唐麗靜，王冬艷，李月芬，付 強，楊小琳

吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130061

近年來，土壤重金屬污染發(fā)生頻率越來越頻繁。重金屬易通過土壤在作物體內富集，進而通過食物鏈進入人體，對人體來說這是潛在的危害。因此，土壤重金屬污染越來越受到人們的關注。吉林黑土區(qū)是我國糧食主要生產基地，素有“中華大糧倉之稱”，該區(qū)糧食安全對保障我國糧食安全起著至關重要的作用。糧食中重金屬元素含量不超標是保證糧食安全的重要前提。作物中重金屬主要來自土壤，因此土壤-作物系統(tǒng)重金屬元素地球化學特征的研究成為不可或缺的一項基礎工作。許多學者作出大量研究工作[1-13]，這些研究主要集中在分析不同生態(tài)系統(tǒng)中重金屬元素的遷移轉化規(guī)律，重金屬元素的空間分布狀況等方面，但目前針對吉林黑土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)重金屬元素地球化學特征的研究較少。本文針對吉林黑土區(qū)，在系統(tǒng)的重金屬元素地球化學特征分析的基礎上，對土壤-作物系統(tǒng)重金屬污染狀況進行了評價，為這一重要糧食產區(qū)的環(huán)境保護提供科學的依據。

1 樣品采集與分析方法

1.1 樣品采集

本次研究選定公主嶺-梨樹、九臺-德惠、榆樹-松原三個工作區(qū)，覆蓋黑土區(qū)。表層樣品共62件，其中榆樹-松原15件，公主嶺-梨樹27件，九臺-德惠20件。布置了4個土壤剖面，其中公主嶺-梨樹1處，榆樹-松原2處，九臺-德惠1處。樣品采集時間為9月底。樣點分布見圖1。

表層土壤樣品采集深度為20 cm，每件樣品由該點周圍50 m范圍內的10個采樣點的土壤樣品組成，充分混合后用四分法取樣，取重1 kg，放入樣品袋。土壤樣品自然晾干后，過20目篩后送實驗室測試。

玉米籽實樣品采樣點與土壤采樣點相對應，選取6～10株為代表株，采摘玉米穗，室內自然風干，人工脫粒，均勻混合后取1 kg裝入樣品袋。

剖面樣品采集時，自上而下挖至150 cm，每層間隔30 cm，每層樣品約1 kg裝入樣品袋。

圖1 采樣點分布示意圖

1.2 樣品的分析測試

此次對土壤中重金屬元素的全量和表層土壤樣品的有效含量進行了測試，測試在中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所完成，測試分析方法及檢出限見表1。

表1 全量、有效態(tài)測試分析方法及檢出限

2 結果分析與討論

2.1 研究區(qū)土壤背景值及重金屬分布特征

對六種重金屬元素進行正態(tài)性檢驗，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn均呈正態(tài)分布，故As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn取算術平均值。經兩樣本均值差異t檢驗，六種重金屬元素含量均與背景值存在著極顯著的差異。As、Cd、Cr、Cu、、Ni的平均含量均高于吉林省表層土壤背景值，而Zn的平均含量低于吉林省表層土壤背景值。為了對目前的土壤環(huán)境做更進一步的判斷，引進基線值[14]。六種重金屬元素均未出現累積，說明該區(qū)不存在生態(tài)風險，不會對糧食安全構成威脅。As、Cr、Cu、Ni、Zn的變異系數小于0.2，屬于弱分異型，Cd的變異系數小于0.6，屬于中等分異型[15]，說明重金屬元素空間分布差異不大。

表2 研究區(qū)表土重金屬元素統(tǒng)計表

注：樣品62件；吉林省表層土壤背景值摘自《吉林省土壤元素背景值研究》表層土壤元素平均值；**表示P<0.01(該種重金屬元素表層平均含量與吉林省表層土壤背景值存在極顯著差異)；變異系數為0～0.2為弱分異型，變異系數為0.2～0.6為中等分異型，變異系數大于0.6為強分異型。

Note:Sample amounts are b2.The soil background values are average of element**shous highly significant difference between the avevage content of the heavy mental element and the soil background value.0～0.2 of variation coefficient is weak point in different,0.2～0.6 of that is uniform in different,more than 0.6 of that is the strong point in different.

