戴燕燕，鈔錦龍，蔡 昕，張鵬飛

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

黃河中游區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱、礦產(chǎn)資源豐富、發(fā)展基礎(chǔ)很弱，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不平衡.該區(qū)域河流階地所形成的平臺(tái)為區(qū)域內(nèi)人類居住、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)提供了理想場所.由于土壤作為重金屬在各自然要素之間遷移、轉(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)，是重金屬污染累積的主要場所[1-2].因此研究黃河河流階地土壤重金屬分布及污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)關(guān)系到人類自身的切身利益.鈷是多數(shù)生物必需的微量元素，是植物和動(dòng)物整個(gè)生命過程中非常重要的元素[3-4].實(shí)驗(yàn)證明，低濃度的鈷能夠促進(jìn)植物的生長發(fā)育，但高濃度的鈷會(huì)抑制植物的生長，使之受到毒害甚至死亡[5-6].河流階地靠近河流，其形成過程及特殊的地理位置深受河流的影響.土壤組成成分及金屬元素隨河流影響的變化而變化.前人對黃河河流階地的演化、發(fā)育及構(gòu)造等方面做了大量的研究[7-8]，但鮮有對黃河中段河流階地土壤重金屬的研究，尤其是河流階地土壤單一重金屬鈷元素方面的研究鮮見報(bào)道.

綜上所述，研究黃河河流階地土壤鈷元素分布特征、影響因素及探明河流階地土壤是否受到鈷的污染，對合理的利用河流階地土地資源有一定的指導(dǎo)意義.

1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河中游通常界定為內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)至河南孟津的黃河河段.河段總長約1 206 km，該區(qū)域流域面積約占黃河總流域面積的46 %.黃河中游河流階地是指該區(qū)域內(nèi)由于黃河的下切侵蝕，原先的谷底部分超出洪水位以上，并呈階梯狀分布在河谷谷坡上.河流階地的主要類型有灘地、沙丘、林地、河心沙洲、湖泊、溫泉、沼澤、鹽堿地、水域、支流河口等.土壤類型為草甸土、沼澤土、鹽漬土、沖積砂土等.

黃河中游氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懠撅L(fēng)性氣候.年平均氣溫在12 ℃～15 ℃之間，雨熱同季，無霜期在213～235 d之間，年平均日照時(shí)長在2 238.9～2 529.7 h之間，年平均降雨量在400～620 mm之間，年降水量的分布由西北向東南遞減.

1.2 樣品采集與處理

2018年8月，在實(shí)際調(diào)研的基礎(chǔ)上，在臨縣克虎鎮(zhèn)布設(shè)了土壤樣品采集點(diǎn).采樣點(diǎn)位于黃河山西省一側(cè)，佳臨黃河大橋以西約1 km處，沿黃鄉(xiāng)村公路與河床之間的河流階地，沿黃鄉(xiāng)村公路高出河面常水位約20 m(圖1).該區(qū)域階地主要以河流一級階地和河流二級階地為主，共選取了三個(gè)樣點(diǎn)A、B、C，A和B樣點(diǎn)位于河流二級階地，C樣點(diǎn)位于河流一級階地.A樣點(diǎn)設(shè)在距河床直線距離約260 m處，距沿黃鄉(xiāng)村公路直線距離約80 m，高出河面常水位6～7 m，該樣點(diǎn)共采集剖面3個(gè).B樣點(diǎn)設(shè)在距河床直線距離約130 m處，距沿黃鄉(xiāng)村公路直線距離約200 m，高出河面常水位約5 m，該樣點(diǎn)同樣采集剖面3個(gè).C樣點(diǎn)設(shè)在距離河床直線距離約50 m處，距沿黃鄉(xiāng)村公路直線距離約300 m，高出河面常水位約2 m，該樣點(diǎn)同樣采集剖面3個(gè).各采樣點(diǎn)均為年代混雜的棗樹林，樹齡在10～60年之間，樹間距在3～5 m之間，A樣點(diǎn)較B、C樣點(diǎn)植被覆蓋度高且茂盛.林下植被主要為人工種植的玉米、花生、大豆及蔬菜等.剖面樣品采集利用輕型人力鉆，間隔10 cm采集1個(gè)樣品，每個(gè)樣品重約200～250 g，同一采樣點(diǎn)的三個(gè)剖面間水平距離大于20 m[9].

