深圳市土壤重金属背景含量垂向分布与理化特征

赵述华,罗 飞,郗秀平,杨 坤,廖 曼,赵 妍,吴静雅,林 挺

深圳市土壤重金属背景含量垂向分布与理化特征

赵述华,罗 飞*,郗秀平,杨 坤,廖 曼,赵 妍,吴静雅,林 挺

(深圳市环境科学研究院,国家环境保护饮用水水源地管理技术重点实验室,广东 深圳 518001)

为摸清深圳市6种常规重金属(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)在不同剖面层次的背景含量及垂向分布规律,探究土壤剖面重金属背景含量与理化参数的关系,在全市基本生态控制线区域布设土壤典型剖面样点50个,每个点位按A、B、C3层采集土壤样品共150个.结果表明,土壤剖面不同采样层次重金属背景含量存在显著差异,随着深度增加,Cr、Cu、Zn、Ni的背景含量呈现逐渐增加的规律,Cd和Hg的背景含量呈现先减少后增加的趋势.深圳市土壤剖面中6种重金属的背景含量相对较低,整体上略低于“七五”全国土壤环境背景值.土壤剖面理化参数存在典型的南方土壤特性,土壤pH值呈酸性,随着深度增加,土壤容重、Al2O3和Fe2O3含量逐渐增加,而有机质、CaO含量呈逐渐下降趋势,离子交换量呈先增加后减少趋势;土壤机械组成特征为砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少.将土壤剖面重金属背景含量与理化参数进行相关性分析,发现Fe2O3、Al2O3和土壤机械组成与土壤重金属背景含量相关性最为显著.逐步多元线性回归分析表明,影响土壤重金属背景含量的理化参数依次为Fe2O3、Al2O3、机械组成和阳离子交换量.

土壤剖面；重金属；背景含量；理化参数；深圳市

土壤环境背景含量是指一定时间条件下,仅受地球化学过程和非点源输入影响的土壤中元素或化合物的含量[1].土壤重金属背景含量主要来源于母质母岩,反映了母质母岩、土壤类型、地形、气候、生物等的共同作用[2-3].土壤环境背景值是土壤环境管理重要的基础数据,可为制定区域土壤背景值标准、辅助修正建设用地土壤的风险筛选值和修复目标提供依据.因此,土壤环境背景值研究一直是国内外研究的热点[4-7].我国幅员辽阔,不同地区土壤重金属背景含量差异较大.“七五”期间,国家组织开展了截止目前全国规模最大的一次土壤元素背景值调查,为我国土壤背景值研究奠定了良好的工作基础,为后续土壤背景值研究提供了借鉴和参考[8].随后大量学者围绕“七五”期间调查成果或者对不同地区开展了相关研究[9-13].由于土壤呈地带性规律分布,不同区域、地带、元素在土壤中的淋溶、迁移、积累等地球化学行为不同,会导致不同区域之间土壤中各种元素的背景含量和分布规律也存在明显差异[13].目前,国内外土壤环境背景值研究主要分为区域背景值和地块尺度背景值[15-17],其中以区域背景值研究为重点,但大部分研究集中在表层土壤[18-20],而对深层土壤重金属背景含量研究相对较少.同时目前关于区域背景值研究多集中在背景含量的统计与表征[4,18],缺乏对背景含量影响因素的深入分析,对影响背景含量的理化参数缺少深入探讨.

深圳作为我国第一个经济特区和改革开放的窗口,经济社会经历了40a的快速发展,城市原有的空间格局和土地利用方式已发生剧烈变化,土壤中重金属的背景含量也可能发生了改变.本研究通过开展土壤环境背景调查,分析土壤中普遍关注的6种常规重金属(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)在不同剖面层次的背景含量及垂向分布,研究重金属背景含量与土壤参数的关系,探讨影响土壤剖面重金属背景含量的因素,以期为土壤环境精细化管理提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

深圳市位于广东省南部,毗邻香港,属于亚热带海洋性季风气候,冬短夏长,温暖潮湿,降水丰富.年平均气温22.4℃,年平均降水量1872.74mm.全市总面积1997.47km2,其中建设用地面积为968.5km2,约占全市总面积的48.5%.全市属低山丘陵滨海区,岗峦起伏.整个地形东南高、西北低,东南属山地,西北属平原,地貌类型丰富,主要类型有丘陵、台地、平原和低山.根据深圳市第二次土壤普查结果[21],全市主要土壤类型有赤红壤、红壤、黄壤、水稻土、滨海砂土、滨海盐渍沼泽土等10个土类,其中赤红壤分布最广,是南亚热带生物气候条件下形成的地带性土壤.全市地表层的岩石分布有火成岩、沉积岩和变质岩.成土母岩、母质有花岗岩(包括花岗斑岩)、片麻岩、凝灰熔岩、砂砾页岩、灰色灰岩、近期河流沉积物、滨海冲积物和海陆混合沉积物,其中花岗岩分布面积最大,砂砾页岩次之.

