内蒙古河套甜瓜种植区根系土生态地球化学特征

彭志帆

(内蒙古自治区地质环境监测院，内蒙古呼和浩特 010020 )



内蒙古河套甜瓜种植区根系土生态地球化学特征

彭志帆

(内蒙古自治区地质环境监测院，内蒙古呼和浩特 010020 )

摘要[目的]研究甜瓜种植区根系土的生态地球化学特征和立地地球化学条件，评价河套地区土壤环境质量，为该地区甜瓜种植提供科学依据。[方法]采集河套地区甜瓜主要种植区根系土样品和犁底层样品并分析其中的重金属元素含量，通过与《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)对比，确定根系土中重金属元素是否符合国家标准。[结果]根系土中重金属元素在黄河退水区含量最高，盐土次之，栗褐土中最小。后套地区中上游灌淤土中有害元素As、Cd、Hg、F、Pb在地表根系土表现为富集特征，垂直方向上具有一定的分带性；微量元素Cu、Zn，有益元素P、K2O、CaO、MgO、Se表现为贫化；在黄河退水区乌梁素海一带灌淤土中，有害元素As、Cd在地表根系土中明显富集，其他元素贫化或接近背景值；在犁底层土壤中，无论是有益组分还是有害组分均呈富集特征。[结论]河套地区立地地球化学条件优秀，种植的甜瓜重金属元素符合国家食品卫生标准。

关键词根系土；灌淤土；盐土；生态地球化学特征

内蒙古河套地区是甜瓜的主要种植区，甜瓜种植已成为河套地区农业的支柱产业。随着工农业生产的发展，由重金属引起的土壤和农作物污染问题日益严重，农作物直接参与食物链循环，因此，重金属在农作物中的含量过高势必影响人类健康与生态安全[1-2]。

根系土是赋存在地表0～20 cm耕作层的土壤，是植物生长和发育的基础。根系土土壤环境质量的好坏直接影响甜瓜的产量和品质。重金属是土壤环境中广泛分布的具有潜在危害的元素，在环境中不会降解、消失，污染作用具有隐蔽性和滞后性。近年来，结合土地开发利用的土地环境质量评价以及农业地质项目中的生态环境地球化学调查等研究，对土壤重金属污染问题均有所涉及[3]。笔者分析了内蒙古河套甜瓜种植区根系土中重金属元素含量以及不同农作物对重金属元素的吸附情况，以期可为土壤污染治理、种植结构调整等提供科学依据[4]。

1材料与方法

1.1样品采集在研究区内采集93件根系土样品、6条犁底层垂直剖面样品。①根系土采集：将植物根系上的土用不锈钢铁锹进行采集，样品重量300 g，考虑到样品的代表性，在采样点周围连续采集3～5株植物样品，根系土也实行多点等重量组合。②犁底层垂直剖面样品采集：垂直剖面按照土壤在垂直方向上岩性的变化特征分层取样，一般在垂直方向上每隔50 cm左右取样，对于同一层土壤厚度较大的从顶板到底板采用连续取样组合成一个样品。

1.2测定项目与方法根系土测定项目包括Na、K、Mg、Ca、B、Fe、Mn、Cr、Cu、Zn、Mo、F、As、Se、Cd、Hg、Pb。As、Hg采用原子荧光光谱法(AFS)测定；B、Mg、Fe、Cd、Cr、Cu、Mo、Pb、Zn等元素采用等离子体质普法(ICP-MS)测定 ；F采用离子选择性电极(ISE)测定；Mn、K采用等离子体光谱法(ICP-OES)测定。

2结果与分析

2.1根系土土壤环境质量评价以国家标准《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中的Ⅱ级土壤标准为依据(表1)，对根系土土壤环境质量进行评价。按照不同土壤类型分别研究(表2)。从表1、2可以看出，污染元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均低于国家Ⅱ级土壤标准值(pH>7.5)，为绿色土壤，说明甜瓜种植区的灌淤土、潮土、盐土、栗褐土中重金属元素的立地地球化学条件优秀。

2.2根系土元素分布特征从表2可以看出，As在栗褐土中的含量最低，平均值为10.05 μg/g，在黄河下游退水区(乌梁素海一带)灌淤土中含量最高，平均值为17.50 μg/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河上游灌淤土、黄河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

表1　土壤环境质量标准值

表2　不同土壤类型特征值

Cd在栗褐土中的含量最低，平均值为106.36 ng/g，在黄河下游灌淤土中含量最高，平均值为213.00 ng/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河上游灌淤土、黄河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

Cr在栗褐土中含量最低，平均值为61.22 μg/g，在黄河下游灌淤土中含量最高，平均值为84.40 μg/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河中游灌淤土、黄河上游灌淤土、潮土、栗褐土。

