琼北火山岩地区水田和旱地土壤中重金属的累积特征比较*

王 鹏 王军广 许国强 张固成 吴 丹 张东强#

(1.海南省地质综合勘察院,海南 海口 570206;2.海南省热带海岛地表过程与环境变化重点实验室,海南 海口 571158;3.海南省地质调查院,海南 海口 570206)

土壤是生态系统的重要组成部分,是人类生产生活的基础[1],[2]47。土壤也是自然环境中重金属迁移转化的主要场所,既是重金属向其他生态系统迁移的源,也是重金属聚集的汇[3]。土壤中的重金属可以通过土壤、动植物、地表水和人体之间的多种联系途径产生迁移、富集,并最终对人体健康产生危害[2]47,[4-7]。1987年,周锡爵[8]报道了张士灌区镉污染情况,该区有330 hm2稻田镉污染严重,稻米镉高达0.4～1.0 mg/kg。土壤重金属含量水平不仅会影响土壤的可持续利用,还直接影响粮食安全[9],[10]2252,[11-12]。总体来讲,成土母质在很大程度上决定了土壤的性质,然而土壤中的重金属含量还会受到人类生产生活方式的影响[13]。研究表明,农药和化肥的不合理施用、污水灌溉、工业“三废”排放、矿山开采等生产活动的加强,会导致土壤重金属污染加剧,土壤肥力下降,农作物减产和质量下降[14-15],因此,农用地和农产品重金属污染问题也日益受到关注[16]。

海南是我国热带作物的重要产区,良好的气候条件导致其土地利用率较高,作物熟制可达一年两熟或一年三熟。随着农业生产活动频率的增加,土壤中重金属由人为输入的比例持续增加[17],造成土壤中重金属的富集,使得海南土壤环境保护压力巨大。

本研究以海南北部火山岩地区为例,开展不同利用方式(水田和旱地)的耕地土壤重金属的累积特征研究,旨在为当地农产品生产安全保障和土壤污染防控提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于海南北部火山岩分布区,耕地面积约2 km2;其中,水田1.13 km2,集中分布在研究区东南部和北部;旱地0.87 km2,主要分布在水田的外围。土壤类型主要为砖红壤和水稻土,砖红壤分布广泛,约占研究区总面积的78%;水稻土约占22%。研究区属于热带季风性海洋气候,年平均气温24.3 ℃,年日照时数1 965.2 h,光、热、水资源丰富。

1.2 样品采集

依据研究区旱地与水田的分布情况,结合研究区农作物种植现状,按照大约40 000～60 000 m2设置1个样进行布点,以布设的采样点(定点)为中心,向四周辐射确定4个分样点,在每个定点及分样点采样组合成一个混合样品。每个采样点的采土部位、深度及重量保持一致。采集的土壤样品均掰碎,挑出农作物根系、杂草、砾石、塑料薄膜等杂物,充分混合后,四分法留取1.0～1.5 kg装入样品袋。共采集样品42个,其中旱地土壤样品14个,水田土壤样品28个。

1.3 样品处理与分析

土壤样品在实验室进行自然风干、除去杂质、磨细过筛后备用。土壤样品检测指标包括As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6种重金属以及土壤阳离子交换量(CEC)、pH和有机质(检测方法见表1)。

表1 检测方法Table 1 The analysis method

1.4 土壤环境质量评价方法

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染进行评价。单因子污染指数按照(0,1]、(1,2]、(2,3]、(3,+∞)划分为无污染、轻度污染、中度污染、重度污染[18]。内梅罗综合污染指数按照(0,0.7]、(0.7,1.0]、(1.0,2.0]、(2.0,3.0]、(3.0,+∞)划分为安全、警戒、轻度污染、中度污染、重度污染[19]。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质

由土壤理化性质参数(见表2)可以发现,研究区旱地土壤pH为4.00～5.33,呈强酸性-酸性;水田土壤pH为4.19～5.58,也呈强酸性-酸性,旱地和水田土壤pH差别不大。旱地土壤CEC均值为4.66 cmol/kg,水田土壤CEC均值为3.42 cmol/kg,旱地土壤CEC略大于水田土壤,表明研究区旱地土壤保持养分的能力优于水田土壤。旱地和水田土壤有机质含量差别不大。

表2 土壤理化性质Table 2 Soil physico-chemical properties

2.2 土壤重金属含量特征

研究区旱地和水田土壤重金属含量存在一定的差异。旱地和水田土壤重金属统计结果见表3和表4,旱地土壤重金属变异系数表现为Ni>Cr>Hg>As>Cd>Pb,其中,Ni和Cr的变异系数超过1,而Hg、As、Cd和Pb的变异系数均较低,说明旱地土壤中Ni和Cr的分布整体上不均匀,Hg、As、Cd和Pb的分布整体上较为均匀。水田土壤重金属变异系数表现为Ni>Cr>Cd>Hg>As>Pb,6种重金属变异系数均不超过1,除Ni变异系数稍高外(变异系数为0.76),其余重金属变异系数均较低,说明水田土壤中6种重金属的分布整体上较为均匀。

