武漢市侏儒—消泗一帶土壤形態(tài)分布研究

周小娟, 祝莉玲, 張 嫣

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院,湖北 武漢 430034)

武漢市侏儒—消泗一帶土壤形態(tài)分布研究

周小娟1, 祝莉玲1, 張 嫣2

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院,湖北 武漢 430034)

以武漢市侏儒—消泗地區(qū)土壤為對象,研究該區(qū)土壤形態(tài)樣品中Se、Cd、As、Cu、Zn、Hg、Pb等7個元素的全量和7種形態(tài)分布及其生物有效性,研究對比各元素的各形態(tài)特征并總結(jié)其活性規(guī)律。結(jié)果表明,土壤中As、Cu、Zn、Hg、Pb、Se主要以殘渣態(tài)存在,As、Cu、Zn、Hg殘渣態(tài)占比均達(dá)60%以上,可交換態(tài)的比例很低。Cd主要以易利用態(tài)存在,且Cd的可交換態(tài)比例最高,活性最強(qiáng)。Se水溶態(tài)和腐殖酸結(jié)合態(tài)比率比重金屬還高,Se相對容易被植物吸收。同時對Se、Cd在不同土壤類型中的各形態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果表明二者的形態(tài)受土壤類型影響較大,可為改良富硒重鎘土壤的pH和提高土壤硒的有效利用性提供一定依據(jù)。

硒;重金屬;易利用形態(tài);中等利用形態(tài);生物惰性形態(tài)

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于武漢市蔡甸區(qū)侏儒街和消泗鄉(xiāng)一帶(圖1)。武漢市蔡甸區(qū)位于市西南郊,地處漢江與長江匯流的三角地帶,侏儒街和消泗鄉(xiāng)位于蔡甸區(qū)的西南角,地跨東經(jīng)113°41′～113°57′,北緯30°15′～30°30′之間。侏儒街主要分布在G318國道及漢宜高速公路周邊;消泗鄉(xiāng)地處武漢市蔡甸區(qū)西南邊陲,素有“魚米之鄉(xiāng)”的美稱,北與侏儒街相鄰,西與仙桃市西流河鎮(zhèn)接壤,南與漢南區(qū)隔河相望,位于兩江交叉的“金三角”地帶,并緊連省級珍禽濕地自然保護(hù)區(qū)——沉湖,省二級百曲公路貫穿全境,北上接近318國道,南倚漢洪高速公路,距武漢市區(qū)65 km,距仙桃市區(qū)35 km,交通較為便利。研究區(qū)以第四系地層為主,全新世沖積地層分布最為廣泛,在侏儒街附近零星出露中志留、晚泥盆和早二疊世地層。地貌類型多為沖積低平原,北部有崗狀平原,南部為沖湖低平原;土壤類型以潮土、水稻土和沼澤土為主;土地利用類型主要是水澆地、湖泊魚塘、水田。

2 樣品采集、處理與分析

2.1 樣品采集

本次調(diào)查共采集了26件形態(tài)樣品,在富硒區(qū)采集了8件,其它18件分布在水平剖面測量點上,大田采集耕層土壤,采樣深度為0～20 cm,種植果林類農(nóng)作物的土壤,采集深度為0～60 cm。單樣重約1.0～1.5 kg裝入樣品袋。

2.2 樣品處理與分析

土壤表層樣品風(fēng)干后,研磨過20目篩,混勻后縮分取土壤試樣200 g,采用無污染的行星球磨機(jī)粉碎至-100目粒度裝袋備用,另分取80 g左右樣品用無污染的行星球磨機(jī)粉碎至-200目粒度分析元素全量,送安徽地礦測試中心用順序提取法進(jìn)行了7個元素的全量和7種形態(tài)分析。分析元素包括Se、Cd、As、Cu、Zn、Hg、Pb。分析形態(tài)為易利用態(tài)(水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài))、中等利用態(tài)(腐殖酸態(tài)、鐵錳氧化物態(tài))、惰性態(tài)(強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài))。

