淄搏烟区土壤中微量元素特征及重金属风险评价

杨继鑫 戴华伟 王英俊 高加明 李方明 彭玉龙 刘明宏 邱军 张继光

摘要：为明确淄博烟田土壤的中微量元素丰缺特征及重金属风险特征，在淄川、博山和沂源3个烟叶主产区采集42个典型土壤样品，测定了基本养分指标、4种中微量元素（Ca、Mg、B和Mo）及8种重金属元素（cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn），并采用地积累指数法和内梅罗指数法进行了污染风险评价。研究结果表明，淄博3个主产烟区（沂源、博山和淄川）土壤pH呈中性，有机质含量较缺乏，速效鉀含量呈中等-缺乏水平，全氮和有效磷含量为较丰富-丰富水平交换性钙和交换性镁的总体含量极丰富，有效硼和有效钼含量处于适宜水平。地积累指数和内梅罗指数评价结果表明，淄博烟区土壤重金属安全性较好，适宜优质烟叶的安全生产。

关键词：淄博烟田;中微量元素;重金属风险特征

土壤为烤烟生长发育提供了所需的营养物质及环境条件，土壤养分含量及供应能力与烤烟生长发育密切相关，是优质烟叶生产的前提和基础。但目前生产中主要关注大量元素肥料，而忽视了微肥的施用，导致土壤中微量元素日益缺乏，烟株养分供给不均衡。中微量元素对烤烟的品质及产量的形成有着大量营养元素不可替代的作用4。当土壤有效钼含量低于020mgkg会少上等烟叶的产率，烟叶缺硼容易出现叶片失绿、增厚、皱缩等现象。准确了解烟区土壤中微量元素丰缺情况，可以有针对性地科学施肥。

随着工农业生产的高速发展，农田土壤重金属污染问题日趋严重。重金属污染具有毒性大、持久性长、生物富集性强等特点。土壤中重金属可以通过食物链不断积累，对生态环境和人类健康造成严重影响。研究表明烟叶中重金属含量受土壤重金属含量影响，土壤重金属污染会对烟叶产质量和安全性带来巨大风险。目前对重金属污染风险评价方法主要有地积累指数法和内梅罗指数法等，地积累指数考虑的是成岩作用对土壤背景值的影响，而内梅罗指数法可全面反映重金属对土壤的不同作用。结合两种方法进行评价，可为研究区土壤重金属的防控提供科学依据。

淄博烟区作为全国烟草种植最早地区之一，所产烟叶特色鲜明，具有典型中间香型特点，烟田土壤主要为棕壤和淋溶褐土2。淄博地区矿产资源丰富，高污染风险企业较多，区域生态环境具有一定压力，目前关于淄博烟田重金属特征及其风险状况的研究较少。本文以淄博烟田土壤为研究对象，探究烟田土壤中微量元素含量特征及重金属污染风险水平，这对优化淄博烟田生态环境，保障烟叶安全生产具有重要理论和实践指导意义。

1材料与方法

1.1研究区概况

淄博烟区位于北纬355520"～37°1714"，东经117932'15"～118°3100"之间，是山东重要烤烟产区，有着近90年的烤烟历史，是历史上著名的青州烟产地之ー叫。淄博烤烟种植区主要分布在南部的山地丘陵区，集中于沂源县、淄川区和博山区，海拔约400m，多为典型的喀斯特地貎，是山东海拔最高的植烟区之一。淄博烟区地处暖温带半干旱季风气候区，干湿交替，四季分明，年均降雨量800mm，具备生产优质烟叶的优良生态条件1。

1.2研究方法与样品采集

1.2.1土壤样品采集根据淄博烟区的烤烟分布情况，2017年在淄博3个主产烟区采集了42个土壤样品（沂源县21个、博山区9个、淄川区12个）。采样时间为施肥起垄前，采样深度为0～25cm，采样方法为“梅花”布点或S形采样（采样时避开沟边、肥堆、田埂、路边等特殊部位），采样量1.0kg左右，样品采回后进行风干、研磨，过20目筛备用。

1.2.2测定项目及方法土壤pH采用电位法水土比（m）为2.5：测定，有机质采用重铬酸钾外加热法、全氮采用半微量开氏法、有效磷采用碳酸氢钠法、速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法、交换性钙、镁采用乙酸铵漫提-原子吸收分光光度法、有效硼采用沸水浸提-姜黄素比色法、有效钼采用草酸草酸铵浸提KCNS比色法进行测定壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn等8种重金属全量采用微波消解-电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）方法测定。

