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        興凱湖地區(qū)不同土地利用方式下土壤重金屬污染情況及潛在生態(tài)風(fēng)險

        2020-06-21 15:35:06石蘭英田新民
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年9期

        石蘭英 田新民

        關(guān)鍵詞:興凱湖地區(qū);土壤;重金屬;生態(tài)風(fēng)險;沼澤;旱田;水田

        興凱湖國家級自然保護(hù)區(qū)是黑龍江省最大的自然保護(hù)區(qū)以及三江平原典型沼澤濕地集中分布區(qū),也是我國商品糧后備基地與黑龍江省綠色食品產(chǎn)業(yè)區(qū)[1-2]。該地區(qū)原為森林、草甸和沼澤為主的天然濕地,由于近60年的大面積墾殖,使得農(nóng)田成為該地區(qū)主要的景觀類型。此外,農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械化加強(qiáng)、區(qū)域交通發(fā)展和旅游資源開發(fā)等原因已導(dǎo)致該地區(qū)的環(huán)境受到嚴(yán)重污染[3]。重金屬污染是評價土壤污染的重要指標(biāo),而關(guān)于興凱湖地區(qū)在該領(lǐng)域的研究還未見報道。因此,對興凱湖地區(qū)不同土地利用方式下土壤重金屬的積累狀況進(jìn)行研究,對于該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制等具有重要意義。

        目前,土壤重金屬的研究主要集中在生物富集、時空變異、生態(tài)風(fēng)險及人類活動影響等方面[4-6]。研究發(fā)現(xiàn),重金屬污染可導(dǎo)致濕地嚴(yán)重退化[7],由于濕地地勢低洼,重金屬污染可以通過地表徑流等多種途徑進(jìn)入濕地[4,8],超過限定值后,濕地重金屬可能進(jìn)入環(huán)境而產(chǎn)生二次污染[9-10]。由于受環(huán)境和人類活動的影響,不同濕地土壤的重金屬含量存在差異。例如,龍窩湖和太陽阜濕地土壤的鎘(Cd)含量超過土壤質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)[11];黃河口鹽地堿蓬濕地的砷(As)和Cd污染最嚴(yán)重[12];白洋淀、洞庭湖濕地的Cd、鉻(Cr)污染較為嚴(yán)重[13-14];青海湖和西溪濕地土壤的重金屬污染相對較輕[15-16]。近些年來,農(nóng)業(yè)土壤也是重金屬污染的重災(zāi)區(qū),江蘇省農(nóng)田小麥土壤中的Cd、鋅(Zn)、鉛(Pb)含量超過土壤背景值[17];太湖地區(qū)水稻土的重金屬含量存在升高趨勢[18];云南哈尼梯田水稻土中的Cd、Cr含量高于背景值[19];廣州市農(nóng)業(yè)土壤以汞(Hg)、Cd污染最嚴(yán)重[20]。然而,目前對我國東北地區(qū)土壤重金屬積累的研究還不多見[21]。不同土地利用方式會造成土壤水文、結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分狀況的劇烈變化,進(jìn)而對重金屬積累產(chǎn)生影響。因此,有必要揭示興凱湖地區(qū)在不同土地利用方式下土壤重金屬的積累狀況,評價其潛在生態(tài)風(fēng)險,從而為興凱湖地區(qū)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險預(yù)警和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究地區(qū)概況

        興凱湖國家級自然保護(hù)區(qū)地處黑龍江省東南部密山市境內(nèi),該保護(hù)區(qū)東西長90 km,南北寬 45 km,總面積為22.2萬hm2。該保護(hù)區(qū)主要由興凱湖、沼澤、草甸、森林、農(nóng)田5種類型的生態(tài)系統(tǒng)組成,其面積分別為1.25×105、4.64×104、1.77×102、8.58×103、4.27×104 hm2。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫為3.1 ℃,無霜期約為150 d,年降水量約為750 mm,且降水多集中于夏季,封凍期從11月持續(xù)至次年3月[22]。

        本研究選擇了能夠代表土地利用方式變化的3種生境類型(沼澤、旱田和水田)作為分析對象。其中沼澤來自天然沼澤濕地,旱田和水田均來自早期沼澤墾殖。沼澤取樣區(qū)地理坐標(biāo)為45°20′59″N、132°19′14″E,海拔為100 m,主要覆蓋植物為狹葉甜茅(Glyceria spiculosa),土壤類型為泥炭沼澤土。旱田取樣區(qū)地理坐標(biāo)為45°20′41″N、132°22′4″E,海拔為110 m,開墾時間達(dá)60年以上,該地多年以玉米、大豆輪種,目前為種植8年的玉米田。水田取樣區(qū)地理坐標(biāo)為45°20′59″N、132°19′14″E,海拔為 100 m,開墾時間達(dá)35年以上,多年均種植水稻。玉米、水稻為每年1季種植,多年連作,秋末翻耕,深度約為 20 cm,施用無機(jī)氮磷鉀肥[3]。

