浅析土壤理化性质对元素迁移转化的影响

周立国，朱江源，范伟顺，张晓闯，于继光，蒋莉，苗秀川

(山东省第八地质矿产勘查院，山东地矿局有色金属矿找矿与资源评价重点实验室,日照地质地理大数据研究院，山东 日照 276826)

0 引言

土壤当中，重金属同时在水平方向和垂向上实施迁移，在物理、化学、生物作用下，产生形态变化且向其他介质当中进行迁移，前人通过研究土壤理化性质(pH、有机质、氧化还原电位等)对重金属的迁移能力，用于确定重金属的污染机理，从而采取有效措施控制土壤当中重金属元素的分布情况。

元素在土壤中的地球化学行为取决于在土壤中的存在方式，而元素在土壤中的存在方式则与土地利用方式(水浇地、旱地、果园、林地等)和土壤的理化性质密切相关[1-2]。此外，土壤元素的含量主要与成土母质及其成土过程有关，同时土壤pH、有机质含量、阳离子交换量等理化性质，大气干湿沉降物、化肥、农药使用等人为活动对其的影响也不容忽视。本文从农作物及根系土元素的迁移转换特征。分析相同含量的元素在不同理化性质的土壤中不同地球化学行为，研究土壤理化性质影响元素的转化和作物对元素的吸收[3]。

1 工作方法

1.1 样品采集

采样对象以五莲县水浇地、旱地、果园、林地为主，同时兼顾建设用地和其他土地，以5.8个/km2的密度采集0～20cm深度的土壤样品5851件。在农用地土壤类型采样时，采样点在地块中央进行样品采集，避开道路、院墙、肥料堆放点等潜在污染源的位置。低山丘陵区在缓平坡地、山间平原及低洼等相对平缓的地区采样，采样点位置与布设点位误差小于50m。城镇区采样调查无法采集自然表层土壤时，均采集回填时间5年以上未被翻动过的土壤。每个采样点确定一个中心点，向四周东南西北各15m设置分样点，5个点按照等量采集并组合成一个土壤样品，以中心点为GPS定点位置[4]。

小麦、玉米等大宗农作物以1个/16km2的密度采集60件样品，同时采集配套根系土。

1.2 样品分析

土壤样品分析N、P、B、Mn、Zn、Cu、Se、Mo、I、S、F、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Ni、V、Co、Ge、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、OrgC、CEC、pH共29项指标；农作物样品分析Pb、Ge、Se、I、As、Cd、Cr、Zn、Cu、Hg共计10种元素。

元素分析方法实际检出限、准确度、精密度等各项质量指标达到或优于规范要求。取得土壤数据质量可靠，满足要求。

2 讨论

2.1 土壤中元素地球化学行为影响因素

2.1.1 有机质的影响

土壤有机质是泛指土壤中来源于生命的物质。有机质含有植物生长发育所需要的各种营养元素，有95%以上氮素是以有机状态存在于土壤中的，有机质也是土壤中磷、硫、钙、镁以及微量元素的重要来源[5-6]。此外，土壤有机质能够改善土壤物理性质，有利于土壤形成团粒结构，具有高度的保水保肥性能(表1)。

表1 调查区土壤有机质含量与各指标元素相关系数表

有机质与土壤中各项指标之间的相关系数如表1所示，N、Se、I等元素指标与有机质之间表现出良好的正相关性(图1)，这些元素指标在表层土壤中与有机质联系紧密，正是表层土壤中有机质的螯合、吸附作用，从而导致部分元素在表层土壤中发生次生富集。因此，增加土壤有机质含量，可以有效地提升这些元素的肥力状况[7]。SiO2、F、pH等指标同有机质之间形成负相关，SiO2能表征土壤中砂粒含量高低，砂粒含量越高，黏粒含量越少，有机质含量即越少。有机物质在微生物的分解作用下，也会产生氨(NH3)和H2S，经氧化形成HNO3和H2SO4，降低土壤pH[8]，即有机质的地球化学行为是影响土壤pH的因素之一。

图1 有机质与氮、硒元素含量相关性散点图

2.1.2 土壤酸碱度的影响

土壤酸碱性是土壤的重要理化性质，对土壤微生物的活性、对矿物质和有机质的分解起重要作用，影响土壤养分和重金属等元素的释放、固定和迁移转化等[9]。

对调查区pH和元素指标进行相关性统计，Se、SiO2、OrgC与pH存在一定程度的负相关性，相关性最显著的指标为SiO2。F、CaO、MgO和Mn与pH存在一定程度的正相关性，pH与其他指标未表现出明显的相关性(表2，图2)。

