丁艳芳 鲁广秋 王云祥 和士彦 刘威
1.广西博环环境咨询服务有限公司,中国·云南 昆明 650000
2.玉溪师范学院化学生物与环境学院,中国·云南 玉溪 653100
3.云南省弥勒市烟用物资有限责任公司,中国·云南 弥勒 652399
4.云南溪影桑陌生态科技有限公司,中国·云南 昆明 650000
为了解中国弥勒市常年种植葡萄的土壤中金属元素的分布特征,做出合理的污染评价,论文通过测定土壤常规理化指标了解土壤基本状况,运用火焰原子吸收法测定土壤中Cu、Zn、Pb、Ni 元素的含量,研究其分布特征,并做出污染评价。结果表明,该区域土壤呈酸性,有机质、氮素等营养成分含量在中等水平,缺乏有效硼。金属元素含量Cu 在62.4~82.3mg/kg,Zn 在53~71.4mg/kg,Pb 在32.4~39.1mg/kg,Ni 在46.2~53mg/kg。内梅罗指数法得到各金属元素的平均综合评价指数P综<0.7,整体污染程度安全,为进一步发展生态农业以及科学种植葡萄提供了依据。
葡萄;土壤;金属元素;污染评价;内梅罗指数法
对土壤养分的分析关系葡萄生长的数量和质量,根据土壤养分情况,可以指定适合的肥料,补充有机质等营养成分,给土地修复,增加土地的活力和动力,为葡萄种植提供科学的依据。土壤状况在很大程度上决定了葡萄的性质,土壤养分是土壤肥力的主要组成部分,他对农业持续发展有重要影响,养分管理在农业生产中起重要作用。土壤pH、氮素、有机质、硼与葡萄生长息息相关。陈云霞[1]等人对葡萄土壤的研究表明,土壤氮、磷、钾均值分别为0.71g/kg、20.6mg/kg、149mg/kg 时,土壤养分较为良好。
弥勒市气候属亚热带,当地农业常年以种植葡萄为主。本研究所在的村庄坐落于高原葡萄之乡东风农场附近,土壤和气候适合葡萄种植。但此地在葡萄种植过程中出现长势有好有坏,给种植户带来了困难。有研究表明,金属元素对葡萄的生长及品质有重要影响,耿慧[2]通过研究土壤铜、锌分布特征,了解了其与葡萄品质的关系。同时,土壤中Cu、Zn、Pb、Ni 元素的含量是农用地土壤污染风险筛选值的必测项目,刘子龙[3]等人分析了葡萄主产区土壤重金属含量,并评价其污染程度。文章旨在通过测定Cu、Zn、Pb、Ni 元素的含量,研究其分布特征,并做出污染评价,为进一步发展生态农业以及科学种植葡萄提供依据。
金属测定:硝酸(AR,天津风船)、高氯酸(AR,天津风船)、氢氟酸(AR,天津风船)、铜标准储备液GBW(E)081008、锌标准储备液GBW(E)081009、镍标准储备液GBW(E)081006、铅标准储备液GBW(E)080987(济南众标科技有限公司)、重铬酸钾(AR,天津风船)、浓硫酸(AR,西陇化工)、硫酸亚铁(AR,天津风船)、邻啡罗啉(AR,科密欧)、硫酸银(AR,西陇化工)、氢氧化钠(AR,天津博迪化工)、浓硫酸(AR,西陇化工)、浓盐酸(AR,国药集团)、浓硫酸(AR,西陇化工)、乙醇(AR,西陇化工)、硼酸(AR,天津风船)。
仪器:电子分析天平(型号:AR114P/奥豪斯)、紫外分光光度计(UV-160A/日本岛津)、原子吸收分光光度计(普析通用/TAS-990F)、pH 计(型号:PHS—3C/产地:上海虹益)、电热板、量筒、容量瓶。
此块地面积为两亩,长方形,土壤样品采自4 个顶点和中心点。采用分层抽样法3步设采样点[4],各取表层(0~20cm)土壤约1kg,在阴凉处自然风干,样品风干后筛拣动、植物残体、石子,用木棍研细,之后采用四分法粉碎过筛20 目和100 目,装袋。
依据国家或行业标准方法,进行土壤理化性常规项目的测定[4]。pH(电位法测定);有机质(重铬酸钾容量法-外加热法测定);全氮(凯氏定氮法测定);有效硼(姜黄素比色法测定);水解氮(碱解扩散法测定)。
如表1所示,称取过100 目筛的土壤样品0.2g(精确至0.0001g)于聚四氟乙烯烧杯中,加入6mL 硝酸+1mL 高氯酸;置于电热板上上,位于通风厨中(160~170℃)消解,至硝酸被赶尽,部分高氯酸分解出现大量白烟,样品成糊状时,取下冷却。用塑料滴管加入10mL 氢氟酸,在加入高氯酸0.5mL,置于电热板上,位于通风橱中(210~220℃)加热使硅酸盐等矿物质分解后,继续加热至剩余的氢氟酸和高氯酸被赶尽,停止冒白烟时,取下冷却,加入3mol/L 的盐酸溶液10mL,继续加热至残渣溶解,取下冷却,用去离子水定量转入25mL容量瓶中,定容,混匀,所得溶液为土壤消解液。