1.2 点位布设

图1 土壤环境背景调查采样点分布

深圳市城市建设高速发展,建成区面积增长较快,为加强生态保护,促进城市建设可持续发展,2005年深圳市划定了基本生态控制线,作为生态保护范围的界线,面积为974.5km2,约占全市陆地面积的49.9%.基本生态控制线的范围包括一级水源保护区、风景名胜区、自然保护区、森林及郊野公园等生态环境保护良好的区域.根据土壤环境背景调查要求,调查区域应不受或很少受人类活动影响和不受或很少受现代工业污染与破坏.因此,本研究以全市不受或很少受人类活动影响的基本生态控制线区域作为调查范围,采用环境单元法与网格法相结合的方法进行点位布设,根据主要土壤类型和母质母岩,结合地形地貌、采样条件、土地利用现状、植被利用类型等划分采样单元,按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)[22]中土壤环境背景调查布点原则和方法,共布设土壤典型剖面样点50个,基本覆盖了调查区域的土壤类型和母质母岩.土壤环境背景调查采样点分布见图1.

1.3 样品采集

本研究于2018年7～10月在调查区域开展野外采样工作.土壤环境背景野外采样点位置的确定和样品采集过程均按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)[22]要求进行.剖面样点一般按照长1.5m,宽0.8m,深1.2m挖掘剖面,采用锄头、铁铲等工具进行人工挖掘,采用木铲进行样品采集.每个剖面按土壤自然发生层次自下而上分层分别采集C(母质层)、B(淀积层)、A(淋溶层)3层土样,各土层样品以划定的土层范围为界上下均匀全覆盖多点混合采集而成.本次调查共采集土壤剖面样品150个,并按照不少于样品总数4%的比例设置密码平行样点,同步采集密码平行样13个.

1.4 样品分析测试

按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)等要求进行样品保存与制备.Cd的分析测试方法采用《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[23],Hg采用《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1部分:土壤中总汞的测定》(GB/T 22105.1-2008)[24],Cr、Cu、Zn和Ni采用《固体废物22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 781-2016)[25].土壤pH值的测定方法为《土壤检测第2部分:土壤pH值的测定》(NY/T 1121.2-2006)[26],有机质含量的测定方法为《土壤检测第6部分:土壤有机质的测定》(NY/T 1121.6-2006)[27],阳离子交换量测定方法为《森林土壤阳离子交换量的测定》(LY/T 1243- 1999)[28],机械组成测定方法为《森林土壤颗粒组成(机械组成)的测定》(LY/T1225-1999)[29].CaO、Al2O3和Fe2O3的测定方法为《区域地球化学样品分析方法第1部分:三氧化二铝等24个成分量测定粉末压片-X射线荧光光谱法》(DZ/T 0279.1-2016)[30].本次调查采用全过程质量控制,通过现场密码平行样和统一监控样进行实验室外部质量控制,通过室内密码平行样和标准物质等进行实验室内部质量控制,以保证测试结果的准确性和可靠性.

1.5 数据处理与统计分析

对于低于分析方法检出限的测定结果以”nd”表示,统计分析时按1/2检出限计算.土壤剖面重金属数据先进行异常值判别与处理,再检验数据分布类型,进行不同剖面层次土壤重金属背景含量统计,最后用图件和表格相结合的形式表征不同剖面层次土壤重金属背景含量.首先采用Grubb’s检验法和T(Thompson)法来剔除异常值[31],综合分析异常值属于外来污染或来自高背景区,对于点位周边没有明显污染源、采样时也没有发现有明显污染痕迹的异常值予以保留.本次研究无异常值剔除.采用偏度-峰度法和Shapiro-Wilk检法,对重金属数据进行分布状态检验.

2 结果与讨论

2.1 土壤剖面重金属背景含量垂向分布规律

表1 土壤剖面重金属背景含量统计(mg/kg)