將采集好的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干兩天后，在105 ℃下烘干24 h，干燥好的樣品經(jīng)過破碎、研磨后通過20目篩，然后取20 g左右樣品過200目篩，壓片.最后利用X-熒光光譜儀(XRF)測定土壤樣品中As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的含量.分析過程中采用重復(fù)樣及標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS1和GSD12)進(jìn)行質(zhì)量控制.

1.3 評價(jià)方法

本研究中，鈷的污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照山西省土壤環(huán)境背景值[10]，評價(jià)方法采用單項(xiàng)污染指數(shù)法[11].該方法通常被用于評價(jià)單一重金屬元素對土壤的污染狀況，計(jì)算公式為：

式中：Pi為土壤中重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為重金屬i在土壤中的實(shí)際含量(mg/kg);Si為重金屬的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg).Pi值越大，表示污染越嚴(yán)重(表1).

表1 污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 河流階地土壤重金屬含量特征

土壤背景值是指在未受人類社會(huì)行為干擾和破壞時(shí)，土壤成分的組成和各組分的含量[10].表2顯示了黃河中段河流階地土壤重金屬含量及與采樣地相符合的流水沖擊沉積背景值和山西省土壤背景值參數(shù)[10]，結(jié)果表明：重金屬As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pd、Zn在黃河河流階地土壤中的平均含量分別為3.9 mg/kg、112.57 mg/kg、35.88 mg/kg、5.56 mg/kg、281.92 mg/kg、8.53 mg/kg、15.44 mg/kg、19.69 mg/kg.黃河河流階地土壤中除鈷元素外，其他元素的平均含量均低于流水沖擊沉積背景值和山西省土壤背景值.鈷元素超標(biāo)嚴(yán)重，平均含量分別為流水沖擊沉積背景值的9.7倍和山西省土壤背景值的11.8倍.所有元素的平均值均未超過《GB 15618-2018土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值與風(fēng)險(xiǎn)管制值的限值(pH>7.5)[12].通過實(shí)驗(yàn)表明人類活動(dòng)對黃河中段河流階地土壤環(huán)境的影響不大.

表2 河流階地土壤重金屬基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)描述

圖2 各樣點(diǎn)剖面土壤鈷元素含量曲線

2.2 河流階地土壤中鈷含量的垂直分布特征

黃河中段河流階地土壤中鈷含量垂直分布特征如圖2所示.據(jù)圖2可知，不同河流階地鈷含量垂直分布差異較大.圖中顯示，根據(jù)三個(gè)樣點(diǎn)鈷元素的平均含量在剖面中的分布特征可將其分為三層，第一層為0～0.2 m，含量較低；第二層為0.3～0.7 m，含量高；第三層為0.8～1.0 m，含量低，總體呈現(xiàn)低-高-低的形式.A樣點(diǎn)鈷元素的平均含量為53.81 mg/kg，含量變化范圍在25.5～108.1 mg/kg.鈷元素含量隨著深度的增加呈現(xiàn)低—高—低的變化趨勢.B樣點(diǎn)中鈷元素的平均含量為165.66 mg/kg，含量變化范圍在84.9～374.3 mg/kg.鈷元素在表層土壤中(0～30 cm土層)含量最大，在40 cm以下土層中隨著深度的增加而波動(dòng)減小，且變化幅度不大.C樣點(diǎn)中鈷元素的平均含量為118.24 mg/kg，含量變化范圍在51.1～291.8 mg/kg.鈷元素隨著深度的增加而波動(dòng)減小.表3中顯示各樣點(diǎn)土層中鈷含量在垂直方向上均表現(xiàn)為弱變異(0

表3 各樣點(diǎn)鈷元素垂直分布特征及變異系數(shù)

2.3 河流階地土壤中鈷含量的水平分布特征

黃河中段河流階地土壤中鈷含量水平分布特征如圖3所示.據(jù)圖3可知，不同河流階地土壤鈷含量差異較大.鈷元素含量在B樣點(diǎn)顯示最大值，C樣點(diǎn)次之，A樣點(diǎn)最小.B樣點(diǎn)土壤鈷含量是C樣點(diǎn)的1.4倍，是A樣點(diǎn)的3.08倍.