3重金属污染风险评价方法

1.3.1地积累指数法地积累指数（a。）又名Miler指数，以重金属总量为基础进行评价，此方法同时考虑自然成岩作用和人为活动分别对背景值和环境的影响。计算公式如（1）所示。

为重金属i的地积累指数C是土壤中重金属i的实测浓度K为消除不同地区成岩作用造成背景值波动差异而设置的常数（通常取值1.5）：B为重金属元素参考值，本文参考值参照山东省土壤背景值，0、0e1、1《2、2《e3、3《l4、4l5和s5分别对应着“无”、轻微污染"、“轻度污染”、“中度污染、“重度污染”、“重极严重污染”和“极严重污染”7个等级。

1.3.2内梅罗指数法内梅罗指数法是在土壤污染评价中使用最为广泛的综合指数法，其计算公式为式中：P为重金属i的单项污染指数;C为重金属i在土壤中的实含量，mgkg：S为重金属在土壤中的污染风险筛选值2，mgkg：（CS）是土壤中重金属单项污染指数的最大值（CS）ave是土壤重金属单项污染指数的平均值。根据P值将污染等级分为4级：P≤1、1《P≤2、2P≤3和P》3分别对应着“非污染”、“轻度污染”、“中度污染”和“重度污染”;根据P值将污染等级分为5级：P综≤0.7、0.7P≤1.0、1《P≤2、2《P≤3和P》3分别对应“安全”、“警戒限”、“轻污染中污染”和“重污染”。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel2007进行数据处理、表格制作及统计分析，IBM Statistics SPSS20.0软件进行显著性比较以及土壤重金属含量相关性分析，Origin Pro9.1进行箱状图的绘制。

2结果

淄博烟区土壤养分特征及丰缺状况

参照陈江华等的烟田土壤养分分级方法3县区土壤养分含量之间差异不显著。淄博烟田土壤pH整体呈中性（表1），其中淄川最高为728，沂源最低为6.85，均处于较适宜种植烟草的土壤pH值（6.67.5）范围2。3个烟区有机质含量均值分别为15.50、154、13.98gkg，仅有淄川达到中等水平（15～25gkg）。淄川和博山全氮处于较丰富水平（1.5～2gkg），沂源属于中等水平（1～1.5gkg）。个烟区有效磷含量均处于丰富程度（20～40mgkg），差异不大。壤速效钾淄川最高且达到中等水平（150～20mgkg），而其他两地均处于缺乏水平（80150mgkg）

2.2淄搏烟区土壤中微量元素丰缺特征

2.2.1淄博烟区土壤交换性钙含量特征钙是影响烤烟产量和品质的重要中微量元素，是烟株吸收量仅次于钾的矿质元素。由表2可知，淄博烟田土壤交换性钙平均含量为11980.46mgkg，处于极丰富水平（》2000mgkg），但样点间变异系数较大，含量分布不均匀，应适当控制含钙肥料在烟田土壤的施用。

2.2.2淄博煙区土壤交换性镁含量特征镁是叶绿素的重要成分，适量镁能够促进烤烟生长发育提升烤烟的内在品质。由表3可知，淄博烟田土壤交换性镁平均含量为559.02mg/kg，整体处于丰富（200-400mg/kg）或极丰富水平（》400mgkg）。其中博山烟区变异较大，淄川交換性镁含量显著低于沂源。

2.2.3淄博市烟区土壤有效硼含量特征硼元素影响烟株子叶的形成及组织分化，且对烟株体内运输组织的影响较大。由表4可知知，总体来看，淄博市烟田土壤有效硼平均含量0.87mgkg，有64.29%的植烟土壤处于适中水平。其中，淄川有3/4的烟田土壤有效硼含量适宜烤烟生长，有1/4的烟田土壤有效硼含量偏低;博山烟田土壤有效硼含量相对较丰富，有2/3的烟田土壤有效硼含量偏高沂源烟田土壤有效硼整体含量适中。

2.2.4淄博烟区土壤有效钼特征分析钼是烟草生长的必需微量元素，缺乏易引起作物叶片脉间失绿、叶片畸形等问题2。从表5可知，淄川、博山和沂源3烟区的有效钼均值分别为0.16、0.15和0.17mgkg，处于中等水平。淄博烟田各取样点有35.71%处于缺乏（0.10-0.15mgkg）或极缺乏（《0.10mgkg）水平，建议适当补充钼肥，以确保优质烟叶生长需求。

