罗甸县不同土地利用类型对土壤重金属含量的影响

董艺博，陈 超*，周 丽，杨 丰，谭玉兰

(1.贵州大学 动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省草地技术试验推广站，贵州 贵阳 550025)

【研究意义】近年来，随着工业“三废”排放及农业生产中农药、化肥及污泥的滥用，土壤重金属累积污染问题越发引起高度重视[1]。重金属作为土壤中具有代表性的污染物，一旦进入土壤，其隐蔽性、多源性和不可逆性的特点[2]，使之在土壤中不断积累，对土壤和农作物具有潜在的生态风险，进而威胁到人类及动物的生命安全[3]。研究表明，不同土地利用类型是影响土壤重金属积累、转移的重要因素之一[4]。【前人研究进展】谢婧等[5]在深圳市不同土地利用类型下的土壤研究区中，对重金属累积调查表明，荒地处于清洁警戒线内，而菜地和林地均处于轻度污染水平线内，果园地达中度污染水平。陈宗娟等[6]通过对天津东南部某区域不同土地类型下土壤中重金属的累积程度进行分析发现：研究区大部分的土壤中重金属富集程度都达中度污染及以上水平，内梅罗综合指数评价结果为农业用地>工业用地>居住用地。李清良等[7]通过潜在生态风险评价研究表明，与林地和绿地相比，城镇用地和农业用地表层土壤重金属污染水平呈现增高趋势。IZQUIERDO等[8]对西班牙马德里市6个不同特征的城市园林中的土壤重金属研究表明，Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn含量与土壤质地、pH及有机质有关。综上所述，不同土地利用类型，虽然会明显的改变土壤重金属含量，但在不同地区其影响程度却不同。贵州喀斯特是易遭受人为活动的干扰破坏的生态脆弱区，土壤侵蚀严重，生产力下降[9]，土壤水分及养分供应不足，易贫化流失。特殊的喀斯特生态系统对环境因素变化反应灵敏，生态稳定性差，遭到破坏后恢复能力大幅度降低[10]。在贵州喀斯特地区复杂的自然环境下，不同的土地利用类型引发的土壤质量危害程度也各不相同。【本研究切入点】目前，针对贵州喀斯特生态系统不同土地利用类型的土壤重金属的研究还相对欠缺。【拟解决的科学问题】以贵州省罗甸县的5种典型土地利用类型为研究对象，对岩溶地区表层土壤重金属的分布特征及污染现状进行探究，并运用生态风险评价对各重金属的污染状况进行阐述，明确土壤环境质量对不同土地利用类型的响应变化，对贵州省罗甸县土地资源开发利用、发展特色农业及种植业推广提供借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区罗甸县(E 106°23′14″～107°3′57″，N 25°3′45″～25°45′14″，海拔600～1000 m)位于贵州省南部地处黔南州的西南部，是典型的喀斯特生态脆弱区，属典型南亚热带季风湿润气候，四季变化呈现春夏长、秋冬短的特点，日照时间为1350～1520 h，年均温度19.6 ℃，年均降水量1335 mm，无霜期335 d，因常年温度较高，素有“天然温室”之称。县内河域属珠江流域红水河水系，母岩以碳酸盐岩为主，土壤类型主要为红壤。植被分布以细叶马尾松(Pinusmassoniana)、云南松(Pinusyunnanensis)、枫香树(Liquidambarformosana)和麻风树(Jatrophacurcas)为建群种。草地主要以白茅(Imperatacylindrica)和草地早熟禾(Poapratensis)为优势种，并以通泉草(Mazusjaponicus)和细柄草(Capillipediumparviflorum)等为伴生种。农田主要种植玉米(Zeamays)和油菜(Brassicacampestris)，耕作方式为轮作。土地利用类型以草地、灌木林为主，其次是农用地。

1.2 材料

罗甸县林地、天然草地、人工草地、农田和弃耕地5种土地利用类型0～20 cm的表层土壤。

1.3 研究方法

1.3.1 样品采集及预处理 2017年8月对研究区域(图1)进行实地探查和样品采集。在研究区分别选取林地、天然草地、人工草地、农田及弃耕地5种土地利用类型，各类型随机选取3个样地，样地间隔均>500 m；每一样地按照“S”型选取10个采样点，采集0～20 cm表层土壤。剔出土样中的植物残根和碎石后将其按样地分别混合均匀，再采用四分法留取1kg土样，共15个土样。将土样带回实验室自然风干，然后过2 mm筛备用。

