不同农田土壤类型对土壤中铜和锌含量的影响

不同农田土壤类型对土壤中铜和锌含量的影响

不同农田土壤类型对土壤中铜和锌含量的影响

摘要:选取4种典型农田土壤(潮土、砂姜黑土、黄褐土和褐土)并分析不同土壤类型铜(Cu)、锌(Zn)含量的分布特征。结果表明,不同土壤类型表层Cu含量高低表现为黄褐土〉砂姜黑土〉褐土>潮土;其中,黄褐土的Cu含量与潮土、砂姜黑土、褐土中的Cu含量有显著性差异;砂姜黑土表层中的Zn含量显著高于潮土、黄褐土和褐土,其最高值达225.40mg/kg。从垂直分布特征来看,砂姜黑土和黄褐土表层(0~20cm)中的Cu、Zn含量均显著高于20~40cm、40~60cm 土层。潮土表层Cu含量与40~60cm 土层的Cu含量之间没有显著差异,而褐土表层Cu含量与20~40cm、40~60cm 土层之间存在显著差异;黄褐土、砂姜黑土和褐土Zn含量随土壤深度的增加而呈现逐渐上升的趋势。4种不同类型土壤重金属Cu、Zn平均含量低于国家农用地土壤污染风险管控标准,处于清洁、尚清洁阶段。

关键词:不同土壤类型;表层分布特征;垂直分布;Cu和Zn

中图分类号:X825; S151.9+3 文献标识码:A

文章编号:0439-8114(2020) 16-0026-04

DOI: 10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.005

土壤作为农业生产建设的重要基础,是提高作物产量及其质量和可持续发展的重要保证[1]。随着工业的不断发展,重金属污染物大量、广泛传播,土壤受重金属污染问题日趋严重,对农业的生产发展有巨大的影响[2]。铜和锌是土壤的主要污染物,具有污染范围广、在土壤中停留时间长、难降解等特性[3]。土壤中铜(Cu)和锌(Zn)含量过高时会影响作物的生长,污染粮食子粒,并通过人类食用等渠道而逐渐在人体内富集堆积,从而影响人们身体健康[4]。

河南省地处中原,是中国重要的粮食生产区之一,研究农田土壤中铜和锌的含量分布特征对未来粮食安全具有重要意义。申洪涛等[5]对河南省各烟区土壤重金属含量进行研究发现,河南省4个烟区内各重金属的分布差异明显。谢娟等[6]指出土壤类型不同,其重金属含量在垂向上的分布有显著差异。铜和锌在河南省不同土壤类型中的分布规律鲜见报道。本研究选取潮土、砂姜黑土、褐土、黄褐土4种土壤探讨了河南省铜和锌在不同土壤类型中表层的分布特征,并分析了铜和锌含量随土层深度的变化规律,评价了铜和锌的潜在风险,旨在评估河南省典型农田土壤Cu、Zn两种重金属潜在风险,为粮食安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河南省位于中国中东部,华北平原南端,地势西高东低,地貌类型复杂多样,土壤类型丰富,主要分布有黄棕壤、黄褐土、棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、盐碱土和水稻土等8个土类。潮土主要分布在东部平原,分布面积最大;砂姜黑土主要分布在淮北平原及南阳盆地;豫西山地及黄土丘陵为褐土。本研究选取豫中郑州的沙质潮土、豫南驻马店的砂姜黑土、南阳南召县的黄褐土及安阳的褐土。该研究区均为粮食(小麦、玉米、豆类)主产区。

1.2 样品采集及测定

于2019年4月20—30日在河南省安阳市林州市、郑州市黄河湿地公园、南阳市南召县、驻马店市汝南县的农田进行取样,采用S形取样法,设5个采样点,分3层取样,即0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm,多点采样混合后,采用四分法,每层土样取500g,放入干净自封袋,带回室内风干,除去碎石、植物残体等,磨碎过筛,待测。

1.3 樣品测定与评价方法

土壤重金属含量采用国家标准分析方法测定[7],Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法,土壤样品经过浓硝酸、氢氟酸、浓盐酸、高氯酸消解后,利用原子吸收光谱法进行测定,通过空白试验和国家标准样品进行质量控制。采用GB 15618—2018[8]的土壤污染风险筛选值作为评价方法。

单因子污染指数法评价,其计算方法见式(1)。

Pi=Ci/Si (1)

式中,尺为土壤中污染物的污染指数;为污染物i的实测值(mg/kg); Si为污染物的评价标准(mg/kg),采用GB 15618—2018[8]中的标准(pH 6.5~7.5),即Cu、Zn的评价标准值分别为100、250 mg/kg。土壤单项污染指数等级划分标准:Pi≤0.7,安全;0.73.0,重度污染。

内梅罗综合污染指数法是目前评价土壤质量的主要方法[9,1()],其计算方法见式(2)。

式中,P综为内梅罗综合污染指数;Pimax为某样点单因子污染指数的最大值;Piave为某样点单因子污染指数的平均值[11]。土壤综合污染指数等级划分标准如表1所示。

1.4数据处理

采用Excel 2016软件计算平均值和标准偏差,绘制图表。采用SPSS 1.9软件对不同类型土壤中Cu、Zn含量数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型表层0~20 cm重金属分布特征

