山东省白马河沿岸耕地表层及剖面重金属和碳、氮含量的空间分布及风险评价

樊玉娜 孙小银 高程程 王思婵 廉心怡 解昕昕 刘一飞

摘要：本试验以山东省白马河沿岸耕地为研究对象，调查分析各耕地表层及剖面中重金属（Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn）含量与碳氮含量的空间分布特征，并采用单因子污染指数（Ei）和潜在生态风险指数（RI）对其进行风险评价。研究结果显示，该区耕地土壤Cr、Cu、Ni、Pb元素含量均低于国家土壤环境质量标准二级标准限制值，有个别剖面Zn元素含量略高，Mn元素低于《农用地土壤环境质量标准（征求意见稿）》 标准值；耕地剖面潜在生态风险指数平均值范围在12.97～20.59之间，整体基本处于轻微生态风险水平；耕作层有机碳含量较小，碳氮比介于0.90～12.64范围内且多数在10以下，表明土壤矿化作用强。在治理耕地土壤重金属污染的同时，应注意土壤中各元素含量的均衡，提高耕地土壤生产能力。

关键词：耕地表层；耕地剖面；重金属；碳氮比；空间分布；风险评价

中图分类号：S158.4：X53文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）04-0052-07

Abstract Taking the cultivated lands along the Baima River in Shandong Province as the research object， the spatial distribution characteristics of heavy metals（including Cr， Cu， Mn， Ni， Pb， Zn）， carbon and nitrogen in the surface and profiles were surveyed and analyzed. Their risks were evaluated by adopting the single factor pollution index （Ei） and potential ecological risk index （RI）. The results showed that the contents of Cr， Cu， Ni and Pb in cultivated soil were lower than the second grade standard limit values of the National Soil Environmental Quality Standard. The content of Zn in individual profiles were slightly higher and the content of Mn was lower than the level of the Agricultural Land Soil Environment Quality Standards（Exposure Draft）. The potential ecological risk indexes of cultivated land profiles ranged from 12.97 to 20.59， and they were in the slight ecological risk as a whole. The organic carbon content of tilling layer was small. The C/N ratios were in the range of 0.90～12.64 and most were lower than 10， which indicated the strong soil mineralization. In the controll of heavy metal pollution for cultivated land， we should simultaneously pay attention to the balance of elements in soil and improve the productivity of cultivated soil.

Keywords Cultivated land surface； Cultivated land profile； Heavy metal； C/N ratio； Spatial distribution； Risk assessment

土壤是人類赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源，世界面临的粮食、资源和环境问题都与土壤密切相关[1]。随着我国经济社会的快速发展，特别是近20年来工业化、城市化和农业现代化发展的过程中，土壤质量发生了较大变化，土壤环境污染问题呈现多样化、复杂化和区域性的发展态势，给我国经济社会发展带来了新威胁和挑战[2]。

目前，国内外关于土壤重金属污染的研究很多，但大多是土壤重金属富集迁移研究和土壤重金属污染现状及修复，缺乏对耕地剖面重金属污染的空间分布特征分析及风险评价。分析耕地土壤表层及其剖面的重金属污染分布与污染风险，可以掌握耕地土壤中重金属污染状况，并针对研究结果进行有效的改良，进而确保粮食的安全生产和人体的健康。本研究对山东省白马河沿岸耕地土壤中Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn 六种重金属元素及其碳氮进行了分析，并采用单因子污染指数法和潜在生态风险指数法对剖面进行了风险评价，从而为该流域耕地的合理使用提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白马河流域位于山东省济宁市境内，流经曲阜、兖州、邹城、微山4县（市），流域面积约 936.02 km2。白马河在地貌上处于鲁中南丘陵向鲁西南平原的过渡地带，地形起伏较大，是南四湖主要的入湖河流之一。较大支流有十里沟、石墙河、望云河、大沙河等。流域位于温带大陆性季风气候区，降水多集中在 7—9 月，径流量年内分配不均匀；同时，人类活动作用频繁，对流域径流过程产生了不同程度的影响[3]。

1.2 样品的采集

2016年6月份对山东省白马河流域进行野外考察和耕地剖面（0～100 cm）的土壤样品采集，运用土钻按土壤发生层每10 cm连续采集，在10个采样点共采集97个样品。土壤剖面样品的采集点均布设在白马河沿岸，采样点位置如图1所示。

