福建沿海地区农田土壤理化性质与重金属含量的关系

陈穗玲++李锦文++邓红梅

摘要：对福建沿海地区农田土壤理化指标与重金属含量进行了调查，在此基础上探讨了土壤理化性质与土壤重金属含量之间的相关性，初步分析了土壤理化性质对重金属含量的影响。结果表明，福建沿海地区农田土壤的平均pH 5.56；土壤有机质含量为30.20 g/kg，属中上水平；土壤的其他养分含量也达到中上水平。土壤中Pb含量与土壤全氮含量相关显著；土壤中Hg含量与土壤有机质和阳离子交换量相关显著；其他理化指标与重金属含量相关不显著。土壤有机质是影响土壤中重金属Hg含量的主要因子，土壤颗粒粗细对土壤重金属含量也产生影响。

关键词：土壤理化性质；重金属；相关关系；福建沿海地区农田

中图分类号：X131.3；X53；S15 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）13-3025-05

The Relationship between Physical and Chemical Properties of Soil and

Heavy Metal Content in Fujian Coastal Farmland

CHEN Sui-ling，LI Jin-wen，DENG Hong-mei

（School of Environment Sciences and Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The physicochemical properties and heavy metal content of farmland soil in Fujian coastal area were investigated. The relationship between soil physicochemical properties and heavy metal content of soil was studied with correlation analysis. The results showed that the average pH of farmland soil in Fujian coastal area was 5.56. The content of soil organic matter was 30.20 g/kg on the genus level. Other soil nutrient content reached middle level. Significant correlation between Pb content in soil and soil total nitrogen content was found. The Hg content in soil and organic matter and cations exchange capacity in soil was not significantly correlated. Other physicochemical properties and heavy metal content was correlated. Soil organic matter was the main factor affecting the content of heavy metal Hg in soils. Soil particle size can affect the content of heavy metal in soil.

Key words： physical and chemical property of soil； heavy metal； correlation relation； Fujian coast farmland

土壤重金属污染是世界性环境问题之一，它将导致土壤环境恶化，严重危害生态系统的良性循环和人类生存环境，对人类健康构成严重威胁。自然情况下，土壤重金属主要来源于母岩和残落的生物物质，但随着工农业生产活动迅猛发展，人为活动对土壤重金属含量分布的影响呈现增长的趋势[1]。大多数重金属在土壤中相对稳定且难以迁出土体，有研究[2-5]表明，土壤物理化学性状的改变尤其是土壤质地、pH、阳离子交换量、有机质等的改变可以影响土壤重金属的含量，决定土壤的毒性，并直接影响和制约重金属在土壤环境中的行为。福建沿海地区农田是福建省重要的粮食生产区，粮食产区的土壤环境与当地居民的健康有着密切的关系，调查发现福建沿海地区农田土壤、稻米、蔬菜重金属污染超标严重[6-14]。在已有工作基础上对福建沿海地区农田土壤理化性质与重金属汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）含量关系进行分析，旨在进一步探明重金属污染是否与该地区土壤的性质有关，以便当地有关部门有针对性地提出切实可行的土壤改良措施，减小土壤性质对重金属的迁移转化的影响，为土壤综合治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样点的布置与采样方法

本研究从福建沿海地区的北部到南部选择了10个区域作为监测单元进行布点采样，涉及的行政区域有福鼎市、福安市、福州市、福清市、莆田市市辖区、仙游县、泉州市、漳州市、云霄县、诏安县。10个行政区域分别代表了沿海地区10个不同的流域（图1）。分别是沙埕港流域（福鼎市）、交溪流域（福安市）、闽江流域（福州市）、龙江流域（福清市）、萩芦溪流域（莆田市）、木兰溪流域（仙游县）、晋江流域（泉州市）、九龙江流域（漳州市）、漳江流域（云霄县）、东溪流域（诏安县）。

此次土壤调查根据农田土壤环境质量监测的要求，并结合各区域分布特点，确定样品采集布点方法和采样数量。本研究采集表层（耕作层）土壤进行分析，在表层土位置自下而上多点取样，采样深度0～20 cm，土壤量约2.5 kg，采集3～5个等量土样并混合均匀后制成一个土壤样品。采集土壤样品195个。土壤样品用四分法采用1～2 kg，做好样品采集记录并贴上标签，用聚乙烯塑料袋盛装，运回实验室待处理。从195个土壤样品中选取了40个有代表性样品进行理化性质分析，包括福鼎市（2个），福安市（2个），福州市（11个），福清市（2个），莆田市的市辖区（2个）、仙游县（7个），泉州市（5个），漳州市的龙海市（4个）、云霄县（2个）、诏安县（3个）。

