趙述華,羅 飛,郗秀平,楊 坤,廖 曼,趙 妍,吳靜雅,林 挺

深圳市土壤重金屬背景含量垂向分布與理化特征

趙述華,羅 飛*,郗秀平,楊 坤,廖 曼,趙 妍,吳靜雅,林 挺

(深圳市環(huán)境科學(xué)研究院,國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518001)

為摸清深圳市6種常規(guī)重金屬(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)在不同剖面層次的背景含量及垂向分布規(guī)律,探究土壤剖面重金屬背景含量與理化參數(shù)的關(guān)系,在全市基本生態(tài)控制線區(qū)域布設(shè)土壤典型剖面樣點(diǎn)50個,每個點(diǎn)位按A、B、C3層采集土壤樣品共150個.結(jié)果表明,土壤剖面不同采樣層次重金屬背景含量存在顯著差異,隨著深度增加,Cr、Cu、Zn、Ni的背景含量呈現(xiàn)逐漸增加的規(guī)律,Cd和Hg的背景含量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢.深圳市土壤剖面中6種重金屬的背景含量相對較低,整體上略低于“七五”全國土壤環(huán)境背景值.土壤剖面理化參數(shù)存在典型的南方土壤特性,土壤pH值呈酸性,隨著深度增加,土壤容重、Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加,而有機(jī)質(zhì)、CaO含量呈逐漸下降趨勢,離子交換量呈先增加后減少趨勢;土壤機(jī)械組成特征為砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少.將土壤剖面重金屬背景含量與理化參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)Fe2O3、Al2O3和土壤機(jī)械組成與土壤重金屬背景含量相關(guān)性最為顯著.逐步多元線性回歸分析表明,影響土壤重金屬背景含量的理化參數(shù)依次為Fe2O3、Al2O3、機(jī)械組成和陽離子交換量.

土壤剖面；重金屬；背景含量；理化參數(shù)；深圳市

土壤環(huán)境背景含量是指一定時間條件下,僅受地球化學(xué)過程和非點(diǎn)源輸入影響的土壤中元素或化合物的含量[1].土壤重金屬背景含量主要來源于母質(zhì)母巖,反映了母質(zhì)母巖、土壤類型、地形、氣候、生物等的共同作用[2-3].土壤環(huán)境背景值是土壤環(huán)境管理重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可為制定區(qū)域土壤背景值標(biāo)準(zhǔn)、輔助修正建設(shè)用地土壤的風(fēng)險篩選值和修復(fù)目標(biāo)提供依據(jù).因此,土壤環(huán)境背景值研究一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4-7].我國幅員遼闊,不同地區(qū)土壤重金屬背景含量差異較大.“七五”期間,國家組織開展了截止目前全國規(guī)模最大的一次土壤元素背景值調(diào)查,為我國土壤背景值研究奠定了良好的工作基礎(chǔ),為后續(xù)土壤背景值研究提供了借鑒和參考[8].隨后大量學(xué)者圍繞“七五”期間調(diào)查成果或者對不同地區(qū)開展了相關(guān)研究[9-13].由于土壤呈地帶性規(guī)律分布,不同區(qū)域、地帶、元素在土壤中的淋溶、遷移、積累等地球化學(xué)行為不同,會導(dǎo)致不同區(qū)域之間土壤中各種元素的背景含量和分布規(guī)律也存在明顯差異[13].目前,國內(nèi)外土壤環(huán)境背景值研究主要分為區(qū)域背景值和地塊尺度背景值[15-17],其中以區(qū)域背景值研究為重點(diǎn),但大部分研究集中在表層土壤[18-20],而對深層土壤重金屬背景含量研究相對較少.同時目前關(guān)于區(qū)域背景值研究多集中在背景含量的統(tǒng)計(jì)與表征[4,18],缺乏對背景含量影響因素的深入分析,對影響背景含量的理化參數(shù)缺少深入探討.