2.2 土壤剖面理化参数分析

表2 土壤剖面理化参数背景含量统计

土壤理化参数是土壤的基本属性,能反映出土壤质地、结构、透气性、肥力和保水等方面的情况,它不仅影响土壤过程与土壤质量,也关系到水土侵蚀、养分贮存、生物地球化学循环等重要生态环境问题[41].研究表明,土壤中矿物质元素Ca、Fe、Al主要以CaO、Fe2O3和Al2O3的形式存在,并对土壤性质、结构和功能产生影响[42].由表2可见,从平均值和95%分位值统计结果来看,土壤pH值呈酸性,随着深度增加土壤容重逐渐增大;阳离子交换量随着深度增加呈现先增加后减少趋势;A层土壤有机质含量最高,随着深度增加有机质含量逐渐减少;土壤机械组成特征为砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少;土壤CaO含量相对较低,随着深度增加CaO含量呈下降趋势;土壤Al2O3和Fe2O3含量较高,随着深度增加Al2O3和Fe2O3含量逐渐增加.土壤剖面理化参数存在典型的南方土壤特性.这可能是由于深圳市气候湿热、高温多雨,土壤母岩的化学风化和淋溶作用强烈,风化分解出来的盐基和硅被强烈淋失,而迁移性较弱的铁、铝氧化物在土体中则有明显的积聚,不断形成高岭石和含水铁、铝氧化物为主的次生粘土矿物[21].同时在脱硅富铝化作用为特点的漫长的成土过程中,形成的地带性赤红壤具有土层深厚、盐基饱和度低、粘粒硅铁铝率低、酸性强的特点[21].

2.3 土壤剖面重金属背景含量与土壤理化参数相关分析

土壤中各元素的背景含量反映了在不受或很少受污染的情况下,通过母质的风化并在成土过程中发生元素的迁移转化.不同土壤在发育过程中具有各自的特点,一些研究表明土壤元素背景含量不仅受成土母质母岩、土壤类型、气候、地形地貌、生物条件影响,还与土壤pH值、有机质、机械组成密切相关[9,40].此外,土壤中Ca、Al、Fe的含量对土壤重金属背景含量亦有不同程度的影响[3,43].从土壤重金属背景含量与土壤理化参数的相关性分析结果来看(表3),大部分土壤重金属背景含量与理化参数不呈显著相关.A层Cd除与CaO呈显著正相关(<0.05)外,与其它参数不显著相关;Cr、Cu、Zn、Ni与Fe2O3呈显著正相关(<0.01).B层Cd与有机质含量呈显著正相关;Hg与粉粒呈显著负相关,与Al2O3呈显著正相关;Cr与粘粒、Fe2O3呈显著正相关; Cu、Zn与Fe2O3呈显著正相关;Ni与容重呈显著负相关,与Fe2O3呈显著正相关.C层Cd与各理化参数均不显著相关;Hg与粘粒、Al2O3呈显著正相关(<0.05); Cr与粘粒、Fe2O3呈显著正相关(<0.01)、与Al2O3呈显著负相关(<0.05); Cu、Zn与Fe2O3呈显著正相关(<0.01);Ni与容重呈显著负相关(<0.05)、与粘粒、Fe2O3呈显著正相关.综观相关性分析结果,Fe2O3、Al2O3和土壤机械组成与土壤重金属背景含量相关性最为显著.这可能是因为土壤粘粒含量越高,土壤颗粒对重金属的吸附能力越强,而砂粒含量越高,土壤对重金属的吸附和滞留作用差,再加上南方雨水较多,土壤淋溶强烈[37,44].张毅[45]研究表明,重金属能够被土壤中的铁、铝、钙等固定,结合生成复杂的难溶性化合物,减少重金属的淋溶流失.

表3 土壤剖面重金属背景含量与土壤参数的相关性

注:*表示在0.05水平(双侧)上显著相关,**表示在0.01水平(双侧)上显著相关.CEC表示阳离子交换量.

2.4 土壤剖面重金属背景含量与土壤理化参数回归分析

在重金属背景含量与土壤理化参数相关性分析的基础上,进一步对影响因素pH值(1)、容重(2)、CEC(3)、有机质(4)、粘粒(5)、粉粒(6)、砂粒(7)、CaO(8)、Al2O3(9)、Fe2O3(10)采用逐步多元线性回归分析,在<0.05的显著性水平下,建立线性回归方程,确定重金属背景含量的主要影响因素.由表4可以看出,A层土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影响因素为Fe2O3;Cd背景含量的第1影响因素为CaO;其次,阳离子交换量、Al2O3、有机质和粉粒含量为第2或第3影响因素.B层土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影响因素为Fe2O3;第2影响因素为Al2O3.C层土壤Cr、Cu、Zn、Ni背景含量的第1影响因素为Fe2O3;Hg背景含量的第1影响因素为粘粒;Al2O3是影响C层土壤Hg和Cr背景含量的第2影响因素.综观主要影响因素的排序,Fe2O3、CaO、阳离子交换量、Al2O3、有机质、粉粒含量是影响A层土壤重金属背景含量的主要因素;Fe2O3和Al2O3含量是影响B层土壤重金属背景含量的主要因素;Fe2O3、Al2O3和粘粒含量是影响C层土壤重金属背景含量的主要因素.由此可见,研究的10种土壤理化参数中,Fe2O3是影响土壤重金属(Cr、Cu、Zn、Ni)背景含量的第1因素,其次为Al2O3.这可能是由于深圳市地处富铝风化壳,主要土壤类型为赤红壤,土壤中铁、铝氧化物含量丰富,Cr、Cu、Zn、Ni等重金属容易与铁、铝氧化物结合,受铁、铝氧化物含量的影响.Cd和Hg背景含量受土壤理化参数因素影响不明显,这可能与Cd和Hg主要受城市工农业生产活动、交通运输等导致的大气干湿沉降有关[40].

