長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染與有效態(tài)相關(guān)性分析

長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染與有效態(tài)相關(guān)性分析

隨著礦業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)含礦重金屬材料的不足感到擔(dān)憂(yōu)。重金屬污染已成為世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。重金屬對(duì)于生物的毒性機(jī)制及生物效應(yīng)不同于其他污染物對(duì)于生物的破壞,它在生物體內(nèi)具有富集作用強(qiáng)、隱蔽性、長(zhǎng)期性、不可逆及污染毒性大等特點(diǎn)。土壤重金屬含量超過(guò)一定限度會(huì)對(duì)作物及人體造成危害。土壤重金屬濃度即使很低也可以降低土壤肥力和作物的產(chǎn)量與品質(zhì),還可通過(guò)食物鏈的富集作用而提高其在人體中的含量,進(jìn)而危及人類(lèi)的生命和健康。土壤中的重金屬一般按TESSIER提出的連續(xù)提取法,按提取順序分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)。由于可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬可以被植物吸收,所以其總量可以作為活性態(tài)重金屬的一種指標(biāo),叫有效態(tài)。在自然界條件下不易釋放出來(lái)的殘留態(tài)重金屬,被稱(chēng)為非有效態(tài)。有效態(tài)是重金屬在土壤中較活躍的形態(tài),因而其含量決定了其生物有效性及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度,比重金屬全量更能反映污染物對(duì)作物的危害程度。因此,研究土壤重金屬全量與其有效態(tài)含量之間的相關(guān)性,不僅可以揭示特定環(huán)境條件下兩者之間的關(guān)聯(lián)特征,為深入研究重金屬的環(huán)境行為機(jī)制提供參考,還可以建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系,由一種含量去估計(jì)另一種含量,從而為土地管理和環(huán)境治理提供指導(dǎo)。影響重金屬的形態(tài)和活性的因素除了土壤重金屬的總量還有多種土壤屬性,其中土壤的pH和有機(jī)質(zhì)含量是最重要的影響因素。因此,研究土壤pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤重金屬有效態(tài)的影響機(jī)理對(duì)今后開(kāi)展土壤修復(fù)等工作有一定幫助。1材料和方法1.1地地平等地和戶(hù)籍資源長(zhǎng)株潭城市群位于湖南省中東部,包括長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市,呈品字狀相鄰分布于湘江下游,是目前湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市化的核心地區(qū)。三市土地總面積為2.8×104km2,占全省總面積的13.3%,戶(hù)籍總?cè)丝谡己鲜】側(cè)丝诘?9.6%。2011年地區(qū)生產(chǎn)總值8270億元,其中長(zhǎng)沙5600億元,株洲1550億元,湘潭1120億元。人均地區(qū)生產(chǎn)總值分別位居湖南省前3位。長(zhǎng)株潭城市群云集了電力、冶金、化工、煤炭、建材、紡織、食品、造紙等工業(yè),經(jīng)濟(jì)總量占全省的33.75%。1.2樣品采集和測(cè)定長(zhǎng)株潭地區(qū)土壤按功能區(qū)分為農(nóng)業(yè)土壤、城市土壤和自然土壤,選取長(zhǎng)株潭地區(qū)23個(gè)農(nóng)業(yè)土壤進(jìn)行采樣,以梅花均勻采樣法,在每個(gè)采樣點(diǎn)采集12個(gè)表層土壤(0~20cm),用四分法混合成一個(gè)樣品。共采集了23個(gè)土壤樣品(菜地樣品15個(gè),水稻田樣品8個(gè)),采集后放入聚乙烯塑料袋中密封保存。采樣點(diǎn)編號(hào)及坐標(biāo)見(jiàn)表1,采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。采集的土壤經(jīng)自然風(fēng)干,去除石頭和植物殘?bào)w等雜物后磨碎,再分別過(guò)1.000、0.250、0.150mm尼龍篩,置于密封袋中保存?zhèn)溆?。土壤pH測(cè)定采用電位法,液土質(zhì)量比為2.5:1。土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法。樣品中重金屬Cr、Cu、Pb和Zn的全量先用HNO3-HF-HClO4法消解,然后用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定(ICP-AES)。樣品中Cr、Cu、Pb和Zn有效態(tài)含量測(cè)定:堿性土壤采用DTPA-AAS法,中性和酸性土壤中重金屬Cr、Cu、Pb和Zn有效態(tài)含量采用HCl-AAS法。1.3處理數(shù)據(jù)采用SPSS15.