深圳作為我國第一個經(jīng)濟(jì)特區(qū)和改革開放的窗口,經(jīng)濟(jì)社會經(jīng)歷了40a的快速發(fā)展,城市原有的空間格局和土地利用方式已發(fā)生劇烈變化,土壤中重金屬的背景含量也可能發(fā)生了改變.本研究通過開展土壤環(huán)境背景調(diào)查,分析土壤中普遍關(guān)注的6種常規(guī)重金屬(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)在不同剖面層次的背景含量及垂向分布,研究重金屬背景含量與土壤參數(shù)的關(guān)系,探討影響土壤剖面重金屬背景含量的因素,以期為土壤環(huán)境精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

深圳市位于廣東省南部,毗鄰香港,屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,冬短夏長,溫暖潮濕,降水豐富.年平均氣溫22.4℃,年平均降水量1872.74mm.全市總面積1997.47km2,其中建設(shè)用地面積為968.5km2,約占全市總面積的48.5%.全市屬低山丘陵濱海區(qū),崗巒起伏.整個地形東南高、西北低,東南屬山地,西北屬平原,地貌類型豐富,主要類型有丘陵、臺地、平原和低山.根據(jù)深圳市第二次土壤普查結(jié)果[21],全市主要土壤類型有赤紅壤、紅壤、黃壤、水稻土、濱海砂土、濱海鹽漬沼澤土等10個土類,其中赤紅壤分布最廣,是南亞熱帶生物氣候條件下形成的地帶性土壤.全市地表層的巖石分布有火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖.成土母巖、母質(zhì)有花崗巖(包括花崗斑巖)、片麻巖、凝灰熔巖、砂礫頁巖、灰色灰?guī)r、近期河流沉積物、濱海沖積物和海陸混合沉積物,其中花崗巖分布面積最大,砂礫頁巖次之.

1.2 點(diǎn)位布設(shè)

圖1 土壤環(huán)境背景調(diào)查采樣點(diǎn)分布

深圳市城市建設(shè)高速發(fā)展,建成區(qū)面積增長較快,為加強(qiáng)生態(tài)保護(hù),促進(jìn)城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展,2005年深圳市劃定了基本生態(tài)控制線,作為生態(tài)保護(hù)范圍的界線,面積為974.5km2,約占全市陸地面積的49.9%.基本生態(tài)控制線的范圍包括一級水源保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、森林及郊野公園等生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好的區(qū)域.根據(jù)土壤環(huán)境背景調(diào)查要求,調(diào)查區(qū)域應(yīng)不受或很少受人類活動影響和不受或很少受現(xiàn)代工業(yè)污染與破壞.因此,本研究以全市不受或很少受人類活動影響的基本生態(tài)控制線區(qū)域作為調(diào)查范圍,采用環(huán)境單元法與網(wǎng)格法相結(jié)合的方法進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè),根據(jù)主要土壤類型和母質(zhì)母巖,結(jié)合地形地貌、采樣條件、土地利用現(xiàn)狀、植被利用類型等劃分采樣單元,按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)[22]中土壤環(huán)境背景調(diào)查布點(diǎn)原則和方法,共布設(shè)土壤典型剖面樣點(diǎn)50個,基本覆蓋了調(diào)查區(qū)域的土壤類型和母質(zhì)母巖.土壤環(huán)境背景調(diào)查采樣點(diǎn)分布見圖1.

1.3 樣品采集

本研究于2018年7～10月在調(diào)查區(qū)域開展野外采樣工作.土壤環(huán)境背景野外采樣點(diǎn)位置的確定和樣品采集過程均按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)[22]要求進(jìn)行.剖面樣點(diǎn)一般按照長1.5m,寬0.8m,深1.2m挖掘剖面,采用鋤頭、鐵鏟等工具進(jìn)行人工挖掘,采用木鏟進(jìn)行樣品采集.每個剖面按土壤自然發(fā)生層次自下而上分層分別采集C(母質(zhì)層)、B(淀積層)、A(淋溶層)3層土樣,各土層樣品以劃定的土層范圍為界上下均勻全覆蓋多點(diǎn)混合采集而成.本次調(diào)查共采集土壤剖面樣品150個,并按照不少于樣品總數(shù)4%的比例設(shè)置密碼平行樣點(diǎn),同步采集密碼平行樣13個.