表3 不同工作區(qū)重金屬元素全量統(tǒng)計表

注：公主嶺-梨樹樣品27件，九臺-德惠樣品20件，榆樹-松原樣品15件；

Note:Samples in Gongzholing-Lishu are 27,samples in Jiutai-Dehui are 20,samples in Yushu-song yuan are 15.

從表3可以看出，As、Cd元素以公主嶺-梨樹地區(qū)含量最高，Cr、Ni、Zn元素以榆樹-松原地區(qū)含量最高，Cu元素含量以九臺-德惠地區(qū)含量最高。對比公主嶺-梨樹、九臺-德惠、榆樹-松原三個工作區(qū)每種重金屬元素的平均含量，可以看出：As元素在研究區(qū)有從西南到東北減少的趨勢，Cr、Ni、Zn在研究區(qū)有從西南到東北增加的趨勢，而Cd在公主嶺-梨樹、Cu在九臺-德惠地區(qū)較為集中。從變異系數來看，As、Cr、Cu、Ni元素在公主嶺-梨樹地區(qū)分異程度最大，Cd元素在榆樹-松原地區(qū)分異程度最大，Zn元素在九臺-德惠地區(qū)分異程度最大。

在以上分析基礎上對土壤質量進行評價，為了減少平均值對評價結果的影響，采用內梅羅指數法對土壤質量進行綜合評價[16-18]，評價標準參照《土壤環(huán)境質量標準》(GB15618-2008)和《綠色食品產地環(huán)境質量狀況評價綱要》，計算出綜合指數后，劃分出污染等級。

綜合指數P的計算公式為：

表4 土壤綜合指數評價標準表[19]

表5 土壤重金屬元素綜合污染指數統(tǒng)計表

注：A代表該種重金屬元素綜合污染指數；B代表樣點超標個數

Note:A shows the comprehensive pollution index of the heany metal element,B shows the excessive sample amounts.

由表可以看出，不管是分區(qū)來看還是綜合分析，六種重金屬元素的綜合污染指數均小于0.7，并且樣點超標個數均為0，說明該區(qū)土壤環(huán)境質量非常好，處于Ⅰ級水平。

從外界進入土壤中的重金屬，由于土壤的固定作用，一般殘留在表層[21]。若表層重金屬元素含量超過底層，則說明一般存在外源，否則說明重金屬則主要是繼承了母質的特性。這里引進累積系數進行判斷，累積系數為土壤表層某一重金屬元素的平均含量/土壤底層該重金屬元素的平均含量，累積系數統(tǒng)計結果見表6。

表6 土壤剖面重金屬元素累積系數統(tǒng)計表

從表6可以看出，Cd元素的表層含量超過底層，而As、Cr、Cu、Ni、Zn元素的表層含量較低。張學詢等[21-24]的研究表明，外來As、Cr、Cu、Ni、Zn元素進入土壤后會在表層累積，因此可以推斷研究區(qū)沒有As、Cr 、Cu 、Ni、Zn元素的外來污染源。張民等[23-24]在研究重金屬元素分布規(guī)律時發(fā)現，當有化肥進入土壤時，Cd元素有表土層富集的趨勢，因此研究區(qū)Cd元素表層含量高可能是使用化肥所致。

2.2 研究區(qū)土壤重金屬有效態(tài)含量分布特征

對吉林黑土區(qū)六種重金屬元素有效態(tài)含量進行統(tǒng)計分析，對六種重金屬元素有效態(tài)含量進行正態(tài)性檢驗，均成正態(tài)分布，故取算術平均值。

表7 研究區(qū)表土重金屬元素有效態(tài)特征統(tǒng)計表

注：樣品62件；變異系數為0～0.2為弱分異型，變異系數為0.2～0.6為中等分異型，變異系數大于0.6為強分異型；

Note:Samples are 62 kinds.0～0.2 of variation coefficient is weak point in different,0.2～0.6 of that is unifarm in different,more than 0.6 of that is strong point in different.

