茶园地形对土壤中总砷迁移影响的研究——以昌宁县为例

曾沛艺,和淑娟,侯巍楹,杨牧青,廖迎芸,唐 嫚

（1.云南省生态环境科学研究院,云南 昆明 650034；2.昆明理工大学,云南 昆明 650501）

0 引言

有研究表明汞、砷、锌、铬、镍等重金属含量随种植时间的增加而出现累积现象，也随着地形坡度的增大而减少[1]。在对污灌区重金属迁移实验中发现，随着土壤层厚度的增加，向下迁移的趋势越来越弱[2-4]。不同的重金属，其在不同的茶园转运和富集程度均不同[5]。针对不同茶树年限和土地利用方式进行了茶园土壤形态铁的研究[6]。而在茶园土壤重金属迁移影响中，更多的是基于茶园特殊的种植地形进行研究。茶园土壤重金属含量与形态分布均受茶园的生态环境影响[7-8]。

本研究选取茶园生态环境中高程和坡度作为土壤中总砷含量迁移规律影响因子的研究对象。通过对茶园现场获取的信息与实验室检测数据进行关联性分析，建立回归模型，以结果来反应茶园土壤中总砷的迁移规律。隋红建等[9]在对土壤重金属迁移模型回顾的基础上，提出了将模型与地理信息系统有机结合的思路。而本研究为进一步强化回归模型的准确性，将样地分为上下两个样地，分别对两个样地和其复合样地进行关联分析，研究在不同高程和不同坡度的地形条件下，茶园土壤中总砷含量的变化情况，以发现在高程和坡度的影响下，茶园土壤中总砷含量的变化规律，为茶园土壤安全利用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 模型样地选取

以云南昌宁县温泉镇台地茶园为对象，根据以下标准随机选取一个样地：

（1）茶园周边3km范围内无工业污染源；

（2）茶园上下坡度和高程差异较大；

（3）样地中的沟渠分布尽量均匀；

（4）茶树分布尽量均匀，无其他树种或农作物间种；

（5）尽量选择施用含砷或者含砷较高化肥的茶园。

在对模型样地选取前，运用XRF现场检测数据进行分析，找到有迁移规律的样方，避免无用数据的产生。

1.2 野外土壤样品及现场信息采集

本实验按照模型样地的选取原则选取样地，并根据样地地形将其分为5个样地。在对每个样地中茶园土壤样品采样时，第一个土壤样品选取为样地高程最高处，最后一个土壤样品选取为靠近样地高程最低处，其余土壤样品在高程相隔5～10m进行选取，采集深度为0～20cm的表层土，共采集5个土壤样品。在采集土壤样品的同时，每个样品均收集样品采集地的高程、坡度、温度、湿度、风向等现场信息。由于本实验选取的样地1、2、3在其中间有明显的坡度差异及存在沟渠等地形因素干扰，所以选择样地4、5进行研究。

1.3 实验方法

（1）样品的消解

土壤样品消解：称量0.1g风干过筛的样品（精确到0.0001g）到消化池中，并用少量实验水润湿。在耐酸通风橱中加入2mL硝酸和6mL盐酸，将样品和消解液充分混合。如果发生剧烈的化学反应，反应结束后应拧紧瓶盖。将消化池放入消化池支架中，放入微波消化装置的炉膛中，并确认温度传感器和压力传感器正常工作。根据表1中的加热程序进行微波消解，并在完成加热程序后进行冷却。当水箱温度降至室温时，从耐酸通风橱中取出消化箱，缓慢释放压力以释放空气，然后打开消化箱盖。将消解罐中的溶液转移到50mL容量瓶中，用少量实验水冲洗消解罐和盖子，然后将其倒入容量瓶中，用实验水稀释至刻度线，充分混合，然后过滤一个0.45μm的过滤器，待测。

表1 微波消解升温程序

图1 实验样地示意图

（2）pH值测定

将5.00g土壤样品放入带塞子和研磨嘴的150mL锥形瓶中，将其浸入50mL无二氧化碳的水中并密封。在室温下摇动4h并离心。离心5min后，取上清液，并用pH计测量pH值。