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2結(jié)果與分析2.1土壤鉛、鋅的污染研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、重金屬Cr、Cu、Pb、Zn全量及Cr、Cu、Pb、Zn有效態(tài)含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995),菜地和水稻田土壤屬于Ⅱ類(lèi)土壤,應(yīng)該執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3所示)。從表2和表3可以看出,錳粉廠附近菜地的土壤中鉛和鋅的全量都嚴(yán)重超標(biāo),表明該區(qū)域已受到煉錳行業(yè)的影響;金源化工公司附近菜地和清水塘附近菜地的土壤中銅、鉛和鋅全量都有超標(biāo),特別是鋅全量超標(biāo)嚴(yán)重,表明該區(qū)域農(nóng)田受工業(yè)污染影響已經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成潛在的危害。2.2土壤ph與銅絡(luò)合離子的關(guān)系用SPSS15.0統(tǒng)計(jì)軟件分析研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤pH值與重金屬有效態(tài)含量之間關(guān)系結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,土壤pH與Cu有效態(tài)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),即Cu的生物有效性隨pH的升高而增大,說(shuō)明在一定pH范圍內(nèi),銅絡(luò)合離子增加了其有效性。章杰等的研究結(jié)果表明,試驗(yàn)組土壤pH與有效態(tài)As、Cd、Cr、Pb和Zn呈負(fù)相關(guān),而對(duì)照組土壤pH卻與有效態(tài)As、Cd、Pb和Zn呈正相關(guān),可以看出土壤中重金屬的有效態(tài)含量也受土壤屬性及土壤特定的淹水栽培方式影響。土壤pH與Cr、Pb和Zn有效態(tài)含量的相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.05),與一些研究中有效態(tài)Zn和Cd與土壤pH的相關(guān)性不顯著類(lèi)似。具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。2.3土壤有機(jī)碳元素含量與重金屬cr、cu、pb、zn有效態(tài)含量的關(guān)系土壤有機(jī)質(zhì)含量與重金屬有效態(tài)含量的相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表5。相關(guān)分析顯示(表5),研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Cr、Cu、Pb和Zn有效態(tài)含量的相關(guān)性都不顯著。而李忠義等的研究中,土壤有效態(tài)Cu、Pb和Zn與土壤有機(jī)質(zhì)含量都呈極顯著的正相關(guān),可能是由于土壤中金屬的有效態(tài)含量也受土壤pH值等其他屬性和土壤的栽培方式影響。2.4zn和有效態(tài)含量通過(guò)對(duì)4種重金屬全量和有效態(tài)含量進(jìn)行回歸關(guān)系分析后,可得出兩者之間的回歸關(guān)系(如表6所示)。從表6得出,研究區(qū)域土壤中Cu、Pb和Zn元素的全量與其有效態(tài)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),這與萬(wàn)紅友等的土壤中Cu、Pb元素的全量與其有效態(tài)含量呈正相關(guān)的研究結(jié)果一致;而Cr元素全量與其有效態(tài)含量的相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.05),與一些重金屬全量與有效態(tài)含量不一定相關(guān)的研究類(lèi)似,說(shuō)明Cr元素的全量與其有效態(tài)之間相關(guān)性不顯著,可能是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)土壤存在農(nóng)業(yè)耕作和灌排水等人為擾動(dòng)對(duì)重金屬有效態(tài)與全量的關(guān)系會(huì)產(chǎn)生一定影響。3對(duì)農(nóng)業(yè)重金屬有效態(tài)含量的影響通過(guò)對(duì)土壤中鉻、銅、鉛和鋅的全量與有效態(tài)含量以及土壤pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量等的研究,得到如下幾方面結(jié)論:(1)長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤污染整體情況。長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤主要受到了銅、鉛和鋅的污染,特別是株洲和湘潭兩地的菜地土壤。(2)土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量與重金屬有效態(tài)含量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的pH與有效態(tài)Cu呈正相