江汉平原不同土地利用方式下土壤砷元素的含量特征——以沙洋镇为例

袁知洋吴殷琪孙佩潘飞段碧辉杨良哲黄彬王天一赵敏夏伟

(1.湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430000；2.湖北省硒生态环境效应检测中心，湖北 武汉430000)

砷及其化合物具有毒性，可以通过土壤-农作物-人体的方式逐级累积最终危害人体健康[1，2]。研究显示，在一些土壤或者水体含砷量过高的地区，由于农业活动中无意识地进行了污水灌溉、污泥覆盖等，如采矿区排放区，农作物都会不同程度出现砷过量风险[3，4]。也有因为土壤发生背景不同或者地形地貌因素所形成的土壤砷含量的差异[5，6]，近年来越来越多的研究发现，人类活动或者土地利用方式变化对土壤-植物的砷迁移体系有较大影响，从而产生人类食物链的风险[7，8]。在平原地区，人类活动较为剧烈，如成都平原上不同土地利用方式土壤砷含量差异显著，人类活动在一些地区超过了土壤自然形成的砷元素含量[9]；成都温江区平原中的工业用地和城市建设用地土壤砷浓度值非常高，对应调查点土壤砷含量超过了国家安全限[10]，江汉平原是湖北省粮食和蔬菜的主产区，因此有必要对土壤砷环境进行调查研究。

本研究区沙洋镇位于湖北省沙洋县，该县地处鄂中腹地，汉江中下游，居江汉平原与鄂西北山区结合部，沙洋镇为县城驻地，研究区地貌以平原为主，是农业种植区，且人类活动较为强烈，土地利用方式多样且典型[11]，区域内也发现过土壤汞元素在不同土地利用情况下含量有显著差异，水田和滩涂是土壤重金属潜在风险区[12]，因此该地区的土壤砷环境安全是本研究的一个切入点。本文借助“湖北省沙洋县土地质量地球化学评价”项目中对沙洋镇表层土壤的调查采样数据，针对性地深入分析了沙洋镇土壤砷元素对土地利用方式的响应，旨在揭示土壤砷元素在江汉平原人类活动活跃区不同土地利用方式下的含量特征，为今后土壤砷元素的干预治理和合理利用土地资源提供一定的科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沙洋县地处鄂中腹地，汉江中下游，江汉平原北端，地跨E109°11′～109°55′，N29°33′～30°12′，沙洋镇位于本研究沙洋县调查工区南部，见图1，毗邻汉江。土壤类型主要为第四纪孙家河组冲洪积层潮土，土层较厚，色泽多棕黄或者灰黄，人类居住和耕作等活动较为强烈。

图1 研究区沙洋镇在沙洋县所在位置

1.2 研究区土地利用概况

如图2所示，研究区总面积为53.49km2，旱地面积为11.55km2；建设用地面积为22.28km2；林地面积为2.29km2，水面面积为7.54km2，水田面积为7.53km2，滩涂面积为2.24km2，草地面积为0.05km2，7类土地分别占比为21.59%、41.66%、4.28%、14.10%、14.09%、4.19%、0.10%。

图2 研究区的不同土地利用方式和采样点分布

图3 沙洋镇土壤砷元素统计直方图

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计与样品采集

在沙洋县金土地项目1∶5万土壤调查工作的基础上，见图1，选取了覆盖沙洋县沙洋镇区域内的285个土壤采样点，3～4个·km-2，土壤调查中对每样土壤定点采取了5点采样法进行采样，即围绕中心点的5等分混合采样，土壤采样深度均为0～20cm，将土壤样品进行无污染自然风干后，取出细根、石粒等杂质，碾磨后过0.1mm孔径塞筛，制成待测土壤样品，带回实验室进行土壤全量砷元素的检测。

1.3.2 土壤砷元素测定方法

土壤砷采用了GB/T 22105规定的原子荧光光谱测定方法进行测试，每批土壤样品做3次空白样和平行样，取平均值作为样品砷元素的最终含量，测试过程中加入国家标准土壤参比物质(GSS-12)进行质量控制，各重金属的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。即方法检出限为0.01mg·kg-1，数据报出率为100%，分析精密度为3.87%，重复检验合格率为100%，ΔlgC为-0.01。

