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不同土地利用方式土壤重金屬賦存與有機(jī)碳關(guān)聯(lián)性分析

2021-09-13 15:51王軍廣,趙志忠,王鵬,唐薇,趙澤陽(yáng),郭術(shù)

王軍廣,趙志忠,王鵬,唐薇,趙澤陽(yáng),郭術(shù)

摘要:【目的】評(píng)估不同土地利用方式土壤重金屬形態(tài)與有機(jī)碳(SOC)含量的相關(guān)性,為深入理解土壤負(fù)載SOC和重金屬的環(huán)境地球化學(xué)行為,以及評(píng)價(jià)土壤環(huán)境和人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù)?!痉椒ā繙y(cè)定海南省瓊海市和定安縣3種不同土地利用方式(水田、旱地和拋荒地)中不同形態(tài)重金屬砷(As)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)以及SOC和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MAOC)含量,并對(duì)重金屬形態(tài)含量、富集度、生物有效性及重金屬與SOC和MAOC之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。【結(jié)果】不同土地利用方式土壤中重金屬含量表現(xiàn)為:水田Cr>Zn>Pb>Cu>As,旱地Cr>Zn>Pb>As>Cu,拋荒地Cr>Zn>Cu>Pb>As;土壤重金屬形態(tài)以殘?jiān)鼞B(tài)存在為主;不同土地利用方式下重金屬的富集程度存在明顯差異,富集指數(shù)呈現(xiàn):水田Cr>As>Cu>Zn>Pb,旱地As>Cr>Cu>Zn>Pb,拋荒地As>Cu>Cr>Zn>Pb;3種土地利用方式土壤中Cr、Cu、Zn和Pb的生物有效性系數(shù)較小,處于較穩(wěn)定的存在狀態(tài),生態(tài)潛在風(fēng)險(xiǎn)較小,而As對(duì)人體健康具有較大的潛在威脅。土壤中SOC和MAOC含量在3種土地利用方式下均表現(xiàn)為水田>拋荒地>旱地,土壤中SOC和MAOC含量與部分形態(tài)的Cr、Cu、Zn和Pb之間具有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)性。【結(jié)論】土地利用方式的改變不僅影響土壤理化性質(zhì),還對(duì)土壤中重金屬的來(lái)源和性質(zhì)以及有機(jī)物類(lèi)型含量產(chǎn)生影響。不同土地利用方式土壤中部分重金屬賦存形態(tài)含量與SOC和MAOC具有顯著或極顯著相關(guān)性(As除外),對(duì)深入理解海南土壤污染狀況、土壤自?xún)裟芰εc機(jī)制等方面具有重要理論意義,可為海南土壤質(zhì)量提升及可持續(xù)利用提供理論支撐。

關(guān)鍵詞: 土地利用方式;重金屬形態(tài);有機(jī)碳(SOC);礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MAOC);富集因子分析

中圖分類(lèi)號(hào): S154.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):2095-1191(2021)09-2417-09

Correlation analysis between concentrations of soil heavy metal species and organic carbon in different land use types

WANG Jun-guang1, ZHAO Zhi-zhong1*, WANG Peng2, TANG Wei1,

ZHAO Ze-yang1, GUO Shu3

(1School of Geography and Environmental Science,Hainan Normal University, Haikou? 571158, China; 2Geological Survey Institute of Hainan, Haikou? 570206, China; 3School of Chemical and Chemical Engineering,

Hainan Normal University, Haikou? 571158, China)

