贵州省山丘区谷地及河流阶地稻田耕层土壤重金属含量田块分异研究

郭超 王萍 姚茂明 牟力 付天岭 何腾兵

摘 要：為掌握山丘区谷地与河流阶地稻田土壤重金属含量的差异性，在贵州省镇远县金堡乡爱河村山丘区谷地和青溪镇鸡鸣村河流阶地分别采集了21个和27个田块的稻田土壤样品，测定了土壤的重金属镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）含量。结果表明：不同地形的土壤重金属含量具有很大的差异，谷地和河流阶地土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu含量的平均值分别为0.91、26.92、30.45、298.69、16.8 mg/kg和1.5、61.51、32.79、160.78、29.61 mg/kg，河流阶地的Cd、Cr、Cu含量大于山丘区谷地，山丘区谷地田块土壤中Zn的含量大于河流阶地。在山丘区谷地统计的试验田块Cd、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大，Cd和Zn统计的田块中接近均值的田块相对集中，Pb、Cr、Cu相反，空间分布上差异较大的重金属有Cd、Pb、Zn，其变异系数分别为76.5%、50.2%、23.1%，Cr含量小于均值的田块多于大于均值的田块，Cd和Zn含量最大值（1.76 mg/kg、593.29 mg/kg）与均值皆大于环境质量标准值及筛选值，在河流阶地统计的试验田块Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大，Cr、Pb、Zn统计的田块中接近均值达田块相对集中，Cd、Cu相反。变异系数较大的重金属有Cd、Zn，其变异系数分别为54.3%、29.1%。田块之间的变异系数表明两地形中田块之间的重金属含量差异大于两地形的重金属含量。体现出了贵州“十里不同天，十步不同土”的土壤性质差异。

关键词：山丘区谷地;河流阶地;稻田土壤;重金属;田块差异

Abstract：For mastering ShanQiu District valley and river terraces of the difference of paddy soil heavy metal content in guizhou province town far county gold BaoXiang in love village ShanQiu District valley and crow QingXi town village river terraces were collected 21 and 27 plots in paddy soil samples，determination of the soil heavy metal cadmium （Cd），chromium （Cr），lead （Pb），zinc （zinc），copper （Cu） content，through analysis shows that： Soil heavy metal content has a big difference in different terrain，valley and river terraces in the soil Cd，Cr，Pb，zinc，the average of the Cu content were 0.91，26.92，30.45，298.69，16.8 mg/kg and 1.5，61.51，32.79，160.78，29.61 mg/kg，river terraces of Cd，Cr，Cu content than ShanQiu District valley，ShanQiu District valley field soil water content of zinc in river terraces. In ShanQiu District valley statistical test plots in Cd，Pb，zinc，Cu is greater than the average field than a large，Cd and recent statistics in the field close to the average field is relatively concentrated，Pb，Cr，Cu，in contrast，differences on the spatial distribution of heavy metal Cd，Pb，zinc，the coefficient of variation were 76.5%，50.2%，23.1%，Cr content is less than the average field more than than the mean field，Cd and zinc content in the maximum （1.76 mg/kg，593.29 mg/kg） and the mean is greater than the environment quality standard and filter value，In the test plots of river terrace statistics，the plots of Cd，Cr，Pb，Zn and Cu are larger than the mean value，and the plots of Cr，Pb and Zn are relatively concentrated，while the plots of Cd and Cu are on the contrary. The heavy metals with higher coefficient of variation were Cd and Zn，and the coefficient of variation was 54.3% and 29.1%，respectively. The coefficient of variation between the fields indicates that the difference of heavy metal content between the fields is greater than that between the two terrains. The coefficient of variation between the fields indicates that the difference of heavy metal content between the fields is greater than that between the two terrains. It reflects the difference of soil properties of "different days in ten li and different soil in ten steps" in Guizhou.