稱取適量樣品進(jìn)行形態(tài)分析,分別以水、氯化鎂、醋酸鈉、焦磷酸鈉、鹽酸羥胺、過氧化氫為提取劑提取水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài),制備各形態(tài)分析液。取適量提取上述各形態(tài)后的殘渣,用鹽酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸處理后制備殘留態(tài)分析液。用電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析各相態(tài)中的Cd、Pb、Cu、Zn,用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法分析各相態(tài)中的As、Hg、Se。

圖1 研究區(qū)范圍及地理位置Fig.1 Range of studying area and geographical position

3 結(jié)果分析

土壤中元素經(jīng)過長期的物理、化學(xué)、生物等作用和活化,可轉(zhuǎn)化為植物可利用的有效的成分,元素的活性態(tài)遷移是決定生物生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要因素[1]。土壤中元素的遷移、轉(zhuǎn)化及其生態(tài)效應(yīng)和重金屬的生物毒性的影響程度,不僅與其全量有關(guān),更大程度上與其形態(tài)分布有很大關(guān)系。土壤元素形態(tài)是指某種元素在土壤中以某種離子或分子存在的實際形式,土壤中元素存在的形態(tài)不同,其活性、生物毒性及遷移特征也不同。尤其是土壤中重金屬Cd的存在形態(tài)直接關(guān)系到其生物有效性差異[2]。

3.1 土壤重金屬形態(tài)特征

3.1.1 土壤重金屬基本形態(tài)特征

從生態(tài)環(huán)境影響來看,通常把元素多種形態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行簡化分類,依據(jù)化學(xué)結(jié)合的穩(wěn)定性和生物利用性,將形態(tài)分為易利用形態(tài)、中等利用形態(tài)和生物惰性形態(tài)三類[3]。因此,筆者把可直接被生物利用的水溶態(tài)和離子交換態(tài)作為生物直接利用態(tài);將可交換離子態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)劃分為弱結(jié)合態(tài)(后者水解可釋放出離子),將腐殖酸結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)劃分為中等強(qiáng)度結(jié)合態(tài),將很難釋放出離子的強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)與殘渣態(tài)劃分為強(qiáng)結(jié)合態(tài),上述弱、中、強(qiáng)結(jié)合態(tài)分別界定為生物易利用態(tài)、中等利用態(tài)和生物惰性態(tài)。將重金屬全量和各形態(tài)總體平均值及各形態(tài)與全量的比率列于表1,通過分析總結(jié)各重金屬的形態(tài)特征如下:

(1) Pb、Cu 、Zn三者形態(tài)含量和比率具有相似性?？山粨Q態(tài)(水溶+離子交換態(tài))比率都不高,無論是水溶態(tài)還是離子交換態(tài)Pb濃度比都>Cu、Zn,且Cu>Zn。加上碳酸鹽態(tài)以生物易利用態(tài)評定,比率大小排序為Pb 8.21%>Cu 2.20%>Zn 1.69%,三者遠(yuǎn)低于Cd,但Pb在三者中活性度最高,其偏高對農(nóng)作物是有害的。土壤中Pb、Cu、Zn主要賦存于中等利用態(tài)和惰性態(tài)中,特別是賦存于殘渣態(tài)中,惰性態(tài)三者分別高達(dá):49.96%,65.65%,84.55%。在中等利用態(tài)內(nèi)Pb、Cu、Zn比例分別為41.83%、32.15%、13.76%,以Pb為最高,而其中Pb主要以鐵錳結(jié)合態(tài)為主,占比37.29%,遠(yuǎn)高于Cu、Zn。而Cu在腐殖酸態(tài)內(nèi)高于Pb,反映出Pb的活化可浸出能力比Cu要弱?？梢姳镜貐^(qū)Zn活性相比最低,其惰性態(tài)主要是以殘渣態(tài)形式存在于土壤中。