1.3.2 指标测定 土壤重金属元素Cr及Ni采用火焰原子吸收分光光度法测定，Cd与Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg含量采用冷原子吸收光度法进行测定，As采用原子吸收光谱法测定[11]。

1.3.3 不同土地利用类型土壤重金属含量的变异特征 利用变异系数反映不同利用方式下重金属含量的变异特征，从而揭示指定区域内变量的相对变化程度[12]。变异系数(c.v.)值越高，表明该重金属元素的含量在该区域离散程度越高[13]。根据变异按照程度可划分为轻度变异(0

式中：c.v.为变异系数，∂为标准差，μ为平均数。

1.3.4 土壤重金属污染评价 根据研究区实际情况，选取单因子污染指数法、内梅罗综合污染评价和Hakanson潜在生态危害评价法共同对研究区重金属污染及潜在生态风险危害进行评估。该研究将《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中的二级标准作为评价标准，6种重金属元素的毒性响应系数参照Hakanson[14]的研究结果确定。

(1)单因子污染指数法。单因子污染指数法主要用于单一污染因子在特定范围内的评价。单因子污染指数法的计算公式为:

式中，Pi为土壤中元素i的单因子污染指数；Ci为土壤中元素i的实测质量，单位mg/kg；Bi为土壤中元素i的评价标准值，单位mg/kg。

(2)内梅罗综合污染指数法。内梅罗污染指数评价法一种对重金属综合污染指数计算的方法，强调了污染较重的因子对土壤质量的危害程度，但对人为造成的污染以及重金属潜在毒害作用的突出效果不够明显[14]。内梅罗综合污染指数的计算公式为:

式中，P为内梅罗综合污染指数，maxi2为各因子环境质量指数的最大值，avei2为单因子污染指数的平均值。

(3)Hakanson潜在生态风险评价法。Hakanson潜在生态(风险)评价利用污染物的潜在生态危害指数侧重评价多种重金属对人类和环境的危害程度，突出重金属的潜在生物有效性[15]。污染物潜在生态危害指数计算公式为:

表1 Hakanson潜在生态风险指数评价标准

1.4 数据统计分析

采用Excel和SPSS进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤重金属的含量分布特征

从表2看出，研究区6种重金属平均含量为Cr(37.77 mg/kg)>Pb(18.92 mg/kg)>Ni(10.29 mg/kg)>As(3.82 mg/kg)>Cd(0.07 mg/kg)>Hg(0.05 mg/kg)，均未超过贵州省各元素背景值背景值和国家标准值(表2)。其中，Cd、Cr、Pb及Ni的含量分别为0.03～0.14 mg/kg、17.80～56.34 mg/kg、12.23～30.96 mg/kg及1.85～17.50 mg/kg，变异系数分别为49 %、33 %、30 %和45 %，呈中度变异；Hg和As的含量分别为0.01～0.11 mg/kg和0.49～6.46 mg/kg，其变异系数分别为58 %和51 %，呈高度变异，表明，罗甸县土壤重金属含量的分布不均匀。

由表3可知，同一种重金属元素在5种不同利用方式土壤中其含量分布存在差异。Cd含量为弃耕地>农田>人工草地>天然草地>林地，其中，农田、草地和天然草地与弃耕地及林地间存在显著差异，弃耕地的Cd含量显著高于其余土地类型。Cr含量为弃耕地>人工草地>林地>农田>天然草地，弃耕地的Cr含量显著高于林地、农田和天然草地；人工草地与林地间无显著差异，且均显著高于农田和天然草地；农田显著高于天然草地。Pb含量为农田>人工草地>弃耕地>天然草地>林地，农田Pb含量显著高于天然草地和林地。Ni含量为人工草地>弃耕地>林地>农田>天然草地，人工草地与弃耕地间Ni含量差异不显著，但均显著高于其余土地类型；林地与农田间差异不显著，但均显著高于天然草地。Hg含量为农田>天然草地>弃耕地>人工草地>林地，天然草地、弃耕地和人工草地间差异不显著，但均与农田和林地间存在显著差异。As含量为天然草地>人工草地>林地>弃耕地>农田，天然草地、人工草地与林地间差异不显著，但均与弃耕地、农田间存在显著差异；弃耕地与农田间存在显著差异。整体看，Cr、Ni和As含量均为人工草地>林地>农田，人工草地与农田间存在显著差异；Cd、Cr和Hg含量均为弃耕地>人工草地>林地，弃耕地与林地间存在显著差异；Cd、Cr和Ni含量均为弃耕地>农田>天然草地，弃耕地与天然草地间存在显著差异。