1.3 样品的处理方法

将除去石块等杂物的土壤样品自然晾干。然后研磨过100目尼龙网筛将其储存于密封袋中待检测。

土壤样品预处理采用传统的电热板消解法。称取0.5 g样品放入聚乙烯坩埚中，然后加入氢氟酸5 mL，硝酸6 mL，盐酸12 mL混合消解。将电热板调至230℃放入通风厨内，待坩埚内土样完全消解后取下，定容至50 mL比色管中并摇匀。采用原子吸收分光光度计分别测定样品中Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn 六种重金属元素含量。上述试剂均采用优级纯，溶液配制用去离子水。土壤中C、N含量采用元素分析仪（Vario EL，德国Elementar Analysen systeme GmbH） 测定。

1.4 重金属污染风险评价方法

以国家《土壤环境质量标准》一级标准[4]和《农用地土壤环境质量标准（征求意见稿）》标准值[5]为参比值，采用单因子污染指数（Ei）[6] 和潜在生态风险指数（RI）评价耕地表层和剖面土壤重金属污染的潜在生态风险[7]。因Hakanson[6]研究的是8种有机污染物和重金属的潜在生态风险，而RI的大小与参评污染物的种类和数量有关，污染物的数目越多、毒性越强，RI 值就越大，因此，应用 RI 进行生态风险评价时，必须根据参评污染物的种类和数量对其进行调整，本研究根据文献[8]中的方法对分级标准做了相应调整[9]，调整后的重金属潜在生态危害指数评价标准如表1所示。

2 结果与分析

2.1 白马河沿岸耕地表层重金属含量分布

由表2可知，白马河沿岸耕作层（0～30 cm，下同）土壤样品6种重金属含量除S1、S3、S8和S9采样点Zn略高于国家《土壤环境质量标准》二级标准值以外，其余5种重金属元素采样点监测值均未超标，这说明研究区土壤对重金属还有一定的环境容量[10]。10个采样点耕作层之间重金属镍含量有较大的区域差异，受人为因素影响的可能性大，其他5种重金属含量区域变化小。研究区各样点耕作层重金属平均含量略有差异：S1（白马河源头）、S2、S3、S4、S7、S10采样点重金属平均含量是Mn>Zn>Cr>Pb>Cu>Ni；S5平均含量为Mn>Cr>Zn>Pb>Cu>Ni；S6平均含量为Mn>Cr>Zn>Cu>Pb>Ni；S8和S9两地的耕作层重金属平均含量Mn>Zn>Cr>Cu>Pb>Ni。这些差异可能由于耕作层年年翻作导致不同地点不同重金属含量无明显变化规律。

具体分析表2数据发现，Cr、Cu、Mn、Pb 4种重金属在不同耕作层的含量最大相差约2倍；Zn的区域变化大约是3倍；而Ni在所有重金属中含量最少，但在各耕作层上含量相差9倍还多。造成不同耕作层重金属含量不等的原因：污水灌溉、肥料和农药的施用、大气沉降及其他农业活动。

采用单因子指数法对研究区耕作层土壤中的6种重金属污染状况进行评价[11]。由于耕作层是农作物主要生长环境，为了更好的了解该研究区耕地是否符合农业生产要求，研究采用《土壤环境质量标准》二级标准（二级标准：为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值）作为参比值[12]，将污染程度划分为4个等级：清洁（P<1）、轻度污染（1 ≤P<2）、中度污染（2≤P<3）、重度污染（P≥ 3）。研究結果如表3所示，S8采样点的Zn污染指数为2，达到中度污染。S2、S8、S9采样点的Cu，S1、S2、S4、S7、S8、S10采样点的Pb以及S1、S2、S3、S7、S9、S10采样点的Zn污染指数均大于1，呈现轻度污染水平。其余采样点耕作层土壤中重金属污染程度均属于清洁水平。

2.2 流域耕地表层C、N含量分布

土壤有机碳和氮是土壤养分的重要组成部分，也是植物生长发育过程中的必需元素[13]。土壤中碳氮元素含量超标或不达标都会使植物体内营养物质不平衡。碳氮在土壤中分解和转化，把复杂的碳素物质变成简单易溶，易于根系和气孔的吸收[14]。分析研究区土壤中C、N数据发现，不同样点耕地表层平均C含量差异明显，依次为：S9>S7>S2>S1>S6>S3>S10>S5>S8>S4。而不同耕地表层平均N含量差异较小，依次为：S2>S7>S5=S10>S3>S6=S9>S4>S8>S1。

土壤碳氮比的高低对植物生长发育具有重要影响。如果碳氮比较低，则有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放，促进土壤中有效氮的增加；反之，碳氮比较高，则会出现微生物在分解有机质的过程中存在氮受限，从而与植物竞争土壤无机氮，不利于植物的生长[15]。由表4可知，山东省白马河沿岸耕地表层碳氮比范围在0.90～12.64之间，不同耕地表层碳氮比差异显著。不同耕地表层碳氮比大小顺序依次为：S1>S9>S2>S7>S6>S3>S10>S5>S8>S4。