不同土壤类型中表层土重金属Cu含量如图1a所示。Cu含量高低表现为黄褐土>砂姜黑土>褐土>潮土,Cu含量最高值为41.41 mg/kg,且黄褐土的Cu含量与潮土、砂姜黑土、褐土中的Cu含量差异性显著。这4种土壤之间的Cu含量存在显著性差异,表明土壤类型对重金属Cu的含量分布具有显著影响。这可能是由于砂姜黑土、黄褐土和褐土的表层含黏粒多或土壤结构疏松,对Cu的吸附作用强[12],导致较多的重金属Cu富集在砂姜黑土、黄褐土和褐土的表层土壤中。此外,土壤重金属含量受农业活动的影响[13],特别是畜禽粪便等有机肥的大量施用也会导致Cu的累积[14]。 不同土壤类型表层中,砂姜黑土重金属Zn含量最高,为225.40 mg/kg(图1b)。砂姜黑土表层的Zn含量显著高于潮土、黄褐土和褐土,黄褐土与褐土之间的Zn含量无显著差异,这可能是由于砂姜黑土表层土壤结构疏松,对Zn的吸附作用较强[12]。有研究发现,大量施用农家有机肥可能会导致Zn留存在土壤中[12]。而潮土表层Zn含量较低主要是由于潮土的有机质和腐殖质含量低[15],有机质可与锌相互作用形成较难溶的络合物较少,对重金属的吸附作用弱,土壤固锌的能力较低[16]。

2.2不同土壤类型重金属垂直分布特征

Cu是植物生长的必需营养元素,但当土壤中的Cu超过一定量时,植物的生长发育会受到阻碍。从表2可以看出,潮土中,重金属Cu含量随深度的增加呈先下降后上升的趋势,且0~20 cm 土层与40~?60cm 土层的含量之间无显著差异。砂姜黑土的Cu含量在表层0~20cm处最高,与20~40cm和40~60cm 土层之间存在显著性差异。这可能是受土壤母质和人类活动的影响[17]。黄褐土和褐土中表层0~20cm的Cu含量显著筒于20~40cm和40~60cm 土层,这可能是因为有机质的含量对植物吸收重金属产生不同的影响,当有机质在土壤中含量较高时会显著降低植物对土壤中重金属的吸收[18]。

黄褐土、砂姜黑土和褐土中的Zn含量均随着土壤深度增加而呈现先下降后上升的趋势。其中,砂姜黑土Zn含量在0~20cm 土层含量与20~40cm、40~60cm 土层的含量差异显著,而潮土0~20cm 土层Zn含量显著低于20~40cm和40~60cm 土层(表2),这可能是由于砂姜黑土土体深厚,质地偏重,透水能力弱,Zn随着降水进人土壤深层较为困难,因此重金属Zn集聚在表层,而潮土属于半水成土,其表层有机质较少,固Zn能力较弱[16],易随水迁移至下层土壤[19]。

2.3 不同土壤重金属污染程度分析

根据单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法,评价潮土、砂姜黑土、黄褐土、褐土4种不同类型土壤中Cu、Zn的单因子污染指数和综合污染指数,结果如表3所示。从单因子污染指数来看,Cu在4种土壤类型中均未超标,处于安全阶段;Zn在4种土壤类型中均未超标,其中,内梅罗综合污染指数在(0.7,1.0]的有砂姜黑土 33.3%、黄褐土 66.6%、褐土100%,存在一定的潜在生态风险,应当给予关注,其余处于安全阶段。内梅罗综合污染指数大小表现为砂姜黑土(0.733)> 黄褐土(0.689)> 褐土(0.645)> 潮土(0.392),潮土、黄褐土、褐土处于清洁阶段,但黄褐土、褐土接近警戒线水平,砂姜黑土处于尚清洁阶段。综上所述,研究区郑州(潮土)、驻马店(砂姜黑土)、南阳(黄褐土)、安阳(褐土)均未受到重金属Cu、Zn的污染。

3 小结

1) 4种土壤类型的土壤表层(0~20 cm) Cu、Zn含量最高分别在黄褐土(41.41mg/kg)和砂姜黑土(225.40 mg/kg); Cu含量高低表现为黄褐土>砂姜黑土>褐土>潮土,且4种土壤间的Cu含量存在显著差异;砂姜黑土表层土壤中Zn含量显著高于潮土、黄褐土和褐土,而黄褐土与褐土之间的Zn含量无显著差异。

2)砂姜黑土和黄褐土中的Cu、Zn含量在表层最高,显著高于20~40、40~60cm 土层。潮土20~?40cm 土层的Cu含量最低,与0~20 cm、40~60cm土层存在显著差异,其Zn含量随土壤深度的增加而逐渐上升;褐土表层Cu含量与20~40 cm、40~60cm 土层之间则存在显著差异,其表层Zn含量与20~40cm 土层之间存在显著差异,与40~60cm 土层无显著差异。3)4种不同类型土壤均未受到重金属Cu、Zn的污染,处于清洁、尚清洁阶段。

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收稿日期:2020-01-08

基金项目:河南省大学生创新创业训练计划项目(201912949008);郑州师范学院大学生创新性实验计划项目(DCZ2018023)

作者简介:宋晓蓝(1997-),男,广西钦州人,在读本科生,地理科学专业,(电话)13271592475(电子信箱)xsyxb5283@163.com;通信作者,丁晋利(1978-),女,山西晋城人,讲师,博士,主要从事土壤生态与节水农业研究,(电话)13592486855(电子信箱)dingjinlil978@163.com。

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