博尔塔拉河沿岸土壤重金属含量特征与有机质、pH值的关系

陈 浩,吉力力·阿不都外力,刘 文,陈 京

(1.新疆大学 资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室,乌鲁木齐 830011)



博尔塔拉河沿岸土壤重金属含量特征与有机质、pH值的关系

陈 浩1,吉力力·阿不都外力2,刘 文2,陈 京2

(1.新疆大学 资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室,乌鲁木齐 830011)

以博尔塔拉河沿岸表层土壤中重金属As，Cd，Ni，Cr，Pb与有机质及pH为研究对象，并对它们之间关系进行研究。结果表明：土壤中5种重金属元素As，Cd，Ni，Cr，Pb平均含量分别为22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg。土壤有机质平均含量为27 431 mg/kg。土壤pH值为6.5～7.5，平均值为6.94。研究区土壤性质与土壤重金属含量间关系复杂：有机质含量与As，Cd，Cr，Pb含量呈显著正相关，有机质易与重金属离子形成络合物，从而降低重金属离子活性，导致土壤重金属含量增加；pH值与As，Cd，Pb含量之间呈显著负相关，随pH值增大，有效态As、有效态Cd和有效态Pb在土壤中含量明显减少。通过对土壤有机质、pH与重金属含量的关系研究，发现土壤有机质、pH是影响土壤重金属含量的重要因素。

重金属; 有机质; pH值; 相关性; 博尔塔拉河

近年来，随着工业化与城市化的发展，土壤重金属含量日益增加超过土壤背景值，引起越来越多的人们对土壤污染的关注[1-2]。土壤重金属污染具有隐蔽性、难降解和易被富集等特点，能够在土壤中长时间累积[3]。土壤重金属被农作物吸收进而影响农作物的产量与品质，最终通过生物富集作用危害人类身体健康[4]。因此，开展土壤重金属积累规律及其影响因素的研究，不仅能够阐明重金属在土壤生态系统中的迁移转化规律，而且能够为当地农产品环境建设提供科学指导。

本文在调查博尔塔拉河沿岸土壤中有机质含量、pH值及5种重金属含量的基础上，研究博尔塔拉河沿岸土壤5种重金属的污染现状。以往研究[5-6]表明土壤酸碱度和有机质含量是控制重金属化学行为的重要因素，分析土壤重金属与有机质含量及pH值之间的关系，对当地的土地开发与建设以及污染防治具有重要的指导意义。

1　材料与方法

1.1取 样

博尔塔拉河位于新疆维吾尔自治区西北部，在博尔塔拉蒙古自治州境内，地理位置为79°53′—83°53′E，44°0′—45°23′N[7]。河流发源于博罗科努山洪别林达板，全长252 km，向东流经温泉县、博乐市，在精河境内接纳大河沿子河，后注入艾比湖，流域面积11 367 km2[8]。对研究区进行野外实地考察，沿博尔塔拉河河岸共设置15个土壤采样点(图1)，并用GPS标记采样点位置。在每个采样点取表层土壤(0—20 cm)，采集3个土样并混合成1个样品，每个土样均剔除明显的植物根茎和枝叶等杂质，然后用密封袋装好，并对所有样品进行编号，带回中国科学院新疆生态与地理研究所理化测试中心进行测定。

图1　采样点分布

1.2试验方法

土壤样品在实验室自然风干，然后过200目尼龙筛，存储备用。对样品进行浓HNO3-HClO4-HF混合液加热消解处理，对As采用原子荧光法测定，Cd采用石墨炉(GF-990)原子吸收法测定，Ni，Cr，Pb采用火焰原子吸收分光光度法测定。该方法得到的分析结果满足《土壤环境监测技术规范》[9]的要求，对标准土壤样品的回收率可以达到84%～98%，说明该方法比较可靠，相对误差较小，所得的结果能反映土壤重金属含量的实际情况。土壤pH值的测定采用电位法，有机质测定采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法，具体方法参照《土壤农业化学分析方法》[10]。