1.4 樣品分析測試

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)等要求進(jìn)行樣品保存與制備.Cd的分析測試方法采用《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[23],Hg采用《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第1部分:土壤中總汞的測定》(GB/T 22105.1-2008)[24],Cr、Cu、Zn和Ni采用《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》(HJ 781-2016)[25].土壤pH值的測定方法為《土壤檢測第2部分:土壤pH值的測定》(NY/T 1121.2-2006)[26],有機(jī)質(zhì)含量的測定方法為《土壤檢測第6部分:土壤有機(jī)質(zhì)的測定》(NY/T 1121.6-2006)[27],陽離子交換量測定方法為《森林土壤陽離子交換量的測定》(LY/T 1243- 1999)[28],機(jī)械組成測定方法為《森林土壤顆粒組成(機(jī)械組成)的測定》(LY/T1225-1999)[29].CaO、Al2O3和Fe2O3的測定方法為《區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法第1部分:三氧化二鋁等24個成分量測定粉末壓片-X射線熒光光譜法》(DZ/T 0279.1-2016)[30].本次調(diào)查采用全過程質(zhì)量控制,通過現(xiàn)場密碼平行樣和統(tǒng)一監(jiān)控樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室外部質(zhì)量控制,通過室內(nèi)密碼平行樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部質(zhì)量控制,以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性.

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

對于低于分析方法檢出限的測定結(jié)果以”nd”表示,統(tǒng)計(jì)分析時按1/2檢出限計(jì)算.土壤剖面重金屬數(shù)據(jù)先進(jìn)行異常值判別與處理,再檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布類型,進(jìn)行不同剖面層次土壤重金屬背景含量統(tǒng)計(jì),最后用圖件和表格相結(jié)合的形式表征不同剖面層次土壤重金屬背景含量.首先采用Grubb’s檢驗(yàn)法和T(Thompson)法來剔除異常值[31],綜合分析異常值屬于外來污染或來自高背景區(qū),對于點(diǎn)位周邊沒有明顯污染源、采樣時也沒有發(fā)現(xiàn)有明顯污染痕跡的異常值予以保留.本次研究無異常值剔除.采用偏度-峰度法和Shapiro-Wilk檢法,對重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行分布狀態(tài)檢驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤剖面重金屬背景含量垂向分布規(guī)律

表1 土壤剖面重金屬背景含量統(tǒng)計(jì)(mg/kg)

2.2 土壤剖面理化參數(shù)分析

表2 土壤剖面理化參數(shù)背景含量統(tǒng)計(jì)

土壤理化參數(shù)是土壤的基本屬性,能反映出土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、透氣性、肥力和保水等方面的情況,它不僅影響土壤過程與土壤質(zhì)量,也關(guān)系到水土侵蝕、養(yǎng)分貯存、生物地球化學(xué)循環(huán)等重要生態(tài)環(huán)境問題[41].研究表明,土壤中礦物質(zhì)元素Ca、Fe、Al主要以CaO、Fe2O3和Al2O3的形式存在,并對土壤性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響[42].由表2可見,從平均值和95%分位值統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,土壤pH值呈酸性,隨著深度增加土壤容重逐漸增大;陽離子交換量隨著深度增加呈現(xiàn)先增加后減少趨勢;A層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高,隨著深度增加有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少;土壤機(jī)械組成特征為砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少;土壤CaO含量相對較低,隨著深度增加CaO含量呈下降趨勢;土壤Al2O3和Fe2O3含量較高,隨著深度增加Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加.土壤剖面理化參數(shù)存在典型的南方土壤特性.這可能是由于深圳市氣候濕熱、高溫多雨,土壤母巖的化學(xué)風(fēng)化和淋溶作用強(qiáng)烈,風(fēng)化分解出來的鹽基和硅被強(qiáng)烈淋失,而遷移性較弱的鐵、鋁氧化物在土體中則有明顯的積聚,不斷形成高嶺石和含水鐵、鋁氧化物為主的次生粘土礦物[21].同時在脫硅富鋁化作用為特點(diǎn)的漫長的成土過程中,形成的地帶性赤紅壤具有土層深厚、鹽基飽和度低、粘粒硅鐵鋁率低、酸性強(qiáng)的特點(diǎn)[21].

