陳 浩,吉力力·阿不都外力,劉 文,陳 京

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

?

博爾塔拉河沿岸土壤重金屬含量特征與有機(jī)質(zhì)、pH值的關(guān)系

陳 浩1,吉力力·阿不都外力2,劉 文2,陳 京2

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

以博爾塔拉河沿岸表層土壤中重金屬As，Cd，Ni，Cr，Pb與有機(jī)質(zhì)及pH為研究對(duì)象，并對(duì)它們之間關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土壤中5種重金屬元素As，Cd，Ni，Cr，Pb平均含量分別為22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg。土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為27 431 mg/kg。土壤pH值為6.5～7.5，平均值為6.94。研究區(qū)土壤性質(zhì)與土壤重金屬含量間關(guān)系復(fù)雜：有機(jī)質(zhì)含量與As，Cd，Cr，Pb含量呈顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)易與重金屬離子形成絡(luò)合物，從而降低重金屬離子活性，導(dǎo)致土壤重金屬含量增加；pH值與As，Cd，Pb含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，隨pH值增大，有效態(tài)As、有效態(tài)Cd和有效態(tài)Pb在土壤中含量明顯減少。通過(guò)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、pH與重金屬含量的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、pH是影響土壤重金屬含量的重要因素。

重金屬; 有機(jī)質(zhì); pH值; 相關(guān)性; 博爾塔拉河

近年來(lái)，隨著工業(yè)化與城市化的發(fā)展，土壤重金屬含量日益增加超過(guò)土壤背景值，引起越來(lái)越多的人們對(duì)土壤污染的關(guān)注[1-2]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、難降解和易被富集等特點(diǎn)，能夠在土壤中長(zhǎng)時(shí)間累積[3]。土壤重金屬被農(nóng)作物吸收進(jìn)而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，最終通過(guò)生物富集作用危害人類身體健康[4]。因此，開展土壤重金屬積累規(guī)律及其影響因素的研究，不僅能夠闡明重金屬在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，而且能夠?yàn)楫?dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

本文在調(diào)查博爾塔拉河沿岸土壤中有機(jī)質(zhì)含量、pH值及5種重金屬含量的基礎(chǔ)上，研究博爾塔拉河沿岸土壤5種重金屬的污染現(xiàn)狀。以往研究[5-6]表明土壤酸堿度和有機(jī)質(zhì)含量是控制重金屬化學(xué)行為的重要因素，分析土壤重金屬與有機(jī)質(zhì)含量及pH值之間的關(guān)系，對(duì)當(dāng)?shù)氐耐恋亻_發(fā)與建設(shè)以及污染防治具有重要的指導(dǎo)意義。

1　材料與方法

1.1取 樣

博爾塔拉河位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，在博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)，地理位置為79°53′—83°53′E，44°0′—45°23′N[7]。河流發(fā)源于博羅科努山洪別林達(dá)板，全長(zhǎng)252 km，向東流經(jīng)溫泉縣、博樂(lè)市，在精河境內(nèi)接納大河沿子河，后注入艾比湖，流域面積11 367 km2[8]。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行野外實(shí)地考察，沿博爾塔拉河河岸共設(shè)置15個(gè)土壤采樣點(diǎn)(圖1)，并用GPS標(biāo)記采樣點(diǎn)位置。在每個(gè)采樣點(diǎn)取表層土壤(0—20 cm)，采集3個(gè)土樣并混合成1個(gè)樣品，每個(gè)土樣均剔除明顯的植物根莖和枝葉等雜質(zhì)，然后用密封袋裝好，并對(duì)所有樣品進(jìn)行編號(hào)，帶回中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所理化測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)定。

圖1　采樣點(diǎn)分布

1.2試驗(yàn)方法

土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，然后過(guò)200目尼龍篩，存儲(chǔ)備用。對(duì)樣品進(jìn)行濃HNO3-HClO4-HF混合液加熱消解處理，對(duì)As采用原子熒光法測(cè)定，Cd采用石墨爐(GF-990)原子吸收法測(cè)定，Ni，Cr，Pb采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定。該方法得到的分析結(jié)果滿足《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[9]的要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品的回收率可以達(dá)到84%～98%，說(shuō)明該方法比較可靠，相對(duì)誤差較小，所得的結(jié)果能反映土壤重金屬含量的實(shí)際情況。土壤pH值的測(cè)定采用電位法，有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法，具體方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[10]。