Abstract:【Objective】In order to evaluate the correlation between soil heavy metal forms and organic carbon content(SOC) under different land use types,and to understand the environmental geochemical behavior of soil SOC and heavy metals,it had important theoretical value and practical significance for the risk assessment of soil environment and human health. 【Method】The contents of arsenic(As),chromium(Cr),copper(Cu),zinc(Zn) and lead(Pb),SOC and mineral bound organic carbon (MAOC) in soils of three different land use types(paddy field,dry land,abandoned land) in Qionghai City and Dingan County of Hainan were determined. The morphological content, enrichment, bioeffectiveness and the association between heavy metals and SOC and MAOC were also analyzed. 【Result】The results showed that, the contents of heavy metals in soil of different land use types were as follows:paddy field: Cr>Zn>Pb>Cu>As;dry land:Cr>Zn>Pb>As>Cu; abandoned land:Cr>Zn>Cu>Pb>As. The forms of heavy metals in soil were mainly residual;the enrichment degree of heavy metals under different land use types was quite different.The enrichment index showed that, paddy field:Cr>As>Cu>Zn>Pb,dry land:As>Cr>Cu>Zn>Pb,abandoned land:As>Cu>Cr>Zn>Pb.The bioavailability coefficients of Cr, Cu, Zn and Pb were small in the soil, which was in a relatively stable presence, and had less ecological potential risk, while As had large potential threat to human health. The contents of SOC and MAOC in soil showed the following order: paddy field>abandoned land>dry land. The content of SOC and MAOC in soil was significantly(P<0.05) or extremely significantly(P<0.01) correlated with some forms of Cr,Cu,Zn and Pb. 【Conclusion】The change of land use types not only affects the physical and chemical properties of soil,but also affects the sources and properties of heavy me-tals and the content of organic matter in soil. The contents of some heavy metals in soils under different land use typesare significantly or extremely correlated with SOC and MAOC(except As). It has important theoretical significance for the in-depth understanding of Hainans soil pollution status,ecological and environmental benefits,and its soil self-purification capabilities and mechanisms,in order to provide theoretical support for Hainans soil quality improvement and sustainable use.

Key words: land use types; heavy metal forms; soil organic carbon(SOC); mineral bound organic carbon(MAOC); enrichment factor analysis

Foundation item: Hainan National Science Foundation(419MS049); Science Research Project of Hainan Institutions of Higher Education(Hnky2019-34); Hainan Academician Innovation Platform Scientific Research Project(YSPTZX 202024)