2　结果与分析

2.1博尔塔拉河沿岸土壤重金属统计特征

研究区土样中重金属含量统计见表1。研究表明：研究区表层土壤中5种重金属As，Cr，Ni，Cd，Pb的含量分别为1.72～60.34，10.98～77.01，16.47～41.2，0.19～1.02，7.26～69.35 mg/kg。平均含量分别为22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg，土壤中5种重金属元素平均含量大小顺序为Cr>Pb>Ni>As>Cd。参照《土壤环境质量标准GB15618—1995》[11]，表层土壤中5种重金属平均含量均未超过国家二级标准。但是，参照全国土壤元素背景值[12]，研究区土壤中5种重金属平均含量均超过新疆土壤背景值。样本的变异系数是衡量样本资料中各观测值变异程度的重要统计量[13]，从变异系数来看，所有样点重金属变异系数均为10%～80%，属于中等变异。其中变异系数最大的重金属离子是As，为73.26%，说明As含量离散程度较大。Ni变异系数最小，为23.43%，说明在土壤中的含量相对稳定。

利用Origin软件做出重金属含量空间分布图(图2)可得，沿岸各采样点的重金属含量分布呈波折多峰型特征。样点S1，S2，S3，S4中As含量超过国家二级标准30 mg/kg。As含量最高值出现在上游S4点，最低值出现在中游S10点；Cr含量最高值出现在上游S1点，最低值出现在下游S12点；Ni含量最高值出现在上游S1点，最低值出现在中游S10点。以上3种元素最高值出现在博尔塔拉河上游，说明土壤中As，Cr，Pb含量主要受控于自然背景和成土母质[14]。样点S4，S13中Cd含量超过国家二级标准0.6 mg/kg。Cd含量最高值出现在上游S4点，最低值出现在中游S9点；Pb含量最高值出现在上游S4点，最低值出现在下游S12点。

2.2博尔塔拉河沿岸土壤有机质统计特征

土壤有机质基本统计值见表1。对15个不同样点表层土壤有机质进行统计分析，博尔塔拉河沿岸表层土壤有机质平均含量为27 431 mg/kg。其中最大值是S5点，为44 082 mg/kg，最小值点是S15点，为20 280 mg/kg。利用Excel软件绘制不同样点有机质含量分布条形图(图3)可得，研究区样本有机质较高的有S5>S4>S2>S7>S3>30 g/kg。参照我国第二次土壤普查[15]，样品中S1，S6，S8，S9，S10，S11，S12，S13，S14，S15有机质含量均介于20～30 g/kg，在土壤有机质含量分级表中归于第三级(20～30 g/kg)；样品中S2，S3，S7有机质含量均介于30～40 g/kg，归于第二级；S4，S5在土壤有机质含量分级表中归于第一级(>40 g/kg)。从表1中还可以看出，表层土壤有机质变异系数为28%，较小，说明博尔塔拉河沿岸表层土壤有机质含量比较稳定。

表1　土壤重金属、有机质及pH基本统计量(N=15)　mg/kg

图2　博尔塔拉河沿岸土壤重金属分布

2.3博尔塔拉河沿岸土壤pH值统计特征

土壤pH值是土壤重要的理化参数，对土壤微量元素的有效性和肥力有重要影响[16]。对博尔塔拉河沿岸15个样点的土壤样品pH值进行了统计，结果见表1。结果表明：样点的pH值均为6.5～7.5。土壤pH值平均值为6.94；最大值是S10点，pH值为7.29；最小值点为S5点，pH值为6.60。区域内pH值的变化值为0.69，变异系数为3%，较小。说明博尔塔拉河沿岸土壤pH值波动性小，酸碱度差异性较小。

图3　博尔塔拉河沿岸采样点有机质含量

2.4博尔塔拉河沿岸土壤不同重金属含量与有机质、pH值之间的关系

土壤有机质和pH值是土壤重要理化性质，分析其与重金属之间的相关性不仅能够解释各形态重金属的迁移转化规律[17]，而且可以为博尔塔拉河沿岸土地开发及污染防治提供科学依据。运用SPSS软件对不同重金属含量以及有机质、pH值进行相关性分析，结果见表2。

