山东省水岸带土壤理化特征及其与重金属含量的关系

吴爱琴等

摘要：通过对山东省水岸带土壤理化性质和重金属含量研究表明：山东省水岸带土壤pH和有机碳含量均值分别高于和低于山东省土壤背景值，水岸带土壤pH、粒径组成和有机碳含量的空间分布差异相对较大，反映了土壤质地、物质来源和周围环境条件对土壤性质的影响；各重金属含量均与土壤有机碳值极显著相关（P<0.01），除Pb和Hg外，其他重金属含量均与土壤的平均粒径呈极显著的负相关关系（P<0.01），而只有Cd和Pb分别与pH呈显著正相关和负相关关系，表明土壤有机质和粒度对水岸带重金属含量影响较大，而土壤pH对重金属含量影响较小。

关键词：水岸带；土壤理化特征；重金属；山东省

中图分类号：X833； X131.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）18-4429-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.012

山东省位于中国黄河下游地区、中国东部沿海、京杭大运河的中北段。境内以平原为主，约占陆地总面积的55.0%；其次是山地，约占15.5%；再次是丘陵，约占13.2%；湖沼占4.4%；洼地占4.1%；其他占7.8%；其中农业用地占其土地面积的45.1%。山东省气候温和，常年平均气温11～14 ℃，雨量集中，多年平均降水量550～950 mm，属暖温带季风气候。

目前，山东全省干流长度在50 km以上的有1 000多条，大于10 km的河流共计1 552条，长度在5 km以上的河流有5 000多条，全省平均河网密度为0.24 km/km2。分属黄河、淮河、海河流域及独流入海水系（图1）。主要河流有黄河、徒骇河、马颊河、沂河、大汶河、小清河、潍河、沭河、东鱼河、泗河、洙赵新河、德惠新河、大沽河、弥河等，还有著名人工河流大运河，其中中国第二大河黄河在山东境内自西南向东北斜穿入海，流程617 km；京杭大运河自东南向西北纵贯鲁西平原，流程长630 km。湖泊主要有淮河流域内的南四湖（微山湖、昭阳湖、独山湖、南阳湖）、黄河流域内的东平湖、稻屯洼和小清河流域内的白云湖、马踏湖等。全省共有大、中、小型水库5 563座，其中大型水库32座，中型水库151座，小型水库5 380座，总库容1.577×1010 m3，兴利库容8.190×109 m3。由于降水偏少，人口众多，经济发达，山东为我国北方严重缺水的省份之一，年人均水资源占有量仅有334.000 m3，约为全国的1/6，世界的1/25[1]。

人类活动产生的大量重金属元素绝大部分以固态形式蓄积于沉积物中，尤其是水岸带沉积物之中，并对水岸带生态环境产生深远影响[2]。水岸带（Riparian Zone）是指河岸、湖岸、海岸以及溪沟渠塘等各种水—陆过渡地带[3]，具有水域与陆地生态系统的双重属性[4]。水岸带由于植物的截留作用，可以有效地减缓径流的流速，保护河岸，同时通过物理、化学和生物过程滞留阻控地表径流中的多种污染物质，如总固体悬浮物（SS）、营养物质（N和P）、持久性有机污染物（POPs）以及重金属等物质[5-8]。N、P等营养物质可以通过生物吸收转化等作用被降解或去除，但重金属类物质不能够被生物降解，会长期留存于水岸带中，对水岸带生态系统造成持久性的影响与威胁[9]。同时重金属具有持久性、生物富集性、毒性和来源的广泛性等特点，是水岸带土壤中具有极大危害的污染物，也是典型的难以降解的持久性毒物（PTs）[10]。沉积物中重金属的活性与环境条件有关，即在一定的理化条件下，重金属会被重新释放，形成二次污染[11]。通过对山东省水岸带土壤理化性质和重金属含量的分析，并建立两者之间的关系，以期为水岸带生态系统的保护、恢复和重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 资料收集与采样点布设