1.2 样品的处理与测定方法

土壤样品的处理：在白色瓷盘内和塑料薄膜上，摊成约2 cm厚的薄层，用木棍间断压碎、翻动，使自然、均匀风干，在风干过程中剔除石块、植物残体等杂物，风干后，用玛瑙研钵研磨，用四分法分取所需土壤量，使其全部通过20目（0.25 mm）尼龙筛，过筛后的土壤在聚乙烯薄膜上充分混匀后，再用四分法缩分至100 g左右，取适量过100目（0.15 mm）尼龙筛后盛装在具塞玻璃试剂瓶中，用于土壤元素形态及全量分析。另一部分样品过60目（0.30 mm）尼龙筛，用于土壤pH、阳离子交换量、土壤有机质、土壤全氮含量、总有机碳、盐分、有效磷等理化性质分析，土壤样品处理执行《土壤环境监测技术规范（HJ/T166-2004）》。

重金属测定方法：汞（Hg）采用冷原子荧光光谱法（GB/T17136-1997）测定；铅（Pb）、镉（Cd）采用石墨炉原子吸收光谱法（GB/T17141-1997）测定。

理化指标分析方法：土壤理化性质采用LY/T1239-1999、LY/T1233-1999、LY/T1237-1999、LY/T 1225-1999中的方法测定。

数据处理采用SPSS18.0分析统计软件。评价标准采用《土壤环境质量标准（GB15618-1995）》[15]。土壤样品分析由广东省生态环境与土壤研究所完成。

2 结果与分析

2.1 福建沿海地区农田土壤的理化性质

2.1.1 土壤的机械组成 福建沿海地区整体农田土壤颜色以黄色、浅黄色、灰黄、暗黄色为主。土壤的粒径主要分布在0.100～0.050 mm、0.020～0.002 mm和<0.002 mm 3个粒级范围，经鉴定这些土壤为黏壤土和沙质黏壤土。

2.1.2 土壤pH 福建沿海地区农田土壤样品pH测定结果见表1。表1结果显示，福建沿海地区农田土壤以酸性为主，平均pH 5.56。其中pH<4.5的极酸性土壤样品数为0；pH 4.5～5.5的强酸性土壤样品占50%（20个）；pH 5.5～6.5微酸性土壤样品占45%（18个）；pH 6.5～7.5中性土壤样品占2.5%（1个）；pH 7.5～8.5微碱性土壤样品占2.5%（1个）。福建沿海地区土壤pH最大值为福鼎市的7.95，其后大小依次为福清市、龙海市、泉州市、福安市、莆田市市辖区、诏安县、云霄县、仙游县、福州市。酸性土壤对重金属的吸附-解析、氧化-还原、络合-分离、溶解-沉淀等一系列化学平衡产生影响；对土壤养分的有效性、土壤中微生物分布与活动产生影响[16]。

2.1.3 土壤阳离子交换量 土壤阳离子交换量（CEC）的大小基本上代表了土壤可能保持的养分数量，可作为评价土壤保肥能力的指标。福建沿海地区CEC平均值为9.58 cmol/kg（表1）。总体来看，福建沿海地区土壤CEC不高，各区域之间变化较大，最大值15.80 cmol/kg，最小值4.81 cmol/kg。各地区CEC大小顺序为漳州市、莆田市市辖区、福安市、福州市、福鼎市、福清市、诏安县、云霄县、泉州市、仙游县，分别为12.88、11.80、10.52、10.21、10.02、9.64、8.48、7.90、7.75、6.35 cmol/kg。土壤CEC高于10 cmol/kg的样品占40.0%，5～10 cmol/kg的样品占52.5%，低于5 cmol/kg的样品占7.5%。福建沿海地区土壤保肥能力为中上水平。