数据统计和相关分析采用SPSS 17.0统计软件，图像采用MapGis 67和Origin 8.1绘制。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤砷元素总体含量特征

如表1所示，沙洋镇土壤砷元素平均值为10.298mg·kg-1，变异系数为36.2%，属于中等变异程度。从图2可以看出，其偏态分布较为明显，因此说明研究区土壤As分布不均匀，局部出现了不稳定的高值，可能受到人类活动的影响。

表1 沙洋镇土壤砷元素特征值统计表

2.2 研究区土壤砷元素在不同土地利用下含量特征

由表2、图4可知，砷元素在沙洋镇中滩涂的均值含量最高，达到15.646mg·kg-1，其次是建设用地和水田，对比来看，砷元素在沙洋镇滩涂含量均值是建设用地的1.18倍，是水田的1.38倍，是林地的1.46倍，是草地的1.68倍，是旱地的1.8倍，是水面利用方式的1.98倍，在研究区中城镇建设用地土壤出现了砷的最高含量值19.827mg·kg-1，其次是旱地土壤砷的最高值为19.020mg·kg-1，土壤砷在不同土地利用下的均值含量排序为滩涂>建设用地>水田>林地>草地>旱地>水面，这和陈同斌等发现在北京的不同土地利用方式土壤砷含量特征相似[13]，滩涂水田等土壤砷含量较高，林业用地土壤砷含量较为安全。

表2 不同土地利用方式下砷元素的统计特征

图4 不同土地利用方式下砷元素的含量柱状图

由图5可知，砷元素总体在沙洋镇的中心城区含量较为聚集，但是面积较小的滩涂中砷元素含量均值也较高，如闸口村到沙洋县城一带的滩涂中靠近县城一侧，沙洋县城区人口和建筑密集区，且这些建设用地毗邻有大量的水稻田，其土壤砷元素含量偏高，其次为沙洋镇的西北方向，为沙洋县目前已建成的开发区，土壤砷元素在沙洋镇的南部含量较少，此区域主要为旱地和未开发用地。

图5 不同土地利用方式下砷元素地球化学特征

3 结论与讨论

3.1 结论

土壤砷元素在不同土地利用情况下土壤重金属元素含量特征差异显著。砷元素在沙洋镇中滩涂的均值含量最高，达到15.646mg·kg-1，其次是建设用地和水田，滩涂土壤砷元素含量均值是建设用地的1.18倍、水田的1.38倍、林地的1.46倍、草地的1.68倍、旱地的1.8倍、水面利用方式的1.98倍，在研究区中城镇建设用地土壤出现了砷的最高含量值19.827mg·kg-1，其次是旱地土壤砷的最高值为19.020mg·kg-1，土壤砷在不同土地利用下的均值含量排序为滩涂>建设用地>水田>林地>草地>旱地>水面，除了滩涂其他用地砷平均含量均低于国家标准的风险值15mg·kg-1。

旱地和水面土地利用方式下土壤砷元素含量较少，但是个别旱地要注意砷元素的外来干扰。

3.2 讨论

从相关滩涂和湿地的土壤砷元素研究中得知，湿地土壤砷元素通常是由有机物不断沉积而来，特别是水生动物和植物的残体沉积[14]，而且滩涂沉积物所累积的砷元素对滩涂水体进行砷元素的释放，并且对水体砷元素的影响大于降水的砷沉降的影响[15]。有学者在研究河口滩涂沉积物中砷元素发现，砷元素在强还原条件下容易形成惰性态而沉积固定，在氧化环境中可以活化成游离态[16]，因此有必要在滩涂等强还原环境下适当进行抽水暴晒，创造一定的氧化环境，因此为了防止在沙洋镇大片的滩涂和汉江湿地发生砷环境风险，对发生砷增多的滩涂进行适当干预，可以适当采取排水、暴晒、翻整、清淤等措施。