0 引言

【研究意義】受土壤自身理化性質(zhì)和周邊環(huán)境的影響,土壤因自然或人為活動(dòng)形成的不同利用方式,使得土壤環(huán)境中富集有毒有害有機(jī)物或重金屬的情況差異明顯。土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ),也是與人類(lèi)生存緊密相連的復(fù)雜體系,在生態(tài)環(huán)境安全和糧食安全生產(chǎn)等方面發(fā)揮極其重要的作用(閆夢(mèng)等,2019;李曉曉等,2020)。近年來(lái),隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展,由生活廢棄物、化肥農(nóng)藥和工業(yè)污染物等引起的農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。進(jìn)入土壤中的重金屬元素具有較強(qiáng)的活動(dòng)性且難以降解,容易在土壤中過(guò)量累積,影響農(nóng)作物生產(chǎn)力和微生物活性,造成土壤質(zhì)量下降,威脅土壤生態(tài)安全和人類(lèi)健康(李曉曉等,2020)。在自然過(guò)程中,土地利用方式和植被類(lèi)型的改變將顯著影響土壤的反應(yīng)性,表面吸附或共存的有機(jī)碳(SOC)可改變土壤顆粒物(團(tuán)聚體)表層電性及裸露基團(tuán),土壤顆粒物可賦存的重金屬形態(tài)和含量、土壤微環(huán)境安全性也隨之發(fā)生改變(霍婷婷等,2020)。因此,開(kāi)展不同土地利用方式的環(huán)境特征研究,對(duì)深入理解土壤污染狀況、生態(tài)環(huán)境效益及其自?xún)裟芰εc機(jī)制等方面均具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,已有較多研究關(guān)注同一土壤類(lèi)型中或不同利用方式下土壤中重金屬的分布規(guī)律、賦存形態(tài)、污染物的富集因子評(píng)價(jià)和生物有效性等綜合分析(謝婧等,2010;閆夢(mèng)等,2019;霍婷婷等,2020;孟源思等,2020)。侯鵬程等(2007)研究發(fā)現(xiàn)吳江市土地利用方式的變化對(duì)土壤重金屬含量產(chǎn)生明顯影響;謝婧等(2010)對(duì)深圳市不同土地利用方式的農(nóng)用地土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果顯示不同土地利用方式下的土壤污染等級(jí)存在差異;李晨晨等(2011)對(duì)海南磚紅壤中重金屬含量分布情況進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)各土壤層中大部分重金屬元素均值高于南方磚紅壤背景值,其含量和分布規(guī)律受土壤母質(zhì)特征的影響較大;王月容等(2011)研究洞庭湖退田還湖區(qū)不同土地利用方式下土壤重金屬相關(guān)性,結(jié)果表明土壤理化性質(zhì)與土壤重金屬分布存在顯著相關(guān);商海榮等(2014)研究發(fā)現(xiàn)天津?yàn)I海新區(qū)不同土地利用方式下土壤重金屬鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、汞(Hg)和砷(As)平均含量均高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?焦敏娜等(2020)分析寧東化工園區(qū)附近撂荒地表層土壤重金屬不同形態(tài)分布情況,并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)重金屬來(lái)源受人為擾動(dòng)的影響較大,以碳酸鹽結(jié)合態(tài)形式存在的重金屬為鎘(Cd)和鉻(Cr),Pb和Cu主要以殘?jiān)鼞B(tài)形式存在,研究區(qū)重金屬Cd是主要污染元素;趙澤陽(yáng)(2020)對(duì)海南島東部不同土地利用方式土壤重金屬元素富集及其影響因素進(jìn)行研究,結(jié)果表明可交換態(tài)重金屬在不同土地利用方式中占比變化不明顯,殘余態(tài)所占比例最高,土壤理化性質(zhì)(土壤質(zhì)地、Eh值、pH和有機(jī)質(zhì))對(duì)重金屬元素的賦存形態(tài)存在不同程度的影響。此外,部分學(xué)者也進(jìn)行了土壤SOC方面的研究,黃先飛等(2017)研究發(fā)現(xiàn)貴州喀斯特地區(qū)土壤SOC含量高、密度低,通過(guò)退耕還林等措施可促進(jìn)土壤SOC的積累;趙澤陽(yáng)等(2019)對(duì)海南島不同類(lèi)型農(nóng)用地SOC進(jìn)行研究,結(jié)果表明不合理的耕作方式會(huì)影響土壤SOC積累,當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地和氣候條件也會(huì)影響SOC分布;趙志忠等(2019)研究指出海南島東部地區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤SOC與易氧化有機(jī)碳具有顯著影響?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雖然較多學(xué)者開(kāi)展了土壤重金屬形態(tài)、生物有效性、富集因子評(píng)價(jià)、SOC及礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MAOC)等綜合分析,但有關(guān)土壤重金屬賦存和SOC方面大多單獨(dú)開(kāi)展研究,缺少針對(duì)二者的關(guān)聯(lián)性研究?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選擇瓊海市和定安縣作為海南島典型農(nóng)區(qū)代表,依據(jù)代表性和典型性的樣品采集原則,采集研究區(qū)內(nèi)水田、旱地和拋荒地等3種土地利用方式土壤作為研究對(duì)象,對(duì)其樣品中As、Cr、Cu、Zn和Pb形態(tài),以及SOC和MAOC含量進(jìn)行測(cè)定,并采用生物有效性和富集因子對(duì)土壤重金屬元素的特征和來(lái)源進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),評(píng)估研究區(qū)不同土地利用方式土壤中重金屬賦存形態(tài)分布與SOC的相關(guān)性,為深入理解土壤負(fù)載SOC和重金屬的環(huán)境地球化學(xué)行為,以及評(píng)價(jià)土壤環(huán)境和人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島東部的瓊海市和定安縣,土地總面積為2887.7平方千米,其中耕地面積為4.5萬(wàn)ha,耕地面積占土地總面積的15.58%;2019年末常住總?cè)丝跒?2.14萬(wàn)人,地區(qū)生產(chǎn)總值為387.37億元,其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為128.22億元,農(nóng)用化肥施用量(實(shí)物量)為19.77萬(wàn)t,農(nóng)藥使用量為3910 t(海南省統(tǒng)計(jì)局和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局海南調(diào)查總隊(duì),2020)。研究區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆跓釒ШQ笮约撅L(fēng)氣候,陽(yáng)光充足,年平均氣溫24 ℃,≥10 ℃積溫8600 ℃,作物全年可生長(zhǎng),年平均日照時(shí)數(shù)2100 h,作物光合潛力大;雨量充沛,年平均降水量1890 mm,多集中在5—10月,干濕季節(jié)相對(duì)明顯。區(qū)內(nèi)地質(zhì)主要以玄武巖、砂頁(yè)巖、花崗巖和火山灰?guī)r等巖石構(gòu)成,土壤以磚紅壤和水稻土為主,成土母質(zhì)主要為砂頁(yè)巖風(fēng)化殘積物、花崗巖風(fēng)化殘積物和玄武巖風(fēng)化物等,地貌類(lèi)別以階地、臺(tái)地和平原為主。

1. 2 樣品采集與處理

土壤樣品于2019年7月采集,結(jié)合研究區(qū)土地利用實(shí)際情況,選擇當(dāng)?shù)?種典型的土地利用方式(水田、旱地和拋荒地)為研究對(duì)象。水田為耕作5年以上的農(nóng)田,旱地主要種植花生和蔬菜等農(nóng)作物,拋荒地之前主要種植水稻和蔬菜等作物,拋荒3年后,地表有雜草生長(zhǎng),具有較好植被覆蓋度。

