彭志帆

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020 )

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內(nèi)蒙古河套甜瓜種植區(qū)根系土生態(tài)地球化學(xué)特征

彭志帆

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020 )

摘要[目的]研究甜瓜種植區(qū)根系土的生態(tài)地球化學(xué)特征和立地地球化學(xué)條件，評(píng)價(jià)河套地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，為該地區(qū)甜瓜種植提供科學(xué)依據(jù)。[方法]采集河套地區(qū)甜瓜主要種植區(qū)根系土樣品和犁底層樣品并分析其中的重金屬元素含量，通過與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)對(duì)比，確定根系土中重金屬元素是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。[結(jié)果]根系土中重金屬元素在黃河退水區(qū)含量最高，鹽土次之，栗褐土中最小。后套地區(qū)中上游灌淤土中有害元素As、Cd、Hg、F、Pb在地表根系土表現(xiàn)為富集特征，垂直方向上具有一定的分帶性；微量元素Cu、Zn，有益元素P、K2O、CaO、MgO、Se表現(xiàn)為貧化；在黃河退水區(qū)烏梁素海一帶灌淤土中，有害元素As、Cd在地表根系土中明顯富集，其他元素貧化或接近背景值；在犁底層土壤中，無論是有益組分還是有害組分均呈富集特征。[結(jié)論]河套地區(qū)立地地球化學(xué)條件優(yōu)秀，種植的甜瓜重金屬元素符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞根系土；灌淤土；鹽土；生態(tài)地球化學(xué)特征

內(nèi)蒙古河套地區(qū)是甜瓜的主要種植區(qū)，甜瓜種植已成為河套地區(qū)農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，由重金屬引起的土壤和農(nóng)作物污染問題日益嚴(yán)重，農(nóng)作物直接參與食物鏈循環(huán)，因此，重金屬在農(nóng)作物中的含量過高勢(shì)必影響人類健康與生態(tài)安全[1-2]。

根系土是賦存在地表0～20 cm耕作層的土壤，是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ)。根系土土壤環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響甜瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)。重金屬是土壤環(huán)境中廣泛分布的具有潛在危害的元素，在環(huán)境中不會(huì)降解、消失，污染作用具有隱蔽性和滯后性。近年來，結(jié)合土地開發(fā)利用的土地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)以及農(nóng)業(yè)地質(zhì)項(xiàng)目中的生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查等研究，對(duì)土壤重金屬污染問題均有所涉及[3]。筆者分析了內(nèi)蒙古河套甜瓜種植區(qū)根系土中重金屬元素含量以及不同農(nóng)作物對(duì)重金屬元素的吸附情況，以期可為土壤污染治理、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等提供科學(xué)依據(jù)[4]。

1材料與方法

1.1樣品采集在研究區(qū)內(nèi)采集93件根系土樣品、6條犁底層垂直剖面樣品。①根系土采集：將植物根系上的土用不銹鋼鐵鍬進(jìn)行采集，樣品重量300 g，考慮到樣品的代表性，在采樣點(diǎn)周圍連續(xù)采集3～5株植物樣品，根系土也實(shí)行多點(diǎn)等重量組合。②犁底層垂直剖面樣品采集：垂直剖面按照土壤在垂直方向上巖性的變化特征分層取樣，一般在垂直方向上每隔50 cm左右取樣，對(duì)于同一層土壤厚度較大的從頂板到底板采用連續(xù)取樣組合成一個(gè)樣品。

1.2測(cè)定項(xiàng)目與方法根系土測(cè)定項(xiàng)目包括Na、K、Mg、Ca、B、Fe、Mn、Cr、Cu、Zn、Mo、F、As、Se、Cd、Hg、Pb。As、Hg采用原子熒光光譜法(AFS)測(cè)定；B、Mg、Fe、Cd、Cr、Cu、Mo、Pb、Zn等元素采用等離子體質(zhì)普法(ICP-MS)測(cè)定 ；F采用離子選擇性電極(ISE)測(cè)定；Mn、K采用等離子體光譜法(ICP-OES)測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1根系土土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中的Ⅱ級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)(表1)，對(duì)根系土土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照不同土壤類型分別研究(表2)。從表1、2可以看出，污染元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均低于國(guó)家Ⅱ級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)值(pH>7.5)，為綠色土壤，說明甜瓜種植區(qū)的灌淤土、潮土、鹽土、栗褐土中重金屬元素的立地地球化學(xué)條件優(yōu)秀。

2.2根系土元素分布特征從表2可以看出，As在栗褐土中的含量最低，平均值為10.05 μg/g，在黃河下游退水區(qū)(烏梁素海一帶)灌淤土中含量最高，平均值為17.50 μg/g。總體含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河上游灌淤土、黃河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

表1　土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值

表2　不同土壤類型特征值

Cd在栗褐土中的含量最低，平均值為106.36 ng/g，在黃河下游灌淤土中含量最高，平均值為213.00 ng/g?？傮w含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河上游灌淤土、黃河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