2.1.4 土壤有机质 土壤有机质能改善土壤的物理结构和化学性质，有利于土壤团粒结构的形成，从而促使植物的生长和养分的吸收。土壤有机质也是植物所需各种矿物营养的重要来源，并能与各种微量元素形成络合物，增加微量元素的有效性。 根据对土壤样品分析，福建沿海地区土壤有机质含量平均值为30.20 g/kg（表1）。根据全国第二次土壤普查推荐的土壤肥力分级标准，有机质含量1级（大于40 g/kg）的地区为0；2级（30～40 g/kg）的地区有漳州市、诏安市、福鼎市、福安市、莆田市市辖区，含量分别为37.40、35.30、33.05、32.25、30.50 g/kg；3级（20～30 g/kg）的地区有泉州市、福州市，仙游县、福清市、云霄县，含量分别为29.20、28.20、27.00、26.20、22.00 g/kg；没有低于20.00 g/kg的地区。结果显示，福建沿海地区土壤有机质含量属于中上水平。这可能与福建沿海地区土壤成土母质的地球化学背景有关[17]，同时调查区域主要是水稻种植区，部分区域与工业区交错，垦殖前为生长繁茂的生物群落，垦殖后一直栽种水稻，土壤长时间处于还原状态，有利于土壤有机质的积累，合理施肥及轮作制度能够提高土壤有机质含量。

2.1.5 土壤的全氮、有效磷、速效钾 福建沿海地区土壤全氮含量平均值为1.75 g/kg（表1），按分级标准为2级（1.5～2.0 g/kg）；有效磷含量平均值为32.14 mg/kg，按分级标准为2级（20～40 mg/kg）；速效钾含量平均值为96.50 mg/kg，按分级标准为4级（50～100 mg/kg）。10个地区中全氮含量为1级（>2.0 g/kg）的2个、2级（1.5～2.0 g/kg）的5个、3级（1.0～1.5 g/kg）的3个；有效磷含量为1级（>40 mg/kg）的5个、2级（20～40 mg/kg）的5个；速效钾含量为2级（150～200 mg/kg）的2个、3级（100～150 mg/kg）的3个、4级（50～100 mg/kg）的4个、5级（0～50 mg/kg）的1个。结果显示，福建沿海地区土壤的养分在1级和2级的样点比例较大，监测区域土壤的养分在中上水平。

2.2 重金属Hg、Pb、Cd含量特征

福建沿海地区土壤重金属Hg、Pb、Cd的统计描述量见表2。从表2可知，土壤重金属Hg、Pb、Cd平均含量分别为0.44、64.69、0.22 mg/kg，平均值大小顺序为Pb、Hg、Cd，平均值高于福建土壤背景值[18]，根据国家土壤环境质量标准评价为Hg平均值超过二级标准限值，Pb、Cd平均值在二级标准限值内，Pb的含量与土壤环境质量二级标准限值比较偏低。其中，Hg含量符合一级标准的样品有47个（占24.10%），符合二级标准的样品有74个（占37.95%），超标的样品有74个（占37.95%）。Pb含量符合一级标准的样品有10个（占5.13%），符合二级标准的样品有185个（占94.87%），且全部远低于二级标准限值。Cd含量符合一级标准的样品有137个（占70.26%），符合二级标准的样品有40个（占20.51%），超标的样品有18个（占9.23%）。调查还发现Hg超标样品主要分布在漳州市（42个）、福州市（17个）、莆田市和福安市；Pb含量漳州市、福州市、泉州市和福安市比其他地区略高。Cd超标样品主要分布在福州市和泉州市。重金属含量超标样品主要集中在漳州市、福州市和泉州市等中心城区附近，这些地区是福建省水稻种植和工业交错区，也是该省新兴的制造业基地，经济发展迅速，工业活动频繁。

2.3 Hg、Pb、Cd含量与土壤理化性质的关系

利用统计分析软件对土壤样品重金属Cd、Hg、Pb含量与土壤理化性质进行相关分析，结果见表3。土壤中重金属Hg与土壤阳离子交换量的相关系数为0.405，相关极显著；与有机质、总有机碳的相关系数分别为0.383、0.382，相关显著；与土壤的有效磷、速效钾、土壤pH相关不显著。Pb与土壤全氮含量相关系数为0.348，相关显著；与土壤其他理化性质相关不显著。Cd与土壤理化性质相关不显著。