2.3淄博烟区土壤重金属元素含量分析

2.3.1烟区土壤重金属含量分布特征参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》2对淄博烟区土壤各重金属含量进行评价可知（表6），Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、i和Zn的重金属均值分别为0.36、0.07、5.61、14.55、25.56、15.83、10.21和68.41mgkg，8种土壤重金属均未超过风险筛选值，土壤安全性较高。

2.3.2地积累指数评价各重金属的地积累指数评价结果如图1所示，其中Cd和Hg的地累积指数均高于0，达到“轻微”风险范畴，这可能与淄博地区Cd和Hg背景值极低有关;As、Pb、Cr、Cu、

Ni和Zn的地积累指数整体低于0，表明这6种重金属在土壤中为无污染”水平。8种重金属相比较，其污染风险级别依次排序为：Cd>Hg>Zn>As>Cu>Pb>Cr>Ni。

2.3.3内梅罗指数评价淄博烟区土壤重金属的内梅罗单因子风险指数如表7所示，Pb、Hg和Ni变异系数较大;从整体数据可看出淄博烟区土壤重金属风险指数均《1，表明淄博烟区各单项重金属指数均处于“非污染”状态;其中需要注意Cd指数的最大值已经接近“轻度污染”水平（1.0），应重点关注。根据内梅罗指数计算出土壤质量综合评价指数，淄博烟区土壤重金属综合评价指数如表8所示，综合指数值均低于0.7，污染等级为“安全表明烟田目前不存在潜在的环境风险。

2.4土壤重金属的相关性分析

通常认为有显著正相关关系的重金属元素，具有相似的来源2列。各重金属指标相关性如表9所示，Cd与Hg和Zn之间呈显著正相关（p《0.05），H与Cr及Zn呈极显著正相关（p《0.01），而与Cu呈显著正相关，As与Ni呈极显著正相关，与Cr呈显著正相关，Pb与Ni呈显著负相关，Cr与Cu呈极显著正相关，Cu与Zn呈极显著正相关。结合淄博地理特征分析，推测重金属Cd与Hg来源相同，主要是外源输入，可能受当地工业生产“三废”的影响;而其他6种重金属的含量均接近背景值，主要受成土母质等因素影响。

3讨论

本研究通过对淄博植烟区土壤中微量元素的监测分析发现，土壤交换性钙和交换性镁含量处于极丰富水平，而有效硼和有效钼含量适中，这除了与当地成土母质有关外，也与烟田中微量元素的缺乏补充有重要关系。有研究表明22，土壤中微量元素含量会直接影响到烟叶中微量元素含量。李明德等2研究表明，在缺乏中微量元素的土壤上，植烟应适当增施中微量元素肥料，可以促进烤烟生长发育，增加烟叶产量，提高烟叶品质。紫云霞等究表明，烟田增施硼、锌、镁等中微量元素肥料，可提高烟叶的成熟度和外观质量，改善烟叶内在化学成分协调性。因此，应针对性的进行平衡施肥，协调土壤中微量元素比例，保证优质烟叶生产的土壤环境条件，提高烟叶的工业可用性。

从重金属含量上可知，淄博烟区整体重金属含量偏低，但Cd元素最大值接近限量值，需要重点关注并采取有效的防控措施，而其他重金属含量均远低于风险筛选值。在本研究中，淄博烟田各金属地积累指数的评价次序为：Cd》Hg》Zn》As》Cu〉P》Cr》Ni，其中Cd和g风险指数略高于其他重金属，这可能是受到成土母质、工业生产和农业生产活动等因素的影，需要在农业生产活动中注意控制这两种重金属的输入。内梅罗指数评价则表明淄博烟区土壤质量处于“安全”水平，结合两种评价方法可以看出，目前淄博地区烟田土壤处于低风险状态，这与闫慧峰等的研究结果相似。各重金属之间相关性主要是正相关，说明重金属都有相似的来源，而Pb和Ni呈显著负相关，表明Pb和Ni是异源污染物，在土壤中此消彼长，造成复合污染的可能性较小。整体上看，淄博烟区中微量元素处于中等及丰富水平，土壤重金属风险较低，适宜烟叶高质量安全生产。

4结论

（1）淄博烟区土壤整体pH呈中性，有机质含量整体偏低，全氮含量适中，有效磷含量较丰富，而速效钾含量除淄川含量适中外，其他两地较缺乏。（2）淄博烟区土壤中交换性钙和交換性镁含量处于极丰富水平，而有效硼和有效钼含量适中。（3）地积累指数评价结果表明淄博烟区土壤受重金属污染风险影响较低，内梅罗指数评价结果显示淄博烟区土壤重金属污染等级处于安全水平，适宜优质烟叶的安全生产。

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