2　結(jié)果與分析

2.1博爾塔拉河沿岸土壤重金屬統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)土樣中重金屬含量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。研究表明：研究區(qū)表層土壤中5種重金屬As，Cr，Ni，Cd，Pb的含量分別為1.72～60.34，10.98～77.01，16.47～41.2，0.19～1.02，7.26～69.35 mg/kg。平均含量分別為22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg，土壤中5種重金屬元素平均含量大小順序?yàn)镃r>Pb>Ni>As>Cd。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995》[11]，表層土壤中5種重金屬平均含量均未超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。但是，參照全國(guó)土壤元素背景值[12]，研究區(qū)土壤中5種重金屬平均含量均超過(guò)新疆土壤背景值。樣本的變異系數(shù)是衡量樣本資料中各觀測(cè)值變異程度的重要統(tǒng)計(jì)量[13]，從變異系數(shù)來(lái)看，所有樣點(diǎn)重金屬變異系數(shù)均為10%～80%，屬于中等變異。其中變異系數(shù)最大的重金屬離子是As，為73.26%，說(shuō)明As含量離散程度較大。Ni變異系數(shù)最小，為23.43%，說(shuō)明在土壤中的含量相對(duì)穩(wěn)定。

利用Origin軟件做出重金屬含量空間分布圖(圖2)可得，沿岸各采樣點(diǎn)的重金屬含量分布呈波折多峰型特征。樣點(diǎn)S1，S2，S3，S4中As含量超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)30 mg/kg。As含量最高值出現(xiàn)在上游S4點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在中游S10點(diǎn)；Cr含量最高值出現(xiàn)在上游S1點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在下游S12點(diǎn)；Ni含量最高值出現(xiàn)在上游S1點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在中游S10點(diǎn)。以上3種元素最高值出現(xiàn)在博爾塔拉河上游，說(shuō)明土壤中As，Cr，Pb含量主要受控于自然背景和成土母質(zhì)[14]。樣點(diǎn)S4，S13中Cd含量超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.6 mg/kg。Cd含量最高值出現(xiàn)在上游S4點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在中游S9點(diǎn)；Pb含量最高值出現(xiàn)在上游S4點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在下游S12點(diǎn)。

2.2博爾塔拉河沿岸土壤有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征

土壤有機(jī)質(zhì)基本統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。對(duì)15個(gè)不同樣點(diǎn)表層土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，博爾塔拉河沿岸表層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為27 431 mg/kg。其中最大值是S5點(diǎn)，為44 082 mg/kg，最小值點(diǎn)是S15點(diǎn)，為20 280 mg/kg。利用Excel軟件繪制不同樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量分布條形圖(圖3)可得，研究區(qū)樣本有機(jī)質(zhì)較高的有S5>S4>S2>S7>S3>30 g/kg。參照我國(guó)第二次土壤普查[15]，樣品中S1，S6，S8，S9，S10，S11，S12，S13，S14，S15有機(jī)質(zhì)含量均介于20～30 g/kg，在土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)表中歸于第三級(jí)(20～30 g/kg)；樣品中S2，S3，S7有機(jī)質(zhì)含量均介于30～40 g/kg，歸于第二級(jí)；S4，S5在土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)表中歸于第一級(jí)(>40 g/kg)。從表1中還可以看出，表層土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)為28%，較小，說(shuō)明博爾塔拉河沿岸表層土壤有機(jī)質(zhì)含量比較穩(wěn)定。

表1　土壤重金屬、有機(jī)質(zhì)及pH基本統(tǒng)計(jì)量(N=15)　mg/kg

圖2　博爾塔拉河沿岸土壤重金屬分布

2.3博爾塔拉河沿岸土壤pH值統(tǒng)計(jì)特征

土壤pH值是土壤重要的理化參數(shù)，對(duì)土壤微量元素的有效性和肥力有重要影響[16]。對(duì)博爾塔拉河沿岸15個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品pH值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明：樣點(diǎn)的pH值均為6.5～7.5。土壤pH值平均值為6.94；最大值是S10點(diǎn)，pH值為7.29；最小值點(diǎn)為S5點(diǎn)，pH值為6.60。區(qū)域內(nèi)pH值的變化值為0.69，變異系數(shù)為3%，較小。說(shuō)明博爾塔拉河沿岸土壤pH值波動(dòng)性小，酸堿度差異性較小。

