吉林黑土区土壤-作物系统重金属元素地球化学特征研究

唐丽静，王冬艳，李月芬，付 强，杨小琳

吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061

近年来，土壤重金属污染发生频率越来越频繁。重金属易通过土壤在作物体内富集，进而通过食物链进入人体，对人体来说这是潜在的危害。因此，土壤重金属污染越来越受到人们的关注。吉林黑土区是我国粮食主要生产基地，素有“中华大粮仓之称”，该区粮食安全对保障我国粮食安全起着至关重要的作用。粮食中重金属元素含量不超标是保证粮食安全的重要前提。作物中重金属主要来自土壤，因此土壤-作物系统重金属元素地球化学特征的研究成为不可或缺的一项基础工作。许多学者作出大量研究工作[1-13]，这些研究主要集中在分析不同生态系统中重金属元素的迁移转化规律，重金属元素的空间分布状况等方面，但目前针对吉林黑土区土壤-作物系统重金属元素地球化学特征的研究较少。本文针对吉林黑土区，在系统的重金属元素地球化学特征分析的基础上，对土壤-作物系统重金属污染状况进行了评价，为这一重要粮食产区的环境保护提供科学的依据。

1 样品采集与分析方法

1.1 样品采集

本次研究选定公主岭-梨树、九台-德惠、榆树-松原三个工作区，覆盖黑土区。表层样品共62件，其中榆树-松原15件，公主岭-梨树27件，九台-德惠20件。布置了4个土壤剖面，其中公主岭-梨树1处，榆树-松原2处，九台-德惠1处。样品采集时间为9月底。样点分布见图1。

表层土壤样品采集深度为20 cm，每件样品由该点周围50 m范围内的10个采样点的土壤样品组成，充分混合后用四分法取样，取重1 kg，放入样品袋。土壤样品自然晾干后，过20目筛后送实验室测试。

玉米籽实样品采样点与土壤采样点相对应，选取6～10株为代表株，采摘玉米穗，室内自然风干，人工脱粒，均匀混合后取1 kg装入样品袋。

剖面样品采集时，自上而下挖至150 cm，每层间隔30 cm，每层样品约1 kg装入样品袋。

图1 采样点分布示意图

1.2 样品的分析测试

此次对土壤中重金属元素的全量和表层土壤样品的有效含量进行了测试，测试在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成，测试分析方法及检出限见表1。

表1 全量、有效态测试分析方法及检出限

2 结果分析与讨论

2.1 研究区土壤背景值及重金属分布特征

对六种重金属元素进行正态性检验，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn均呈正态分布，故As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn取算术平均值。经两样本均值差异t检验，六种重金属元素含量均与背景值存在着极显著的差异。As、Cd、Cr、Cu、、Ni的平均含量均高于吉林省表层土壤背景值，而Zn的平均含量低于吉林省表层土壤背景值。为了对目前的土壤环境做更进一步的判断，引进基线值[14]。六种重金属元素均未出现累积，说明该区不存在生态风险，不会对粮食安全构成威胁。As、Cr、Cu、Ni、Zn的变异系数小于0.2，属于弱分异型，Cd的变异系数小于0.6，属于中等分异型[15]，说明重金属元素空间分布差异不大。

表2 研究区表土重金属元素统计表

注：样品62件；吉林省表层土壤背景值摘自《吉林省土壤元素背景值研究》表层土壤元素平均值；**表示P<0.01(该种重金属元素表层平均含量与吉林省表层土壤背景值存在极显著差异)；变异系数为0～0.2为弱分异型，变异系数为0.2～0.6为中等分异型，变异系数大于0.6为强分异型。

Note:Sample amounts are b2.The soil background values are average of element**shous highly significant difference between the avevage content of the heavy mental element and the soil background value.0～0.2 of variation coefficient is weak point in different,0.2～0.6 of that is uniform in different,more than 0.6 of that is the strong point in different.

表3 不同工作区重金属元素全量统计表

注：公主岭-梨树样品27件，九台-德惠样品20件，榆树-松原样品15件；

Note:Samples in Gongzholing-Lishu are 27,samples in Jiutai-Dehui are 20,samples in Yushu-song yuan are 15.