        1.2 樣品的采集與處理

        在2015年10月上旬,對沼澤、旱田和水田各樣地進(jìn)行取樣,各樣地均隨機(jī)選取3個取樣點。沼澤地取0~30 cm土壤,旱田和水田各取0~10、10~20、20~30 cm 3個層次土壤,每個取樣點按“S”形取5個點混合[11]。共采集得到21份土樣,其中沼澤3份,旱田9份,水田9份。將土樣帶回實驗室后自然風(fēng)干,磨碎后過0.149 mm篩,保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.3 測試方法

        采用微波消解法測定土壤中的重金屬含量。取0.4 g土樣于消解罐中,依次加入6 mL HNO3(優(yōu)級純)、3 mL HCl(優(yōu)級純)、3 mL HF(優(yōu)級純),搖勻后按程序消解。消解結(jié)束后,將消解罐置于電熱板上加熱趕酸至總體積為 5 mL,用去離子水定容至25 mL。用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)(Optima 8300,Perkin Elmer)測定土壤重金屬濃度,并換算成1 kg土壤中重金屬的含量(mg),作為該土壤的重金屬含量,單位為mg/kg。有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[11,23]。

        1.4 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價方法

        采用Hkanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價生態(tài)風(fēng)險[24]。其中單種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Ei)計算公式如下:Ei=Ti×(Ci/Si),式中:Ci、Si、Ti分別代表第i種重金屬的含量(mg/kg)、參比值(mg/kg)、毒性系數(shù)。毒性系數(shù)的計算參考文獻(xiàn)[25],其中Zn、銅(Cu)、鎳(Ni)、Pb、As、Cd、Cr的毒性系數(shù)分別為1、5、5、5、10、30、2。多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)計算公式如下:RI=∑Ei。本研究參照文獻(xiàn)[19],按照Hkanson的劃分方法[24],結(jié)合參評重金屬的種類和數(shù)量,重新劃分了評價標(biāo)準(zhǔn),詳見表1。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        在Excel 2003中,以“x±s”的標(biāo)準(zhǔn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值分析,結(jié)果顯示,全部分析測試結(jié)果均為有效數(shù)據(jù),無異常值剔除。隨后進(jìn)行重金屬污染評價計算。采用Pearson相關(guān)分析,評價重金屬間及重金屬與有機(jī)質(zhì)間的相關(guān)性;以成對樣本t檢驗或單因素方差分析檢驗重金屬含量的差異。統(tǒng)計過程用SPSS 24.0完成,用Excel 2003作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 重金屬含量分析與評價

        對不同土壤層的分析結(jié)果表明,在0~10、10~20、20~30 cm土層,旱田和水田土壤中的Cd含量隨著土層深度的加深而逐漸降低(P<0.05),存在外源性輸入特征;而其他6種重金屬含量無顯著的梯度變化。對各土壤層重金屬平均含量的分析結(jié)果表明,Cu含量表現(xiàn)為水田>沼澤>旱田,差異極顯著(P<0.01);As和Cd含量表現(xiàn)為沼澤>水田>旱田,其中As含量差異極顯著(P<0.01),Cd含量差異不顯著;其他4種重金屬含量的排序均為沼澤>旱田>水田,其中Cr、Ni含量的差異極顯著(P<001),Pb、Zn含量的差異不顯著。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn),在As、Cr、Cu、Ni和Zn含量上,旱田與水田間差異顯著(P<0.05),而在Pb、Cd含量上,旱田和水田間無顯著差異;沼澤和旱田的Cr、Cu和Ni含量間差異顯著(P<0.05),其他重金屬含量間差異均不顯著;沼澤與水田間除As外其他各重金屬元素含量差異均不顯著(表2)。上述分析表明,興凱湖地區(qū)沼澤向水田和旱田的過渡,減弱了土壤重金屬的累積,其中在向旱田的過渡中這種變化更為明顯。

        將7種重金屬含量與黑龍江省背景值、國家背景值[16]及GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[15]進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),Cd含量明顯高于黑龍江省和國家背景值,超過了GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的二級標(biāo)準(zhǔn),其他6種重金屬含量均低于黑龍江省、國家背景值或未超標(biāo)。具體表現(xiàn)如下:在沼澤、旱田、水田中,采樣點的Cd超標(biāo)率分別為100.00%、100.00%、44.44%,Cd含量超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)的比例分別為95.33%、77.00%、6833%;相對于黑龍江省、國家背景值,Cd含量的超標(biāo)幅度為420.62%~581.40%(表2)。