Cr在栗褐土中含量最低，平均值為61.22 μg/g，在黃河下游灌淤土中含量最高，平均值為84.40 μg/g。總體含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河中游灌淤土、黃河上游灌淤土、潮土、栗褐土。

Cu在栗褐土中含量最低，平均值為19.11 μg/g，在黃河下游灌淤土含量最高，平均值為31.98 μg/g?？傮w含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河中游灌淤土、潮土、黃河上游灌淤土、栗褐土。

Hg在栗褐土中含量最低，平均值為19.20 ng/g，在黃河中游灌淤土中含量最高，平均值為35.22 ng/g?？傮w含量由高到低依次為黃河中游灌淤土、鹽土、黃河下游灌淤土、潮土、黃河上游灌淤土、栗褐土。

Ni在栗褐土中含量最低，平均值為26.01 μg/g，在黃河下游灌淤土中含量最高，平均值為38.01 μg/g?？傮w含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河上游灌淤土、潮土、黃河中游灌淤土、栗褐土。

Pb在栗褐土中含量最低，平均值為19.40 μg/g，在黃河下游灌淤土中含量最高，平均值為25.58 μg/g?？傮w含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河上游灌淤土、黃河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

Zn在栗褐土中含量最低，平均值為55.44 μg/g，在黃河下游灌淤土中含量最高，平均值為90.37 μg/g。總體含量由高到低依次為黃河下游灌淤土、鹽土、黃河上游灌淤土、黃河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

由此可知，所有元素基本具有一致性的特征,重金屬元素在黃河退水區(qū)含量最高，鹽土次之。鹽土和退水區(qū)灌淤土以黏土和粉砂質(zhì)黏土為主，黏性土壤對(duì)重金屬元素吸附性非常強(qiáng)。栗褐土屬于砂性土壤，對(duì)重金屬元素吸收性較弱，形成了低含量帶。

2.3甜瓜根系土、淋濾土、犁底土元素分布特征在甜瓜種植區(qū)布置了4條土壤垂直剖面，對(duì)土壤中的As、Cd、Hg、F、Pb、Cu、Cr、Zn、N、P、K、Ca、Mg、Se等元素在垂直方向上的變化特征進(jìn)行分析。采用富集系數(shù)(X)進(jìn)行評(píng)價(jià),當(dāng)X>1時(shí)，相對(duì)于下層土壤富集；X<1時(shí)，相對(duì)于下層土壤貧乏。

X1=根系土/淋濾土

X2=淋濾土/犁底土

2.3.1黃河上游磴口一帶灌淤土。從表3可以看出，有害元素As、Hg、F、Pb，有益元素K2O在根系土中明顯富集，至淋濾層、犁底層含量逐漸降低，垂直方向上具有分帶性；有害元素Cd，微量元素Cu、Zn，有益元素P、CaO、MgO在淋濾層中明顯富集，說明這些元素由于地表水的淋濾以及土壤的吸附在該層次生富集；有害元素Cr、有益元素Se在犁底層含量偏高，說明與成土母質(zhì)有一定的關(guān)系。

表3　黃河上游灌淤土元素富集系數(shù)

2.3.2黃河中游一帶的灌淤土。從表4可以看出，有害元素As、Cd、Hg、F、Pb，微量元素Cu、Zn，有益元素P、Se在表層根系土中明顯富集，這是由于黃河水由上游向下游灌溉過程中，土壤顆粒由粗逐漸變細(xì)，砂土變?yōu)轲ね粒ね恋膹?qiáng)吸附所致，同時(shí)也受山前沖積扇物質(zhì)來源的影響。Cd、P在垂直方向上具有一定的分帶性；As、Cu、Hg、F、Pb、Zn、Se犁底土明顯高于淋濾土，說明該層土壤與淋濾層相比，更具有吸附性，黏性較大，在淋濾層并無次生富集，也可能與地下水的活動(dòng)有關(guān)；有益組分K2O、CaO、MgO在淋濾層明顯富集，這些元素是造巖元素，對(duì)土壤的成土母質(zhì)具有一定的繼承性，在堿性環(huán)境下很難溶解，以穩(wěn)定的礦物存在于土壤淋濾層中。

表4　黃河中游灌淤土元素富集系數(shù)

2.3.3黃河退水區(qū)灌淤土。從表5可以看出，無論是有益組分還是有害組分，犁底土元素的含量普遍高于根系土元素的含量尤其是重金屬元素最明顯。說明退水區(qū)一帶灌淤土的犁底土中黏土成分較多，同時(shí)在退水渠根系土中大多數(shù)元素含量也高于其他地區(qū)，是黃河沉積物向東粒級(jí)變細(xì)的特征。犁底土含量高于上層土壤，是表層農(nóng)作物對(duì)根系土中元素的吸收造成根系土中大多數(shù)元素含量降低的結(jié)果。

表5　黃河退水區(qū)灌淤土元素富集系數(shù)