表4顯示了黃河中段河流階地水平方向上各土層中鈷元素的平均含量及變異系數(shù).水平方向上各土層中鈷元素含量的分布均呈中等變異(10%

圖3 河流階地鈷元素水平分布特征

表4 河流階地鈷元素水平分布特征及變異系數(shù)

2.4 河流階地土壤鈷污染特征評價(jià)

以山西省土壤環(huán)境背景值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，黃河中段河流階地各樣點(diǎn)土壤中的鈷元素的單項(xiàng)污染指數(shù)均大于3，屬重度污染(表5).B樣點(diǎn)土壤中鈷元素的單項(xiàng)污染指數(shù)顯示最大值，C樣點(diǎn)次之，A樣點(diǎn)顯示最小值.研究區(qū)域內(nèi)土壤已受到鈷元素的嚴(yán)重影響，且B樣點(diǎn)的污染更為嚴(yán)重.

3 討論

3.1 河流階地土壤鈷含量的分布特征

土壤中重金屬元素主要來源于自然因素和人為因素兩種.自然因素指在成土母質(zhì)中含有的重金屬元素或土壤在形成過程中引入的重金屬.而人為因素是指在生產(chǎn)生活等人類活動(dòng)過程中人為排入的重金屬[13].成土母質(zhì)是影響土壤鈷含量的重要因素[14].黃河中段河流階地各采樣點(diǎn)土壤中鈷元素含量在30 cm以上土層中差異較大，但在30 cm以下土層中變化趨勢相似且含量差異較小.這可能由于重金屬在土壤中向下遷移的能力弱[15]，遷移深度小，一般富集在土壤層50 cm之上[16].這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步證明黃河中段河流階地土壤中鈷元素在30 cm以下土層中主要受到成土母質(zhì)和成壤過程影響，而30 cm以上土層中的鈷元素除受到成土母質(zhì)和成壤過程影響外，劇烈的人類活動(dòng)及植物作用是其含量的最主要影響因素.

表5 河流階地鈷污染特征

表6 河流階地各采樣點(diǎn)土壤粒度特征

黃河中段河流階地土壤中鈷含量水平分布特征顯示，B樣點(diǎn)鈷含量最大，C樣點(diǎn)次之，A樣點(diǎn)最小.這可能源于兩個(gè)方面，一方面，劉丹[17]在其學(xué)位論文中表明土壤中鈷的含量與粘粒、粉粒呈負(fù)相關(guān)，與砂粒呈正相關(guān).經(jīng)對各樣點(diǎn)粒度成分進(jìn)行分析(表6)，B樣點(diǎn)和C樣點(diǎn)以砂粒為主，砂粒含量越多，土壤中鈷含量越高.而A樣點(diǎn)粘粒和粉粒含量共為56.77%，大于砂粒含量的43.22%，因此A樣點(diǎn)土壤中鈷含量較低.同時(shí)，粒度分析結(jié)果與洪水帶來泥沙的沉積規(guī)律相吻合，同一河流階地，洪水經(jīng)過時(shí)在洪水深度高的地方所形成的河漫灘相沉積物粒度粗，在深度低的地方形成的沉積物粒度細(xì)[18]，A樣點(diǎn)與B樣點(diǎn)同處于河流二級階地，但B樣點(diǎn)距離河床相對A樣點(diǎn)近了130 m左右，因此，同一次洪水過程中，B樣點(diǎn)洪水深度大于A樣點(diǎn)，所以B樣點(diǎn)沉積物組成成分粒度粗.另一方面，A樣點(diǎn)棗樹等木本植被覆蓋率高于其他兩個(gè)樣點(diǎn)，祝賀[14]等人的研究認(rèn)為棗樹等木本植物與草本植物相比，木本植物可將生長過程中吸收的鈷元素長期儲(chǔ)存于其體內(nèi)，同時(shí)木本植物在死亡后殘?bào)w分解速率及鈷的釋放速率遠(yuǎn)低于草本植物.再者，A樣點(diǎn)的區(qū)位也影響著土壤中鈷的含量，A樣點(diǎn)靠近山丘，山坡地表徑流形成過程中將A樣點(diǎn)表層植物殘?bào)w沖刷帶走，從而降低鈷元素在A樣點(diǎn)的相對歸還量.另外，被徑流沖刷帶走的植物殘?bào)w可能在B樣點(diǎn)及C樣點(diǎn)的表層土壤中堆積，進(jìn)而可能導(dǎo)致B、C樣點(diǎn)的表層土壤中鈷元素含量較高.

