太原市农田土壤养分和重金属累积特征及相关性分析

滑小赞，程 滨，赵瑞芬，霍晓兰，王 钊

（山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

土壤养分是土壤肥力的重要组成部分，对土壤生态系统结构与功能具有重要影响[1-3]。土壤养分状况既受自然因素的影响，也受耕作方式、土地利用方式等人为因素的影响，其含量高低直接影响着作物的生长发育及其产量的高低[1-5]。同时，土壤养分含量是合理施肥的直接依据[1]。施肥量过少，不能满足作物生长需要；相反，施肥量过多，养分随水分下渗污染地下水，既造成浪费又污染环境[6]。

重金属是土壤中常见的一类污染物，不仅不易被微生物降解，而且具有移动性小、不容易随水淋滤、潜伏期长等特点，其一旦进入土壤中，就会在土壤中不断累积，对土壤和农作物具有潜在的生态风险[6-10]。大量的科学研究表明，土壤重金属和养分元素之间存在一定的联系。杨艳芳等[11]研究表明，土壤有机质与土壤重金属Pb，Cu 和Zn 之间呈极显著正相关，并且具有同源性。茹淑华等[12]研究表明，河北省典型蔬菜产区土壤有机质、全氮、有效磷、全磷和土壤重金属Cd 之间存在极显著正相关关系。徐明岗等[13]、任顺荣等[14]研究表明，长期施用以畜禽粪便为原料的有机肥在提高土壤养分含量的基础上，也使土壤重金属含量提高。因此，研究不同行政区土壤养分和重金属元素的累积特征及其相关性，具有重要的现实意义。

本研究通过野外实地采集土壤样品，比较太原市不同行政区土壤养分和重金属累积特征，分析土壤养分和重金属含量之间的内在联系，旨在为指导农田土壤科学施肥和重金属污染防治提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

太原市位于山西省中部，地处晋中盆地的北端，属于大陆性暖温带半干旱季风气候，年平均温度为9.5 ℃，无霜期平均160 d，年均降水量470 mm。太原市整体气候较好，昼夜温差较大，夏秋降雨集中，冬春干旱多风，分明的四季气候很适宜拓展蔬菜品种的种植，更是多种粮食作物、蔬菜、水果等农作物生长的宝地。因此，以太原市小店区、晋源区、清徐县、尖草坪区、阳曲县、古交县、娄烦县等7 个农作物主产区为研究对象，研究土壤主要养分和重金属累积特征及相关性，为农田土壤科学施肥和重金属污染防治提供依据。

1.2 材料

由于土壤养分和大部分重金属都是通过植物根系吸收进入植物体内，在作物根系周围土壤中养分和重金属对作物生长影响较大，故采集农作物根群较集中的表层土壤进行分析，一般采集0～20 cm表层土壤，采用多点取样混合成一个代表样的方法，每个代表样最终取1 kg，在研究区共采集272 个土壤样品。其中，小店区采集土壤样品39 个，晋源区13 个，清徐县69 个，尖草坪9 个，阳曲68 个，古交45 个，娄烦29 个。

1.3 试验方法

土壤样品经自然风干，剔除植物根系、有机残渣以及可见侵入体，粗磨后过0.84 mm 的尼龙筛，用于测定土壤pH 值、有效磷、速效钾、碱解氮；再细磨至全部过0.149 mm 筛，用以测定土壤有机质、全氮、全磷、全钾和重金属等。

1.4 测定项目及方法

土壤重金属Pb，Cr，Ni，Cu，Zn 采用HCl-HNO3-HF-HClO4四酸消化- 原子吸收分光光度法测定；土壤重金属Hg，As 采用王水水浴消解- 原子荧光光度法测定；有机质（SOM）采用重铬酸钾外加热法测定；有效磷（AP）采用碳酸氢钠浸提- 紫外分光光度法测定；速效钾（AK）采用醋酸铵浸提- 火焰光度法测定；全氮（TN）采用凯氏定氮法测定；全磷（TP）采用氢氧化钠熔融- 紫外分光光度法测定；全钾（TK）采用氢氧化钠熔融- 火焰光度法测定；碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定。

1.5 数据处理

数据处理及图表分析采用Excel 和SPSS 统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 太原市农田土壤主要养分含量特征