从表3可以看出，As、Cd元素以公主岭-梨树地区含量最高，Cr、Ni、Zn元素以榆树-松原地区含量最高，Cu元素含量以九台-德惠地区含量最高。对比公主岭-梨树、九台-德惠、榆树-松原三个工作区每种重金属元素的平均含量，可以看出：As元素在研究区有从西南到东北减少的趋势，Cr、Ni、Zn在研究区有从西南到东北增加的趋势，而Cd在公主岭-梨树、Cu在九台-德惠地区较为集中。从变异系数来看，As、Cr、Cu、Ni元素在公主岭-梨树地区分异程度最大，Cd元素在榆树-松原地区分异程度最大，Zn元素在九台-德惠地区分异程度最大。

在以上分析基础上对土壤质量进行评价，为了减少平均值对评价结果的影响，采用内梅罗指数法对土壤质量进行综合评价[16-18]，评价标准参照《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)和《绿色食品产地环境质量状况评价纲要》，计算出综合指数后，划分出污染等级。

综合指数P的计算公式为：

表4 土壤综合指数评价标准表[19]

表5 土壤重金属元素综合污染指数统计表

注：A代表该种重金属元素综合污染指数；B代表样点超标个数

Note:A shows the comprehensive pollution index of the heany metal element,B shows the excessive sample amounts.

由表可以看出，不管是分区来看还是综合分析，六种重金属元素的综合污染指数均小于0.7，并且样点超标个数均为0，说明该区土壤环境质量非常好，处于Ⅰ级水平。

从外界进入土壤中的重金属，由于土壤的固定作用，一般残留在表层[21]。若表层重金属元素含量超过底层，则说明一般存在外源，否则说明重金属则主要是继承了母质的特性。这里引进累积系数进行判断，累积系数为土壤表层某一重金属元素的平均含量/土壤底层该重金属元素的平均含量，累积系数统计结果见表6。

表6 土壤剖面重金属元素累积系数统计表

从表6可以看出，Cd元素的表层含量超过底层，而As、Cr、Cu、Ni、Zn元素的表层含量较低。张学询等[21-24]的研究表明，外来As、Cr、Cu、Ni、Zn元素进入土壤后会在表层累积，因此可以推断研究区没有As、Cr 、Cu 、Ni、Zn元素的外来污染源。张民等[23-24]在研究重金属元素分布规律时发现，当有化肥进入土壤时，Cd元素有表土层富集的趋势，因此研究区Cd元素表层含量高可能是使用化肥所致。

2.2 研究区土壤重金属有效态含量分布特征

对吉林黑土区六种重金属元素有效态含量进行统计分析，对六种重金属元素有效态含量进行正态性检验，均成正态分布，故取算术平均值。

表7 研究区表土重金属元素有效态特征统计表

注：样品62件；变异系数为0～0.2为弱分异型，变异系数为0.2～0.6为中等分异型，变异系数大于0.6为强分异型；

Note:Samples are 62 kinds.0～0.2 of variation coefficient is weak point in different,0.2～0.6 of that is unifarm in different,more than 0.6 of that is strong point in different.

有效系数(土壤元素有效量/土壤元素全量)

植物能够吸收的是土壤元素的有效态，土壤元素有效态含量受土壤pH值、地形地貌、人为因素等各方面的影响，六种重金属元素有效态含量均成正态分布，说明土壤受到外界影响较少[25]。从表3可以看出，六种重金属元素的有效态含量在酸性土及碱性土中的含量均有差异，说明土壤pH值对土壤有效态转化有一定的影响。一般来说，随着pH值的增高，重金属元素有效态含量越低[26-28]，Cd、Cr、Ni、Zn符合这一规律。As、Cu却相反，这可能与离子的竞争、与土壤接触的时间、土壤温度等因素有关[29-30]。在酸性环境中重金属元素有效态含量要高一些，因此，要控制土壤中重金属元素有效态的含量，可以通过适当的措施来提高耕作环境的pH[31-32]。从变异系数来看，除了有效As元素属于强变异型，其余几种重金属元素均为中等变异型。

