不同土地利用类型下土壤铜累积状况及其污染风险控制

管滨+孙虎

摘要：对陕西省宁陕县旬阳坝镇的菜地、阶地耕地、坡耕地、荒地、林地5种不同土地利用类型的437个土壤样点进行调查分析，探讨土壤铜的累积状况，了解不同土地利用类型下土壤铜含量的差异。结果表明，研究区土壤铜的平均值为24.29mg/kg，显著高于全国土壤铜浓度背景值（22.60mg/kg），但未超过铜元素的累积临界值（37.45mg/kg）。与全国铜浓度背景值相比，5种不同土地利用类型土壤铜出现不同程度的累积，铜平均含量由高到低顺序为：菜地>阶地耕地>坡耕地>荒地>林地。

关键词：土地利用类型；铜；污染；风险控制

中图分类号：S158.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2015）04-0083-05

铜是一种人体必需的微量元素。WHO推荐成年男性日需要摄入量为0.7mg，成年女性日需要摄入量为0.8mg[1]。铜摄入量过低会导致骨质疏松、缺血性心脏病等疾病的发生[2]。铜的口服剂量大于200mg/kg体重将会使人致命[3]。同时，植物的生长发育过程离不开铜[4]，但土壤中铜的大量累积不但会抑制植物的生长，而且会污染生境[5]。目前对铜浓度累积状况的研究集中在市域、县域、湖泊[6]。本研究以镇域为研究范围，对陕西省宁陕县旬阳坝镇不同土地利用类型下铜累积状况进行调查分析并探讨了其污染风险控制对策。

收稿日期：2014-09-30

基金项目：教育部科学技术研究重点项目“陕南南水北调水源区景观生态变化与土壤侵蚀关系研究”（105152）

1材料与方法

1.1样品采集与分析

本研究区为位于南水北调中线水源区和国家天然林资源保护工程项目区的宁陕县旬阳坝镇。旬阳坝镇位于陕西省宁陕县城东北34km，东经108°25'12"～108°41'24"，北纬33°24'36"～33°36'36"，全镇总面积176km2，自1998年以来，本区全面停止采伐，开始实施天然林保护工程，许多坡耕地变成板栗林。本区森林资源丰富，森林面积1.73×104hm2，森林覆盖率达97%以上；全镇有耕地399.07hm2，均分布在月河、腰竹沟的沿河两岸，主产洋芋、玉米等农作物，占全镇总面积的2%。

本次样品采集时问为2013年7月，根据野外采样经验选取阶地耕地、坡耕地、菜地、荒地、林地5种土地利用类型，根据研究区的地势、地形特点，每种土地类型每隔5m选取一个样点，采用“S”法取样，深度为耕层O～20cm，取样工具为不锈钢土钻。同时，考虑到采样面积小，需要定位的精度高，普通GPS难以满足定位的需求，因此，用皮尺在田间测量确定采样点，用GPS确定4个边界点的坐标，并根据每个土地类型面积的大小确定点位和布点数量，共采集437个样本。样品取后带回实验室，把植物根系、石子等杂物取出，自然风干。采样点具体情况见表1，各样地形状及走向见图1。

土壤铜浓度测定：首先利用振动磨（粉磨时间为10s）将土壤样品制成粉末，混合均匀；其次，称取4g样品于样品环内，在压片机上压成样片（压力定为30L），并将样片放入干燥箱进行干燥。最后，将制好的样品放在X射线荧光光谱仪样品盒内，通过计算机操作，样品自动输入射线荧光光谱仪，48h后得出土壤铜浓度结果。

1.2数据处理

用ArcGIS10.0制作研究区地理位置图。采用SPSS17.0做正态分布统计检验和方差分析。使用Origin8.5检验并制作5种土地利用类型下铜浓度对数直方图。

2结果与分析

2.1不同土地利用类型下土壤铜浓度

由表2看出，437个样点铜浓度的几何平均值为24.29mg/kg，显著高于全国土壤铜浓度背景值（22.60mg/kg）[7]（P<0.01）。5种土地利用类型下铜浓度（浓度对数转换后）频数直方图如图2所示。在5种土地利用类型中，菜地铜浓度均值最大，为25.47mg/kg；阶地耕地次之，为25.26mg/kg；坡耕地为25.13mg/kg。菜地、阶地耕地、坡耕地土壤铜浓度均高于荒地、林地。荒地、林地土壤铜平均浓度分别为23.36、23.23mg/kg，仍高于全国土壤铜浓度背景值。

土壤元素累积临界值是土壤是否污染的判断标准[8]。铜元素的累积临界值为37.45mg/kg（由几何平均数和方差的平方的乘积确定）。在全部437个样点中，其中一菜地样点的浓度最大，为32.30mg/kg，但仍小于铜元素的累积临界值。菜地铜浓度均值最大（浓度为25.69mg/kg），但仍显著小于临界值37.45mg/kg（P<0.01）。可见陕两省宁陕县旬阳坝镇土壤并未受到铜元素的污染。