表2　土壤重金属含量与土壤有机质和pH值的相关系数矩阵

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

由表2可知，土壤的有机质含量与不同重金属含量呈正相关，与As，Cd含量在0.01水平上达到显著相关，与Cr，Pb含量在0.05水平上达到显著相关。表明土壤中Cd，Cr，Pb含量随有机质含量的增加而增加，这一结果可能是由以下原因造成[18-19]：土壤有机质易与重金属离子形成络合物而降低了重金属离子的生物有效性和移动性，从而使重金属离子活性极大的降低，导致土壤中重金属含量增加。杨西飞[20]对稻田重金属污染的研究表明：在弱酸性条件下，水溶态重金属离子活性更强，更容易被植物吸收和富集。但是，文章在做pH值与重金属含量的相关性时发现，由表2所得的土壤pH值与As，Cd，Pb含量之间呈显著负相关，似乎与前人的研究相悖。张江华等[21]对土壤Pb和Cd生物有效性的影响因素研究表明，pH对Cd和Pb离子活性的影响主要表现为：随着土壤pH值增大，有效态Cd(水溶态+离子交换态+腐殖酸态+强有机态)与有效态Pb(水溶态+离子交换态+腐殖酸态+强有机态)在土壤中的含量明显减少。这也就解释了本文中土壤pH值与Cd，Pb总含量之间呈显著负相关这一现象。

3　结 论

(1)博尔塔拉河沿岸表层土壤属于中性土壤，土壤有机质平均含量为27 431 mg/kg。样品中S2，S3，S7有机质含量在土壤有机质分级表中处于第二级；S4，S5土壤有机质含量在土壤有机质分级表中处于第一级；其他多数样点中有机质含量在土壤有机质分级表中处于第三级。

(2)土壤中5种重金属元素As，Cd，Ni，Cr，Pb平均含量分别为22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg，平均含量大小顺序为Cr>Pb>Ni>As>Cd。研究区表层土壤中5种重金属平均含量均未超过国家二级标准，但平均含量均超过新疆土壤背景值。重金属As有4个点含量超过《土壤环境质量标准GB15618—1995》二级标准限值，重金属Cd有2个点含量超过《土壤环境质量标准GB15618—1995》二级标准限值，属中等变异强度。

(3)土壤有机质含量与不同重金属含量呈正相关，与As，Cd，Cr，Pb含量显著相关，有机质与重金属离子形成络合物，从而使重金属离子活性降低，导致土壤中重金属含量增加；pH值与As，Cd，Pb含量之间呈显著负相关，随着pH值增大，有效态As、有效态Cd和有效态Pb在土壤中含量明显减少。通过对土壤有机质、pH值与重金属含量关系研究，发现土壤有机质、pH值是影响土壤重金属含量的重要因素。

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Correlation Between Heavy Metals Organic Matter， pH Value in the Soils Along the Bortala River

CHEN Hao1,Jilili·Abuduwaili2,LIU Wen2,CHEN Jing2

(1.College of Resource and Environment Sciences,Xinjiang University,Urumqi 830046,China; 2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China)

As,Cd,Ni,Cr,Pb,organic matter and pH were monitored in the surface soil of the Bortala River.The correlation of five kinds of heavy metals: As， Cd， Ni， Cr， Pb in surface soil in the studied area and the soil organic matter and pH value was analyzed.The results show that average contents of 5 kinds of soil heavy metals such as As,Cd,Ni,Cr,Pb were 22.37,52.52,27.50,0.48， 28.92 mg/kg， respectively,the average soil organic matter content along the Bortala River is 27 431 mg/kg.Soil pH value range from 6.5 to 7.5,with an average of 6.94.The correlation between soil properties and heavy metal contents in the study area is complex: Organic matter content is significantly correlated with contents of As,Cr,Cd and Pb.Organic matter is easy to form a complex with heavy metal ions,thereby reducing the heavy metal ion activity,resulting in increased heavy metal contents in soil.pH value show a negative correlation with the contents of As,Cd,Pb.With the increase of pH value,the contents of available As，Cd and content of available Pb in soil significantly reduced.By analyzing the correlation between soil organic matter,pH and heavy metals,it was found that soil organic matter and pH are the important factors affecting soil heavy metal contents.

heavy metal; organic matter; pH value; correlation; Bortala River

2015-09-21

2015-10-10

国家自然科学基金资助项目(41471098;41501221)

陈浩(1988—),男,河南漯河人,硕士研究生,研究方向为干旱区湖泊资源与环境。E-mail:chhjkx@sina.com

吉力力·阿不都外力(1964—),男(维吾尔族),新疆拜城县人,研究员,博士,主要从事地理生态学研究。E-mail:jilil@ms.xjb.ac.cn

X53

A

1005-3409(2016)05-0210-04