表1 火焰原子吸收测定条件
土壤有效硼标准曲线:分别吸取10 μg/mL 的硼标准储备液0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL 于50mL 容量瓶中,配制成一系列浓度为0、0.1、0.2、0.4 、0.6 、0.8、1.0μg/mL 的标准工作液。
金属元素标准曲线:分别取浓度为1000 μg/mL 的Cu、Zn、Pb、Ni 标准储备液0.00、0.25、0.50、1.00、2.50、5.00、10.00 mL 至50mL 容量瓶中,配制得浓度为0.00、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 μg/mL 的标准工作液。
采用内梅罗污染指数法[5][6][7]分析,分别进行单因子指数和综合因子指数的计算。
单因子计算公式:Pi=Xi/Si
(Pi—内梅罗污染指数;Xi—土壤中污染物实测浓度(mg/kg);Si—土壤环境质量标准值中的评价指标。)
综合污染指数法的计算公式:
式中:P综为综合污染指数(综合反映各污染物对区域土壤的不同作用);P均为所有单项污染指数的平均值;Pmax为土壤环境中各单项污染指数中的最大值。
表4中编号1代表此块正方形地的中心点样。编号2、3、4、5 分别代表此块地四个顶点的样品。各常规理化性质如下表2所示。
表2 红石岩果园中pH、有机质、水解氮、全氮、有效硼含量
此块地5 个点土壤pH 小于6.5,变幅在4.21~6.16 之间,平均值为5.03,属于酸性土壤。有机质在23.52~42.04g/kg,有机质平均值为29.22g/kg,此块果园土壤有机质分布不均,含量在中等水平。水解氮含量变幅在62.8~90.2mg/kg之间,平均含量为77.22mg/kg,全氮变幅在0.097~0.198%之间,平均值为0.144%。有效硼含量变幅在0.101~0.235mg/kg 之间,平均值为0.150mg/kg。
用4 种金属元素Cu、Zn、Pb、Ni 的标准储备液配制不同浓度的标准溶液系列绘制标准曲线,并计算回归方程及相关系数r。计算结果如下表3所示:相关系数范围在0.9963 ≤r ≤0.9997 之间,各组分峰面积与质量浓度相关性良好,可以满足定量测定的需要。
表3 各元素测定方程
通过用火焰原子吸收光谱仪对土壤样品Cu、Zn、Pb、Ni 元素进行测定,各采样点位的金属元素含量如下图1所示。
图1 各点位金属元素含量图
各金属元素含量平均值由高到低依次为:Cu >Zn >Ni>Pb,根据《GB 15618-2018 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》标准:土壤pH ≤5.5 时,各元素含量限值,Cu 为72.3 mg/kg <150 mg/kg(果园),Zn 为63.3 mg/kg <200mg/kg,Ni 为48.4 <60mg/kg,Pb 为36.0<250mg/kg,如表4所示,该葡萄园土壤中的金属未超过限值范围。
表4 各元素含量平均值
如表5所示,依据内梅罗污染指数法[6,7]进行该葡萄园土壤金属污染评价可知,各元素的Pi 均小于1,污染水平均为非污染,其中Ni 的Pi 最大。通过计算综合污染指数(P 综)可知,该地土壤中金属含量分布不均匀,其中4、5 两个点位的综合污染指数为0.7 <P 综<1.0,金属污染程度在警戒线,但平均的P 综<0.7,整体污染程度安全。这可能是由于施肥及喷洒农药过程中,较为集中在4、5 号点位附近造成的。
表5 内梅罗污染指数法分析结果
该区域土壤平均pH 为5.03 呈酸性,有机质、氮素等营养成分含量在中等水平,缺乏有效硼。金属元素含量Cu:62.4~82.3mg/kg,Zn:53~71.4mg/kg,Pb:32.4~39.1mg/kg,Ni:46.2~53mg/kg。内梅罗指数法得到各金属元素平均综合评价指数P 综<0.7,整体污染程度安全,但该地土壤pH、有机质、氮素等营养成分,以及金属含量分布均有较大差异,其中pH 较低的两个点位,金属综合污染指数为0.7 <P 综<1.0,污染程度在警戒线,说明存在不合理的施肥及喷洒农药,造成该地土壤营养成分不均衡,金属在局部富集的情况,建议该地葡萄种植户可采取重新耕地,翻新土壤等有效手段,合理施肥、打农药,科学管理葡萄园,使得该地区葡萄种植增产的同时提供品质,并且积极发展绿色、可持续发展的生态农业。