2.3 沿岸耕地剖面重金属含量分布特征

不同采样点土壤剖面中（0～100 cm ，其中S8采样点土壤剖面深度为0～70 cm）重金属元素含量垂直分布如图2所示，可以看出，研究区各剖面Cr、Cu、Ni、Pb重金属含量均未超过国家《土壤环境质量标准》二级标准；Mn含量低于《农用地土壤环境质量标准（征求意见稿）》标准值；Zn含量除S3（20～30 cm）和S8（10～20 cm）分别为247.55、249.4 μg/g，超出二级标准值外，其余剖面均未超标。各剖面重金属含量基本符合Mn>Zn> Cr， Cu、Ni、Pb三种重金属含量无明显差异。

分析各采样点剖面重金属垂直变化趋势（图2）可以看出，在0～30 cm土壤剖面上，多数采样点重金属含量明显增加，原因在于表层土壤重金属随着淋溶作用下渗并富集于地下20～30 cm处。土壤剖面30 cm以下各段变化没有明显规律，这与各采样点土壤性质差异有关。下游S10采样点Zn含量在30 cm以下剖面呈明显的下降趋势，其余重金属含量也同样随着土壤剖面深度的增加而呈现出递减趋势。

2.4 土壤C、N的剖面分布

总体上来看，耕地表层有机碳质量分数比30 cm以下深度土壤有机碳质量分数相对较高，主要原因可能是耕作表层农作物秸秆还田和有机肥的施用。大部分采样点（S4、S5、S6、S7、S8、S10）土壤有机碳含量随着剖面深度的增加呈明显的下降趋势。不同土壤剖面有机碳含量变化总体呈波动型。土壤剖面中氮质量分数变化总体呈波动型，变化幅度较小。分析图3发现，流域内各耕地剖面碳氮比依次为：S2>S1>S9>S3>S7>S6>S10>S5>S8>S4。碳氮比在水平分布上差异显著。而且表土层与底土层土壤碳氮比存在显著差异。

2.5 耕地重金属污染风险评价

以国家土壤环境质量标准和山东省土壤环境质量标准作参比值，采用Hakanson潜在生态风险指数法，计算得到白马河沿岸耕地土壤重金属在各样点剖面的单项潜在生态风险指数（Ei）及综合潜在生态风险指数（RI），根据潜在生态风险分级标准进行了生态风险评价[7]。重金属元素Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的毒性系数分别取2、5、1、5、5和1[6]。如表5所示，70%采样点Cu、Pb单项潜在生态风险指数介于5～10之间，30%采样点的指数大于4，表明研究区Cu、Pb处于中等生态危害水平，其余重金属均属轻微生态危害水平。由表6看出，综合潜在生态风险指数平均值范围介于12.97～20.59，S8潜在生态风险指数平均值大于20，呈现中等生态危害水平，研究区其余采样点基本属于轻微生态风险水平。

由表6还可看出，S2取样点0～10 cm土层和S8部分土层RI值大于20，表明这几个土层生态风险指数较高，均属中等生态风险水平。其余研究点虽处于轻微生态风险，但存在个别生态风险指数较高的剖面，RI值超过19的占到11.34%。沿岸耕地平均潜在生态风险指数大小为：S8>S9>S1>S2>S7>S5>S6>S4>S3>S10。

3 结论

白马河沿岸耕地土壤重金属Cr、Cu、Ni、Pb含量低于《土壤环境质量标准》二级标准值，有个别剖面Zn含量略高；Mn含量低于《农用地土壤环境质量标准（征求意见稿）》标准值。该研究区整体看符合国家对农业生产的要求。由于耕地表层农业活动频繁，导致不同耕地各种重金属含量分布特征不明显。大部分研究点耕作层重金属平均含量大小为Mn>Zn>Cr>Pb>Cu>Ni，Mn和Ni在各样点均是含量最高和最低的元素。耕地潜在生态风险指数平均值范围介于12.97～20.59，基本处于轻微生态风险水平，个别剖面处于中等生态风险水平，还有多个剖面处于轻微生态风险最高值。为保持该研究区优良的生态环境，需加强对中等生态风险水平的土壤进行治理。

不同土壤耕作层的有机碳质量分数基本都比耕地剖面底层的有机碳质量分数相对较高。不同耕地剖面C、N质量分数变化总体呈波动型。流域内不同耕地表层碳氮比依次为：S1>S9>S2>S7>S6>S3>S10>S5>S8>S4。流域内耕地剖面碳氮比水平分布差异显著，碳氮比依次为：S2>S1>S9>S3>S7>S6>S10>S5>S8>S4。

参 考 文 献：

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