表2 罗甸县土壤重金属的含量

表3 描述统计不同土地利用类型表层土壤重金属的含量

2.2 不同土地利用方式土壤重金属元素、pH、阳离子交换量(CEC)和有机质(SOM)的相关性

由表4可知，不同土地利用类型土壤重金属、土壤pH、CEC及SOM之间存在一定的相关性。其中，各元素之间具有普遍的相关性，Cr与Ni呈极显著正相关，Hg与As呈极显著负相关，相关性系数分别为0.911和-0.691，故Cr与Ni、Hg与As具有相似污染源。Pb与Hg、As分别呈显著正相关和显著负相关，相关性系数分别为0.533和-0.637，故Pb与Hg、As具有相似污染源。pH与As呈显著负相关，与其他元素相关性不显著，说明土壤pH对重金属As的含量具有较大影响。CEC与Cd、Cr呈显著负相关，相关性系数分别为-0.596和-0.634，但与其他元素相关性较弱，表明CEC与土壤重金属Cd、Cr含量密切相关。SOM与Hg、As分别呈极显著正相关和负相关，相关系数分别为0.850和-0.868；与Pb呈显著正相关，相关系数为0.592，说明，重金属Hg、As和Pb含量与SOM的关联性较强。

2.3 不同土地利用类型土壤重金属污染评价

由表5看出，不同土地利用类型土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Hg及As的单因子污染指数(Pi)均小于1。Cd的Pi为0.12～0.47，Cr的Pi为0.13～0.34，Pb的Pi为0.05～0.10，Ni的Pi为0.05～0.36，Hg的Pi为0.04～0.34，As的Pi为0.01～0.14。其中，以弃耕地土壤Cd和Cr，农田土壤Pb和Hg，人工草地Ni和天然草地As的Pi最大；以林地土壤Cd、Pb和Hg，天然草地Cr和Ni，农田土壤As的Pi最小。各种土地利用类型的内梅罗综合污染指数(P)为弃耕地>农田>人工草地>林地>天然草地，且均<0.7，均处于清洁水平。说明，各土地利用类型的土壤均未受到上述6种重金属的污染。

表4 罗甸县土壤重金属元素和土壤基本理化性质Pearson相关性

表5 罗甸县不同土地利用类型土壤重金属的污染指数

表6 罗甸县不同土地利用类型土壤重金属的潜在生态危害系数和危害指数

2.4 不同土地利用类型土壤重金属潜在生态风险评价

潜在生态危害指数(RI)综合考虑多种重金属元素协同作用、毒性水平以及环境对重金属污染敏感程度。从表6可知， 5种土地利用类型6种重金属的潜在生态危害指数值(RI)分别为林地8.77、天然草地15.85、人工草地15.40、农田22.13和弃耕地24.25，皆小于轻微生态危害的上限值(RI=150)，属轻度生态危害。由此可见，研究区总体综合危害程度属轻度范围。

3 讨 论

罗甸县土壤的Cd、Cr、Pb及Ni均表现为中度变异，Hg和As表现为高度变异，表明其土壤重金属分布不均匀，且可能受到人为活动的影响。即，该地区土壤重金属含量不只受土壤本底值影响，还可能受到土地利用类型变化的干扰。若研究区土壤重金属间相关性呈显著或者极显著相关，说明二者或多者来源相似[16]。该研究结果表明，Cr与Ni，Hg与As可能具有相同来源。前人研究指出，Cr主要来源于母岩和成土过程，肥料和农药等人为因素产生的Cr远远小于土壤中原有的重金属量[17]；Ni来源于成土母质[18]。根据研究报道，Hg和As是工业排放的显著指标[19-20]，有色金属冶炼、煤炭开采和燃烧对土壤中Hg和As的积累有显著贡献[21-22]，说明Hg与As可能具有相同来源；肥料的施用也可能增加Hg与As的含量，与HUANG等[23-24]的研究结果相似。