2.3 土壤剖面重金屬背景含量與土壤理化參數(shù)相關(guān)分析

土壤中各元素的背景含量反映了在不受或很少受污染的情況下,通過母質(zhì)的風(fēng)化并在成土過程中發(fā)生元素的遷移轉(zhuǎn)化.不同土壤在發(fā)育過程中具有各自的特點(diǎn),一些研究表明土壤元素背景含量不僅受成土母質(zhì)母巖、土壤類型、氣候、地形地貌、生物條件影響,還與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、機(jī)械組成密切相關(guān)[9,40].此外,土壤中Ca、Al、Fe的含量對土壤重金屬背景含量亦有不同程度的影響[3,43].從土壤重金屬背景含量與土壤理化參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果來看(表3),大部分土壤重金屬背景含量與理化參數(shù)不呈顯著相關(guān).A層Cd除與CaO呈顯著正相關(guān)(<0.05)外,與其它參數(shù)不顯著相關(guān);Cr、Cu、Zn、Ni與Fe2O3呈顯著正相關(guān)(<0.01).B層Cd與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān);Hg與粉粒呈顯著負(fù)相關(guān),與Al2O3呈顯著正相關(guān);Cr與粘粒、Fe2O3呈顯著正相關(guān); Cu、Zn與Fe2O3呈顯著正相關(guān);Ni與容重呈顯著負(fù)相關(guān),與Fe2O3呈顯著正相關(guān).C層Cd與各理化參數(shù)均不顯著相關(guān);Hg與粘粒、Al2O3呈顯著正相關(guān)(<0.05); Cr與粘粒、Fe2O3呈顯著正相關(guān)(<0.01)、與Al2O3呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05); Cu、Zn與Fe2O3呈顯著正相關(guān)(<0.01);Ni與容重呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)、與粘粒、Fe2O3呈顯著正相關(guān).綜觀相關(guān)性分析結(jié)果,Fe2O3、Al2O3和土壤機(jī)械組成與土壤重金屬背景含量相關(guān)性最為顯著.這可能是因?yàn)橥寥勒沉：吭礁?土壤顆粒對重金屬的吸附能力越強(qiáng),而砂粒含量越高,土壤對重金屬的吸附和滯留作用差,再加上南方雨水較多,土壤淋溶強(qiáng)烈[37,44].張毅[45]研究表明,重金屬能夠被土壤中的鐵、鋁、鈣等固定,結(jié)合生成復(fù)雜的難溶性化合物,減少重金屬的淋溶流失.

表3 土壤剖面重金屬背景含量與土壤參數(shù)的相關(guān)性

注:*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).CEC表示陽離子交換量.

2.4 土壤剖面重金屬背景含量與土壤理化參數(shù)回歸分析

在重金屬背景含量與土壤理化參數(shù)相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對影響因素pH值(1)、容重(2)、CEC(3)、有機(jī)質(zhì)(4)、粘粒(5)、粉粒(6)、砂粒(7)、CaO(8)、Al2O3(9)、Fe2O3(10)采用逐步多元線性回歸分析,在<0.05的顯著性水平下,建立線性回歸方程,確定重金屬背景含量的主要影響因素.由表4可以看出,A層土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影響因素為Fe2O3;Cd背景含量的第1影響因素為CaO;其次,陽離子交換量、Al2O3、有機(jī)質(zhì)和粉粒含量為第2或第3影響因素.B層土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影響因素為Fe2O3;第2影響因素為Al2O3.C層土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影響因素為Fe2O3;Hg背景含量的第1影響因素為粘粒;Al2O3是影響C層土壤Hg和Cr背景含量的第2影響因素.綜觀主要影響因素的排序,Fe2O3、CaO、陽離子交換量、Al2O3、有機(jī)質(zhì)、粉粒含量是影響A層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3和Al2O3含量是影響B(tài)層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3、Al2O3和粘粒含量是影響C層土壤重金屬背景含量的主要因素.由此可見,研究的10種土壤理化參數(shù)中,Fe2O3是影響土壤重金屬(Cr、Cu、Zn、Ni)背景含量的第1因素,其次為Al2O3.這可能是由于深圳市地處富鋁風(fēng)化殼,主要土壤類型為赤紅壤,土壤中鐵、鋁氧化物含量豐富,Cr、Cu、Zn、Ni等重金屬容易與鐵、鋁氧化物結(jié)合,受鐵、鋁氧化物含量的影響.Cd和Hg背景含量受土壤理化參數(shù)因素影響不明顯,這可能與Cd和Hg主要受城市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、交通運(yùn)輸?shù)葘?dǎo)致的大氣干濕沉降有關(guān)[40].

表4 土壤剖面重金屬背景含量與土壤參數(shù)的線性回歸

注:表示顯著性值,“—”表示該數(shù)據(jù)空缺.