Cu在栗褐土中含量最低，平均值为19.11 μg/g，在黄河下游灌淤土含量最高，平均值为31.98 μg/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河中游灌淤土、潮土、黄河上游灌淤土、栗褐土。

Hg在栗褐土中含量最低，平均值为19.20 ng/g，在黄河中游灌淤土中含量最高，平均值为35.22 ng/g。总体含量由高到低依次为黄河中游灌淤土、盐土、黄河下游灌淤土、潮土、黄河上游灌淤土、栗褐土。

Ni在栗褐土中含量最低，平均值为26.01 μg/g，在黄河下游灌淤土中含量最高，平均值为38.01 μg/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河上游灌淤土、潮土、黄河中游灌淤土、栗褐土。

Pb在栗褐土中含量最低，平均值为19.40 μg/g，在黄河下游灌淤土中含量最高，平均值为25.58 μg/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河上游灌淤土、黄河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

Zn在栗褐土中含量最低，平均值为55.44 μg/g，在黄河下游灌淤土中含量最高，平均值为90.37 μg/g。总体含量由高到低依次为黄河下游灌淤土、盐土、黄河上游灌淤土、黄河中游灌淤土、潮土、栗褐土。

由此可知，所有元素基本具有一致性的特征,重金属元素在黄河退水区含量最高，盐土次之。盐土和退水区灌淤土以黏土和粉砂质黏土为主，黏性土壤对重金属元素吸附性非常强。栗褐土属于砂性土壤，对重金属元素吸收性较弱，形成了低含量带。

2.3甜瓜根系土、淋滤土、犁底土元素分布特征在甜瓜种植区布置了4条土壤垂直剖面，对土壤中的As、Cd、Hg、F、Pb、Cu、Cr、Zn、N、P、K、Ca、Mg、Se等元素在垂直方向上的变化特征进行分析。采用富集系数(X)进行评价,当X>1时，相对于下层土壤富集；X<1时，相对于下层土壤贫乏。

X1=根系土/淋滤土

X2=淋滤土/犁底土

2.3.1黄河上游磴口一带灌淤土。从表3可以看出，有害元素As、Hg、F、Pb，有益元素K2O在根系土中明显富集，至淋滤层、犁底层含量逐渐降低，垂直方向上具有分带性；有害元素Cd，微量元素Cu、Zn，有益元素P、CaO、MgO在淋滤层中明显富集，说明这些元素由于地表水的淋滤以及土壤的吸附在该层次生富集；有害元素Cr、有益元素Se在犁底层含量偏高，说明与成土母质有一定的关系。

表3　黄河上游灌淤土元素富集系数

2.3.2黄河中游一带的灌淤土。从表4可以看出，有害元素As、Cd、Hg、F、Pb，微量元素Cu、Zn，有益元素P、Se在表层根系土中明显富集，这是由于黄河水由上游向下游灌溉过程中，土壤颗粒由粗逐渐变细，砂土变为黏土，黏土的强吸附所致，同时也受山前冲积扇物质来源的影响。Cd、P在垂直方向上具有一定的分带性；As、Cu、Hg、F、Pb、Zn、Se犁底土明显高于淋滤土，说明该层土壤与淋滤层相比，更具有吸附性，黏性较大，在淋滤层并无次生富集，也可能与地下水的活动有关；有益组分K2O、CaO、MgO在淋滤层明显富集，这些元素是造岩元素，对土壤的成土母质具有一定的继承性，在碱性环境下很难溶解，以稳定的矿物存在于土壤淋滤层中。

表4　黄河中游灌淤土元素富集系数

2.3.3黄河退水区灌淤土。从表5可以看出，无论是有益组分还是有害组分，犁底土元素的含量普遍高于根系土元素的含量尤其是重金属元素最明显。说明退水区一带灌淤土的犁底土中黏土成分较多，同时在退水渠根系土中大多数元素含量也高于其他地区，是黄河沉积物向东粒级变细的特征。犁底土含量高于上层土壤，是表层农作物对根系土中元素的吸收造成根系土中大多数元素含量降低的结果。

表5　黄河退水区灌淤土元素富集系数

2.3.4大黑河流域中游潮土。从表6可以看出，有害元素Cd、F、Cr，有益元素N、P、K2O、MgO、Se在表层根系土中明显富集，其中，Cd、F、Cr、N、P、K2O、MgO、Se在垂直方向上具有明显的分带性。说明这些元素受外部环境影响较大，尤其是N、P、K2O的富集与人工施肥密切相关。Hg在淋滤层富集，与土壤的次生富集有关。F在大黑河流域中游表层土壤中明显富集，而该区与F有关的工业活动较少，应该是施用含F高的化肥造成表层F含量升高所致。