有效系數(土壤元素有效量/土壤元素全量)

植物能夠吸收的是土壤元素的有效態(tài)，土壤元素有效態(tài)含量受土壤pH值、地形地貌、人為因素等各方面的影響，六種重金屬元素有效態(tài)含量均成正態(tài)分布，說明土壤受到外界影響較少[25]。從表3可以看出，六種重金屬元素的有效態(tài)含量在酸性土及堿性土中的含量均有差異，說明土壤pH值對土壤有效態(tài)轉化有一定的影響。一般來說，隨著pH值的增高，重金屬元素有效態(tài)含量越低[26-28]，Cd、Cr、Ni、Zn符合這一規(guī)律。As、Cu卻相反，這可能與離子的競爭、與土壤接觸的時間、土壤溫度等因素有關[29-30]。在酸性環(huán)境中重金屬元素有效態(tài)含量要高一些，因此，要控制土壤中重金屬元素有效態(tài)的含量，可以通過適當的措施來提高耕作環(huán)境的pH[31-32]。從變異系數來看，除了有效As元素屬于強變異型，其余幾種重金屬元素均為中等變異型。

表8 不同工作區(qū)重金屬元素有效態(tài)含量統(tǒng)計表

從表8可以看出，As、Cd、Cr、Cu、Zn元素的有效態(tài)含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高，Ni元素有效態(tài)含量以榆樹-松原地區(qū)最高。其中，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn元素有效態(tài)含量在三個工作區(qū)之間有差異，As元素有效態(tài)含量在三個工作區(qū)之間差異不大。從變異系數上來看，除了有效As在公主嶺-梨樹地區(qū)屬于強分異型，其他元素在三個工作區(qū)均屬于中等分異型。

2.3 研究區(qū)玉米籽實重金屬元素含量特征

玉米籽實樣品中重金屬元素的含量采用ICP-AES和X-熒光光譜儀等方法測試，測試工作在河南巖礦測試中心完成。對研究區(qū)玉米籽實中六種重金屬元素進行正態(tài)性檢驗，均成正態(tài)分布，故取算數平均值。

表9 研究區(qū)玉米籽實重金屬元素特征統(tǒng)計表

注：樣品62件；Cd數量級為10-3；變異系數為0～0.2為弱分異型，變異系數為0.2～0.6為中等分異型，變異系數大于0.6為強分異型；吸收系數(籽實中某種元素含量/土壤中該種元素全量)

Note:Samples are 62 kinds.Cd order of magnitude is 10-3,0～0.2 of Variation coefficient is weak points in different,0.2～0.6 of that is uniform in different,more than 0.6 of that is strong point in different.Absorption coefficient is the comtent of an element in seed the total of the element in soil.

表10 不同工作區(qū)玉米籽實含量統(tǒng)計表

注：各元素含量為各地區(qū)平均值

Note:The content of each element is an average in the district.

從表9、表10可以看出，從變異系數上來講，Cr、Zn屬于弱變異型，As、Cd、Cu屬于中等變異型，Ni屬于強變異型。玉米籽實中Cd、Cr、Cu、Ni元素含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高，Zn元素含量以榆樹-松原地區(qū)最高。其中，Cd、Cu、Ni、Zn元素含量在三個工作區(qū)之間有差異，As、Cr元素含量在三個工作區(qū)之間差異不大。在堿性土壤和酸性土壤環(huán)境中生長的玉米，籽實中重金屬元素含量差別不大。這可能與作物自身的遺傳特性有關，也可能是因為重金屬元素在遷移過程中，大部分被玉米的莖葉吸收[33]從變異系數上來講，Cr、Zn屬于弱變異型，As、Cd、Cu屬于中等變異型，Ni屬于強變異型。