        重金屬元素含量的變異系數(shù)可以反映某元素在該區(qū)域分布和污染程度的差異,變異系數(shù)越大,說明該區(qū)域各采樣點在總體樣本中的平均變異程度越大。由表2可以看出,7種重金屬含量的變異系數(shù)排序為As>Cd>Zn>Pb>Ni>Cr>Cu,其中As、Cd含量在沼澤和水田中的變幅較大,變異系數(shù)分別為68.35%~200.45%、24.74%~57.43%,As、Cd含量在旱田中的變幅較小,分別為 14.12%~2395%、6.97%~12.99%。對不同土壤層間變異系數(shù)的分析結(jié)果表明,As和Cd含量的層間變幅較大,尤其是As含量的層間變幅最大,其中旱田為100.00%~160.39%,水田為100.00%~200.45%。

        2.2 重金屬的相關(guān)性分析

        由表3可以看出,在3種土壤類型中,Cu含量與Cd、Ni、Zn含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05,r=1.000、1000、0.999),其他重金屬含量間均無顯著相關(guān)性,說明Cu與Cd、Ni、Zn可能存在相同的來源。Zn與Cr含量在旱田土壤中與土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05,r=-0.999),其他重金屬含量與有機(jī)質(zhì)含量之間均無顯著相關(guān)性。

        2.3 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價

        以黑龍江省土壤背景值作為參比,計算重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù),參照表1的等級指標(biāo),將Cd定為很強(qiáng)等級,其他重金屬為輕微等級(表4)。根據(jù)多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù),確定3種土壤類型均為強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險等級。其中Cd的貢獻(xiàn)率最大,它在沼澤、旱田、水田綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)中的貢獻(xiàn)率分別為91.07%、92.94%、93.47%。綜合分析得出,興凱湖地區(qū)3種土壤類型總體為強(qiáng)污染狀態(tài),存在強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險,引起土壤重金屬嚴(yán)重污染的主要元素是Cd。

        3 討論

        有研究認(rèn)為,土壤中的重金屬除了源于母質(zhì)外,主要來源于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和大氣沉降等[26-27]。在本研究所選3種土壤類型中,Cd含量均超過黑龍江省、國家背景值,并超過土壤環(huán)境二級標(biāo)準(zhǔn)。多項研究認(rèn)為,不合格磷肥的施用是土壤中Cd累積的重要原因[28-30],在人類活動對土壤Cd的貢獻(xiàn)方面,磷肥占54%~58%[31]。有研究指出,化肥的施用是興凱湖地區(qū)環(huán)境污染的首要來源,其中污染最重的為磷肥[32]。因此本研究認(rèn)為,3種土壤類型中Cd含量超標(biāo),可能與長期施用化肥有關(guān)。其他6種重金屬含量均低于黑龍江省和國家背景值,認(rèn)為該區(qū)域為自然保護(hù)區(qū),區(qū)域內(nèi)無工業(yè)污染,煤炭開采企業(yè)相距較遠(yuǎn),受到工業(yè)的影響較小[21],使得6種重金屬元素(As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)均未超過相應(yīng)背景值。

        本研究得出,Cu含量排序為水田>沼澤>旱田;As、Cd含量排序為沼澤>水田>旱田;其他4種元素含量的排序均為沼澤>旱田>水田。研究發(fā)現(xiàn),Cu、Cd、Ni和Zn是在不合格的化肥與農(nóng)藥中大量殘留的重金屬[19],農(nóng)藥的大量使用可能是耕作土壤中Cu累積的原因[28-30]。本研究還發(fā)現(xiàn),水田的Cu含量高于沼澤,可能與稻田使用農(nóng)藥有關(guān)。沼澤與旱田、水田相比,地勢低洼,農(nóng)田化肥和農(nóng)藥的施用會產(chǎn)生面源污染,通過地表、地下徑流使重金屬向沼澤匯聚,使得沼澤中其他重金屬含量均高于水田和旱田。此外,每年一季的作物收割也會帶走部分土壤養(yǎng)分和重金屬[11],導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬含量降低。因此可見,有必要進(jìn)行農(nóng)田作物土壤重金屬富集狀況的深入研究。

        土壤重金屬的來源途徑可能相同,也可能多樣化,相同來源的土壤重金屬存在顯著的相關(guān)性,說明具有同源關(guān)系或存在復(fù)合污染[23,33]。在本研究中,Cu、Cd、Ni與Zn間呈顯著的正相關(guān),說明Cu與Cd、Ni、Zn具有高度同源性。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo),可以通過吸附和絡(luò)合對重金屬的生態(tài)毒性、環(huán)境遷移行為起到?jīng)Q定性的控制作用[19]。一般而言,有機(jī)質(zhì)含量高,作物生物量高,吸收重金屬量大,可造成土壤重金屬含量降低[21]。有研究發(fā)現(xiàn),土壤中有機(jī)質(zhì)的增加能改變土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)分布,提高重金屬的移動性[18]。本研究發(fā)現(xiàn),旱田和水田土壤重金屬與有機(jī)質(zhì)存在大量負(fù)相關(guān),旱田土壤Zn、Cr與土壤有機(jī)質(zhì)之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。本研究中重金屬含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間的負(fù)相關(guān)性,可能與有機(jī)質(zhì)提高了重金屬的環(huán)境遷移能力有關(guān)。

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