表8 不同工作区重金属元素有效态含量统计表

从表8可以看出，As、Cd、Cr、Cu、Zn元素的有效态含量以公主岭-梨树地区最高，Ni元素有效态含量以榆树-松原地区最高。其中，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn元素有效态含量在三个工作区之间有差异，As元素有效态含量在三个工作区之间差异不大。从变异系数上来看，除了有效As在公主岭-梨树地区属于强分异型，其他元素在三个工作区均属于中等分异型。

2.3 研究区玉米籽实重金属元素含量特征

玉米籽实样品中重金属元素的含量采用ICP-AES和X-荧光光谱仪等方法测试，测试工作在河南岩矿测试中心完成。对研究区玉米籽实中六种重金属元素进行正态性检验，均成正态分布，故取算数平均值。

表9 研究区玉米籽实重金属元素特征统计表

注：样品62件；Cd数量级为10-3；变异系数为0～0.2为弱分异型，变异系数为0.2～0.6为中等分异型，变异系数大于0.6为强分异型；吸收系数(籽实中某种元素含量/土壤中该种元素全量)

Note:Samples are 62 kinds.Cd order of magnitude is 10-3,0～0.2 of Variation coefficient is weak points in different,0.2～0.6 of that is uniform in different,more than 0.6 of that is strong point in different.Absorption coefficient is the comtent of an element in seed the total of the element in soil.

表10 不同工作区玉米籽实含量统计表

注：各元素含量为各地区平均值

Note:The content of each element is an average in the district.

从表9、表10可以看出，从变异系数上来讲，Cr、Zn属于弱变异型，As、Cd、Cu属于中等变异型，Ni属于强变异型。玉米籽实中Cd、Cr、Cu、Ni元素含量以公主岭-梨树地区最高，Zn元素含量以榆树-松原地区最高。其中，Cd、Cu、Ni、Zn元素含量在三个工作区之间有差异，As、Cr元素含量在三个工作区之间差异不大。在碱性土壤和酸性土壤环境中生长的玉米，籽实中重金属元素含量差别不大。这可能与作物自身的遗传特性有关，也可能是因为重金属元素在迁移过程中，大部分被玉米的茎叶吸收[33]从变异系数上来讲，Cr、Zn属于弱变异型，As、Cd、Cu属于中等变异型，Ni属于强变异型。

研究表明，Zn、Cu、Ni等重金属元素对玉米的生长发育有一定的促进作用[34]。但重金属元素含量过高，不仅会对玉米自身生长造成危害，若在籽实中残留，会通过食物链进入人体，对人体造成危害。依据《中华人民共和国农业行业标准NY861-2004》，对玉米籽实中重金属元素的含量进行评价，As、Cd、Cr、Cu、Zn的含量全部在限量之内，符合标准。

表11 玉米籽实重金属元素综合污染指数统计表

注：A代表该种重金属元素综合污染指数；B代表样点超标个数

Note:A shows the compre hensive pollution index of the heavy metal element.B shows the excessive sample amounts.

3 结论

通过上述研究，本文得出以下结论：

1、六种重金属元素的含量均与背景值存在着极显著的差异。As、Cd、Cr、Cu、Ni的平均含量均高于吉林省表层土壤背景值，而Zn的平均含量低于吉林省表层土壤背景值。六种重金属元素在研究区均未出现累积。在区域分异上，As、Cr、Cu、Ni、Zn元素属于弱分异型，Cd元素属于中等分异型。

2、As、Cd元素以公主岭-梨树地区含量最高，Cr、Ni、Zn元素以榆树-松原地区含量最高，Cu元素含量以九台-德惠地区含量最高。As、Cd、Cr、Cu、Zn元素的有效态含量以公主岭-梨树地区最高，Ni元素有效态含量以榆树-松原地区最高。玉米籽实中Cd、Cr、Cu、Ni元素含量以公主岭-梨树地区最高，Zn元素含量以榆树-松原地区最高。

3、研究区没有As、Cr 、Cu 、Ni、Zn元素的外来污染源。Cd元素的表层富集趋势可能是使用化肥所致。

4、吉林黑土区土壤环境质量非常好，处于Ⅰ级水平，十分安全。玉米籽实中的重金属元素含量均未超标。

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