研究表明，Zn、Cu、Ni等重金屬元素對玉米的生長發(fā)育有一定的促進作用[34]。但重金屬元素含量過高，不僅會對玉米自身生長造成危害，若在籽實中殘留，會通過食物鏈進入人體，對人體造成危害。依據《中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準NY861-2004》，對玉米籽實中重金屬元素的含量進行評價，As、Cd、Cr、Cu、Zn的含量全部在限量之內，符合標準。

表11 玉米籽實重金屬元素綜合污染指數統(tǒng)計表

注：A代表該種重金屬元素綜合污染指數；B代表樣點超標個數

Note:A shows the compre hensive pollution index of the heavy metal element.B shows the excessive sample amounts.

3 結論

通過上述研究，本文得出以下結論：

1、六種重金屬元素的含量均與背景值存在著極顯著的差異。As、Cd、Cr、Cu、Ni的平均含量均高于吉林省表層土壤背景值，而Zn的平均含量低于吉林省表層土壤背景值。六種重金屬元素在研究區(qū)均未出現累積。在區(qū)域分異上，As、Cr、Cu、Ni、Zn元素屬于弱分異型，Cd元素屬于中等分異型。

2、As、Cd元素以公主嶺-梨樹地區(qū)含量最高，Cr、Ni、Zn元素以榆樹-松原地區(qū)含量最高，Cu元素含量以九臺-德惠地區(qū)含量最高。As、Cd、Cr、Cu、Zn元素的有效態(tài)含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高，Ni元素有效態(tài)含量以榆樹-松原地區(qū)最高。玉米籽實中Cd、Cr、Cu、Ni元素含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高，Zn元素含量以榆樹-松原地區(qū)最高。

3、研究區(qū)沒有As、Cr 、Cu 、Ni、Zn元素的外來污染源。Cd元素的表層富集趨勢可能是使用化肥所致。

4、吉林黑土區(qū)土壤環(huán)境質量非常好，處于Ⅰ級水平，十分安全。玉米籽實中的重金屬元素含量均未超標。

[1] 陳文德，彭培好，李賢偉，等.巖-土-植系統(tǒng)中重金屬元素的遷移轉化規(guī)律[J].土壤通報，2009，40(2)：369-373

[2]李海華，劉建武，李樹人，等.土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染及作物富集研究進展[J].河南農業(yè)大學學報,2000,34(1):30-34

[3]趙志忠，唐少霞，趙廣孺，等.海南島西部農用地土壤中重金屬元素分布特征及其環(huán)境意義[J].科學研究，2010(16):387-392

[4]何真毅.四川仁壽優(yōu)產糧棉區(qū)土壤地球化學研究[J].地質與勘探，2000，35(3):71-74

[5]龐緒貴，姜相洪，李建華，等.濟南-濟陽地區(qū)土壤地球化學特征[J].物探與化探，2004,28(3)：253-256

[6]王恒旭，王文成，胡永華，等.杞縣大蒜產區(qū)土壤及大蒜中營養(yǎng)元素化學特征研究[J].安徽農業(yè)科學，2006,34(6)：1179-1181

[7]劉 霞，劉樹慶，孫志梅，等.板栗土壤中營養(yǎng)元素化學特征[J].水土保持學報，2009,23(5)：253-257

[8]周國華，朱立新，任天祥，等.龍井茶生長環(huán)境的地球化學研究[J].物探與化探，1994,19(4)：263-270

[9]苗 莉，徐瑞松，朱照宇，等.河臺金礦礦山土壤-植物系統(tǒng)微量元素地球化學和生物地球化學[J].地球與環(huán)境，2008,36(1)：64-71

[10]佟寶輝，張忠慶，趙立剛.吉林省中部黑土區(qū)土壤微量元素分布及空間變異特征研究[J].安徽農業(yè)科學，2012，40(14):8143-8146