主要采用了资料收集、现场样品采集和实验室分析相结合的方式。通过网络资源的搜索和文本的查阅，在《山东省水资源公报》和《山东环境状况公报》等报告中收集了2001-2012年山东省河流和湖泊水体水质状况的相关数据。在此基础上，对山东省的大运河、赵王河、巨龙河等24条主要河流和东平湖等5个水库进行了实地调查（表1），并详细记录各水岸带采样点周围环境性状，包括土地使用类型、植被类型和水体环境概况等环境要素，共采集了37个水岸带土壤样品，回实验室后对其基本理化性质和重金属含量水平进行了分析。

1.2 样品采集和预处理

于2010年9～10月，在各水岸带采样点采集0～20 cm深度土壤。采样点位于河流的近岸带（距离水体0～3 m），采样过程中用有机玻璃铲刮去水岸带表层的腐殖质层和枯枝落叶等，均匀采集0～20 cm深度的表层土壤样品，同时采用多点（5～12点）混合取样法取样，每个水岸带采样点用四分法组成1个混合样品，共采集样品37个。所有采集的样品均现场装入聚乙烯密封塑料袋，然后放入便携式冷藏箱冷藏，带回实验室以后低温保存到冷冻冰柜中。

在实验室内，土壤样品在阴凉处经自然风干，用塑料镊子剔除样品中植物根系、树枝、大型无脊椎动物、石块和小砖头等杂质后，用木棍碾碎，取出部分样品装入聚乙烯密封塑料袋中用以测定土壤的pH和粒度；剩余部分样品用玛瑙研钵研磨，过100目尼龙网筛后装入聚乙烯密封塑料袋中用于土壤中重金属和有机质含量的测定。

1.3 样品分析方法

样品pH的测定采用pH计法（水土比为2.5∶1.0），采用LS 13 320型激光粒度仪（美国Beckman Coulter公司）测定土壤的粒径组成，土壤有机碳的测定采用重铬酸钾法[12]。样品在经过密闭微波消解后，在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室用ICP-AES测定重金属Cr、Ni、Cu、Co、Cd、Zn和Pb的含量，用直接汞分析仪测定Hg的含量。在分析测试过程中均做相应的试剂空白试验，并利用国家土壤标准物质GSS-6进行3个平行分析测定方法的回收率试验，各重金属元素分析结果最大误差均在5%以内。分析测试的过程中还随机抽取了4个样品做5次重复试验，各重金属元素的相对标准偏差均能控制在10%以内。

2 结果与分析

2.1 水岸带土壤的基本理化性质

2.1.1 pH 山东省水岸带土壤pH 5.67～8.49，平均值为7.84，略高于山东省土壤环境背景值（pH=7.7）（图2）；空间变异系数为9.90%，空间差异显著；沭河、乳山河、日照水库、高陵水库、门楼水库、米山水库等6个点位水岸带土壤的pH均小于7，略偏酸性，其中以米山水库水岸带土壤酸性最强（pH=5.67），其他点位土壤均呈碱性，其中洙赵新河岸带土壤pH为8.49，为所有采样点位中碱性最强。

山东省水体水岸带土壤的酸碱度空间差异性较大，可能是与受到成土母质的影响导致土壤类型的不同有关[13，14]。

2.1.2 粒度 由表2和图3可知，山东省各采样点水岸带土壤平均粒径变化较大，其范围在13.42（东平湖3）～455.21 μm（高陵水库）之间，平均粒径为89.69 μm，其中约 25.60%点位的土壤平均粒径大于100 μm，平均粒径的变异系数为107.00%，山东省水岸带土壤粒度的空间分布差异明显且土壤颗粒较大。从土壤的质地来看，水岸带土壤主要以粉粒和沙粒为主（88.81%），粘粒次之，石砾所占比例最低，仅有5个点位（日照水库、米山水库、高陵水库、乳山河和潍河2）的土壤样品中有石砾检出，其中高陵水库水岸带土壤中石砾含量最高，达10.90%。

成土母质是影响水岸带土壤粒度大小的主要因素，水岸带对地表径流中总固体悬浮物（SS）和泥沙的选择性截留也是影响水岸带土壤粒径的因素。此外，汛期水体淹没水岸带，冲刷带走土壤中的细颗粒物质并沉淀下泥沙和使部分石砾暴露并进入土壤也可能是导致水岸带土壤粒径较粗的原因[15，16]。

