王 鵬 王軍廣 許國(guó)強(qiáng) 張固成 吳 丹 張東強(qiáng)#

(1.海南省地質(zhì)綜合勘察院,海南 ?？?570206;2.海南省熱帶海島地表過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ?？?571158;3.海南省地質(zhì)調(diào)查院,海南 ?？?570206)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是人類(lèi)生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)[1],[2]47。土壤也是自然環(huán)境中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的主要場(chǎng)所,既是重金屬向其他生態(tài)系統(tǒng)遷移的源,也是重金屬聚集的匯[3]。土壤中的重金屬可以通過(guò)土壤、動(dòng)植物、地表水和人體之間的多種聯(lián)系途徑產(chǎn)生遷移、富集,并最終對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[2]47,[4-7]。1987年,周錫爵[8]報(bào)道了張士灌區(qū)鎘污染情況,該區(qū)有330 hm2稻田鎘污染嚴(yán)重,稻米鎘高達(dá)0.4～1.0 mg/kg。土壤重金屬含量水平不僅會(huì)影響土壤的可持續(xù)利用,還直接影響糧食安全[9],[10]2252,[11-12]。總體來(lái)講,成土母質(zhì)在很大程度上決定了土壤的性質(zhì),然而土壤中的重金屬含量還會(huì)受到人類(lèi)生產(chǎn)生活方式的影響[13]。研究表明,農(nóng)藥和化肥的不合理施用、污水灌溉、工業(yè)“三廢”排放、礦山開(kāi)采等生產(chǎn)活動(dòng)的加強(qiáng),會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬污染加劇,土壤肥力下降,農(nóng)作物減產(chǎn)和質(zhì)量下降[14-15],因此,農(nóng)用地和農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染問(wèn)題也日益受到關(guān)注[16]。

海南是我國(guó)熱帶作物的重要產(chǎn)區(qū),良好的氣候條件導(dǎo)致其土地利用率較高,作物熟制可達(dá)一年兩熟或一年三熟。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻率的增加,土壤中重金屬由人為輸入的比例持續(xù)增加[17],造成土壤中重金屬的富集,使得海南土壤環(huán)境保護(hù)壓力巨大。

本研究以海南北部火山巖地區(qū)為例,開(kāi)展不同利用方式(水田和旱地)的耕地土壤重金屬的累積特征研究,旨在為當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)安全保障和土壤污染防控提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南北部火山巖分布區(qū),耕地面積約2 km2;其中,水田1.13 km2,集中分布在研究區(qū)東南部和北部;旱地0.87 km2,主要分布在水田的外圍。土壤類(lèi)型主要為磚紅壤和水稻土,磚紅壤分布廣泛,約占研究區(qū)總面積的78%;水稻土約占22%。研究區(qū)屬于熱帶季風(fēng)性海洋氣候,年平均氣溫24.3 ℃,年日照時(shí)數(shù)1 965.2 h,光、熱、水資源豐富。

1.2 樣品采集

依據(jù)研究區(qū)旱地與水田的分布情況,結(jié)合研究區(qū)農(nóng)作物種植現(xiàn)狀,按照大約40 000～60 000 m2設(shè)置1個(gè)樣進(jìn)行布點(diǎn),以布設(shè)的采樣點(diǎn)(定點(diǎn))為中心,向四周輻射確定4個(gè)分樣點(diǎn),在每個(gè)定點(diǎn)及分樣點(diǎn)采樣組合成一個(gè)混合樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)的采土部位、深度及重量保持一致。采集的土壤樣品均掰碎,挑出農(nóng)作物根系、雜草、礫石、塑料薄膜等雜物,充分混合后,四分法留取1.0～1.5 kg裝入樣品袋。共采集樣品42個(gè),其中旱地土壤樣品14個(gè),水田土壤樣品28個(gè)。

1.3 樣品處理與分析

土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干、除去雜質(zhì)、磨細(xì)過(guò)篩后備用。土壤樣品檢測(cè)指標(biāo)包括As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6種重金屬以及土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)、pH和有機(jī)質(zhì)(檢測(cè)方法見(jiàn)表1)。