（3）类重金属砷含量测定

仪器：砷空心阴极灯，原子荧光光度计（北京吉天AFS8230）。

校准系列的制备：优级纯盐酸；优级纯硝酸；砷标准溶液（1mg/L）：用lmg/L砷标准溶液分别取0.00、1.00、2.00、4.00、8.00、10.00mL加入到100mL容量瓶中，并加入5mL优级纯盐酸；硼氢化钾溶液：称取1.09 KOH溶于200mL纯水中，溶解后加4.09 KBH4搅拌溶解；10%硫脲—抗坏血酸混合溶液：称取5g硫脲溶于100 mL水中，稍加热溶解后放入5 g抗坏血酸，搅拌至溶解；载液：取5mL优级纯盐酸定容至1000mL。

样品处理：分取5mL待测溶液，加人5mL硫脲—抗坏血酸混合液摇匀，打开原子荧光仪预热30min再进行测定。每个样品做3个平行测定。

仪器工作条件见表2。

表2 原子荧光工作条件

1.4 数据处理

实验室检测数据先用Microsoft Excel 2007进行简单处理，初步确定数据之间的关联性，然后运用SPSS 19.0软件对数据进行相关性分析，再采用spearman方法进行双变量非参数相关系数分析；然后使用MATLAB（R2020B）（一款多功能数学分析软件）软件编写建立模型代码，进行多元回归分析，最后建立数据分析模型。

为了了解样品高程和坡度与样品土壤中总砷含量之间的关系，本实验将样地4和样地5数据输入到MATLAB（R2020B）软件中，建立的模型代码如下：

＞＞clear；

＞＞clc；

＞＞close all；

＞＞%% Altitude Vs.As

＞＞YD5As = [20.6，32.1，34.3，69.7，74.3]；

＞＞YD5Alt = [1958，1955，1945，1939，1924]；

＞＞YD4As = [1.81，6.21，13.02，18.8，32.0]；

＞＞YD4Alt =[1988，1982，1975，1971，1964]；

＞＞YDAs = [YD5As YD4As]；

＞＞YDAlt = [YD5Alt YD4Alt]；

＞＞figure(1)；

＞＞title on；

＞＞plot(YDAlt，YDAs)；

＞＞%% Slope vs.As

＞＞YD4slope = [52，40，28，25，10]；

＞＞YD5slope = [20，6，4，4，2]；

＞＞slope = [52，40，28，25，10，20，6，4，4，2]；

＞＞As = [1.81，6.21，13.02，18.8，32.0，20.6，32.1，34.3，69.7，74.3]；

＞＞plot(slope，As)；

最后，根据模型成果进行相关性分析。

1.5 评价方法

评价方法标准参照《GB 15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》。由于采集的10个土壤样品中的pH均＜5.5，因此采用砷的评价标准，采用筛选值40mg/kg。

2 结果与分析

2.1 不同高程对茶园土壤中总砷含量的影响

2.1.1 样地4高程对茶园土壤中总砷含量的影响

（1）样地4高程和土壤pH、砷含量测定结果

经现场采样分析和实验室测定结果，得出样地4的高程、土壤pH和总砷含量见表3。

表3 样地4高程、土壤pH、砷含量测定结果

（2）模型结果及检验

本实验采用样地4的高程与茶园土壤中总砷含量在MATLAB（R2020B）软件进行回归模型建立，得出的结果如表4所示。

表4 样地4高程MATLAB程序的计算结果

因此，得到回归方程为：

模型的检验：由表4可知，得出的回归模型中确定系数（R2）为0.999，接近1，说明回归模型拟合较好；和方差（SSE）与均方根（RMSE）接近于0，说明模型选择和拟合较好。R2、SSE和RMSE三种数值检验结果是一致的，说明因变量f（x）与自变量x之间存在显著的线性相关性，因而本回归方程是可用的。

（3）模型结果分析

根据回归方程，对样地4样品高程与砷含量进行线性拟合，得到结果见图2。

从图2可知，样地4在最高高程1988m处，土壤中总砷含量最低；最低高程1964m处，土壤中总砷含量最高。在同一样地中，随着高程的降低，土壤中总砷含量逐渐升高，高程与土壤中总砷含量呈现负相关性。由此可知，在茶园土壤中总砷含量是受高程的影响，出现向下累积的现象。