圖3　博爾塔拉河沿岸采樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量

2.4博爾塔拉河沿岸土壤不同重金屬含量與有機(jī)質(zhì)、pH值之間的關(guān)系

土壤有機(jī)質(zhì)和pH值是土壤重要理化性質(zhì)，分析其與重金屬之間的相關(guān)性不僅能夠解釋各形態(tài)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[17]，而且可以為博爾塔拉河沿岸土地開發(fā)及污染防治提供科學(xué)依據(jù)。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)不同重金屬含量以及有機(jī)質(zhì)、pH值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　土壤重金屬含量與土壤有機(jī)質(zhì)和pH值的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

由表2可知，土壤的有機(jī)質(zhì)含量與不同重金屬含量呈正相關(guān)，與As，Cd含量在0.01水平上達(dá)到顯著相關(guān)，與Cr，Pb含量在0.05水平上達(dá)到顯著相關(guān)。表明土壤中Cd，Cr，Pb含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，這一結(jié)果可能是由以下原因造成[18-19]：土壤有機(jī)質(zhì)易與重金屬離子形成絡(luò)合物而降低了重金屬離子的生物有效性和移動(dòng)性，從而使重金屬離子活性極大的降低，導(dǎo)致土壤中重金屬含量增加。楊西飛[20]對(duì)稻田重金屬污染的研究表明：在弱酸性條件下，水溶態(tài)重金屬離子活性更強(qiáng)，更容易被植物吸收和富集。但是，文章在做pH值與重金屬含量的相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn)，由表2所得的土壤pH值與As，Cd，Pb含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，似乎與前人的研究相悖。張江華等[21]對(duì)土壤Pb和Cd生物有效性的影響因素研究表明，pH對(duì)Cd和Pb離子活性的影響主要表現(xiàn)為：隨著土壤pH值增大，有效態(tài)Cd(水溶態(tài)+離子交換態(tài)+腐殖酸態(tài)+強(qiáng)有機(jī)態(tài))與有效態(tài)Pb(水溶態(tài)+離子交換態(tài)+腐殖酸態(tài)+強(qiáng)有機(jī)態(tài))在土壤中的含量明顯減少。這也就解釋了本文中土壤pH值與Cd，Pb總含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)這一現(xiàn)象。

3　結(jié) 論

(1)博爾塔拉河沿岸表層土壤屬于中性土壤，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為27 431 mg/kg。樣品中S2，S3，S7有機(jī)質(zhì)含量在土壤有機(jī)質(zhì)分級(jí)表中處于第二級(jí)；S4，S5土壤有機(jī)質(zhì)含量在土壤有機(jī)質(zhì)分級(jí)表中處于第一級(jí)；其他多數(shù)樣點(diǎn)中有機(jī)質(zhì)含量在土壤有機(jī)質(zhì)分級(jí)表中處于第三級(jí)。

(2)土壤中5種重金屬元素As，Cd，Ni，Cr，Pb平均含量分別為22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg，平均含量大小順序?yàn)镃r>Pb>Ni>As>Cd。研究區(qū)表層土壤中5種重金屬平均含量均未超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但平均含量均超過(guò)新疆土壤背景值。重金屬As有4個(gè)點(diǎn)含量超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，重金屬Cd有2個(gè)點(diǎn)含量超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，屬中等變異強(qiáng)度。

(3)土壤有機(jī)質(zhì)含量與不同重金屬含量呈正相關(guān)，與As，Cd，Cr，Pb含量顯著相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與重金屬離子形成絡(luò)合物，從而使重金屬離子活性降低，導(dǎo)致土壤中重金屬含量增加；pH值與As，Cd，Pb含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著pH值增大，有效態(tài)As、有效態(tài)Cd和有效態(tài)Pb在土壤中含量明顯減少。通過(guò)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、pH值與重金屬含量關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、pH值是影響土壤重金屬含量的重要因素。

[1]趙慶齡,路文如.土壤重金屬污染研究回顧與展望:基于webofscience數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)計(jì)量分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(6):105-111.

[2]宋偉,陳百明,劉琳.中國(guó)耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究,2013,20(2):293-298.

[3]蔡立梅,馬瑾,周永章,等.東莞市農(nóng)業(yè)土壤重金屬的空間分布特征及來(lái)源解析[J].環(huán)境科學(xué),2008(12):3496-3502.

[4]李元.環(huán)境生態(tài)學(xué)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[5]殷麗萍,張博,李昂,等.土壤酸堿度對(duì)重金屬在土壤中行為的影響[J].遼寧化工,2014(7):865-867.