在海南島東部的瓊海市和定安縣選擇10個(gè)樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)選擇水田、旱地和拋荒地3種土地利用方式。考慮到土地利用方式間的可比性,所選樣區(qū)的水田、旱地和拋荒地相距控制在1000 m以?xún)?nèi),盡量確證3種土地利用方式的成土母質(zhì)、氣候因子和坡度等方面一致。選擇每種土地利用方式的代表性地塊,隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn),采用“S”型線(xiàn)路,挖取30 cm深土壤剖面進(jìn)行樣品采集,每個(gè)采樣點(diǎn)的取樣深度為30 cm,每個(gè)樣點(diǎn)在5 m×5 m范圍內(nèi)按五點(diǎn)混合法進(jìn)行取樣,共采集90個(gè)土壤樣品。剖面每層土壤混合樣品裝入聚乙烯封口帶中,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干,并剔除樣品中的植物根系、石塊和動(dòng)植物殘?bào)w等雜物,研磨搗碎,取每個(gè)土壤樣品的1/2過(guò)100目尼龍網(wǎng)篩,用于重金屬形態(tài)測(cè)定,剩余部分的土壤樣品用于SOC和MAOC測(cè)定。取樣時(shí),對(duì)照坐標(biāo)進(jìn)行GPS定位,并記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)、土地利用方式和周邊植被環(huán)境等基本信息。

1. 3 樣品測(cè)定

稱(chēng)取過(guò)100目網(wǎng)篩的土壤樣品0.1 g放入微波消解儀(萊伯泰科Milestone ETHOS UP)進(jìn)行消解,消解完畢后冷卻至常溫,然后加入0.5 mL H2O2,利用趕酸器蒸干剩余酸;冷卻后,再用0.02 mol HNO3將消解后的鹽類(lèi)洗滌;將全部溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中,加超純水定容后待測(cè)(趙澤陽(yáng),2020)。采用Tessier五步提取法進(jìn)行重金屬形態(tài)分步提取,利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,Agilent 7700x型)對(duì)待測(cè)溶液中As、Cr、Cu、Zn和Pb元素濃度進(jìn)行測(cè)定,得到可交換態(tài)(F1)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(F2)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)(F3)、有機(jī)束縛態(tài)(F4)和殘?jiān)鼞B(tài)(F5)重金屬含量。分析所使用試劑均為優(yōu)級(jí)純,在利用ICP-MS測(cè)定各形態(tài)提取液中重金屬元素含量過(guò)程中,每批試驗(yàn)樣品均同步作全程試劑空白和隨機(jī)抽取20%樣品進(jìn)行平行試驗(yàn),并以土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)——磚紅壤(GBW07407)作全程質(zhì)量監(jiān)控,各提取形態(tài)的回收率為90%~110%,平行樣分析的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于7%。

土壤SOC含量采用重鉻酸鉀—硫酸溶液氧化分光光度法進(jìn)行測(cè)定。MAOC含量參照Cambardell和Elliott(1992)的方法進(jìn)行提取,操作方法如下:稱(chēng)取過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品10 g,放入100 mL離心管中,再加入50 mL 5 g/L偏磷酸鈉溶液,置于90 r/min振蕩器中,連續(xù)振蕩18 h后,將土壤懸濁液進(jìn)行過(guò)篩(53),用蒸餾水反復(fù)沖洗,直至篩下溶液呈無(wú)色,再將篩下物質(zhì)放入60 ℃烘箱中進(jìn)行烘干,研磨過(guò)0.15 mm網(wǎng)篩,進(jìn)行MAOC含量測(cè)定和計(jì)算(章曉芳等,2020)。土壤SOC和MAOC含量測(cè)定均在英格爾檢測(cè)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司完成。

1. 4 土壤As、Cr、Cu、Zn和Pb富集指數(shù)計(jì)算

本研究采用富集指數(shù)表示重金屬元素在土壤中的富集程度(謝婧等,2010;王月容等,2011),富集指數(shù)公式為:Ei=[1n][inCiBi],公式中:Ci表示元素i在土壤樣品測(cè)試中的濃度,Bi表示元素i在土壤中的背景值,選用第二次全國(guó)土地普查海南省生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)。

土壤富集程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):Ei≤0.7表示元素貧乏,0.73.0表示嚴(yán)重富集。

1. 5 生物有效性系數(shù)