3 結(jié)論

3.1 土壤剖面不同采樣層次重金屬背景含量存在顯著差異.隨著深度增加,Cr、Cu、Zn、Ni等重金屬的背景含量呈現(xiàn)逐漸增加的規(guī)律,Cd和Hg的背景含量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢.與“七五”全國土壤背景值相比,深圳市土壤剖面中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni的背景含量相對較低,總體上略低于“七五”期間全國調(diào)查結(jié)果.

3.2 土壤剖面理化參數(shù)存在典型的南方土壤特性.土壤pH值呈酸性,隨著深度增加,土壤容重、Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加,有機(jī)質(zhì)、CaO含量呈逐漸下降趨勢,離子交換量呈先增加后減少趨勢;土壤機(jī)械組成特征為砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少.

3.3 土壤剖面重金屬(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)背景含量與土壤參數(shù)相關(guān)分析結(jié)果表明,A層土壤重金屬背景含量與Fe2O3、CaO含量呈顯著相關(guān)性,B層土壤重金屬背景含量與Fe2O3、Al2O3、粘粒、粉粒、容重、有機(jī)質(zhì)等含量呈顯著相關(guān)性,C層土壤重金屬背景含量與Fe2O3、Al2O3、粘粒、容重等含量呈顯著相關(guān)性.Fe2O3、Al2O3和土壤機(jī)械組成與土壤重金屬背景含量相關(guān)性最為顯著.

3.4 土壤剖面重金屬背景含量與土壤參數(shù)逐步多元線性回歸分析結(jié)果表明,Fe2O3、CaO、陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)、粉粒含量是影響A層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3和Al2O3含量是影響B(tài)層土壤重金屬背景含量的主要因素;Fe2O3、Al2O3和粘粒含量是影響C層土壤重金屬背景含量的主要因素.Fe2O3是第一影響因素,其次為Al2O3、機(jī)械組成和陽離子交換量.

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Vertical distribution of background content of heavy metals and physicochemical parameters in soil of Shenzhen City.

ZHAO Shu-hua, LUO Fei*, XI Xiu-ping, YANG Kun, LIAO Man, ZHAO Yan, WU Jing-ya, LIN Ting

(State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Management and Technology, Shenzhen Academy of Environmental Science, Shenzhen 518001, China)., 2022,42(11)：5246～5254

In order to find out the background content and vertical distribution of six conventional heavy metals (Cd, Hg, Cr, Cu, Zn and Ni), and to explore the relationship between the background content of heavy metals and the physicochemical parameters in different soil profile levels in Shenzhen, 50 typical soil profile sample points were laid out in the area of basic ecological control line, and 150 soil samples were collected at each point according to three layers A, B and C. The results showed that there were significant differences in the background contents of heavy metals in different sampling levels of soil profile. With the increase of depth, the background contents of Cr, Cu, Zn and Ni increased gradually, while Cd and Hg decreased first and then increased. The background contents of six heavy metals in Shenzhen soil profile were relatively low, which was slightly lower than the national soil environmental background values in the Seventh Five Year Plan. The physicochemical parameters of soil profile showed typical Southern soil characteristics. The pH values of soil were acidic. With the increased of depth, the soil bulk density, Al2O3and Fe2O3contents increased gradually, while the contents of organic matter and CaO decreased gradually, and the cation exchange capacity increased first and then decreased; the characteristics of soil mechanical composition were that sand particles were the most, silt particles were the second, and clay particles were the least. The correlation between the background content of heavy metals and physicochemical parameters was analyzed, and it was found that Fe2O3, Al2O3and soil mechanical composition had the most significant correlation with the background content of heavy metals in soil. The stepwise multiple linear regression analysis showed that the physicochemical parameters affecting the background content of heavy metals in soil were found to be Fe2O3, Al2O3, mechanical composition and cation exchange capacity.

soil profile；heavy metals；background content；physicochemical parameters；Shenzhen

X53

A

1000-6923(2022)11-5246-09

趙述華(1987-),男,湖南邵陽人,碩士,主要從事土壤環(huán)境調(diào)查與修復(fù)研究.發(fā)表論文10篇.

2022-04-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0506605)

* 責(zé)任作者, 高級工程師, feiluo2006@qq.com