2.3.4大黑河流域中游潮土。從表6可以看出，有害元素Cd、F、Cr，有益元素N、P、K2O、MgO、Se在表層根系土中明顯富集，其中，Cd、F、Cr、N、P、K2O、MgO、Se在垂直方向上具有明顯的分帶性。說明這些元素受外部環(huán)境影響較大，尤其是N、P、K2O的富集與人工施肥密切相關(guān)。Hg在淋濾層富集，與土壤的次生富集有關(guān)。F在大黑河流域中游表層土壤中明顯富集，而該區(qū)與F有關(guān)的工業(yè)活動(dòng)較少，應(yīng)該是施用含F(xiàn)高的化肥造成表層F含量升高所致。

表6　大黑河流域中游潮土元素富集系數(shù)

2.3.5大黑河流域下游潮土。從表7可以看出，有害元素F、Cd、Pb，微量元素Cu、Cr、Zn呈在根系土和梨底土中貧化、淋濾土中富集的特征,反映了這些元素在淋濾土中具有次生富集的特征。上述元素在根系土中的缺失還有一部分是被甜瓜吸收。有益元素MgO、Se、P、CaO和有害元素Hg在根系土中表現(xiàn)為明顯富集特征，與河套地區(qū)表層環(huán)境以及人類活動(dòng)有關(guān)。MgO、CaO是河套地區(qū)堿性土壤的特征元素，易于遷移的化學(xué)性質(zhì)使其在中下游富集。P在表層富集是化肥施加的結(jié)果，Se、Hg是燃煤等人類活動(dòng)造成表層富集。

表7　大黑河流域下游潮土元素富集系數(shù)

2.3.6大黑河流域上游潮土。從表8可以看出，在地表根系土中F明顯富集，P相對(duì)富集、As、Pb弱富集，Cd、Hg呈貧化特征；微量元素Cu、Cr、Zn，有益元素K2O、MgO、Se在根系土中略富集。F在該區(qū)表層土明顯富集，也與施用含F(xiàn)高的化肥有關(guān)。P在表層明顯富集，與施用化肥有關(guān)。

表8　大黑河流域上游潮土元素富集系數(shù)

3結(jié)論與討論

該研究結(jié)果表明，與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)對(duì)比，甜瓜種植區(qū)根系土中重金屬元素符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，立地地球化學(xué)條件優(yōu)秀。根系土中重金屬元素在黃河退水區(qū)含量最高，鹽土次之，栗褐土中最低。后套地區(qū)中上游灌淤土中有害元素As、Cd、Hg、F、Pb在地表表現(xiàn)為富集特征，垂直方向上具有一定的分帶性；微量元素Cu、Zn，有益元素P、K2O、CaO、MgO、Se表現(xiàn)為貧化；在黃河退水區(qū)烏梁素海一帶灌淤土中，有害元素As、Cd在地表根系土中明顯富集，其他元素貧化或接近背景值；在犁底層土壤中，無論是有益組分還是有害組分均呈富集特征。該研究結(jié)果可為河套地區(qū)甜瓜種植提供科學(xué)依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介彭志帆(1981- )，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，從事水文地質(zhì)方面的研究。

收稿日期2016-04-22

中圖分類號(hào)S 158.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-155-04

Eco-geochemical Characteristics of Muskmelon Root Soil in Planting Region of Hetao Irrigation Area of Inner Mongolia

PENG Zhi-fan

(Inner Mongolia Geological Environment Monitoring, Hohhot, Inner Mongolia 010020)

Abstract[Objective] To evaluate the eco-geochemical characteristics and geochemistry conditions of root soil in muskmelon planting area, to evaluate the soil environment quality in Hetao Irrigation Area, and to provide scientific basis for the muskmelon planting in this area. [Method] root system soil sample and plow pan sample were collected from the main muskmelon planting area in Hetao Irrigation Area, so as to analyze the contents of heavy metal elements. By comparing with the Soil Environmental Quality Standard (GB15618-1995), we determined whether the heavy metal elements in root system accorded with national standard. [Result] Heavy metal elements in root system soil had the maximum content in recession flow area of Yellow River, followed with saline soil. The content of heavy metal elements in chestnut-brown soil was the minimum. Harmful elements As, Cd, Hg, F and Pb in anthropogenic-alluvial soil of upper and middle reaches of Hetao Irrigation Area showed enrichment characteristics in earth surface, with a certain zonation in vertical direction. Trace elements Cu and Zn and beneficial elements P, K2O, CaO, MgO and Se showed depletion. In anthropogenic-alluvial soil of Ulansuhai Nu recession flow area of Yellow River, harmful elements As and Cd showed significant enrichment in root system soil of earth surface; while other elements showed depletion or was nearly background value. In soil of plow pan, both beneficial component and harmful component showed enrichment characteristics. [Conclusion] Hetao Irrigation Area has idea geochemical conditions; and the heavy metal elements in muskmelon planted in this area accord with the standard of national food and health standard.

Key wordsRoot system soil; Anthropogenic-alluvial soil; Saline soil; Eco-geochemical characteristics