采用重金屬的生物有效性系數(shù)(k)分析重金屬能被生物吸收利用的情況或?qū)ι锂a(chǎn)生的毒性效應(yīng)。在Tessier五步提取法進(jìn)行重金屬形態(tài)分步提取過(guò)程中,隨著提取的進(jìn)行,各形態(tài)活動(dòng)性呈逐漸下降趨勢(shì),即可交換態(tài)(F1)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)(F2)>鐵錳氧化結(jié)合態(tài)(F3)>有機(jī)束縛態(tài)(F4)>殘?jiān)鼞B(tài)(F5);k與重金屬的生物活性及其化學(xué)形態(tài)有很大關(guān)系,其計(jì)算公式如下:

k=(F1+F2)/(F1+F2+F3+F4+F5)

通常情況下,可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)屬于弱酸提取態(tài),與土壤中的顆粒物結(jié)合較弱,易于發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,能被植物直接吸收利用,故這2種形態(tài)被稱(chēng)為重金屬的有效態(tài)(霍婷婷等,2020)。k<0.2時(shí),表明重金屬元素處于穩(wěn)定存在狀態(tài);0.2

1. 6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,SPSS 12.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用CorelDRAW 9繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2. 1 土壤As、Cr、Cu、Zn和Pb形態(tài)含量測(cè)定結(jié)果

土壤中重金屬元素的生物毒性、活性及遷移特征不僅與含量有關(guān),在很大程度上還由其化學(xué)形態(tài)決定。3種不同土地利用方式土壤重金屬總量表現(xiàn)為:水田Cr>Zn>Pb>Cu>As,旱地Cr>Zn>Pb>As>Cu,拋荒地Cr>Zn>Cu>Pb>As。重金屬的賦存形態(tài)和平均含量占比如圖1所示。

3種不同土地利用方式土壤中的殘?jiān)鼞B(tài)(F5)As約占71.90%(0.61~4.09 mg/kg),在水田、旱地和拋荒地的總量均值分別為2.54、3.53和2.57 mg/kg,高于海南土壤背景值(1.14 mg/kg)??山粨Q態(tài)(F1)As(0.01~1.48 mg/kg)約占As總量的20.00%,應(yīng)關(guān)注As污染。

3種不同土地利用方式土壤中的Pb主要以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)(F3)存在,在水田、旱地和拋荒地中,這2種形態(tài)的Pb平均占比分別為57.26%和27.56%、49.36%和30.37%、63.34%和23.84%。各形態(tài)Pb的占比在不同土地利用類(lèi)型間差異不明顯。

Cr在3種不同土地利用方式土壤中也以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)為主,在水田、旱地和拋荒地中的平均含量分別為75.09、21.28、57.06 mg/kg和28.75、10.76、10.75 mg/kg,分別占總量的71.57%~80.56%和9.54%~19.93%。不同土地利用方式土壤Cr負(fù)載總量排序?yàn)樗?拋荒地>旱地。

3種不同土地利用方式土壤中不同形態(tài)的Cu含量表現(xiàn)為F5>F4>F3>F1>F2,其中殘?jiān)鼞B(tài)、有機(jī)束縛態(tài)及鐵錳氧化結(jié)合態(tài)占80.00%以上。土壤中Zn以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)為主,分別占總量的59.81%~67.76%和15.62%~22.21%;不同形態(tài)的Zn含量表現(xiàn)為F5>F3>F1>F4>F2。

2. 2 土壤As、Cr、Cu、Zn和Pb的富集分析結(jié)果

如表1所示,不同土地利用方式土壤中As、Cr、Cu、Zn和Pb的富集程度各不相同,富集指數(shù)呈現(xiàn):水田Cr>As>Cu>Zn>Pb,旱地As>Cr>Cu>Zn>Pb,拋荒地As>Cu>Cr>Zn>Pb。對(duì)不同土地利用方式土壤重金屬含量進(jìn)行分析,將不同利用方式土壤中As、Cr、Cu、Zn和Pb的富集指數(shù)分為四類(lèi):第一類(lèi)是3種利用方式土壤中的Pb、旱地土壤中的Cu和Zn以及拋荒地土壤中的Zn,富集指數(shù)均小于0.7,屬于元素貧乏級(jí)別,說(shuō)明這些元素在土壤中含量過(guò)低,需及時(shí)補(bǔ)充,以免影響當(dāng)?shù)刈魑锏纳L(zhǎng);第二類(lèi)是旱田和拋荒地土壤中的Cr,以及水田土壤中的Zn,富集指數(shù)在0.7~1.0范圍內(nèi),為元素適中級(jí)別,說(shuō)明研究區(qū)土壤Cr和水田土壤Zn含量接近背景值,表明其主要來(lái)源于土壤或地殼,土壤中含量適中,可滿(mǎn)足當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生長(zhǎng)需要;第三類(lèi)是水田和拋荒地土壤中的Cu,其富集指數(shù)分別為1.61和1.51,達(dá)輕度富集級(jí)別,說(shuō)明研究區(qū)水田和拋荒地土壤已受到重金屬Cu的輕度污染,表明除土壤來(lái)源外,也可能受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的污染;第四類(lèi)是研究區(qū)3種利用方式土壤As和水田Cr的平均富集指數(shù)達(dá)中度富集級(jí)別,說(shuō)明受到明顯的人類(lèi)活動(dòng)影響,應(yīng)引起高度重視。