2.4 土壤理化性质对重金属含量的影响

2.4.1 重金属Pb 土壤中Pb与土壤全氮含量相关显著（表3），土壤中全氮含量可以预测重金属元素的行为和含量[4]。土壤中的Pb、Cd之间存在极显著的关系，土壤中Pb与Cd可能有同一个来源和途径，存在同源关系，表现为协同作用。土壤中Pb与土壤其他理化参数没有表现出明显相关性，表明土壤中Pb受土壤的理化性质影响较小。

2.4.2 重金属Hg 土壤中Hg与土壤有机质呈显著相关（表3）。研究区域土壤有机质含量在中上水平。土壤有机质是影响土壤重金属形态，特别是有机结合态重金属的一个重要因素，这与实际相符，福建沿海地区土壤重金属Hg赋存形态以有机结合态所占比例最大，为52.3%，土壤重金属Hg赋存形态所占比例大小顺序是有机结合态、残渣态、碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态、可交换态[9]。冯新斌等[19]认为土壤Hg的富集与土壤质地有关，黏土及有机质高的土壤易富集Hg，而贫瘠的沙土对Hg的积累能力很弱。研究[20，21]还认为，土壤有机质可以决定土壤中重金属元素的有效性，降低重金属的毒性。土壤有机质具有很强的吸附重金属的能力，能强烈吸附土壤中Hg、Cu、Pb、Sn等离子。通过重金属的吸附、络合、离子交换等作用，可使土壤中某些重金属沉积，并依靠与有机质的专性吸附和表面配位作用来影响土壤中重金属元素的行为和移动性。研究区域土壤的阳离子交换量属中上水平，土壤中Hg与土壤阳离子交换量呈极显著相关，同时，土壤有机质与阳离子交换量之间也存在极显著相关。土壤CEC越高，土壤颗粒的净负电荷就越多，因此阳离子的吸附点也就越多，对重金属元素的专性吸附也就越强，对重金属元素的移动性和活动性的影响也增强。研究区域土壤重金属Hg、土壤有机质与土壤阳离子交换量三者之间存在显著或极显著相关。表明土壤有机质含量是影响重金属Hg含量的主要因子。

2.4.3 重金属Cd 研究区域土壤属强酸性土壤，土壤酸碱度直接影响生物对重金属的吸收，而且土壤pH主要是通过影响重金属化合物在土壤溶液中的溶解度来影响重金属元素的行为。有研究[22，23]认为，不同类型土壤对Cd的吸收率不同的主要原因是水溶解出土壤中的Cd随酸碱度发生变化，pH降低，Cd的溶出率增大，反之则溶出率降低。土壤pH的变化造成Cd的形态改变，从而使Cd的有效性发生变化。研究区域土壤中的Cd与土壤理化性质没有表现出明显相关性。表明土壤中的Cd受土壤理化性质影响较小，但由于研究区域土壤呈强酸性的特点，应注意重金属Cd含量的监测。

2.5 福建沿海地区农田土壤颗粒与重金属的关系

表4为福建沿海地区农田土壤颗粒与重金属Cd、Hg、Pb含量的相关分析。由表4可知，土壤中的Cd与粒径>2.000 mm的颗粒呈极显著相关，即土壤颗粒越大Cd含量相对增加。土壤中的Pb与土壤粒径相关不显著。土壤中的Hg与粒径0.002～0.020 mm、<0.002 mm两种较细粒径表现出正的弱相关性，与土壤较粗颗粒表现出负的弱相关性，进一步分析Hg的相关系数，发现土壤颗粒越细，土壤Hg含量有相对增加的趋势。

3 小结

1）福建沿海地区农田土壤属强酸性和酸性土壤，土壤有机质、阳离子交换量为中上水平，土壤其他养分为2～3级，也属中上水平。

2）土壤重金属含量与土壤部分理化性质有显著或极显著的相关性。土壤中Hg与土壤有机质、阳离子交换量相关显著或极显著；土壤中Pb与土壤全氮含量相关显著；土壤有机质含量是影响重金属Hg含量的主要因子；土壤颗粒的粗细也影响重金属含量的变化。

3）研究区域重金属Cd、Hg在土壤中的移动性及交互作用有待深入研究。为防止农业土壤中重金属进一步升高和保证粮食安全，建议通过调节土壤性质进行控制治理，如改变耕作制度，调整作物品种，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或施用能够固定重金属的有机肥等，调节土壤水分、养分、土壤pH和土壤氧化还原状态及气温、湿度等生态因子，实现对重金属污染物环境介质的调控。

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