3.2 河流階地土壤環(huán)境鈷污染評價(jià)

土壤中適量的鈷能夠促進(jìn)植物的生長和發(fā)育，但是土壤中鈷含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致植物生長受抑甚至遭受毒害，若遭受鈷毒害的植物通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，將直接影響人的心臟、呼吸系統(tǒng)等[19].實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示河流階地各樣點(diǎn)土壤中鈷元素的單項(xiàng)污染指數(shù)均遠(yuǎn)大于3，均屬于重度污染(表5).很多學(xué)者研究認(rèn)為土壤中鈷元素含量超常時(shí)會(huì)對植物產(chǎn)生毒性.其表現(xiàn)為是植物葉片變黃、異常分枝及長瘤等中毒癥狀[20].樊文華等[21]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，給冬小麥?zhǔn)┾捄砍^4 mg/kg時(shí)，冬小麥出現(xiàn)增產(chǎn)效應(yīng)及粗蛋白含量下降等癥狀.王秀敏等[22]在玉米實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，土壤中鈷含量超過20 mg/kg時(shí)明顯抑制玉米的生長，具體表現(xiàn)為葉片黃化、植株生長發(fā)育受制，總生物量下降等.羅丹[23]在其博士學(xué)位論文中指出鈷濃度為0.5 mg/kg時(shí)，黃瓜、雍菜、大白菜葉片不同程度地黃化.河流階地A樣點(diǎn)較B、C樣點(diǎn)植被覆蓋度高且茂盛可能與土壤中鈷的污染程度有關(guān)系，A樣點(diǎn)鈷元素的單項(xiàng)污染指數(shù)為5.66，而B、C樣點(diǎn)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A樣點(diǎn)，由此可以推斷黃河中段河流階地B、C樣點(diǎn)土壤中超高的鈷元素含量已影響到植被的生長.

4 結(jié)論與建議

黃河中段河流階地土壤中除鈷元素以外，其它重金屬元素均未超過土壤背景值，土壤中鈷元素嚴(yán)重超標(biāo).

黃河中段河流階地土壤中鈷元素在30 cm以下土層中主要受到成土母質(zhì)和成壤過程影響，而30 cm以上土層中的鈷元素除受到成土母質(zhì)和成壤過程影響外，劇烈的人類活動(dòng)及植物作用是其含量的最主要影響因素.

黃河中段河流階地土壤中鈷元素的含量與各樣點(diǎn)中粒度成分有很大的關(guān)系，B樣點(diǎn)和C樣點(diǎn)以砂粒為主，土壤中鈷含量高.而A樣點(diǎn)以粘粒和粉粒為主，土壤中鈷含量較低.

黃河中段河流階地土壤中鈷元素均處于重度污染狀態(tài)，且B、C樣點(diǎn)植被已受到鈷污染的影響.因此，建議在該區(qū)域河流階地中種植番茄、小麥、油菜等吸收和積累鈷元素強(qiáng)的作物，通過合理規(guī)劃、科學(xué)管理，合理修復(fù)河流階地鈷污染土壤，更好地發(fā)揮其生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益.