2. 3 土壤As、Cr、Cu、Zn和Pb的生物有效性評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖2可看出,不同土地利用方式土壤中As、Cr、Cu、Zn和Pb的生物有效性系數(shù)呈如下趨勢(shì):水田As>Zn>Pb>Cu>Cr,旱地As>Zn>Cu>Pb>Cr,拋荒地As>Cr>Zn>Cu>Pb;3種土地利用方式土壤中Cr、Cu、Zn和Pb的生物有效性系數(shù)均小于0.2,處于較穩(wěn)定的存在狀態(tài),生態(tài)潛在風(fēng)險(xiǎn)較小,而As處于0.2~0.8,易被植物吸收,對(duì)人體健康具有較大的潛在威脅。此外,在不同土地利用方式土壤中Cu、Zn和Pb的生物有效性系數(shù)變化較小,As和Cr在3種土地利用方式土壤中變化較大。

2. 4 土壤SOC和MAOC含量測(cè)定結(jié)果

經(jīng)測(cè)定,不同土地利用方式土壤中SOC和MAOC含量如圖3所示,水田、旱地和拋荒地中,SOC平均含量分別為10.27、1.49和5.69 mg/kg,MAOC平均含量分別為7.09、0.96和4.65 mg/kg,土壤中SOC和MAOC含量在3種土地利用方式下均表現(xiàn)為水田>拋荒地>旱地,且MAOC/SOC比值范圍為64%~81%。

2. 5 土壤重金屬與有機(jī)物含量相關(guān)分析結(jié)果

為進(jìn)一步探究不同土地利用方式土壤有機(jī)物與重金屬形態(tài)含量的關(guān)系,對(duì)土壤SOC、MAOC與重金屬形態(tài)含量進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果如表2和表3所示。不同土地利用方式土壤中不同形態(tài)的As含量與SOC和MAOC含量均無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05,下同)。水田土壤中有機(jī)束縛態(tài)Cr與SOC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01,下同),相關(guān)系數(shù)為0.842,殘?jiān)鼞B(tài)Cr與SOC呈顯著正相關(guān)(P<0.05,下同),相關(guān)系數(shù)為0.787,有機(jī)束縛態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cr也分別與MAOC呈極顯著和顯著正相關(guān);拋荒地有機(jī)束縛態(tài)Cr與SOC和MAOC均呈顯著正相關(guān)。

土壤SOC與水田殘?jiān)鼞B(tài)Cu、旱地有機(jī)束縛態(tài)Cu和拋荒地鐵錳氧化結(jié)合態(tài)Cu呈顯著正相關(guān),與拋荒地有機(jī)束縛態(tài)Cu和殘?jiān)鼞B(tài)Cu呈極顯著正相關(guān),表明隨著SOC含量的增加,以上土地利用方式土壤中Cu的相關(guān)形態(tài)含量也相應(yīng)增加。土壤MAOC與拋荒地有機(jī)束縛態(tài)Cu和殘?jiān)鼞B(tài)Cu分別呈極顯著和顯著正相關(guān),與水田殘?jiān)鼞B(tài)Cu和旱地有機(jī)束縛態(tài)Cu呈顯著正相關(guān)。

水田和拋荒地的殘?jiān)鼞B(tài)Pb與SOC和MAOC具有極顯著相關(guān)性,其他形態(tài)Pb均與SOC和MAOC無(wú)顯著相關(guān)性。水田和拋荒地的鐵錳氧化結(jié)合態(tài)Zn與SOC和MAOC均具有極顯著相關(guān)性,3種利用方式土壤殘?jiān)鼞B(tài)Zn與SOC和MAOC均具有顯著或極顯著相關(guān)性(除旱地殘?jiān)鼞B(tài)Zn與MAOC相關(guān)性不顯著外)。

