长株潭地区农业土壤重金属污染与有效态相关性分析

长株潭地区农业土壤重金属污染与有效态相关性分析

随着矿业和工业的发展，人们对含矿重金属材料的不足感到担忧。重金属污染已成为世界农业生产的一个严重问题。重金属对于生物的毒性机制及生物效应不同于其他污染物对于生物的破坏,它在生物体内具有富集作用强、隐蔽性、长期性、不可逆及污染毒性大等特点。土壤重金属含量超过一定限度会对作物及人体造成危害。土壤重金属浓度即使很低也可以降低土壤肥力和作物的产量与品质,还可通过食物链的富集作用而提高其在人体中的含量,进而危及人类的生命和健康。土壤中的重金属一般按TESSIER提出的连续提取法,按提取顺序分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残留态。由于可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态重金属可以被植物吸收,所以其总量可以作为活性态重金属的一种指标,叫有效态。在自然界条件下不易释放出来的残留态重金属,被称为非有效态。有效态是重金属在土壤中较活跃的形态,因而其含量决定了其生物有效性及环境风险程度,比重金属全量更能反映污染物对作物的危害程度。因此,研究土壤重金属全量与其有效态含量之间的相关性,不仅可以揭示特定环境条件下两者之间的关联特征,为深入研究重金属的环境行为机制提供参考,还可以建立两者之间的相关关系,由一种含量去估计另一种含量,从而为土地管理和环境治理提供指导。影响重金属的形态和活性的因素除了土壤重金属的总量还有多种土壤属性,其中土壤的pH和有机质含量是最重要的影响因素。因此,研究土壤pH和土壤有机质含量对土壤重金属有效态的影响机理对今后开展土壤修复等工作有一定帮助。1材料和方法1.1地地平等地和户籍资源长株潭城市群位于湖南省中东部,包括长沙、株洲、湘潭三市,呈品字状相邻分布于湘江下游,是目前湖南省经济发展与城市化的核心地区。三市土地总面积为2.8×104km2,占全省总面积的13.3%,户籍总人口占湖南省总人口的19.6%。2011年地区生产总值8270亿元,其中长沙5600亿元,株洲1550亿元,湘潭1120亿元。人均地区生产总值分别位居湖南省前3位。长株潭城市群云集了电力、冶金、化工、煤炭、建材、纺织、食品、造纸等工业,经济总量占全省的33.75%。1.2样品采集和测定长株潭地区土壤按功能区分为农业土壤、城市土壤和自然土壤,选取长株潭地区23个农业土壤进行采样,以梅花均匀采样法,在每个采样点采集12个表层土壤(0~20cm),用四分法混合成一个样品。共采集了23个土壤样品(菜地样品15个,水稻田样品8个),采集后放入聚乙烯塑料袋中密封保存。采样点编号及坐标见表1,采样点分布见图1。采集的土壤经自然风干,去除石头和植物残体等杂物后磨碎,再分别过1.000、0.250、0.150mm尼龙筛,置于密封袋中保存备用。土壤pH测定采用电位法,液土质量比为2.5:1。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾氧化法。样品中重金属Cr、Cu、Pb和Zn的全量先用HNO3-HF-HClO4法消解,然后用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定(ICP-AES)。样品中Cr、Cu、Pb和Zn有效态含量测定:碱性土壤采用DTPA-AAS法,中性和酸性土壤中重金属Cr、Cu、Pb和Zn有效态含量采用HCl-AAS法。1.3处理数据采用SPSS15.0统计软件对数据进行统计分析。2结果与分析2.1土壤铅、锌的污染研究区域的农业土壤pH值、有机质含量、重金属Cr、Cu、Pb、Zn全量及Cr、Cu、Pb、Zn有效态含量的测定结果见表2。根据土壤环境质量标准(GB15618—1995),菜地和水稻田土壤属于Ⅱ类土壤,应该执行二级标准(表3所示)。从表2和表3可以看出,锰粉厂附近菜地的土壤中铅和锌的全量都严重超标,表明该区域已受到炼锰行业的影响;金源化工公司附近菜地和清水塘附近菜地的土壤中铜、铅和锌全量都有超标,特别是锌全量超标严重,表明该区域农田受工业污染影响已经对当地农业生产造成潜在的危害。2.2土壤ph与铜络合离子的关系用SPSS15.0统计软件分析研究区农业土壤pH值与重金属有效态含量之间关系结果见表4。从表4可以看出,土壤pH与Cu有效态含量呈显著正相关关系(P<0.05),即Cu的生物有效性随pH的升高而增大,说明在一定pH范围内,铜络合离子增加了其有效性。章杰等的研究结果表明,试验组土壤pH与有效态As、Cd、Cr、Pb和Zn呈负相关,而对照组土壤pH却与有效态As、Cd、Pb和Zn呈正相关,可以看出土壤中重金属的有效态含量也受土壤属性及土壤特定的淹水栽培方式影响。土壤pH与Cr、Pb和Zn有效态含量的相关关系不显著(P>0.05),与一些研究中有效态Zn和Cd与土壤pH的相关性不显著类似。具体机理有待进一步研究。2.3土壤有机碳元素含量与重金属cr、cu、pb、zn有效态含量的关系土壤有机质含量与重金属有效态含量的相关分析结果见表5。相关分析显示(表5),研究区域土壤有机质含量与重金属Cr、Cu、Pb和Zn有效态含量的相关性都不显著。而李忠义等的研究中,土壤有效态Cu、Pb和Zn与土壤有机质含量都呈极显著的正相关,可能是由于土壤中金属的有效态含量也受土壤pH值等其他属性和土壤的栽培方式影响。2.4zn和有效态含量通过对4种重金属全量和有效态含量进行回归关系分析后,可得出两者之间的回归关系(如表6所示)。从表6得出,研究区域土壤中Cu、Pb和Zn元素的全量与其有效态含量呈极显著正相关关系(P<0.01),这与万红友等的土壤中Cu、Pb元素的全量与其有效态含量呈正相关的研究结果一致;而Cr元素全量与其有效态含量的相关关系不显著(P>0.05),与一些重金属全量与有效态含量不一定相关的研究类似,说明Cr元素的全量与其有效态之间相关性不显著,可能是因为农业土壤存在农业耕作和灌排水等人为扰动对重金属有效态与全量的关系会产生一定影响。3对农业重金属有效态含量的影响通过对土壤中铬、铜、铅和锌的全量与有效态含量以及土壤pH和土壤有机质含量等的研究,得到如下几方面结论:(1)长株潭地区农业土壤污染整体情况。长株潭地区农业土壤主要受到了铜、铅和锌的污染,特别是株洲和湘潭两地的菜地土壤。(2)土壤pH和有机质含量与重金属有效态含量的关系。实验结果表明,长株潭地区农业土壤的pH与有效态Cu呈正相