博爾塔拉河沿岸土壤重金屬含量特征與有機質(zhì)、pH值的關(guān)系

陳 浩,吉力力·阿不都外力,劉 文,陳 京

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046; 2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011)

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博爾塔拉河沿岸土壤重金屬含量特征與有機質(zhì)、pH值的關(guān)系

陳 浩1,吉力力·阿不都外力2,劉 文2,陳 京2

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046; 2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011)

以博爾塔拉河沿岸表層土壤中重金屬As，Cd，Ni，Cr，Pb與有機質(zhì)及pH為研究對象，并對它們之間關(guān)系進行研究。結(jié)果表明：土壤中5種重金屬元素As，Cd，Ni，Cr，Pb平均含量分別為22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg。土壤有機質(zhì)平均含量為27 431 mg/kg。土壤pH值為6.5～7.5，平均值為6.94。研究區(qū)土壤性質(zhì)與土壤重金屬含量間關(guān)系復雜：有機質(zhì)含量與As，Cd，Cr，Pb含量呈顯著正相關(guān)，有機質(zhì)易與重金屬離子形成絡合物，從而降低重金屬離子活性，導致土壤重金屬含量增加；pH值與As，Cd，Pb含量之間呈顯著負相關(guān)，隨pH值增大，有效態(tài)As、有效態(tài)Cd和有效態(tài)Pb在土壤中含量明顯減少。通過對土壤有機質(zhì)、pH與重金屬含量的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、pH是影響土壤重金屬含量的重要因素。

重金屬; 有機質(zhì); pH值; 相關(guān)性; 博爾塔拉河

近年來，隨著工業(yè)化與城市化的發(fā)展，土壤重金屬含量日益增加超過土壤背景值，引起越來越多的人們對土壤污染的關(guān)注[1-2]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、難降解和易被富集等特點，能夠在土壤中長時間累積[3]。土壤重金屬被農(nóng)作物吸收進而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，最終通過生物富集作用危害人類身體健康[4]。因此，開展土壤重金屬積累規(guī)律及其影響因素的研究，不僅能夠闡明重金屬在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，而且能夠為當?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品環(huán)境建設提供科學指導。

本文在調(diào)查博爾塔拉河沿岸土壤中有機質(zhì)含量、pH值及5種重金屬含量的基礎上，研究博爾塔拉河沿岸土壤5種重金屬的污染現(xiàn)狀。以往研究[5-6]表明土壤酸堿度和有機質(zhì)含量是控制重金屬化學行為的重要因素，分析土壤重金屬與有機質(zhì)含量及pH值之間的關(guān)系，對當?shù)氐耐恋亻_發(fā)與建設以及污染防治具有重要的指導意義。

1　材料與方法

1.1取 樣

博爾塔拉河位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，在博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)，地理位置為79°53′—83°53′E，44°0′—45°23′N[7]。河流發(fā)源于博羅科努山洪別林達板，全長252 km，向東流經(jīng)溫泉縣、博樂市，在精河境內(nèi)接納大河沿子河，后注入艾比湖，流域面積11 367 km2[8]。對研究區(qū)進行野外實地考察，沿博爾塔拉河河岸共設置15個土壤采樣點(圖1)，并用GPS標記采樣點位置。在每個采樣點取表層土壤(0—20 cm)，采集3個土樣并混合成1個樣品，每個土樣均剔除明顯的植物根莖和枝葉等雜質(zhì)，然后用密封袋裝好，并對所有樣品進行編號，帶回中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所理化測試中心進行測定。

圖1　采樣點分布

1.2試驗方法

土壤樣品在實驗室自然風干，然后過200目尼龍篩，存儲備用。對樣品進行濃HNO3-HClO4-HF混合液加熱消解處理，對As采用原子熒光法測定，Cd采用石墨爐(GF-990)原子吸收法測定，Ni，Cr，Pb采用火焰原子吸收分光光度法測定。該方法得到的分析結(jié)果滿足《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9]的要求，對標準土壤樣品的回收率可以達到84%～98%，說明該方法比較可靠，相對誤差較小，所得的結(jié)果能反映土壤重金屬含量的實際情況。土壤pH值的測定采用電位法，有機質(zhì)測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法，具體方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[10]。

2　結(jié)果與分析

2.1博爾塔拉河沿岸土壤重金屬統(tǒng)計特征

研究區(qū)土樣中重金屬含量統(tǒng)計見表1。研究表明：研究區(qū)表層土壤中5種重金屬As，Cr，Ni，Cd，Pb的含量分別為1.72～60.34，10.98～77.01，16.47～41.2，0.19～1.02，7.26～69.35 mg/kg。平均含量分別為22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg，土壤中5種重金屬元素平均含量大小順序為Cr>Pb>Ni>As>Cd。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB15618—1995》[11]，表層土壤中5種重金屬平均含量均未超過國家二級標準。但是，參照全國土壤元素背景值[12]，研究區(qū)土壤中5種重金屬平均含量均超過新疆土壤背景值。樣本的變異系數(shù)是衡量樣本資料中各觀測值變異程度的重要統(tǒng)計量[13]，從變異系數(shù)來看，所有樣點重金屬變異系數(shù)均為10%～80%，屬于中等變異。其中變異系數(shù)最大的重金屬離子是As，為73.26%，說明As含量離散程度較大。Ni變異系數(shù)最小，為23.43%，說明在土壤中的含量相對穩(wěn)定。