图2 样地4高程对茶园土壤中总砷含量的影响

2.1.2 样地5高程对茶园土壤中总砷含量的影响

（1）样地5高程和土壤pH、砷含量测定结果

经现场采样分析和实验室测定结果，得出样地5的高程、土壤pH和总砷含量见表5。

表5 样地5高程、土壤pH、砷含量测定结果

（2）模型结果及检验

本实验采用样地5的高程与茶园土壤中总砷含量在MATLAB（R2020B）软件进行回归模型建立，得出的结果如表6所示。

表6 样地5高程MATLAB程序的计算结果

因此，得到回归方程为：

模型的检验：由表6可知，得出的回归模型中确定系数（R2）为0.852，接近1，说明回归模型拟合较好；和方差（SSE）与均方根（RMSE）数值较大，说明模型选择和拟合程度一般，主要是由于样地5坡度较为平缓，在高程现场测定时，有一定偏差。R2、SSE和RMSE三种数值检验结果总体偏向一致，说明因变量f（x）与自变量x之间存在一定的线性相关性，因而本回归方程建立的模型是可用的。

（3）模型结果分析

根据得到的回归方程，对样地5样品高程与土壤中总砷含量进行线性拟合，得到结果见图3。

从图3可知，样地5在最高高程1958m处，土壤中总砷含量最低；最低高程1924m处，土壤中总砷含量最高，超过风险管控标准中筛选值（40mg/kg）的标准。在同一样地中，随着高程的降低，土壤中总砷含量逐渐升高，高程与土壤中总砷含量也呈现出负相关性。由此可知，在茶园土壤中总砷含量受高程的影响，同样出现向下累积的现象。其中从高程1955m到1945m土壤中总砷含量累积现象不明显，而从高程1945m到1939m，土壤中总砷含量出现大幅度上升现象，因此可以得出，土壤中总砷随着高程向下迁移的过程中，还受其他因素的影响。

图3 样地5高程对茶园土壤中总砷含量的影响

2.1.3 复合样地高程对茶园土壤中总砷含量的影响

为进一步验证茶园土壤中总砷含量受样地高程的影响，本实验将样地4和样地5进行综合分析。

（1）模型结果及检验

本实验采用样地4和样地5的高程与茶园土壤中总砷含量在MATLAB（R2020B）软件进行回归模型建立，得出的结果如表7所示。

表7 复合样地高程MATLAB程序的计算结果

因此，得到回归方程为：

模型的检验：由表7可知，得出的回归模型中确定系数（R2）为0.898，接近1，说明回归模型拟合较好；和方差（SSE）与均方根（RMSE）数值较大，说明拟合一般。R2、SSE和RMSE三种数值检验结果总体偏向一致，说明因变量f（x）与自变量x之间存在一定的线性相关性，因而回归方程是可用的。

（2）模型结果分析

根据回归方程，对复合样地样品高程与砷含量进行线性拟合，结果见图4。

图4 复合样地高程对茶园土壤中总砷含量的影响

从图4可知，复合样地在最高高程1988m处，土壤中总砷含量最低；最低高程1924m处，土壤中总砷含量最高，同样超过风险管控标准中筛选值（40mg/kg）的标准。在同一个大样地中，上下两个相连的小样地，同样出现随着高程的降低，土壤中总砷含量呈现升高趋势，高程与土壤中总砷含量也呈现出负相关性。其中样地4高程最低处土壤中总砷含量高于样地5中高程最高处，结合现场地形，可以得出茶园土壤中砷在样地4高程最低处出现累积并向下迁移能力减弱的现象，因而，同样可以得出土壤中总砷随着高程向下迁移的过程中，还受其他因素的影响。

2.2 不同坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

研究不同高程对茶园土壤中总砷含量的影响，结果显示，茶园土壤中总砷含量不仅受高程的影响，还受其他因素的影响，因而本实验开展不同坡度对茶园土壤中总砷的影响研究。为强化结果的关联性，本实验还是采用样地4和样地5的数据进行关联性研究。

2.2.1 样地4坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

（1）样地4坡度和土壤pH、砷含量测定结果

经现场采样分析和实验室测定结果，得出样地4的坡度、土壤pH和总砷含量见表8。

表8 样地4坡度、土壤pH、砷含量测定结果

（2）模型结果及检验

采用样地4的坡度与茶园土壤中总砷含量在MATLAB（R2020B）软件进行回归模型建立，结果如表9所示。

表9 样地4坡度MATLAB程序的计算结果

因此，得到回归方程为：

模型的检验：由表9可知，得出的回归模型中确定系数（R2）为0.982，说明回归模型拟合较好；和方差（SSE）为17.8，均方根（RMSE）值为2.98，两个值均偏小。R2、SSE和RMSE三种数值检验结果是一致的，说明因变量f（x）与自变量x之间存在显著地线性相关性，因而本回归方程建立的模型可用。