2.2不同土地利用类型下铜浓度差异

5种土地利用类型下铜浓度差异的方差分析结果（表3）表明，坡耕地、阶地耕地、菜地铜浓度均值显著高于荒地与林地（P<0.01）；阶地耕地和坡耕地之间没有显著差异，可见，地形对土壤铜浓度的累积没有显著影响。菜地铜浓度虽高于阶地耕地和坡耕地，但无显著差异。因为，两类耕地和菜地同样受人为活动影响，相对来讲菜地耕作强度更大，且使用有机肥和农药更多；荒地和林地中土壤铜浓度远低于其他土地利用类型，因为此类地偏远或地形复杂，受人为扰动小，但是荒地和林地土壤铜平均浓度显著高于全国土壤铜背景值。

2.3土壤铜来源分析

成土母质、铜制剂农药、有机肥是土壤铜的主要来源。土壤是地壳表层岩石风化与成土作用的产物，除了矿点和污染点外，总体上看土壤的化学组成相对稳定，元素的含量水平和变化幅度也相对稳定[7]。土壤背景值是未受污染的土壤基本化学组成[9]。本试验测得土壤铜的平均浓度为24.29mg/kg，比全国土壤铜背景值（22.60mg/kg）高0.84mg/kg，铜浓度背景值占本研究区铜浓度的93.04%。可见，在本研究中成土母质是铜的最主要来源。endprint

铜制剂农药是导致土壤铜增加的一个重要原因[10]。波尔多液因其粘着力强且长期使用不产生抗药性而作为最典型的铜制剂农药，同时也是生产上使用较广泛的农药。波尔多液喷洒过程中，一部分直接喷洒在土壤上，其余部分会随着枝叶进入土壤，这样会导致土壤中铜含量增加。巴西可可种植园、法国的葡萄园及英国的苹果园土壤铜含量铜量较高也是大量喷洒波尔多液的结果[12]。波尔多液等含铜制剂不仅用在果园，在菜地也使用[13]。本研究中，5种不同土壤利用类型中菜地含铜量最高，这与菜地使用波尔多液等含铜制剂农药有关。

有机肥的施用是土壤铜增加的一个重要因素。有机肥具有培肥地力和改善作物品质等特性，因此在现代农业中经常施用[14]。王开峰等[15]通过对7块稻田长期试验观测得出，有机肥的长期施用增加了土壤重金属污染的风险，中高量有机肥的施用使铜的活化率、全量和有效态含量明显升高。本研究中，阶地耕地和坡耕地的铜含量显著高于荒地和林地，有机肥在铜累积方面起到重要作用。

2.4土壤铜污染控制对策

铜在土壤中的污染不仅与铜的含量有关，还与土壤对铜的吸附、解吸、迁移等特性以及外界环境因素有关[16]。吸附、解吸是铜进入土壤后发生的主要化学过程，影响着铜在固相、液相中的分配[17]。通过调节吸附和解吸的影响因素（pH值，土壤组分）可以减少土壤液相中铜离子，增加土壤固相的铜离子，从而减少植物对铜离子的吸收，降低果实中的铜含量。外界环境（降水，温度）是影响铜污染的因素之一，可影响作物对铜的吸收量、吸收速度以及吸收时间。

含铜农药波尔多液作为杀菌剂在果园、菜地上的广泛使用，使得土壤中铜大量增加，甚至导致土壤污染，果实铜含量超标。为此必须寻找抗菌植物或者寻找波尔多液替代者。有机肥的长期施用增加了重金属污染的风险。对于有机肥的施用，需在正确指导的前提下科学使用。

植物修复具有经济、持久的优点，可进行大面积污染治理，因此逐渐成为修复土壤污染的良好技术措施。自1983Chaney[18]提出植物修复以来，超富集植物修复土壤污染的研究日益增多。目前已发现海州香薷、星香草、紫花苜蓿等植物具有铜超积累特性。其中，已知的铜积累量最高的植物是异叶柔花（AeollanthusbiformifoliusDeWild），其含铜量高达3.92mg/g[19]。因此，可选择合适的超富集植物来修复铜浓度过高或铜污染土壤。

3结论

通过对宁陕县旬阳坝镇土壤中铜的调查分析表明，研究区土壤铜的平均值为24.29mg/kg，显著高于全国土壤铜浓度背景值（22.60mg/kg），但未超过铜元素的累积临界值（37.45mg/kg）。在5种不同土地利用类型中，铜含量由高到低的顺序为：菜地>阶地耕地>坡耕地>荒地>林地。与全国土壤铜背景值相比，5种土地利用类型的土壤铜含量都显著增加，出现一定的累积。endprint