[11]唐兆宏，劉 霞，劉樹慶，等.栗葉栗果與土壤中微量元素形態(tài)關系研究[J].安徽農業(yè)科學，2011，39(1):151-153

[12]朱 鑫，竇 磊，黎旭榮.影響四會沙塘桔生長及果實品質的地球化學特征[J].地質學刊，2010，34(2):162-167

[13]李德勝，楊忠芳，靳職斌，等.太原盆地土壤微量元素的地球化學特征[J].地質與勘探，2004，40(3):86-89

[14]陳振民.環(huán)境本底值背景值基線值概念的商榷[J].河南地質，2000(2):158-160

[15]施 憲，王冬艷，李月芬，等.吉林西部錳、鉬元素地球化學特征[J].世界地質，2010，29(2)257-261

[16]郭笑笑，劉叢強，朱兆洲，等.土壤重金屬污染評價方法[J].生態(tài)學雜志，2011,30(5):889-896

[17]沈萬斌，尚 穎，王 野，等.榆樹市土壤元素地球化學特征及環(huán)境質量評價[J].環(huán)境保護科學，2012，38(3):95-98

[18]于成廣，楊曉波，凌 爽，等.遼河流域花生產區(qū)土壤地球化學特征分析與評價[J].地質調查與研究，2009，33(3)187-193

[19]中華人民共和國農業(yè)部.綠色食品產地環(huán)境質量標準(NY/T391-2000)[S].北京：中華人民共和國農業(yè)部，2000

[20]中華人民共和國農業(yè)部.土壤環(huán)境質量標準(GB15618-1995)[S].北京：中華人民共和國農業(yè)部，1995

[21]胡省英，冉韋彥，范宏瑞，等.土壤-作物系統(tǒng)中重金屬元素的地球化學行為[J].地質與勘探，2003，39(5)84-87

[22]李典友.土壤中砷的含量、遷移轉化及其生物效應[J].六安師專學報，1996(1)66-73

[23]張民，龔子同.我國菜園土壤中某些重金屬元素的含量與分布[J].土壤學報，1996(1)85-93

[24]張學詢，吳燕玉，陳 濤，等.張士灌區(qū)鎘、鉛等重金屬遷移分布規(guī)律及其治理途徑[J].環(huán)境科學1982,3(6)7-10

[25]王恒旭，王文成，胡永華，等.杞縣大蒜產區(qū)土壤及大蒜中營養(yǎng)元素化學特征研究[J].安徽農業(yè)科學，2006,34(6):1179-1181

[26]于君寶，王金達，劉景雙.典型黑土PH值變化對微量元素有效態(tài)含量的影響研究[J].水土保持學報，2002(2)：93-95

[27]李澤鴻，趙蘭坡，楊志超.吉林省中部不同亞類、不同母質黑土中銅、鋅的分布規(guī)律[J].吉林農業(yè)科學，2003(2):28-31

[28]張立新，馮 君，楊志超.吉林中部黑土中微量元素分異規(guī)律的研究[J].吉林農業(yè)大學學報，1998(3):54-56

[29]余國營，吳燕玉.土壤環(huán)境中重金屬元素的相互作用及其對吸持特性的影響[J].環(huán)境化學，1997,16(1):30-36

[30]陳 濤，吳燕玉，張學詢，等.張士灌區(qū)鎘土改良和水稻鎘污染防治研究[J].環(huán)境科學，1980(5):7-11

[31]中科院生態(tài)環(huán)境組.重金屬污染對生態(tài)環(huán)境的影響[J].環(huán)境科學，1979(3):64-68

[32]陳國斌.土壤溶液中的砷及其與水稻生長效應的關系[J].生態(tài)學報，1996，16(2):147-152

[33]郭 靚，黎云祥，楊小寧，等.微量重金屬元素對玉米生長影響的研究進展[J].資源開發(fā)與市場，2008,24(7):636-640

[34]中華人民共和國農業(yè)部.糧食含谷物、豆類、薯類，及出口中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量(NY861-2004)[S].北京：中華人民共和國農業(yè)部，2005