Keywords：Hilly valley;River terrace;Paddy soil;Heavy meta;Field difference

随着我国城市化和工业化的高速发展，农田土壤重金属污染问题越来越严重。造成土壤重金属污染的主要原因包括成土过程次生富集、土壤地质背景高和人类生产生活活动[1]，重金属进入土壤的主要途径有：采矿、冶炼、电镀、化工等工业“三废”的排放以及污水灌概、污泥农用、农药和化肥的不合理施用（尤其是含磷化肥）[2-3]。金属会随着时间的推移，在土壤中不断累积，影响农作物正常生长，甚至通过食物链等途径在人体内富集，危害人类的身体健康[4]。土壤重金属Cd、Pb、Cu的形态分别在由南到北或从东至西各土壤以及在紫色土和褐色土各亚类中各自表现出随地域而变的分异规律。由于各土壤性质不同，其分异的程度有差异。成土年龄等原因，其形态的分配随土壤pH值和碳酸盐的变化而具有明显的规律性[5]。牟力等[6]在贵州省镇远县青溪镇鸡鸣村河流阶地27个田块采集土壤样品，测定其重金属（ Cd、Cr、Pb、Zn、Cu） 含量，结果表明：土壤受到重度污染，土壤环境质量较差，其中 Cd 为重度污染，Zn 为轻度污染，Pb、Cr 和 Cu 为无污染。重金属来源主要包括农业运输源、交通污染源、自然活动源。据《全国土壤污染状况调查点位布设技术规定》中要求，普查点位由省环保部门用 Arc GIS 软件在 1∶25 万电子地图上布设网格，其规格是：未利用土地、林草地和耕地分别按照40 km×40 km，16 km×16 km 和 8 km×8 km 的网格[7]。目前有山丘区谷地与河流阶地稻田土壤重金属稻田土壤污染风险评价的相关报道[6]，但是对于山丘谷地与河流阶地之间稻田土壤污染程度以及小面积布点采样讨论地形重金属差异的研究相对较少。本研究以贵州省镇远县山丘区谷地和河流阶地上的稻田土壤为研究对象，采集不同田块的稻田土壤耕作层样品，测定土壤重金属含量，探讨不同田块之间土壤重金属含量的差异性，为不同地区耕地土壤重金属调查布点采样和土壤环境质量类别划分提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

镇远县地处贵州省的东部，隶属黔东南州，总面积约为1878 km2，距离州府凯里市190公里，位于贵州省东部武陵山区。属贵州高原以及逐渐向东递降的斜坡地带地貌，地形为典型的岩溶地区，且分布有巨厚的白云岩、石灰岩。研究区位于金堡乡和青溪镇内。金堡乡研究区位于镇远县城以南方向，海拔约830 m，东经108°27′54′′～108°28′01′′，北纬26°52′57′′～27°53′00′′，地形为山丘区谷地，土壤类型为变余砂岩发育的黄红壤经水耕熟化形成的潴育型水稻土，研究区田块总面积约5000 m2。青溪镇研究区位于镇远县城以东，海拔约390 m，东经108°43′14′′～108°43′24′′，北纬27°06′17′′～27°06′26′′，地形为山丘区河流阶地，土壤类型为舞阳河河流冲积物发育的潮土经水耕熟化形成的潴育型水稻土，田块总面积约15000 m2。目前，关于不同地形地貌稻田土壤重金属差异的研究甚少。

1.2 样品采集及制备

在充分考虑研究区田块面积的基础上，在金堡乡爱河村谷地上21个田块和在青溪镇鸡鸣村河流阶地上27个田块分别进行采样（约10 m×10 m），用GPS记录每个田块的中心坐标，每个田块内均按照五点采样法，用竹削刀取0～20 cm深度的土壤，充分混合后用四分法取1 kg左右土壤装入布袋并标记运到实验室，在室内自然风干土壤样品，挑出石砾和根系等异物，将自然风干后的土壤进行研磨，分别过2 mm和0.149 mm尼龙筛，密封干燥保存，备用。

1.3 样品测定分析

土壤 pH 采用 1∶2.5 土液比浸提法，pH 计测定;土壤重金属 Cd、Cr、Pb、Cu 和 Zn 采用 HNO3 -HF 微波消解，然后再采用電感耦合等离子体质谱仪（ ICP-MS-700X） 测定[8]。分析过程中加入国家标准土壤样品（ GSS-22） 进行质量控制，每个样品重复数3次，试剂均采用优级纯。