(2) As的水溶態(tài)和其它重金屬區(qū)別不大,但它的離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)卻是最低的,因此其易利用態(tài)最低。同時鐵錳結(jié)合態(tài)和強(qiáng)有機(jī)態(tài)也是最低的,惰性態(tài)中殘渣態(tài)較高達(dá)76.52%。相對來說As元素是個惰性較強(qiáng)的元素。

(3) Hg水溶態(tài)占全量百分比比其它重金屬都高,離子交換態(tài)低于Cd很多,但比其它元素要高,鐵錳結(jié)合態(tài)相比其它元素相對要低。從總體比率來看,易利用態(tài)含量還是較少,即形成活性態(tài)的能力或可以水解的能力都很低;Hg在土壤中的賦存形態(tài)主要是殘渣態(tài),高達(dá)66.52%,其次為強(qiáng)有機(jī)態(tài),占13.76%,惰性態(tài)占比達(dá)80.28%,所以Hg也是一個惰性較強(qiáng)的元素,但從表2發(fā)現(xiàn),其易利用態(tài)在酸性土壤中占比4.25%高于堿性土壤2.96%。

(4) Cd從各形態(tài)和分配比率上來說與別的重金屬大不一樣。其水溶態(tài)與別的元素相差不大,但是它的離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)卻比別的重金屬元素高出很多,其生物易利用態(tài)均量占比達(dá)47.99%,而惰性態(tài)僅占21.74%,反映出土壤中鎘具極強(qiáng)的活性度,是極易向生物體內(nèi)遷移的一個元素。

總之,重金屬中Cd 活性最強(qiáng),Pb次之,其它重金屬元素只有在一定的條件下,才易被植物利用。

3.1.2 鎘、汞在不同土壤類型中的形態(tài)變化

這種變化同時由表2、表3和圖2體現(xiàn)。由表3所見,鎘的生物易利用態(tài)在酸性土中含量為194.22 ng/g,中性土中為212.02 ng/g,堿性土中為436.88 ng/g,即堿性土土壤中鎘活性偏高,堿性土比酸性土鎘活性量增高2.25倍,表明堿性土環(huán)境不僅是鎘全量最高,還是鎘活性最強(qiáng)的環(huán)境。但是其含量增大而比率卻降低,易利用態(tài)占其全量的比率酸性土為59.40%,中性土為53.27%,到堿性土則降低到44.63%。通過各形態(tài)在堿性土中的分配,顯示出堿性土鎘活性度受到抑制是由于鎘的鐵錳結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)兩者含量相對增加所致。

表1 土壤重金屬形態(tài)總體平均含量及分配比率表

注:實驗室提交的原始數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后2～16位不等,經(jīng)EXCEL統(tǒng)計后四舍五 入精確到2位,下表同;含量平均值單位Cd、Hg為ng/g,其它為mg/kg。

表2 不同土壤類型汞形態(tài)平均含量及分配比率表

注:含量平均值單位為ng/g。

表2為不同土壤類型汞形態(tài)平均含量及分配比率,將其與表3比較,亦顯示出其易利用態(tài)與全量的比率在酸性土中偏高,堿性土中偏低,反映出鎘、汞等重金屬所具的共性特點。

表3 不同土壤類型鎘形態(tài)平均含量及分配比率表

注:含量平均值單位為ng/g。

圖2 不同土壤類型鎘形態(tài)對比圖Fig.2 Contrast diagram of cadmium speciation in different soil types

3.1.3 高鎘土壤鎘的形態(tài)變化

對全區(qū)形態(tài)樣在輕度以上污染的樣點(6個),將其全量和各形態(tài)分配比率列于表4,位于有污染區(qū)的樣點易利用態(tài)為48.26%～60.90%,平均為56.22%,污染區(qū)的所有樣品比全區(qū)樣點平均易利用態(tài)47.99%(見表1)都要高。因此,土壤Cd含量高,其生物易利用率也會增高,土壤高鎘存在著較大的生態(tài)風(fēng)險。