表4 土壤剖面重金属背景含量与土壤参数的线性回归

注:表示显著性值,“—”表示该数据空缺.

3 结论

3.1 土壤剖面不同采样层次重金属背景含量存在显著差异.随着深度增加,Cr、Cu、Zn、Ni等重金属的背景含量呈现逐渐增加的规律,Cd和Hg的背景含量呈现先减少后增加的趋势.与“七五”全国土壤背景值相比,深圳市土壤剖面中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni的背景含量相对较低,总体上略低于“七五”期间全国调查结果.

3.2 土壤剖面理化参数存在典型的南方土壤特性.土壤pH值呈酸性,随着深度增加,土壤容重、Al2O3和Fe2O3含量逐渐增加,有机质、CaO含量呈逐渐下降趋势,离子交换量呈先增加后减少趋势;土壤机械组成特征为砂粒最多、粉粒次之、粘粒最少.

3.3 土壤剖面重金属(Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni)背景含量与土壤参数相关分析结果表明,A层土壤重金属背景含量与Fe2O3、CaO含量呈显著相关性,B层土壤重金属背景含量与Fe2O3、Al2O3、粘粒、粉粒、容重、有机质等含量呈显著相关性,C层土壤重金属背景含量与Fe2O3、Al2O3、粘粒、容重等含量呈显著相关性.Fe2O3、Al2O3和土壤机械组成与土壤重金属背景含量相关性最为显著.

3.4 土壤剖面重金属背景含量与土壤参数逐步多元线性回归分析结果表明,Fe2O3、CaO、阳离子交换量、有机质、粉粒含量是影响A层土壤重金属背景含量的主要因素;Fe2O3和Al2O3含量是影响B层土壤重金属背景含量的主要因素;Fe2O3、Al2O3和粘粒含量是影响C层土壤重金属背景含量的主要因素.Fe2O3是第一影响因素,其次为Al2O3、机械组成和阳离子交换量.

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Vertical distribution of background content of heavy metals and physicochemical parameters in soil of Shenzhen City.

ZHAO Shu-hua, LUO Fei*, XI Xiu-ping, YANG Kun, LIAO Man, ZHAO Yan, WU Jing-ya, LIN Ting

(State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Management and Technology, Shenzhen Academy of Environmental Science, Shenzhen 518001, China)., 2022,42(11)：5246～5254

In order to find out the background content and vertical distribution of six conventional heavy metals (Cd, Hg, Cr, Cu, Zn and Ni), and to explore the relationship between the background content of heavy metals and the physicochemical parameters in different soil profile levels in Shenzhen, 50 typical soil profile sample points were laid out in the area of basic ecological control line, and 150 soil samples were collected at each point according to three layers A, B and C. The results showed that there were significant differences in the background contents of heavy metals in different sampling levels of soil profile. With the increase of depth, the background contents of Cr, Cu, Zn and Ni increased gradually, while Cd and Hg decreased first and then increased. The background contents of six heavy metals in Shenzhen soil profile were relatively low, which was slightly lower than the national soil environmental background values in the Seventh Five Year Plan. The physicochemical parameters of soil profile showed typical Southern soil characteristics. The pH values of soil were acidic. With the increased of depth, the soil bulk density, Al2O3and Fe2O3contents increased gradually, while the contents of organic matter and CaO decreased gradually, and the cation exchange capacity increased first and then decreased; the characteristics of soil mechanical composition were that sand particles were the most, silt particles were the second, and clay particles were the least. The correlation between the background content of heavy metals and physicochemical parameters was analyzed, and it was found that Fe2O3, Al2O3and soil mechanical composition had the most significant correlation with the background content of heavy metals in soil. The stepwise multiple linear regression analysis showed that the physicochemical parameters affecting the background content of heavy metals in soil were found to be Fe2O3, Al2O3, mechanical composition and cation exchange capacity.

soil profile；heavy metals；background content；physicochemical parameters；Shenzhen

X53

A

1000-6923(2022)11-5246-09

赵述华(1987-),男,湖南邵阳人,硕士,主要从事土壤环境调查与修复研究.发表论文10篇.

2022-04-12

国家重点研发计划项目(2017YFC0506605)

* 责任作者, 高级工程师, feiluo2006@qq.com