利用Origin軟件做出重金屬含量空間分布圖(圖2)可得，沿岸各采樣點的重金屬含量分布呈波折多峰型特征。樣點S1，S2，S3，S4中As含量超過國家二級標準30 mg/kg。As含量最高值出現(xiàn)在上游S4點，最低值出現(xiàn)在中游S10點；Cr含量最高值出現(xiàn)在上游S1點，最低值出現(xiàn)在下游S12點；Ni含量最高值出現(xiàn)在上游S1點，最低值出現(xiàn)在中游S10點。以上3種元素最高值出現(xiàn)在博爾塔拉河上游，說明土壤中As，Cr，Pb含量主要受控于自然背景和成土母質(zhì)[14]。樣點S4，S13中Cd含量超過國家二級標準0.6 mg/kg。Cd含量最高值出現(xiàn)在上游S4點，最低值出現(xiàn)在中游S9點；Pb含量最高值出現(xiàn)在上游S4點，最低值出現(xiàn)在下游S12點。

2.2博爾塔拉河沿岸土壤有機質(zhì)統(tǒng)計特征

土壤有機質(zhì)基本統(tǒng)計值見表1。對15個不同樣點表層土壤有機質(zhì)進行統(tǒng)計分析，博爾塔拉河沿岸表層土壤有機質(zhì)平均含量為27 431 mg/kg。其中最大值是S5點，為44 082 mg/kg，最小值點是S15點，為20 280 mg/kg。利用Excel軟件繪制不同樣點有機質(zhì)含量分布條形圖(圖3)可得，研究區(qū)樣本有機質(zhì)較高的有S5>S4>S2>S7>S3>30 g/kg。參照我國第二次土壤普查[15]，樣品中S1，S6，S8，S9，S10，S11，S12，S13，S14，S15有機質(zhì)含量均介于20～30 g/kg，在土壤有機質(zhì)含量分級表中歸于第三級(20～30 g/kg)；樣品中S2，S3，S7有機質(zhì)含量均介于30～40 g/kg，歸于第二級；S4，S5在土壤有機質(zhì)含量分級表中歸于第一級(>40 g/kg)。從表1中還可以看出，表層土壤有機質(zhì)變異系數(shù)為28%，較小，說明博爾塔拉河沿岸表層土壤有機質(zhì)含量比較穩(wěn)定。

表1　土壤重金屬、有機質(zhì)及pH基本統(tǒng)計量(N=15)　mg/kg

圖2　博爾塔拉河沿岸土壤重金屬分布

2.3博爾塔拉河沿岸土壤pH值統(tǒng)計特征

土壤pH值是土壤重要的理化參數(shù)，對土壤微量元素的有效性和肥力有重要影響[16]。對博爾塔拉河沿岸15個樣點的土壤樣品pH值進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表1。結(jié)果表明：樣點的pH值均為6.5～7.5。土壤pH值平均值為6.94；最大值是S10點，pH值為7.29；最小值點為S5點，pH值為6.60。區(qū)域內(nèi)pH值的變化值為0.69，變異系數(shù)為3%，較小。說明博爾塔拉河沿岸土壤pH值波動性小，酸堿度差異性較小。

圖3　博爾塔拉河沿岸采樣點有機質(zhì)含量

2.4博爾塔拉河沿岸土壤不同重金屬含量與有機質(zhì)、pH值之間的關(guān)系

土壤有機質(zhì)和pH值是土壤重要理化性質(zhì)，分析其與重金屬之間的相關(guān)性不僅能夠解釋各形態(tài)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[17]，而且可以為博爾塔拉河沿岸土地開發(fā)及污染防治提供科學依據(jù)。運用SPSS軟件對不同重金屬含量以及有機質(zhì)、pH值進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2　土壤重金屬含量與土壤有機質(zhì)和pH值的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