太原市农田土壤养分含量分析结果显示，7 个土壤养分指标的中位数均低于其均值，偏度和丰度均大于0，分布属于右偏态，表明土壤养分元素含量高于均值的采样点相对较多。TK 含量的变异系数为9%，小于25%，呈低变异性，表明在区域内变化较小；TN，TP 含量的变异系数介于25%～50%，呈中变异性，表明在区域上有一定差异，但变化不显著；AN，AP，AK，SOM含量的变异系数大于50%，呈高变异性，表明在区域上差异显著，可能受人类活动影响较大（表1）。

表1 太原市农田土壤养分含量统计（n＝272）

从表2 可以看出，不同行政区土壤主要养分含量存在明显差异。太原市农田土壤有效磷（AP）含量由大到小依次是小店区（40.26 mg/kg）＞清徐县（22.77 mg/kg）＞阳曲县（17.97 mg/kg）＞晋源区（14.41 mg/kg）＞古交市（14.40 mg/kg）＞娄烦县（9.82 mg/kg）＞尖草坪区（5.18 mg/kg），其中小店区与其他6 个县区存在显著差异；土壤中全氮（TN）含量由大到小依次是晋源区（0.155%）＞小店区（0.134%）＞清徐县（0.115%）＞阳曲县（0.089%）＞尖草坪区（0.077%）＞古交市（0.074%）＞娄烦县（0.070%）；土壤中碱解氮（AN）含量由大到小依次是小店区（79.21 mg/kg）＞晋源区（68.25 mg/kg）＞阳曲县（61.46 mg/kg）＞清徐县（47.12 mg/kg）＞尖草坪区（42.99 mg/kg）＞古交市（39.51 mg/kg）＞娄烦县（23.72 mg/kg）；土壤中有机质（SOM）含量由大到小依次是晋源区（47.31 g/kg）＞小店区（28.97 g/kg）＞清徐县（21.09 g/kg）＞古交市（13.71 g/kg）＞尖草坪区（13.13 g/kg）＞阳曲县（12.60 g/kg）＞娄烦县（10.83 g/kg）；土壤中速效钾（AK）含量由大到小依次是小店区（257 mg/kg）＞清徐县（193 mg/kg）＞阳曲县（155 mg/kg）＞古交市（144 mg/kg）＞尖草坪区（130 mg/kg）＞娄烦县（126 mg/kg）＞晋源区（98.3 mg/kg）；土壤中全磷（TP）含量由大到小依次是小店区（1 144 mg/kg）＞清徐县（1 026 mg/kg）＞晋源区（932 mg/kg）＞阳曲县（876 mg/kg）＞古交市（800 mg/kg）＞娄烦县（762 mg/kg）＞尖草坪区（720 mg/kg）；土壤中全钾（TK）含量由大到小依次是清徐县（2.02%）＞小店区（2.01%）＞古交市（1.98%）＞尖草坪区（1.94%）＞阳曲县（1.92%）＝娄烦县（1.92%）＞晋源区（1.70%）（表2）。

表2 太原市不同行政区土壤主要养分含量

参考全国第二次土壤普查养分分级标准（表3）和太原市不同行政区农田土壤养分含量结果分析（表2）可以看出，小店区、晋源区、清徐县土壤肥力较高，这是因为这3 个区县是太原市主要蔬菜供应基地，复种指数较高，注重有机肥和化肥的投入，其中，晋源区土壤中有机质和全氮含量明显高于其他6 个区县，而土壤中有效磷和速效钾含量相对较低，这与农民习惯施用有机肥有关；尖草坪区、阳曲县、古交县和娄烦县等4 个区县属于中等肥力水平，有机质和速效钾含量较丰富，有效磷含量处于较丰富和中等水平。目前，在农业部提出的减肥减药大的环境条件下，应根据种植结构和土壤养分状况精准施肥，提高肥料利用率。

表3 全国第二次土壤普查养分分级标准

2.2 太原市农田土壤重金属含量特征

太原市农田土壤重金属元素含量分析结果显示，全部7 种土壤重金属元素含量的中位数均低于其均值，偏度和丰度均大于0，分布属于右偏态，表明土壤重金属元素含量高于均值的采样点相对较多。Cr，Cu，Zn，As，Ni，Pb 含量的变异系数均小于等于25%，呈低变异性，表明在区域内变化不大，基本未受到人类活动的影响；Hg 含量的变异系数大于50%，呈高变异性，表明在区域上差异显著，主要是受人类活动影响。重金属Cr，Cu，As 含量的平均值分别为68.38，24.13，8.59 mg/kg，均低于1994 年太原市土壤重金属元素背景值[15]；重金属Zn，Hg，Ni 和Pb含量的平均值分别为76.71，0.08，30.26，24.23 mg/kg，均高于太原市重金属元素背景值，说明Zn，Hg，Ni和Pb 等4 种重金属在土壤中存在积累现象。从偏度和丰度来看，除Hg 元素外，其他重金属均近似正态分布，以1994 年太原市土壤背景值为评价标准，重金属Cr，Cu，Zn，As，Hg，Ni，Pb 的超标率分别为19.5%，27.9%，43.0%，10.3%，30.5%，58.0%，38.6%；参照全国《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）,7 种重金属含量均符合国家标准（表4）。