表4 土壤樣品鎘形態(tài)分配比率表

3.2 土壤硒形態(tài)特征

硒是人類和動物必需的營養(yǎng)元素之一,土壤硒的形態(tài)分布受土壤的性質(zhì)、組成及土壤pH值等影響,不同形態(tài)的Se具有不同的化學(xué)和生物學(xué)特性[4]。

3.2.1 總體特征

Se全量和各形態(tài)總體平均值,各形態(tài)與全量的比率列于表5。Se的形態(tài)特征表現(xiàn):其水溶態(tài)的比率為1.34%,與表1對比,比重金屬都高;離子交換態(tài)1.15%,除Cd外,比其它重金屬要高;碳酸鹽結(jié)合態(tài)為2.82%,只比Cd和Pb低;總易利用態(tài)為5.31%,亦只比Cd和Pb低。Se的腐殖酸結(jié)合態(tài)比率較高為21.36%,高于所有重金屬,可見其在土壤有機(jī)質(zhì)富足情況下活化可浸出能力較強(qiáng),比較容易被植物所吸收。Se的惰性態(tài)比率為72.79%,是土壤中主要的賦存形態(tài)。

3.2.2 不同土壤類型中硒各形態(tài)特征

對Se各形態(tài)量按酸中堿分類統(tǒng)計,列于表6。

據(jù)表6和圖3,Se的易利用態(tài)占比:酸性土4.18%,中性土4.83%,堿性土5.96%。該組數(shù)據(jù)可解釋為堿性土壤中硒的活性度要好于酸性土。而屬于中等利用態(tài)的腐殖酸結(jié)合態(tài)在酸性土中相對較高,達(dá)30.12%,至中性土23.44%,堿性土17.22%,依次遞降。就整個中等利用態(tài)占比而言亦是酸性土>中性土>堿性土,而惰性態(tài)占比為堿性土>中性土>酸性土,表現(xiàn)出生物易利用態(tài)與惰性態(tài)量同在堿性土中占優(yōu)勢的特點,非常值得關(guān)注。

表5 土壤硒形態(tài)總體含量平均值和形態(tài)占全量百分比

注:實驗室提交的原始數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后 3～16位不等,經(jīng)EXCEL統(tǒng)計后四舍五入精確 到小數(shù)點后3位,下表同。

對全區(qū)26件形態(tài)樣品按富硒和非富硒區(qū)分別統(tǒng)計,從表7可以發(fā)現(xiàn),富硒區(qū)全量的平均值是非富硒區(qū)的154%。從易利用態(tài)來說,富硒區(qū)比率為5.60%,非富硒區(qū)比率為4.31%,中等利用態(tài)兩者相當(dāng),惰性態(tài)非富硒區(qū)比富硒區(qū)比率要略高?？梢?在富硒區(qū)比非富硒區(qū)開發(fā)種植富硒農(nóng)作物要有優(yōu)勢。

表6 不同土壤類型硒形態(tài)平均含量和占全量對比表

注:含量平均值單位為ng/g。

圖3 不同土壤類型硒形態(tài)對比圖Fig.3 Contrast diagram of selenium forms in different soil types

表7 富硒和非富硒區(qū)土壤硒形態(tài)總體含量平均值和形態(tài)占全量百分比

Table 7 Average of whole content of selenium forms and proportion of whole content in se-enriched area and non se-enriched area

形態(tài)類型富硒區(qū)非富硒區(qū)平均值/(ng·g-1)%平均值/(ng·g-1)%樣本數(shù)/個179全量576.278311.136水溶態(tài)6.7491.176.0661.95離子交換態(tài)6.6431.153.5681.15碳酸鹽結(jié)合態(tài)18.8783.283.7751.21腐殖酸結(jié)合態(tài)124.13921.5464.46920.72鐵錳結(jié)合態(tài)1.9190.333.8461.24強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)164.47128.54130.73242.02殘渣態(tài)253.47943.9998.68031.72可交換態(tài)13.3922.329.6343.10易利用態(tài)32.2705.6013.4094.31中等利用態(tài)126.05821.8868.31521.96惰性態(tài)417.95072.53229.41273.73