利用 Microsoft Office Excel2010、DPSv7.5对试验数据进行整理、计算和描述性统计分析。

2 结果与分析

2.1 谷地稻田土壤重金属含量田块差异性

如表1所示，谷地土壤重金属Cd、Pb、Zn、Cu的偏度系数为峰度系数分别为0.39、0.53、0.29、0.13，峰度系数为-1.14、1.88、-1.04、1.82，均值为0.91、30.45、298.7、16.8 mg/kg，整体分布在均值偏右（偏度系数>0），统计的试验田块Cd、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大。Cd和Zn统计的田块中接近均值达田块相对集中（峰度系数<0），Pb、Cr、Cu相反。Cr偏度系数为-0.34，Cr含量小于均值的田块多于大于均值的田块，整体分布在均值偏左。Cd和Zn含量最大值（1.76 mg/kg、593.3 mg/kg）与均值皆高于农用地土壤污染风险筛选值[9]（GB15618-2018），且二者田块中接近均值达田块集中，Cd、Zn超标严重。Cd、Pb、Zn含量的变动相对较大，其变异系数分别为76.5%、50.2%、23.1%，说明这三种重金属的含量在该试验区的空间分布上差异较大，表现为显著的空间差异性。

2.2 河流阶地稻田土壤重金属含量田块差异性

河流阶地土壤重金属Cd、Cr、Pb、Zn、Cu的偏度系数为峰度系数分别为1.29、0.55、0.68、0.64、0.98，峰度系数为1.75、-0.22、-0.09、-0.54、0.22，均值为1.50、61.51、32.79、160.8、29.6 mg/kg，整体分布在均值偏右（偏度系数>0），统计的试验田块Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大，Cr、Pb、Zn统计的田块中接近均值达田块相对集中（峰度系数<0），Cd、Cu相反。Cd含量最小值（0.54 mg/kg）与最大值（3.82 mg/kg）大于农用地土壤污染风险筛选值，从偏度系数来看，大于均值（1.50 mg/kg）的田块占比大，Cd超标严重。Cd、Zn的变异系数分别为54.3%、29.1%，其含量变动和变异系数都较大，含量在空间分布上差异较大。

2.3 谷地与河流阶地稻田土壤重金属含量田块差异性的比较

由表1可知，发现河流阶地的土壤重金属含量大于山丘区谷地的重金属元素有Cd、Cr、Cu，山丘区谷地与河流阶地土壤中Cd、Cr、Cu含量分别为0.29～1.76、13.83～36.6、8.79～24.78 mg/kg，0.54～3.82、43.1～83.02、21.8～47.37 mg/kg之间，研究区两地形的Cd含量均大于贵州土壤背景值[10]以及农用地土壤污染风险筛选值，存在Cd超标筛选值现象，Cr、Cu含量均小于贵州土壤背景值和农用地土壤污染风险筛选值，研究区两地形土壤中Cr及Cu的含量没有超标筛选值现象，但河流阶地土壤中Cr含量相对接近背景值。可能存在超标的风险。其中河流阶地土壤中的Cd、Cr、Cu的含量均大于山丘区谷地。山丘区谷地土壤中的Pb范围在14.5～45.2之间，平均值为30.5，标准差为6.74，河流阶地土壤中Pb的范围在28.2～39.6 mg/kg之间，两地形的Pb含量均小于贵州土壤背景值和农用地土壤污染风险筛选值，不存在Pb超筛选值。两地形稻田土壤中的Zn的含量范围分别在91.8～593.3 mg/kg、97.2～259.8 mg/kg之间，对比贵州土壤背景值和农用地土壤污染风险筛选值发现，其含量远远超过背景值和筛选值，存在严重超筛选值的风险。且山丘区谷地中的Zn大于河流阶地，山丘区谷地受到Zn超标程度大于河流阶地。山丘区谷地稻田土壤重金属Cd、Pb、Zn、Cu、Cr的变异系数分别为76.5%、50.2%、23.1%、22.0%和16.86%。河流阶地稻田土壤重金属Cd、Pb、Zn、Cu、Cr的变异系数分别为54.3%、8.58%、29.1%、23.6%、16.3%，根据Fu等[11]对变异程度的分类，变异系数<10%表示弱变异，10%～90%表示中等变异，>90%表示高度变异。同一区域内，相邻地块间的重金属含量水平上都存在极显著差异（p<0.01），如研究区山丘区谷地中，Cd最小值仅为0.29 mg/kg，最大值高达1.76 mg/kg，高出最小值地块6倍多。该研究区土壤重金属均属于中等变异，研究区部分田块已经呈现高度的Cd、Pb累积特征。土壤Cu和Zn也表现了不同程度的富集特征，最大值超过背景值数倍。河流阶地稻田土壤重金属Pb属于弱变异，其余重金属Cd、Cr、Zn、Cu属于中等变异。说明两个试验区重金属含量变异性较高，其含量具有显著的空间差异性。田块之间的变异系数表明两地形中田块之间的重金属含量差异大于两地形的重金属含量。