表4 太原市农田土壤重金属元素含量统计（n＝272）

太原市不同行政区农田土壤重金属含量结果分析显示（表5），不同区县土壤重金属含量存在显著性差异。土壤中铬（Cr）含量由大到小依次是小店区（74.63 mg/kg）＞清徐县（70.90 mg/kg）＞尖草坪区（70.01 mg/kg）＞阳曲县（67.45 mg/kg）＞晋源区（66.58 mg/kg）＞古交市（65.09 mg/kg）＞娄烦县（64.86 mg/kg）。土壤中镍（Ni）含量由大到小依次是小店区（33.38 mg/kg）＞清徐县（32.26 mg/kg）＞尖草坪区（30.99 mg/kg）＞晋源区（30.31 mg/kg）＞古交市（29.09 mg/kg）＞阳曲县（29.07 mg/kg）＞娄烦县（28.22 mg/kg）。土壤中铜（Cu）含量由大到小依次是小店区（28.43 mg/kg）＞晋源区（28.22 mg/kg）＞清徐县（27.26 mg/kg）＞尖草坪区（24.62 mg/kg）＞古交市（23.05 mg/kg）＞阳曲县（21.83 mg/kg）＞娄烦县（20.62 mg/kg）。土壤中锌（Zn）含量由大到小依次是小店区（100.67 mg/kg）＞晋源区（84.88 mg/kg）＞清徐县（82.58 mg/kg）＞尖草坪区（75.11 mg/kg）＞古交市（73.05 mg/kg）＞阳曲县（68.53 mg/kg）＞娄烦县（61.67 mg/kg）。土壤中铅（Pb）含量由大到小依次是晋源区（30.58 mg/kg）＞小店区（29.05 mg/kg）＞尖草坪区（26.16 mg/kg）＞清徐县（25.58 mg/kg）＞古交市（22.39 mg/kg）＞阳曲县（22.05 mg/kg）＞娄烦县（20.52 mg/kg）。土壤中砷（As）含量由大到小依次是娄烦县（8.91 mg/kg）＞小店区（8.64 mg/kg）＞清徐县（8.51 mg/kg）＞阳曲县（7.74 mg/kg）＞晋源区（7.56 mg/kg）＞古交市（6.97 mg/kg）＞尖草坪区（6.96 mg/kg）。土壤中汞（Hg）含量由大到小依次是晋源区（0.180 mg/kg）＞小店区（0.094 mg/kg）＞清徐县（0.080 mg/kg）=尖草坪区（0.080 mg/kg）＞阳曲县（0.060 mg/kg）= 娄烦县（0.060 mg/kg）＞古交市（0.057 mg/kg）。从表5 还可以看出，晋源区土壤中汞（Hg）含量明显高于其他6 个区县；小店区、晋源区和清徐县3 个区县土壤重金属含量综合来说高于尖草坪区、阳曲县、古交市和娄烦县等4 个区县的土壤重金属含量，这是因为小店区、晋源区和清徐县等3 个区县是太原市主要蔬菜供应基地，复种指数较高，注重有机肥、化肥和农药的投入，有机肥、化肥和农药中含有少量重金属，在使用过程中带入土壤中[16-19]。这与表1 的结果一致，土壤养分含量与土壤重金属含量存在一定的相关关系。

表5 太原市各县市区农田土壤重金属含量 mg/kg

2.3 太原市农田土壤养分含量与重金属含量之间的相关性

太原市农田土壤养分和土壤重金属元素含量相关性分析显示，土壤中Cr，Cu，Zn，Hg，Pb 含量与土壤AP，TN，SOM，TP 含量间均呈极显著正相关；土壤中Cr，Cu，Zn，Pb 含量与土壤AK 含量均呈极显著正相关；土壤中Cr，Cu，Zn，As，Ni 含量与土壤TK 含量均呈极显著正相关。土壤中Hg 含量与Cr，Cu，Zn，Pb 含量均呈极显著正相关，与As 含量不相关；土壤中As 含量与Cr，Cu，Zn，Ni 含量呈极显著正相关，与Hg，Pb 含量不相关（表6）。