表1 檢測(cè)方法Table 1 The analysis method

1.4 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。單因子污染指數(shù)按照(0,1]、(1,2]、(2,3]、(3,+∞)劃分為無(wú)污染、輕度污染、中度污染、重度污染[18]。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)按照(0,0.7]、(0.7,1.0]、(1.0,2.0]、(2.0,3.0]、(3.0,+∞)劃分為安全、警戒、輕度污染、中度污染、重度污染[19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)

由土壤理化性質(zhì)參數(shù)(見(jiàn)表2)可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)旱地土壤pH為4.00～5.33,呈強(qiáng)酸性-酸性;水田土壤pH為4.19～5.58,也呈強(qiáng)酸性-酸性,旱地和水田土壤pH差別不大。旱地土壤CEC均值為4.66 cmol/kg,水田土壤CEC均值為3.42 cmol/kg,旱地土壤CEC略大于水田土壤,表明研究區(qū)旱地土壤保持養(yǎng)分的能力優(yōu)于水田土壤。旱地和水田土壤有機(jī)質(zhì)含量差別不大。

表2 土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physico-chemical properties

2.2 土壤重金屬含量特征

研究區(qū)旱地和水田土壤重金屬含量存在一定的差異。旱地和水田土壤重金屬統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3和表4,旱地土壤重金屬變異系數(shù)表現(xiàn)為Ni>Cr>Hg>As>Cd>Pb,其中,Ni和Cr的變異系數(shù)超過(guò)1,而Hg、As、Cd和Pb的變異系數(shù)均較低,說(shuō)明旱地土壤中Ni和Cr的分布整體上不均勻,Hg、As、Cd和Pb的分布整體上較為均勻。水田土壤重金屬變異系數(shù)表現(xiàn)為Ni>Cr>Cd>Hg>As>Pb,6種重金屬變異系數(shù)均不超過(guò)1,除Ni變異系數(shù)稍高外(變異系數(shù)為0.76),其余重金屬變異系數(shù)均較低,說(shuō)明水田土壤中6種重金屬的分布整體上較為均勻。

表3 旱地土壤的重金屬Table 3 Heavy metal concentration of dry land soil

表4 水田土壤的重金屬Table 4 Heavy metal concentration of paddy field soil

與GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行比較,旱地土壤中Ni和Cr分別有21.4%和28.6%的樣品超標(biāo)。而水田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6種重金屬無(wú)樣品超標(biāo)現(xiàn)象。

與海南土壤背景值相比,旱地土壤中Cd含量超過(guò)背景值樣品比例最高,為57.1%,Cr和Ni次之,均為42.9%,Pb為7.1%;水田土壤中Cd超過(guò)背景值樣品比例最高,達(dá)到了82.1%,Ni和Cr次之,均為7.1%。說(shuō)明土壤中Cd、Cr、Pb和Ni 4種重金屬有不同程度的累積,其中Cd累積程度較重。有研究表明,海南島北部基性火山巖土壤中Ni、Cr、Hg、Cu、Cd含量相對(duì)較高,個(gè)別地區(qū)Cr、Zn、As、Cu含量超過(guò)中國(guó)土壤元素背景值[10]2251,海南農(nóng)用化肥中Pb也有超過(guò)《有機(jī)肥料》(NY 525—2012)的現(xiàn)象[10]2254,[21]。綜上所述,筆者認(rèn)為,研究區(qū)旱地和水田土壤中部分樣品Cd、Cr和Ni不同程度地高于背景值,這與其母質(zhì)為具有高背景值的基性火山巖密切相關(guān)[22],而Pb含量高可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥的使用有關(guān)。

研究區(qū)旱地和水田土壤中的As、Cd、Pb、Hg平均含量差異不大,而Cr、Ni差異較大,旱地土壤中Cr、Ni平均值分別是水田土壤的3.50、5.03倍。一般認(rèn)為,旱地耕作層大多在0～30 cm土壤層中,土壤相對(duì)疏松,重金屬等多在此范圍內(nèi)聚集[23],而水田不斷翻耕,常年存水時(shí)間較長(zhǎng),更有利于重金屬向深層淋溶遷移。Cr和Ni可能相對(duì)較活潑,所以兩者在水田土壤中向更深層遷移較多。