母质在山丘区谷地主要是坡积物而河流阶地主要是冲积物，发育的水稻土性质出现较大差别，土壤重金属含量差别大。

2.4 不同地形下土壤重金属区域分异的原因浅析

研究区地形为典型的岩溶地区，且分布有巨厚的白云岩、石灰岩，山丘区谷地是一山间谷地，地势起伏，田块间穿插有山间溪流，西北方向约2 km处有废弃的铅锌矿产区，已关停11年左右，有钡长石，鈷，方锰石，铜，芒硝等资源，田块间穿插有机耕道穿插。研究区中河流阶地为舞阳河河流阶地，地势平坦。磷肥、复合肥等化肥中含有一定量的重金属，有机肥中Zn、Cu等重金属含量较高，不同类型的母质发育的土壤重金属也有所差异，研究区涉及的母质有白云岩、石灰岩分布以及河流冲积物。同时过量施肥会造成农田土壤中重金属积累。由表3可以看出，不同地形稻田肥料使用差异很大，河流阶地的N、P2O5和K2O用量均远山丘区谷地，N总量分别为383.7、421.9 kg·hm-2·a-1，施P2O5总量分别为243.7、294.0 kg·hm-2·a-1，施K2O总量分别为148.2、490.2 kg·hm-2·a-1。显示本研究河流阶地肥料用量远高于山丘区谷地，可能是造成河流阶地土壤中重金属Cd、Cr、Cu含量高于山丘区谷地的重要原因。研究区与河流（舞阳河）大面积接壤，河流的对土壤中重金属的含量影响相对大，试验数据显示，在统计上述元素超标情况的田块中，发现重金属含量超标的田块均分布在沿河流一带，沉淀悬浮颗粒物、溶解相、沉积物三部分是河流中的重金属元素主要存在方式，河流的淋溶与沉淀作用导致重金属元素迁移，从而使得田块中重金属含量有一定的差异。在山丘区谷地田块中含量超标的镉、铬、锌田块均分布在靠近山峰以及路边的田块中，其中尤其是锌含量，超标情况相对严重。喷施农药、道路汽车轮胎消耗以及工业活动对重金属含量有影响。