表6 太原市农田土壤养分和土壤重金属元素含量相关性分析

表7 主成分分析法得到的全部解释变量

表8 具有Kaiser 标准化的正交旋转法得到的因子和全部解释变量

主成分分析作为一种用来辅助数据分析的统 计方法，可进一步对数据进行详细解释，因此，为了进一步明确太原市农田土壤中重金属的污染来源，对土壤养分和重金属进行主成分分析，对7 种养分指标和7 种重金属指标共14 个指标进行主成分分析，结果发现（表7，8），14 个指标可由前3 个主成分反映75.03%的信息，即对前3 个主成分进行分析就可以反映14 个指标数据的大部分信息。矩阵变换后，第1 个主成分包含Hg，SOM，Pb 和TN，第2 个主成分主要包括Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As，第3个主成分包括AP，TP，AK 和AN。3 个主成分中第1主成分的贡献率为26.17%，表现为因子变量在元素Hg，SOM，Pb 等上有较高的载荷特点，并且SOM与Hg，Pb 含量呈极显著正相关，具有同源性，其中，SOM主要来源于有机肥和有机物料的施入，因此，有机肥和有机物料的施入是其污染的主要来源。第2 主成分的贡献率为24.80%，这一成分主要在Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As 上有较高的贡献率；从表1 和表4 可以看出，Ni，Cu，Cr，TK，Zn 和As 变异系数均小于等于25%，属于低变异性，表明在区域内变化不大，基本未受到人类活动的影响，反映了成土母质是其主要来源。第3 主成分的贡献率为24.05%，这一成分主要在AP，TP，AK 和AN 上有较高的贡献率，AP，AK 和AN 主要来源于化学类肥料，因此，化学类肥料是其主要来源。

2.4 太原市农田土壤环境安全阈值预测

通过对太原市农田土壤养分和重金属之间的相关性和主成分分析可看出，土壤有机质（SOM）与Hg，Pb 间分别存在极显著正相关的关系，以农业部绿色食品产地环境质量标准（NY/T 391—2013）土壤中Hg 和Pb 的含量限值分别为0.35，50 mg/kg，推测Hg 和Pb 达限值时土壤有机质的安全累计值即作为土壤有机质环境安全阈值。

通过土壤有机质含量与重金属Hg，Pb 含量极显著正相关的预测模型，估算了土壤有机质环境安全阈值（表9）。从表9 可以看出，土壤有机质含量与重金属Hg 的预测模型中，由线性方程和二次方程得到有机质的安全阈值分别为50.35，67.31 g/kg；土壤有机质含量与重金属Pb 的预测模型中，由线性方程和二次方程得到有机质的安全阈值分别为69.80，81.60 g/kg。不同的预测模型得到的有机质临界值存在明显差异。为了土壤环境安全考虑，由不同方程获得的最小值作为土壤有机质环境安全阈值，即土壤有机质安全阈值为50.35 g/kg，与茹淑华等[12]预测的河北省典型蔬菜产区土壤有机质的环境安全阈值（30.86 g/kg）和孙超等[20]预测的温室黄瓜中壤土有机质的环境安全阈值（20.0 g/kg）存在一定差异，可能是由土壤类型和评价标准不同引起的。

表9 土壤中有机质含量与重金属Hg，Pb 之间的相关性

3 结论

本研究结果表明，太原市不同行政区农田土壤养分和重金属含量存在极显著差异，小店区、晋源区和清徐县3 个区县土壤养分和重金属含量相对较高，尖草坪区、阳曲县、古交市和娄烦县等4 个区县的土壤养分和重金属含量相对较低。

采用SPSS 软件对土壤养分和重金属含量进行相关性分析和主成分分析，得出土壤中重金属含量与土壤养分存在显著的相关性。其中，土壤中重金属Hg，Pb 和土壤有机质（SOM）、全氮（TN）存在极显著正相关性，主要来源于有机物料的施入；重金属元素Ni，Cu，Cr，As，Zn 和土壤全钾（TK）存在极显著正相关性，主要来源于成土母质；土壤中有效磷（AP）、速效钾（AK）和碱解氮（AN）主要来源于化学类肥料。

为太原市农田土壤环境安全考虑，利用土壤有机质含量与重金属Hg，Pb 含量呈极显著正相关的预测模型，估算出土壤有机质环境安全阈值为50.35 g/kg。