4 結(jié)論

(1) As易利用態(tài)占比(與全量比)最低,是惰性較強(qiáng)的元素。Hg鐵錳結(jié)合態(tài)比其它元素都低,但其易利用態(tài)在酸性土壤中高于堿性土壤,所以在土壤酸性土壤條件下較容易出現(xiàn)問題。

(2) Pb、Cu、Zn形態(tài)含量和比率相似:可交換態(tài)比率都不高,活性Pb>Cu>Zn,它們只有在一定的條件下,才易被植物利用。

(3) 土壤中易利用態(tài)占比Cd是最大的,Cd活性最強(qiáng),表現(xiàn)出鎘極易向生物體內(nèi)遷移,是重金屬中對農(nóng)作物危害最大的元素。

(4) Se水溶態(tài)和腐殖酸結(jié)合態(tài)比率比重金屬都要高,Se是個較容易被植物吸收的元素。從易利用態(tài)來說,富硒區(qū)Se占全量比率高于非富硒區(qū),因此在富硒區(qū)更有優(yōu)勢開發(fā)種植富硒農(nóng)作物。對不同土壤類型來說,則表現(xiàn)為堿性土生物易利用態(tài)含量要高,富硒的堿性土壤最適合富硒農(nóng)產(chǎn)品的種植和開發(fā)。

[1] 張德存,李金平,楊軍,等.湖北省江漢流域經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查總報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)調(diào)查院,2011.

[2] 艾建超,李寧,王寧.污灌區(qū)土壤蔬菜系統(tǒng)中鎘的生物有效性及遷移特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(3):491-497.

[3] Mao M Z.Speciation of metals in sediments along the Lean River.Final Report of the CERP[R].Paris:Unesco,1996:55-57.

[4] 魏顯有,劉云惠,王秀敏,等.土壤中硒的形態(tài)分布及有效態(tài)研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,22(1):20-23.

[5] 宗良綱,徐曉炎.水稻對土壤中鎘的吸收及其調(diào)控措施[J].生態(tài)學(xué)雜志,2004,23(3):120-123.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Study of Speciation Distribution of Soil in Zhuru-Xiaosi Area

ZHOU Xiaojuan1, ZHU Liling1, ZHANG Yan2

(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiInstituteofGeosciencesWuhan,Hubei430034)

Regarding soil in Zhuru-Xiaosi area as the main research object,the paper studies total contents of even elements including Se、Cd、As、Cu、Zn、Hg、Pb and 7 kinds of speciation distribution and bioavailabilityThe active rules are found in the comparative study of morphological characteristics of elements.The results show that As,Cu,Zn,Hg,Pb,Se in soil exist in the residual state,and the proportion of As,Cu,Zn and Hg residues in the soil is more than 60%,and the proportion of exchangeable fraction is very low.Cd is mainly used in the presence of easy to use state,and the Cd of the exchangeable state is the highest,and the activity is the most active.Se water soluble and the proportion of humic acids are high,Se is relatively easy to be absorbed by the plant.At the same time,the different forms of Se,Cd in different soil types are analyzed.It provides a basis for the improvement of pH of soil containing selenium and cadmium and effective utilization of selenium in soil.

selenium; heavy metal; easy use pattern; medium use pattern; biological inertia pattern

2015-09-28;改回日期:2015-10-29

湖北省武漢市蔡甸區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(一期)(項目編號:HBJTD20140106)。

周小娟(1975-),女,高級工程師,碩士,地球化學(xué)專業(yè),從事農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查工作。E-mail:723367885@qq.com

S153

A

1671-1211(2016)01-0060-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601010

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1332.016.html 數(shù)字出版日期:2015-12-17 13:32