土壤pH是影响土壤重金属溶解度、迁移过程和生物活性的重要因素之一[25]。土壤pH的降低可使土壤中重金属生物有效性增加[26]。该研究还发现，土壤pH与As呈显著负相关。研究区土壤pH为4.04～5.38，随着土壤酸性的增加，元素As生物有效性也随之增强，与王浩等[27]的研究相似。因此，在酸性土壤中某些重金属的流动性和生物有效性具有较高的潜力[28]。

阳离子交换量(CEC)与土壤重金属的含量密切相关。CEC与Cd、Cr呈显著负相关，表明2种重金属元素的含量随CEC的增加而减少，主要是因为随着CEC的增加，土壤中负电荷量逐渐升高，从而提供更多吸附点位起到固定重金属离子的作用，进而降低重金属的生物活性[29-30]。

此外，有机质(SOM)被认为是影响土壤重金属活性的最主要因子之一。该研究表明，SOM与Hg呈极显著正相关，可能是因为SOM含量升高，土壤对重金属As的吸附作用增强，离子活度降低，促进了研究区土壤重金属的积累，降低了其迁移转化速度，与TRAMMELL等[31]的研究结果一致；SOM与As呈极显著负相关性，SOM通过形成金属有机配合物影响养分的有效性，通过与重金属离子形成不溶性配合物从而降低其生物活性[32]。

该研究采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染评价和Hakanson潜在生态危害评价法共同评估研究区重金属的生态危害，结果表明：3种评价结果基本相同，不同土地利用类型的土壤重金属Cd、Cr、Pb、Ni、Hg及As皆处于清洁水平，未对土壤造成污染。5种土地利用类型均处于轻度生态危害。不同土地利用类型的内梅罗综合指数评价结果依次为弃耕地>农田>人工草地>林地>天然草地，元素Cr在弃耕地土壤中含量最高，在该研究中，弃耕地土壤中重金属含量高于耕作土壤，该结论与汤文光等[33]的长期免耕可降低土壤中重金属含量的研究结果相反，出现该现象的原因可能是因为弃耕地土壤自身养分和重金属含量较高所致，研究中的弃耕地弃耕前为菜地，农民在耕作过程中施肥以有机肥为主，有机肥的大量施加可活化土壤养分，提高肥力，进而增加重金属含量[34]；再者研究区弃耕地弃耕时间为3年，弃耕年限不长，土壤养分和重金属含量无法在短时间内转移出去。农田中谷类作物在吸收土壤养分的同时，土壤中部分重金属也随之被迁移转出，并且由于研究区土壤偏酸性且温度常年偏高，重金属的生物有效性提高，使作物更容易吸收重金属，最终导致农田重金属含量比弃耕地低。

4 结 论

对贵州省罗甸县5种土地利用类型表层土壤6种重金属元素(Cr、Pb、Ni、As、Cd及Hg)的分析评估结果表明，表层土壤重金属元素含量为Cr>Pb>Ni>As>Cd>Hg，各元素含量均低于贵州土壤背景值和国家标准值。整体看，5种不同土地利用类型土壤Cr、Ni和As的含量均为人工草地>林地>农田，人工草地与农田存在显著差异；Cd、Cr和Hg的含量均为弃耕地>人工草地>林地，弃耕地与林地存在显著差异；Cd、Cr和Ni的含量均为弃耕地>农田>天然草地，弃耕地与天然草地存在显著差异。相关性分析结果表明，Cr与Ni，Hg与As间存在显著相关性，具有相似的污染来源，Cr和Ni主要来源于成土母质；Hg和As除成土母质外还可能来源于煤炭开采与燃烧及肥料的施用。土壤重金属含量受土壤pH、CEC和有机质(SOM)的影响。

潜在生态风险评价结果表明，研究区单因子污染指数和潜在生态风险指数皆处于清洁水平，罗甸县表层土壤重金属未对当地土壤造成污染。可综合考虑土壤养分、肥力和土地利用类型，大力发展无公害农业。