2.1.3 有机碳 山东省水体水岸带土壤有机碳含量为1.51～19.57 g/kg，平均含量为5.44 g/kg，显著低于山东省土壤背景值（6.71 g/kg）（图4），洙赵新河2号点位采样点土壤有机碳含量高于其他点位，另有11个点位略高于山东省土壤背景值，其中约有81.60%的点位土壤有机碳含量小于8 g/kg；水岸带土壤有机碳含量的空间变异系数为64.70%，空间差异性较大。土壤有机碳含量与平均粒径呈现一定的负相关关系（r=-0.361，P<0.05），说明土壤有机碳含量受土壤粒度影响较大，主要是不同粒度的颗粒吸附作用差异明显。

水岸带土壤有机碳的含量除受到成土母质的影响外，其上附生植被也会显著改变土壤有机碳含量。根据现场调查，多数采样点水岸带区域均被改造成为耕地或林地，每年补充到水岸带土壤中的有机物质量较少；另一方面，水岸带区域对地表径流和汛期水体中较大颗粒泥沙的截留能力较强，而使土壤中细小颗粒被冲刷走，使其吸附有机碳的能力下降[15，16]；同时，土壤粒径较大导致土壤孔隙度较大，透气性能较好，利于氧气的渗入，可以促进土壤中有机物质的矿化作用，从而降低水岸带土壤有机碳的含量。

综上所述，从各理化参数的平均值上看，山东省水岸带土壤pH和有机碳含量分别高于和低于山东省土壤背景值；而从其变异系数来看，水岸带土壤pH、粒径组成和有机碳含量的空间分布差异相对较大，反映了土壤质地、物质来源和周围环境条件对土壤性质的影响。

2.2 水岸带各重金属含量

山东省水岸带土壤重金属含量见表3。整体来看，山东省水岸带土壤中各种金属平均含量大小顺序为Zn>Cr>Ni>Pb>Cu>Co>Cd>Hg。

3 小结与讨论

一般来说重金属元素可以被土壤颗粒和有机质吸附，并且能够与有机质形成络合物[17，18]。土壤粘土所占比例越高，粒径越小，比表面积越大，其吸附能力越强，重金属含量往往越高；有机质对重金属含量的影响是通过其主要成分腐殖质对重金属强烈的吸附和络合作用[17]，使得重金属含量随有机质含量增加而增加；土壤pH是影响土壤重金属含量的关键因子之一[15，19]，土壤pH越高，部分重金属的溶解性越差，土壤吸附的量就越多，流失量少，含量就越高。

从本研究来看，各重金属含量均与土壤有机碳值极显著相关（P<0.01）（表4），表明土壤有机质是重金属重要的载体，也说明山东省水岸带土壤有机质含量是影响重金属在土壤环境中行为的重要因子。这与Stone等[20]研究认为的多种重金属在土壤中的存在形态主要是有机质结合态的结论是相符的。除Pb和Hg外，其他重金属含量均与土壤的平均粒径呈极显著的负相关关系（P<0.01），说明土壤粒径对于山东省水岸带土壤重金属的含量分布影响较大；从各重金属与pH的相关性关系来看，除Cd和Pb分别与pH呈显著正相关和负相关关系外，其他相关关系均较弱，说明Cd和Pb可能受到土壤pH的影响外，其他基本不受pH影响。

4 结论

1）从各理化参数的平均值上看，山东省水岸带土壤pH和有机碳含量分别高于和低于山东省土壤背景值；而从其变异系数来看，水岸带土壤pH、粒径组成和有机碳含量的空间分布差异相对较大，反映了土壤质地、物质来源和周围环境条件对土壤性质的影响。

2）山东省水岸带土壤中有机碳和平均粒径与土壤重金属均呈现显著的相关关系（p<0.01），说明二者对水岸带重金属含量影响较大，而土壤pH对重金属含量影响不大。

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