（3）模型结果分析

根据得到的回归方程，对样地4样品坡度与土壤中总砷含量进行线性拟合，结果见图5。

图5 样地4坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

从图5可知，样地4在最大坡度52°处，土壤中总砷含量最低；最小坡度10°处，土壤中总砷含量最高。在同一样地中，随着坡度的减缓，土壤中总砷含量逐渐升高，坡度与土壤中总砷含量呈现负相关性。

2.2.2 样地5坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

（1）样地5坡度和土壤pH、砷含量测定结果

经现场采样分析和实验室测定结果，得出样地5的坡度、土壤pH和总砷含量见表10。

表10 样地5坡度、土壤pH、砷含量测定结果

因此，得到回归方程为：

模型的检验：由表11可知，得出的回归模型中确定系数（R2）为0.999，接近1，说明回归模型拟合较好；和方差（SSE）为0.231，均方根（RMSE）为0.48，均较小，说明模型选择和拟合较好。R2、SSE和RMSE三种数值检验结果是一致的，说明因变量f（x）与自变量x之间存在显著地线性相关性，因而本回归方程建立的模型是可用的。

表11 样地5坡度MATLAB程序的计算结果

（3）模型结果分析

根据得到的回归方程，对样地5样品坡度与土壤中总砷含量进行线性拟合，结果见图6。

从图6可知，样地5在最大坡度20°处，土壤中总砷含量最低；最小坡度2°处，土壤中总砷含量最高。在同一样地中，随着坡度的减缓，土壤中总砷含量逐渐升高，坡度与土壤中总砷含量呈现负相关性。

图6 样地5坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

2.2.3 复合样地坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

（1）模型结果及检验

本实验采用样地4和样地5的坡度与茶园土壤中总砷含量在MATLAB（R2020B）软件进行回归模型建立，得出的结果如表12所示。

表12 复合样地坡度MATLAB程序的计算结果

因此，得到回归方程为：

模型的检验：由表12可知，得出的回归模型中确定系数（R2）为0.811，接近1，说明回归模型拟合较好；和方差（SSE）与均方根（RMSE）数值较大，说明模型选择和拟合一般。R2、SSE和RMSE三种数值检验结果总体偏向一致，说明因变量f（x）与自变量x之间存在一定的线性相关性，回归方程可用。

（2）模型结果分析

根据得到的回归方程，对复合样地样品坡度与砷进行线性拟合，结果见图7。

从图7可知，复合样地在最大坡度52°处，土壤中总砷含量最低；最小坡度2°处，土壤中总砷含量最高。在同一个大样地中，上下两个相连的小样地，同样出现随着茶园坡度的减缓，土壤中总砷含量呈现升高趋势，坡度与土壤中总砷含量也呈现出负相关性。其中茶园中坡度＞40°时，土壤中总砷含量＜10mg/kg，在茶园坡度＜10°时，土壤中总砷含量达到30mg/kg左右，并在茶园趋近于平地时，土壤中总砷含量出现大幅度上升趋势。因此，由本实验可以得到，在茶园坡度较大的区域，土壤中总砷含量向坡度缓的区域迁移能力较大；在茶园坡度较小的区域，土壤中总砷含量迁移能力较小，出现累积现象，尤其在坡度在0～5°的区域，茶园土壤中总砷含量累积现象明显。

图7 复合样地坡度对茶园土壤中总砷含量的影响

3 讨论

本文研究了单个样地和复合样地中高程和坡度等地理因素对茶园土壤中总砷含量的影响。根据实验方案中的要求，在昌宁县温泉镇选取较为理想的样地，采集土壤样品和收集样品地理信息后，进行样品总砷含量测定，并运用MATLAB（R2020B）软件开展回归模型分析。本实验主要比较了样地4、样地5以及样地4和样地5组合成的复合样地中高程和坡度与茶园土壤中总砷含量的变化情况。