由表2可知，土壤的有機質(zhì)含量與不同重金屬含量呈正相關(guān)，與As，Cd含量在0.01水平上達到顯著相關(guān)，與Cr，Pb含量在0.05水平上達到顯著相關(guān)。表明土壤中Cd，Cr，Pb含量隨有機質(zhì)含量的增加而增加，這一結(jié)果可能是由以下原因造成[18-19]：土壤有機質(zhì)易與重金屬離子形成絡合物而降低了重金屬離子的生物有效性和移動性，從而使重金屬離子活性極大的降低，導致土壤中重金屬含量增加。楊西飛[20]對稻田重金屬污染的研究表明：在弱酸性條件下，水溶態(tài)重金屬離子活性更強，更容易被植物吸收和富集。但是，文章在做pH值與重金屬含量的相關(guān)性時發(fā)現(xiàn)，由表2所得的土壤pH值與As，Cd，Pb含量之間呈顯著負相關(guān)，似乎與前人的研究相悖。張江華等[21]對土壤Pb和Cd生物有效性的影響因素研究表明，pH對Cd和Pb離子活性的影響主要表現(xiàn)為：隨著土壤pH值增大，有效態(tài)Cd(水溶態(tài)+離子交換態(tài)+腐殖酸態(tài)+強有機態(tài))與有效態(tài)Pb(水溶態(tài)+離子交換態(tài)+腐殖酸態(tài)+強有機態(tài))在土壤中的含量明顯減少。這也就解釋了本文中土壤pH值與Cd，Pb總含量之間呈顯著負相關(guān)這一現(xiàn)象。

3　結(jié) 論

(1)博爾塔拉河沿岸表層土壤屬于中性土壤，土壤有機質(zhì)平均含量為27 431 mg/kg。樣品中S2，S3，S7有機質(zhì)含量在土壤有機質(zhì)分級表中處于第二級；S4，S5土壤有機質(zhì)含量在土壤有機質(zhì)分級表中處于第一級；其他多數(shù)樣點中有機質(zhì)含量在土壤有機質(zhì)分級表中處于第三級。

(2)土壤中5種重金屬元素As，Cd，Ni，Cr，Pb平均含量分別為22.37，52.52，27.50，0.48，28.92 mg/kg，平均含量大小順序為Cr>Pb>Ni>As>Cd。研究區(qū)表層土壤中5種重金屬平均含量均未超過國家二級標準，但平均含量均超過新疆土壤背景值。重金屬As有4個點含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB15618—1995》二級標準限值，重金屬Cd有2個點含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB15618—1995》二級標準限值，屬中等變異強度。

(3)土壤有機質(zhì)含量與不同重金屬含量呈正相關(guān)，與As，Cd，Cr，Pb含量顯著相關(guān)，有機質(zhì)與重金屬離子形成絡合物，從而使重金屬離子活性降低，導致土壤中重金屬含量增加；pH值與As，Cd，Pb含量之間呈顯著負相關(guān)，隨著pH值增大，有效態(tài)As、有效態(tài)Cd和有效態(tài)Pb在土壤中含量明顯減少。通過對土壤有機質(zhì)、pH值與重金屬含量關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、pH值是影響土壤重金屬含量的重要因素。

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Correlation Between Heavy Metals Organic Matter， pH Value in the Soils Along the Bortala River

CHEN Hao1,Jilili·Abuduwaili2,LIU Wen2,CHEN Jing2

(1.College of Resource and Environment Sciences,Xinjiang University,Urumqi 830046,China; 2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China)

As,Cd,Ni,Cr,Pb,organic matter and pH were monitored in the surface soil of the Bortala River.The correlation of five kinds of heavy metals: As， Cd， Ni， Cr， Pb in surface soil in the studied area and the soil organic matter and pH value was analyzed.The results show that average contents of 5 kinds of soil heavy metals such as As,Cd,Ni,Cr,Pb were 22.37,52.52,27.50,0.48， 28.92 mg/kg， respectively,the average soil organic matter content along the Bortala River is 27 431 mg/kg.Soil pH value range from 6.5 to 7.5,with an average of 6.94.The correlation between soil properties and heavy metal contents in the study area is complex: Organic matter content is significantly correlated with contents of As,Cr,Cd and Pb.Organic matter is easy to form a complex with heavy metal ions,thereby reducing the heavy metal ion activity,resulting in increased heavy metal contents in soil.pH value show a negative correlation with the contents of As,Cd,Pb.With the increase of pH value,the contents of available As，Cd and content of available Pb in soil significantly reduced.By analyzing the correlation between soil organic matter,pH and heavy metals,it was found that soil organic matter and pH are the important factors affecting soil heavy metal contents.

heavy metal; organic matter; pH value; correlation; Bortala River

2015-09-21

2015-10-10

國家自然科學基金資助項目(41471098;41501221)

陳浩(1988—),男,河南漯河人,碩士研究生,研究方向為干旱區(qū)湖泊資源與環(huán)境。E-mail:chhjkx@sina.com

吉力力·阿不都外力(1964—),男(維吾爾族),新疆拜城縣人,研究員,博士,主要從事地理生態(tài)學研究。E-mail:jilil@ms.xjb.ac.cn

X53

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1005-3409(2016)05-0210-04