3 討論

本研究中,水田、旱地和拋荒地土壤中的殘?jiān)鼞B(tài)As含量均值均高于海南土壤背景值(1.14 mg/kg),主要由于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用含砷農(nóng)藥,導(dǎo)致重金屬As在農(nóng)田土壤中聚集。土壤中的Pb主要以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)存在,不同形態(tài)重金屬的相對(duì)含量與海南島磚紅壤中Pb的富集情況相似(李晨晨等,2011)。在不同土地利用類(lèi)型中,各形態(tài)Pb的占比差異不明顯。焦敏娜等(2020)的研究也表明Pb在土壤中主要以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)存在,由于土壤中鐵錳氧化物及氫氧化物對(duì)Pb2+具有較強(qiáng)的專(zhuān)性吸附能力。趙澤陽(yáng)(2020)研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式中Pb的含量分布為荒地>水田>菜地。本研究中,不同土地利用方式土壤中Pb的主要存在形態(tài)基本相似,且不同利用方式土壤中Pb的含量不同。

本研究中,土壤中As、Cr、Cu、Zn和Pb的富集因子隨土地利用方式不同而呈現(xiàn)出不同的富集程度,富集指數(shù)表現(xiàn)為水田Cr>As>Cu>Zn>Pb,旱地As>Cr>Cu>Zn>Pb,拋荒地As>Cu>Cr>Zn>Pb,所得出的富集現(xiàn)象與天津市濱海新區(qū)、洞庭湖地區(qū)和深圳市不同土地使用方式中重金屬的富集規(guī)律(謝婧等,2010;王月容等,2011;商海榮等,2014)類(lèi)似。侯鵬程等(2007)研究發(fā)現(xiàn)江蘇省吳江市As主要富集在水田和旱地土壤中,Cr主要富集在水田土壤中。Zhao等(2021)在研究不同土地利用方式的土壤重金屬形態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)Zn、Pb和Cr元素的殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)在水田和旱地中的分布占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn),土壤中重金屬的富集量和賦存形態(tài)與不同土地利用方式密切相關(guān),通常也與土壤表面的植被類(lèi)型和種植方式相關(guān)。

本研究不同土地利用方式土壤中As、Cr、Cu、Zn和Pb的生物有效性系數(shù)分析結(jié)果與前人研究結(jié)果(許仙菊等,2010;王其楓,2012;王春彥等,2019)相似,As的生物有效態(tài)與總量呈正比,導(dǎo)致研究區(qū)土壤中As的生物有效性系數(shù)偏高,As具有較高的潛在風(fēng)險(xiǎn)。而As處于0.2~0.8,易被植物吸收,對(duì)人體健康具有較大的潛在威脅。此外,As和Cr在3種土地利用方式土壤中變化較大,說(shuō)明這2種重金屬元素在不同土地利用方式中被生物吸收和累積的難易程度不同。

不同地區(qū)土地利用方式土壤中SOC和MAOC含量分析結(jié)果與本研究對(duì)水田、旱地和拋荒地SOC測(cè)定結(jié)果相同,如孫莎莎等(2018)研究貴州喀斯特小流域的土壤SOC,發(fā)現(xiàn)SOC平均含量排序?yàn)樗?荒地>旱地,主要與不同土地利用方式下植被情況、耕作管理措施等方面有關(guān);章曉芳等(2020)對(duì)紅壤丘陵區(qū)土地利用方式土壤SOC的研究中發(fā)現(xiàn)水田中SOC和MAOC含量最高,旱地次之,可能與水田在長(zhǎng)期水淹情況下,SOC的物理、化學(xué)和生物作用較弱有關(guān)。海南水田以種植兩季或三季水稻為主,作物生產(chǎn)力水平和耕作施肥量均較高,在淹水條件下土壤微生物活性低,有機(jī)質(zhì)分解速度較慢,且水田較平緩,SOC流失輕微,故水田SOC含量高;而旱地土壤處于好氧條件,且土壤微生物活性較高,SOC分解速度較快,導(dǎo)致旱地作物產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)大部分流失,進(jìn)入旱地土壤的枯枝落葉量較通過(guò)表層植被根系分泌物和根茬進(jìn)入拋荒地的新鮮有機(jī)物質(zhì)少,同時(shí)旱地耕作改變了土壤物理?xiàng)l件,也加速了SOC的分解,故拋荒地SOC含量高于旱地(趙澤陽(yáng)等,2019;趙志忠等,2019)。