2.3 土壤重金屬相關(guān)性分析

研究區(qū)旱地和水田土壤中6 種重金屬之間的相關(guān)性系數(shù)見(jiàn)表5和表6。

表5 旱地土壤重金屬間的相關(guān)性系數(shù)1)Table 5 Correlation coefficients between different heavy metals in dry land soil

表6 水田土壤重金屬間的相關(guān)性系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between different heavy metals in paddy field soil

旱地土壤中除了As和Cd,Pb和Cd、Cr、Ni、Hg呈負(fù)相關(guān)之外,其余重金屬之間均呈正相關(guān),正相關(guān)的重金屬之間可能存在同源關(guān)系,進(jìn)而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),增加了研究區(qū)旱地土壤重金屬含量。Cr與Ni、Hg的相關(guān)系數(shù)最高,分別為0.960和0.944,說(shuō)明Cr與Ni、Hg之間具有相同的影響因素,可能存在復(fù)合污染的現(xiàn)象。

水田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6種重金屬之間既有正相關(guān)關(guān)系也有負(fù)相關(guān)關(guān)系?？傮w來(lái)看,Cr與Ni正相關(guān)關(guān)系非常明顯,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.955,說(shuō)明水田土壤中Cr與Ni可能同源。

總體來(lái)看,旱地和水田土壤中Cr與Ni有較高的正相關(guān)關(guān)系,且含量均較高,可能具有同源性。有研究表明,瓊北地區(qū)工業(yè)較少,雨量充沛,農(nóng)田基本采用地下水或水庫(kù)水灌溉,不存在灌溉污染[10]2252。本次調(diào)查顯示,研究區(qū)工業(yè)較少且無(wú)污水灌溉情況。因此認(rèn)為,研究區(qū)旱地和水田土壤中Cr與Ni的較高含量,是受基性火山巖地質(zhì)背景的影響。

2.4 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

依據(jù)海南土壤背景值對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),總體來(lái)看(見(jiàn)表7),旱地土壤中Ni單因子污染指數(shù)最大,為3.30,Cr和Cd次之,分別為2.23和1.25,As、Hg和Pb單因子污染指數(shù)小于1;水田土壤中除Cd外,其余重金屬單因子污染指數(shù)均小于1。研究區(qū)旱地Cr和Ni污染比較嚴(yán)重,應(yīng)引起重視。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來(lái)看,研究區(qū)旱地土壤重金屬污染明顯高于水田土壤,水田土壤重金屬為輕度污染,而旱地土壤重金屬已達(dá)到中度污染。

表7 重金屬污染指數(shù)Table 7 The pollution index of heavy metal

3 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)旱地和水田土壤pH均呈強(qiáng)酸性-酸性(pH為4.00～5.58)。旱地CEC(4.66 cmol/kg)略大于水田土壤(3.42 cmol/kg),旱地土壤保持養(yǎng)分的能力優(yōu)于水田土壤,研究區(qū)兩種土地利用類(lèi)型下土壤有機(jī)質(zhì)含量差別不大。

(2) 與海南土壤背景值進(jìn)行比較,研究區(qū)旱地和水田土壤中Cd、Cr、Pb和Ni 4種重金屬均有不同程度的累積,其中Cd累積程度較重。土壤重金屬相關(guān)性分析顯示,研究區(qū)旱地和水田土壤中Cr與Ni正相關(guān)關(guān)系均較明顯,可能同源,且受基性火山巖地質(zhì)背景的影響較大。

(3) 從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來(lái)看,研究區(qū)旱地土壤重金屬污染明顯高于水田土壤,水田土壤重金屬為輕度污染,而旱地土壤重金屬已達(dá)到中度污染。從單因子污染指數(shù)來(lái)看,研究區(qū)旱地Cr和Ni污染比較嚴(yán)重,應(yīng)引起重視。

(致謝：感謝海南省熱帶海島地表過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助及實(shí)驗(yàn)室趙志忠主任的指導(dǎo)、吳丹老師在樣品測(cè)試過(guò)程中提供的幫助。)