表6　大黑河流域中游潮土元素富集系数

2.3.5大黑河流域下游潮土。从表7可以看出，有害元素F、Cd、Pb，微量元素Cu、Cr、Zn呈在根系土和梨底土中贫化、淋滤土中富集的特征,反映了这些元素在淋滤土中具有次生富集的特征。上述元素在根系土中的缺失还有一部分是被甜瓜吸收。有益元素MgO、Se、P、CaO和有害元素Hg在根系土中表现为明显富集特征，与河套地区表层环境以及人类活动有关。MgO、CaO是河套地区碱性土壤的特征元素，易于迁移的化学性质使其在中下游富集。P在表层富集是化肥施加的结果，Se、Hg是燃煤等人类活动造成表层富集。

表7　大黑河流域下游潮土元素富集系数

2.3.6大黑河流域上游潮土。从表8可以看出，在地表根系土中F明显富集，P相对富集、As、Pb弱富集，Cd、Hg呈贫化特征；微量元素Cu、Cr、Zn，有益元素K2O、MgO、Se在根系土中略富集。F在该区表层土明显富集，也与施用含F高的化肥有关。P在表层明显富集，与施用化肥有关。

表8　大黑河流域上游潮土元素富集系数

3结论与讨论

该研究结果表明，与《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)对比，甜瓜种植区根系土中重金属元素符合国家标准，立地地球化学条件优秀。根系土中重金属元素在黄河退水区含量最高，盐土次之，栗褐土中最低。后套地区中上游灌淤土中有害元素As、Cd、Hg、F、Pb在地表表现为富集特征，垂直方向上具有一定的分带性；微量元素Cu、Zn，有益元素P、K2O、CaO、MgO、Se表现为贫化；在黄河退水区乌梁素海一带灌淤土中，有害元素As、Cd在地表根系土中明显富集，其他元素贫化或接近背景值；在犁底层土壤中，无论是有益组分还是有害组分均呈富集特征。该研究结果可为河套地区甜瓜种植提供科学依据。

参考文献

[1] 杨忠芳，成杭新，奚小环，等．区域生态地球化学评价思路及建议[J]．地质通报，2005(8)：387-393．

[2] SUAUKIO Y．Cadmium metabolism and toxicity in rats after longterm subcutaneous administration[J]．J Toxicol Environ Health，1980，6(3)：469-483．

[3] 雷鸣，廖柏寒，秦普丰．土壤重金属化学形态的生物可利用性评价[J]．生态环境，2007，16(5)：225-230．

[4] 庞金华.上海粮食中元素的含量及土壤的安全值[J].长江流域资源与环境，1997，6(2)：149-154．

基金项目国土资源大调查项目“内蒙古河套农业经济区生态地球化学调查”(200414200005)。

作者简介彭志帆(1981- )，女，内蒙古呼和浩特人，工程师，从事水文地质方面的研究。

收稿日期2016-04-22

中图分类号S 158.4

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)14-155-04

Eco-geochemical Characteristics of Muskmelon Root Soil in Planting Region of Hetao Irrigation Area of Inner Mongolia

PENG Zhi-fan

(Inner Mongolia Geological Environment Monitoring, Hohhot, Inner Mongolia 010020)

Abstract[Objective] To evaluate the eco-geochemical characteristics and geochemistry conditions of root soil in muskmelon planting area, to evaluate the soil environment quality in Hetao Irrigation Area, and to provide scientific basis for the muskmelon planting in this area. [Method] root system soil sample and plow pan sample were collected from the main muskmelon planting area in Hetao Irrigation Area, so as to analyze the contents of heavy metal elements. By comparing with the Soil Environmental Quality Standard (GB15618-1995), we determined whether the heavy metal elements in root system accorded with national standard. [Result] Heavy metal elements in root system soil had the maximum content in recession flow area of Yellow River, followed with saline soil. The content of heavy metal elements in chestnut-brown soil was the minimum. Harmful elements As, Cd, Hg, F and Pb in anthropogenic-alluvial soil of upper and middle reaches of Hetao Irrigation Area showed enrichment characteristics in earth surface, with a certain zonation in vertical direction. Trace elements Cu and Zn and beneficial elements P, K2O, CaO, MgO and Se showed depletion. In anthropogenic-alluvial soil of Ulansuhai Nu recession flow area of Yellow River, harmful elements As and Cd showed significant enrichment in root system soil of earth surface; while other elements showed depletion or was nearly background value. In soil of plow pan, both beneficial component and harmful component showed enrichment characteristics. [Conclusion] Hetao Irrigation Area has idea geochemical conditions; and the heavy metal elements in muskmelon planted in this area accord with the standard of national food and health standard.

Key wordsRoot system soil; Anthropogenic-alluvial soil; Saline soil; Eco-geochemical characteristics