量评价

以四川省表层(A0)土壤元素背景值计算5种元素的地累积指数,计算结果如表2所示。从表层土壤5种元素Ig均值可得出:Cd>Hg>Pb>Cr>As,土壤Ig值水田高于旱地;绝大多数旱地、水田土壤Cd的富集程度达到轻微富集或中度富集,个别点位Hg达到轻微富集;其他元素均属于无富集。其中旱地土壤Cd轻微富集和中度富集样点占比均为44.8%,水田土壤Cd轻微富集、中度富集样点占比分别为52.4%、47.6%;旱地土壤Hg轻微富集样点占比41.4%,水田土壤Cd轻微、中度富集样点占比分别为38.1%、4.8%。总体上看,水田、旱地土壤Cd、Hg元素受人为生产生活影响,积累较为明显,尤其是水田土壤表现更明显。Bi等[12]和Zhang等[13]研究认为,Cd和Hg主要与化肥、农药、畜禽粪便的施用、燃料燃烧排放、污水灌溉和工业活动有关,而研究区无污水灌溉来源且少有工业活动。因此,研究区耕地土壤Cd和Hg的积累可能是农业生产投入品使用不当造成的。

表2 表层土壤重金属元素地累积指数评价情况

2.3 研究区土壤重金属的垂直分布

如图1所示,旱地、水田土壤pH随土层加深升高,表层土壤pH相对母质层分别下降了0.64、0.78,呈现出表层土壤变酸趋势。耕作表层土壤酸度下降,易增强Cd、Pb等重金属离子活性,造成作物吸收累积,影响农产品质量安全[14-15]。如图所示,土壤Hg、Cd随土层加深而降低,旱地、水田土壤Hg表层是母质层的1.40倍、1.30倍;土壤Cd表层是母质层的1.56倍、2.02倍,水田土壤Cd表层富集显著。土壤重金属超标常常受母岩和人为活动共同影响[16-18],由于当前研究区域无工矿和化工污染源,土壤表层Hg、Cd含量又明显高于土壤背景值,可能受人为耕作长期施用化肥、农药、畜禽粪便以及秸秆还田等影响[19-21]。土壤Pb在水田、旱地各土层差异较小,且含量低于土壤背景值,可能是Pb属于自然源重金属[22],在研究区域主要受地质母岩和成土作用影响。如图所示,表层土壤As低于母质层,表现为底层聚集趋势,与施强等[23]的研究较为一致,水田犁底层土壤As相对表层下降了2%,而旱地亚耕层土壤As相对表层下降了17.4%,可能是由于水田犁底层的存在,一定程度阻碍了As向下迁移。各剖面土壤Cr均低于土壤背景值,而旱地表

图1 耕地土壤剖面重金属的垂直分布特征

层Cr低于母质层,表现为淋溶下迁趋势,这与窦伟强[10]的研究结果相似。与此相反,水田表层土壤Cr高出母质层,呈现表聚趋势,可能是受犁底层阻碍,Cr淋溶下移减弱,而犁底层以下土层受地下水位周期运动,Cr逐渐溶解流出土体,导致犁底层以下土层Cr含量下降更明显。

3 结论

研究区土壤重金属含量呈现出不同的变异水平,以As、Hg、Cd含量变幅较大,受人为活动影响较大,应重视As、Hg、Cd元素对农产品质量的影响。

表层土壤5种元素Ig均值可得出:Cd>Hg>Pb>Cr>As,土壤Ig值水田高于旱地;绝大多数旱地、水田土壤Cd的富集程度达到轻微富集或中度富集,个别点位Hg达到轻微富集。总体上看,水田、旱地土壤Cd、Hg元素受人为生产生活影响,积累较为明显,尤其是水田土壤表现更明显,存在Cd污染风险。

表层土壤有变酸趋势。旱地土壤Cd、Hg明显表聚,As、Cr呈现淋溶下迁趋势;水田土壤Cd、Hg、Cr有明显表聚趋势,As呈现淋洗下迁趋势。在今后农业生产中,应控制Cd、Hg污染来源,适时采取深翻深耕措施降低两种重金属在耕作层的含量,降低其对农产品质量的影响。