土壤中的As來(lái)源于成土母質(zhì),決定了地區(qū)性As的平均含量背景值,由于人類(lèi)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)將As排放到土壤環(huán)境中,使當(dāng)?shù)赝寥繟s含量增加(夏錦夢(mèng),2016),主要以As2O3和Na3AsO3存在。海南屬于磚紅壤地區(qū),土壤呈酸性,主要以鐵型砷(Fe-As)占優(yōu)勢(shì)(陳懷滿(mǎn),2002)。研究區(qū)采樣點(diǎn)位于農(nóng)田區(qū),根據(jù)富集指數(shù)分析,土壤中的As受到明顯的人為污染,不同土地利用方式土壤中的SOC含量有明顯差異,不同形態(tài)的As含量與SOC和MAOC之間無(wú)顯著相關(guān)性,說(shuō)明土壤中As與SOC和MAOC不同源。Cr屬于親巖元素,在環(huán)境中主要以2種價(jià)態(tài)形式存在,分別為Cr(Ⅲ)(三價(jià)鉻)和Cr(Ⅵ)(六價(jià)鉻),土壤中大部分Cr與其礦物牢固結(jié)合,形成穩(wěn)定的含氧酸離子[Cr(HO)2+、Cr3+和Cr2O7-等]。土壤中Cr除了來(lái)自土壤母質(zhì)外,也可能來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和大氣沉降等。本研究中,不同土地利用方式的土壤Cr殘?jiān)鼞B(tài)約占74%,鐵錳氧化結(jié)合態(tài)約占15%,其他形態(tài)含量相對(duì)較低,且富集系數(shù)偏高,與其他研究南方土壤Cr形態(tài)分布(趙澤陽(yáng),2020)相似,說(shuō)明研究區(qū)Cr已受到人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。Pb在研究區(qū)土壤中主要以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)存在,有機(jī)束縛態(tài)和可交換態(tài)含量最低。不同土地利用方式土壤Pb主要源于土壤母質(zhì),并疊加了工業(yè)源Pb輸入的影響(霍婷婷等,2020)。

由于成土母質(zhì)及成土的物化作用和成土過(guò)程所受的影響不同,土壤的組成在空間上存在明顯差異性。關(guān)于土壤重金屬形態(tài)與SOC之間的相關(guān)性研究相對(duì)較少,而鑒于土地利用方式對(duì)土壤相關(guān)性質(zhì)等方面的影響,認(rèn)為土地利用方式的改變會(huì)使得土壤顆粒復(fù)雜程度和反應(yīng)面的官能團(tuán)對(duì)處于遷移過(guò)程中的污染物表面化學(xué)轉(zhuǎn)化或吸附產(chǎn)生影響(Bradl,2004),因此從土地利用方式土壤中重金屬形態(tài)含量與SOC之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討分析。相關(guān)研究表明,土壤可遷移錳(Mn)、Cu、Cd、Zn、Pb含量與土壤pH和SOC均具有相關(guān)性(項(xiàng)劍橋等,2017;李沅蔚等,2019;婁飛等,2020)。本研究中,不同土地利用方式土壤中不同形態(tài)的As含量與SOC和MAOC含量均不相關(guān),其他重金屬部分形態(tài)與SOC和MAOC存在極顯著或顯著相關(guān)性。此外,不同土地利用方式土壤中重金屬的來(lái)源和性質(zhì)及有機(jī)物類(lèi)型含量不同,土壤團(tuán)聚體表面對(duì)污染物的親和力也存在差異,使得土壤團(tuán)聚體負(fù)載有機(jī)物與不同形態(tài)重金屬含量之間的相關(guān)性具有明顯差異。因此,應(yīng)充分考慮不同土地利用方式土壤中有機(jī)物與重金屬的關(guān)聯(lián)性,注重不同土地利用方式中土壤污染物質(zhì)的形態(tài)轉(zhuǎn)化、吸附解吸行為以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4 結(jié)論

土地利用方式的改變影響土壤理化性質(zhì),且對(duì)土壤中重金屬的來(lái)源和性質(zhì)及有機(jī)物類(lèi)型含量產(chǎn)生影響。不同土地利用方式土壤中部分重金屬賦存形態(tài)含量與SOC和MAOC含量具有極顯著或顯著相關(guān)性(As除外),對(duì)深入理解不同利用方式下土壤的污染狀況、土壤肥力及其自?xún)裟芰εc機(jī)制等方面均具有重要意義,可為農(nóng)用地土壤污染防控和環(huán)境保護(hù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 羅 麗)

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