表3 旱地土壤的重金属Table 3 Heavy metal concentration of dry land soil

表4 水田土壤的重金属Table 4 Heavy metal concentration of paddy field soil

与GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值进行比较,旱地土壤中Ni和Cr分别有21.4%和28.6%的样品超标。而水田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6种重金属无样品超标现象。

与海南土壤背景值相比,旱地土壤中Cd含量超过背景值样品比例最高,为57.1%,Cr和Ni次之,均为42.9%,Pb为7.1%;水田土壤中Cd超过背景值样品比例最高,达到了82.1%,Ni和Cr次之,均为7.1%。说明土壤中Cd、Cr、Pb和Ni 4种重金属有不同程度的累积,其中Cd累积程度较重。有研究表明,海南岛北部基性火山岩土壤中Ni、Cr、Hg、Cu、Cd含量相对较高,个别地区Cr、Zn、As、Cu含量超过中国土壤元素背景值[10]2251,海南农用化肥中Pb也有超过《有机肥料》(NY 525—2012)的现象[10]2254,[21]。综上所述,笔者认为,研究区旱地和水田土壤中部分样品Cd、Cr和Ni不同程度地高于背景值,这与其母质为具有高背景值的基性火山岩密切相关[22],而Pb含量高可能与农业生产中化肥农药的使用有关。

研究区旱地和水田土壤中的As、Cd、Pb、Hg平均含量差异不大,而Cr、Ni差异较大,旱地土壤中Cr、Ni平均值分别是水田土壤的3.50、5.03倍。一般认为,旱地耕作层大多在0～30 cm土壤层中,土壤相对疏松,重金属等多在此范围内聚集[23],而水田不断翻耕,常年存水时间较长,更有利于重金属向深层淋溶迁移。Cr和Ni可能相对较活泼,所以两者在水田土壤中向更深层迁移较多。

2.3 土壤重金属相关性分析

研究区旱地和水田土壤中6 种重金属之间的相关性系数见表5和表6。

表5 旱地土壤重金属间的相关性系数1)Table 5 Correlation coefficients between different heavy metals in dry land soil

表6 水田土壤重金属间的相关性系数Table 6 Correlation coefficients between different heavy metals in paddy field soil

旱地土壤中除了As和Cd,Pb和Cd、Cr、Ni、Hg呈负相关之外,其余重金属之间均呈正相关,正相关的重金属之间可能存在同源关系,进而产生协同效应,增加了研究区旱地土壤重金属含量。Cr与Ni、Hg的相关系数最高,分别为0.960和0.944,说明Cr与Ni、Hg之间具有相同的影响因素,可能存在复合污染的现象。

水田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Ni、Hg 6种重金属之间既有正相关关系也有负相关关系。总体来看,Cr与Ni正相关关系非常明显,相关系数达到0.955,说明水田土壤中Cr与Ni可能同源。

总体来看,旱地和水田土壤中Cr与Ni有较高的正相关关系,且含量均较高,可能具有同源性。有研究表明,琼北地区工业较少,雨量充沛,农田基本采用地下水或水库水灌溉,不存在灌溉污染[10]2252。本次调查显示,研究区工业较少且无污水灌溉情况。因此认为,研究区旱地和水田土壤中Cr与Ni的较高含量,是受基性火山岩地质背景的影响。

2.4 土壤环境质量评价

依据海南土壤背景值对土壤环境质量进行评价,总体来看(见表7),旱地土壤中Ni单因子污染指数最大,为3.30,Cr和Cd次之,分别为2.23和1.25,As、Hg和Pb单因子污染指数小于1;水田土壤中除Cd外,其余重金属单因子污染指数均小于1。研究区旱地Cr和Ni污染比较严重,应引起重视。从内梅罗综合污染指数来看,研究区旱地土壤重金属污染明显高于水田土壤,水田土壤重金属为轻度污染,而旱地土壤重金属已达到中度污染。

表7 重金属污染指数Table 7 The pollution index of heavy metal

3 结 论

(1) 研究区旱地和水田土壤pH均呈强酸性-酸性(pH为4.00～5.58)。旱地CEC(4.66 cmol/kg)略大于水田土壤(3.42 cmol/kg),旱地土壤保持养分的能力优于水田土壤,研究区两种土地利用类型下土壤有机质含量差别不大。

(2) 与海南土壤背景值进行比较,研究区旱地和水田土壤中Cd、Cr、Pb和Ni 4种重金属均有不同程度的累积,其中Cd累积程度较重。土壤重金属相关性分析显示,研究区旱地和水田土壤中Cr与Ni正相关关系均较明显,可能同源,且受基性火山岩地质背景的影响较大。

(3) 从内梅罗综合污染指数来看,研究区旱地土壤重金属污染明显高于水田土壤,水田土壤重金属为轻度污染,而旱地土壤重金属已达到中度污染。从单因子污染指数来看,研究区旱地Cr和Ni污染比较严重,应引起重视。

(致谢：感谢海南省热带海岛地表过程与环境变化重点实验室的资助及实验室赵志忠主任的指导、吴丹老师在样品测试过程中提供的帮助。)