[6]孫花,譚長(zhǎng)銀,黃道友,等.土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤重金屬積累、有效性及形態(tài)的影響[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(4):82-87.

[7]朱永生,張莉萍.博爾塔拉河流域水文水資源分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010(7):295-296.

[8]王凱博.博河、精河流域防洪減災(zāi)對(duì)策探討[J].水土保持研究,2004,11(3):260-264.

[9]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范HJ/T166—2004[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2004.

[10]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[11]國(guó)家環(huán)?？偩挚萍紭?biāo)準(zhǔn)司.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

[12]中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.中國(guó)土壤元素背景值[M].北京:中國(guó)科學(xué)出版社,1990.

[13]吳媚,顧賽賽.變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)推斷及其應(yīng)用[J].銅仁學(xué)院學(xué)報(bào),2010,12(1):139-141.

[14]陳雪龍,齊艷萍,吳海燕,等.大慶龍鳳濕地土壤重金屬空間分布特征[J].水土保持研究,2013,20(4):141-144.

[15]唐近春.全國(guó)第二次土壤普查與土壤肥料科學(xué)的發(fā)展[J].土壤學(xué)報(bào),1989,26(3):234-240.

[16]奚旦立,孫裕生.環(huán)境監(jiān)測(cè)[M].北京:高等教育出版社,2010.

[17]李福燕,李許明,吳鵬飛,等.海南省農(nóng)用地土壤重金屬含量與土壤有機(jī)質(zhì)及pH的相關(guān)性[J].土壤,2009,41(1):49-53.

[18]吳曼.土壤性質(zhì)對(duì)重金屬鉛鎘穩(wěn)定化過(guò)程的影響研究[D].山東青島:青島大學(xué),2011.

[19]陳嶺嘯,宋垠光,袁旭音,等.長(zhǎng)江三角洲典型地區(qū)土壤—水稻系統(tǒng)中Cd的分布及其遷移制約因素[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,33(3):288-295.

[20]楊西飛.銅陵礦區(qū)農(nóng)田土壤及水稻的重金屬污染現(xiàn)狀研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[21]張江華,王葵穎,李皓,等.陜西潼關(guān)金礦區(qū)土壤Pb和Cd生物有效性的影響因素及其意義[J].地質(zhì)通報(bào),2014,33(8):1188-1195.

Correlation Between Heavy Metals Organic Matter， pH Value in the Soils Along the Bortala River

CHEN Hao1,Jilili·Abuduwaili2,LIU Wen2,CHEN Jing2

(1.College of Resource and Environment Sciences,Xinjiang University,Urumqi 830046,China; 2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China)

As,Cd,Ni,Cr,Pb,organic matter and pH were monitored in the surface soil of the Bortala River.The correlation of five kinds of heavy metals: As， Cd， Ni， Cr， Pb in surface soil in the studied area and the soil organic matter and pH value was analyzed.The results show that average contents of 5 kinds of soil heavy metals such as As,Cd,Ni,Cr,Pb were 22.37,52.52,27.50,0.48， 28.92 mg/kg， respectively,the average soil organic matter content along the Bortala River is 27 431 mg/kg.Soil pH value range from 6.5 to 7.5,with an average of 6.94.The correlation between soil properties and heavy metal contents in the study area is complex: Organic matter content is significantly correlated with contents of As,Cr,Cd and Pb.Organic matter is easy to form a complex with heavy metal ions,thereby reducing the heavy metal ion activity,resulting in increased heavy metal contents in soil.pH value show a negative correlation with the contents of As,Cd,Pb.With the increase of pH value,the contents of available As，Cd and content of available Pb in soil significantly reduced.By analyzing the correlation between soil organic matter,pH and heavy metals,it was found that soil organic matter and pH are the important factors affecting soil heavy metal contents.

heavy metal; organic matter; pH value; correlation; Bortala River

2015-09-21

2015-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471098;41501221)

陳浩(1988—),男,河南漯河人,碩士研究生,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)湖泊資源與環(huán)境。E-mail:chhjkx@sina.com

吉力力·阿不都外力(1964—),男(維吾爾族),新疆拜城縣人,研究員,博士,主要從事地理生態(tài)學(xué)研究。E-mail:jilil@ms.xjb.ac.cn

X53

A

1005-3409(2016)05-0210-04