表2 调查区土壤pH与各指标元素相关系数表

图2 pH与CaO、F含量相关性散点图

2.2 耕作层土壤-农作物元素迁移转化影响因素

土壤重金属元素对植物的生态效应是受多种因素控制的，植物从土壤中吸收元素的量与土壤中元素的总量有一定的关系，但土壤元素的总含量并不是植物吸收的一个可靠指标，元素在土壤-植物系统中的迁移转化主要受土壤的理化性质(pH、Eh、黏粒、有机质等)、土壤中重金属形态和植物特性等因素的影响[10]。根据本次调查获得的小麦、玉米与根系土数据，对根系土-玉米籽实、根系土-小麦籽实之间元素的迁移转化影响因素进行了研究。

2.2.1 元素在土壤与农作物之间的相互关系

对土壤中的元素与玉米和小麦籽实中的元素进行相关性统计(表3，图3)，土壤与玉米籽实中相关性较明显的指标为Zn；土壤与小麦籽实中相关性较明显的指标为Ge[11-12]。

表3 土壤元素与小麦、玉米籽实元素相关系数(N=60)

图3 土壤元素与农作物籽实元素含量相关性散点图

2.2.2 元素在农作物中交互作用

植物吸收重金属的机制复杂，但研究表明，不同重金属之间会存在互相作用，如拮抗作用，相互抑制，或者存在互相促进作用，这里通过统计分析，简单探析元素之间的相互作用关系。

小麦籽实中元素的相关性统计见表4和图4，不同元素的相互作用各不相同，呈正相关的有Cu-Zn、Zn-Pb、Zn-Cd、Zn-Se、Cr-Se、Pb-As、Pb-Cd、Pb-Hg、Cd-Se和Se-Hg，元素组合间相互促进；呈负相关的有Cu-As、Cr-Hg、Pb-I和Ge-Hg，元素间相互抑制，Hg元素与较多元素间会产生拮抗作用，为抑制作用。

表4 小麦籽实中各元素指标相关性统计表(N=60)

图4 小麦籽实中硒与锌、镉元素含量相关性散点图

玉米籽实中元素间的相关性统计见表5和图5，Se与Hg元素相关系数最明显，为0.69。呈正相关有Cd-Cr、Zn-Pb、Pb-Cr、Cu-Ge、As-Hg和Hg-Se，元素组合间相互促进；呈负相关的有Hg-Pb、As-I、Se-I和I-Hg，I元素与较多元素间会产生拮抗作用，为抑制作用。

表5 玉米籽实中各元素指标相关性统计表(N=60)

图5 玉米籽实中汞与砷、硒元素含量相关性散点图

2.2.3 元素的富集系数及其影响因素

富集系数是指某种物质或元素在生物体的浓度与生物生长环境(水、土壤、空气)中该物质或元素的浓度之比。作物吸收As、Cd等有害元素的影响因素众多，过程非常复杂，因此，本文仅从统计规律角度，总结了玉米和小麦籽实对元素的吸收(富集系数)规律，建立籽实As、Cd等含量与土壤pH、OrgC或其他指标的定量关系，以期进行区域尺度的生态安全性评价和研究。

(1)pH对富集系数的影响。由表6可知，对于土壤酸碱度pH而言，土壤pH与小麦、玉米籽实中各元素富集系数之间的相关性不明显。

表6 pH对农作物富集系数相关性统计表(N=60)

从统计结果来看，土壤酸碱性的调节无论是对营养元素还是重金属元素的吸收影响较小。整体来看酸碱度对重金属元素的影响为负相关，即土壤酸化会促进籽实对重金属元素的吸收。

(2)有机质对富集系数的影响。通过对有机质与各元素指标的富集系数进行相关性统计(表7)，土壤有机质与小麦、玉米籽实中各元素指标的富集系数相关性不明显。

表7 有机质对农作物富集系数相关性统计表(N=60)

从统计的结果来看，土壤有机质的增加都会降低营养元素和重金属元素向籽实中的迁移转化效率。土壤有机质的增加，增加土壤元素全量和有效量的同时，也增加了植物对元素的吸收，但植物体内的增幅小于土壤中的增幅，即土壤向植物中迁移转化的效率降低。

3 结论

通过土壤理化性质对元素迁移转化的影响分析研究，得出以下结论：

(1)五莲县土壤中N、Se、I等元素与有机质之间表现出良好的正相关性，增加土壤有机质含量，可以有效地提升这些元素的肥力状况；土壤中Se、SiO2、OrgC等元素指标与pH存在一定程度的负相关性，土壤盐碱化减低土壤的透气性，易造成土壤的板结。

(2)土壤与玉米籽实中相关性较明显的指标为Zn，与小麦籽实中相关性较明显的指标为Ge。土壤中增施锌、锗等微量元素肥料，可以提高玉米、小麦籽实中有益元素的吸收。

(3)土壤pH与小麦、玉米籽实中各元素富集系数之间的相关性不明显。整体来看酸碱度对重金属元素的影响为负相关，即土壤酸化会促进籽实对重金属元素的吸收。

(4)土壤有机质与小麦、玉米籽实中各元素指标的富集系数相关性不明显。从统计的结果来看，土壤有机质的增加都会降低营养元素和重金属元素向籽实中的迁移转化效率。