结果表明，单个样地和复合样地中高程高低和坡度大小均与茶园土壤中总砷含量有线性关系，呈现负相关。肖艳桐的研究表明镉含量分布影响程度较大的因子分别为降水＞有机质＞高程＞道路距离＞人口空间分布＞水系距离＞pH＞土壤类型＞地质类型＞土地利用类型，可见土壤中重金属分布受高程的影响，但有意思的是她的研究发现重金属含量与高程呈正相关，说明在人为污染的条件下，烟尘中的镉随着大气沉降在海拔较高的地区累积[10]。Ding在研究矿区周围土壤重金属含量和分布自然影响因素中发现，在低海拔地区土壤重金属含量略有下降，然后随着海拔的升高其含量显著增加，这是风向和大气沉降共同作用的结果[11]。张军等人的研究发现典型河谷城市Cd含量与DEM和NDVI呈现高度负相关[12]，这与我们的研究结果一致。楚纯洁和周金凤对平顶山陵坡地的土壤重金属分布情况研究表明，Cu，Cr，Pb随坡度减小而含量增大，Zn，Ni在坡度5°～15°时含量最大；土地利用对坡面土壤重金属的分布不产生明显影响，林地、草地、坡耕地之间重金属含量也无显著差别[13]。

3.1 不同样地中高程对茶园中总砷含量的影响

在开展茶园的研究时，往往需要茶园的地形数据。通过较为精确的茶园地形数据，可以构建数据高程模型，为在茶园开展工作提供地形图获取方式[10]。同时，将茶园中不同高程的土壤样品作为小流域侵蚀泥沙的研究对象[11]。因而，在开展茶园土壤中总砷迁移研究时，将高程作为其重要影响因素之一进行研究。

本研究表明，在同一个样地中，茶园高程与土壤中总砷含量能够构建回归模型，呈现出较为显著的负相关性，并且土壤中总砷含量有向下累积的现象。在样地4高程最低处土壤中总砷含量高于样地5中高程最高处，说明高程不是影响茶园土壤中总砷含量的唯一因素，高程在其中影响贡献比例还有待进一步研究。同时，在样地5高程1939m处，茶园土壤中总砷含量超过风险管控标准中筛选值（40mg/kg）的标准，从茶园中土壤总砷含量累积现象来看，在低高程的茶园区域，可能普遍存在超标的现象，但具体茶园超标的高程位置有待进一步研究。基于茶园土壤中总砷含量存在超标的现象，在下一步研究中，为降低茶园茶叶超标风险，强化茶园土壤安全利用，如何从高程影响因素的角度去降低土壤中总砷含量有待进一步研究。

3.2 不同样地中坡度对茶园中总砷含量的影响

坡度作为茶园典型地理特征，对茶园土壤有机质空间分布影响较大[12]，随着山地茶园坡度的增大，其土壤侵蚀越严重[13]，重金属就可能随雨水或地表径流往下迁移，在对茶园土壤中总砷含量迁移研究中，应将茶园坡度作为一个重要因素进行考虑。

本研究表明，在同一个样地中，茶园坡度与土壤中总砷含量能够构建回归模型，随着茶园坡度的减缓，土壤中总砷含量呈现升高趋势，呈现出较为显著的负相关性。在茶园坡度较大的区域，土壤中总砷含量向坡度缓的区域迁移能力较大；在茶园坡度较小的区域，土壤中总砷含量迁移能力较弱，从而形成累积现象。由于本实验只选择了一个大样地，虽然在大样地中分了小样地，但还需要再选取茶园样地进行验证性分析。同时，在茶园坡度在0～5°的区域，茶园土壤中总砷含量累积现象明显，是否是坡度在其中起决定性的作用也有待进一步研究。

4 结论

本实验表明，茶园土壤中总砷含量与茶园高程和坡度均有显著相关性。在茶园高程和坡度共同作用下，随着高程降低和坡度变小，茶园土壤中总砷含量逐渐升高，并且到一定高程和坡度，茶园土壤中总砷含量升高趋势变大，超过风险管控标准中筛选值（40mg/kg）。茶园土壤中砷含量在坡度和高程共同作用下，向海拔低且坡度平缓的区域累积，主要表现在复合样地高程最高1988m处和坡度最大52°处，茶园土壤中总砷含量仅为1.81mg/kg，而在样地高程最低1924m处和坡度最小2°处，茶园土壤中总砷含量高达74.3mg/kg，高于最高处40倍。由此，在坡度茶园进行土壤样品采样分析时，应选择茶园高程最低及坡度最小的区域进行采样，才能更有效地代表该茶园土壤环境质量；同时，在进行茶园安全利用管理过程中，应更多地考虑茶园累积情况，可以通过调整化肥施用结构，减少高含砷化肥的施用，从而达到降低茶园土壤中总砷含量的目的，并在茶园高程底且坡度平缓的区域加强土壤及茶叶监测，为茶园土壤污染防治提供依据。