3 结论与讨论

镇远县属于典型的岩溶地区县属于典型的岩溶地区，贵州发育于砂岩、页岩、第四纪红色粘土母质的淹育型、潴育型、潜育型黄壤性水稻土，山区谷地是坡积物，河流阶地为冲积物，山丘区谷地和河流阶地上的田块土壤重金属含量分析表明，首先两个地貌单元中土壤pH较低，属微酸性至强酸性土壤，重金属含量有所差异，山丘区谷地的成土母质主要是坡积物，河流阶地的主要是冲积物，成土母质不同，导致重金属含量存在不同的原因之一，山丘区谷地田块土壤Cr含量小于均值的田块多于大于均值的田块，整体分布在均值偏左。Cd和Zn含量最大值（1.76 mg/kg、593.3 mg/kg）与均值皆大于环境质量标准值及筛选值，且二者田块中接近均值达田块集中，Cd、Zn超标严重。河流阶地田块土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大，Cr、Pb、Zn统计的田块中接近均值达田块相对集中（峰度系数<0），Cd、Cu相反。Cd含量最小值（0.54 mg/kg）与最大值（3.82 mg/kg）大于环境质量标准值，从偏度系数来看，大于均值（1.50 mg/kg）的田块占比大，Cd超标严重。山丘区谷地中的Zn大于河流阶地，山丘区谷地受到Zn超标程度大于河流阶地。不同地形稻田肥料使用差异很大，河流阶地的N、P2O5和K2O用量均远山丘区谷地，N总量分别为383.7、421.9 kg·hm-2·a-1，施P2O5总量分别为243.7、294.0 kg·hm-2·a-1，施K2O总量分别为148.2、490.2 kg·hm-2·a-1。显示本研究河流阶地肥料用量远高于山丘区谷地，可能是造成河流阶地土壤中重金属Cd、Cr、Cu含量高于山丘区谷地的重要原因，但河流阶地的Cd含量相对高，Cr的含量均未超标，河流阶地的Cr含量相对偏高，可能存在超标的风险，山丘区谷地和河流阶地中的Pb含量均未超标，但河流阶地Pb含量整体高于山丘区谷地，山丘区谷地和河流阶地的Cu的含量没有超标现象。山丘区谷地田块中Cu含量低于河流阶地。山丘区谷地与河流阶地土壤重金属Cd、Pb、Zn、Cu统计的试验田块大于平均值的田块占比大，其中Cd超标情况严重。

镇远县属于典型的岩溶地区县属于典型的岩溶地区，贵州发育于砂岩、页岩、第四纪红色粘土母质的淹育型、潴育型、潜育型黄壤性水稻土，山区谷地是坡积物，河流阶地为冲积物，母质不同导致重金属含量不同。山丘区谷地与河流阶地中土壤pH较低，均属微酸性至强酸性土壤。两个地貌单元中土壤中 Cd、Cr、Pb、Zn、Cu 的平均含量分别为0.91、26.92、30.45、298.69、16.8 mg/kg和1.50、61.51、32.79、160.78、29.61 mg/kg，其中Cd和Zn两地貌均大于背景值和筛选值，河流阶地土壤中的Cd、Cr、Cu的含量均大于山丘区谷地。山丘区谷地中的Zn大于河流阶地，两个试验区重金属含量变异性较高，其含量具有显著的空间差异性。本次采用10 m×10 m采样，相比《全国土壤污染状况调查点位布设技术规定》中的要求小数倍，然而两地形中田块之间重金属含量差异程度大于地形之间差异。体现出贵州“十里不同天，十步不同土”的土壤性质差别。

在山丘区谷地统计的试验田块Cd、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大，Cd和Zn统计的田块中接近均值达田块相对集中，Pb、Cr、Cu相反，Cd、Pb、Zn的变异系数分别为76.5%、50.2%、23.1%，空间分布上差异较大。田块之间Cd、Pb、Zn含量差异大。

在河流阶地统计的试验田块Cd、Cr、Pb、Zn、Cu大于平均值的田块占比大，Cr、Pb、Zn统计的田块中接近均值达田块相对集中，Cd、Cu相反。Cd、Zn的变异系数分别为54.3%、29.1%，其含量变动和变异系数都较大，含量在空间分布上差异较大。Cd、Zn含量差异大。

河流阶地的N、P2O5和K2O用量均远山丘区谷地，N总量分别为383.7、421.9 kg·hm-2·a-1，施P2O5总量分别为243.7、294.0 kg·hm-2·a-1，施K2O总量分别为148.2、490.2 kg·hm-2·a-1。河流阶地肥料用量远高于山丘区谷地，可能是造成河流阶地土壤中重金属Cd、Cr、Cu含量高于山丘区谷地的重要原因。

参 考 文 献：

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