植煙土壤重金屬的有效性范文

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《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》2014年第八期

1材料與方法

1.1樣品采集選擇典型植煙區(qū)的代表性田塊，于前茬作物收獲后、后茬烤煙起壟前采集0~20cm表層土樣共440個(gè)。具體采樣方法為：在每個(gè)取樣田塊，根據(jù)土塊的形狀按“S”形隨機(jī)布設(shè)4~6個(gè)樣點(diǎn)的土樣構(gòu)成一個(gè)混合樣品，采用四分法保留大約1kg。樣品經(jīng)自然風(fēng)干，研磨過篩保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2樣品分析土壤pH值采用電位法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定[13]；有效態(tài)重金屬采用不同的提取劑，即Cu、Ni、Zn用DTPA浸提[13]，Cd、Pb用1mol•L-1NH4OAc浸提[14]，用原子吸收光譜法測(cè)定；Hg、和Cr用0.1mol•L-1HCl浸提[15]，Hg用冷原子吸收光譜法測(cè)定、用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法、Cr用二苯碳酰二肼分光光度法。

1.3數(shù)據(jù)處理采用Excel2003和SPSS17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2結(jié)果與分析

2.1植煙土壤重金屬有效態(tài)含量的分布特征研究區(qū)內(nèi)、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的有效態(tài)平均含量分別為0.92、0.075、0.75、1.62、0.004、1.89、1.14、1.94mg•kg-1（表1）。各元素有效態(tài)含量樣品間的變異系數(shù)為48.97%~95.64%，整體屬于中等變異[16]，其中Hg、Pb變異最為明顯，分別達(dá)到95.64%和90.56%，說明有效態(tài)含量的影響因素復(fù)雜，受人為因素等影響更大[17]；8種元素中Hg和Pb的有效性受人為因素影響也相對(duì)較大。

2.2植煙土壤有效態(tài)重金屬之間的關(guān)系采用相關(guān)分析、主成分分析和系統(tǒng)聚類相結(jié)合的方法，來探討該植煙區(qū)土壤有效態(tài)重金屬之間的相關(guān)性。研究區(qū)域內(nèi)，大部分重金屬元素的有效含量之間均達(dá)到顯著性相關(guān)水平（表2）。-Cd、-Pb、Cd-Ni、Cd-Pb、Cr-Zn、Cu-Zn、Hg-Ni、Ni-Pb之間達(dá)到極顯著正相關(guān)，表明它們可能具有同源性[18-19]或是伴生關(guān)系[20]；-Ni、Cr-Cu、Cu-Hg、Hg-Zn間表現(xiàn)出顯著性相關(guān)；而Cr-、Cr-Cd、Cr-Hg、Cr-Pb、Cr-Ni、Cu-Cd、Cu-Ni的相關(guān)性不顯著。結(jié)果表明，有效、Cd、Ni、Pb、Zn與8種元素中大部分元素都呈現(xiàn)較高的相關(guān)性，是伴隨污染較多的元素，而有效Cr與其他元素的相關(guān)性很弱，說明該元素的累積獨(dú)特。Kaiser-Meyer-Olkin檢驗(yàn)表明，KMO統(tǒng)計(jì)量為0.547，大于0.5說明數(shù)據(jù)適合主成分分析，顯著性水平為0意味著變量之間并不相互獨(dú)立[21]。根據(jù)特征值>1的原則，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)有效態(tài)8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，用方差最大法進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，得到主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率及其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（表3、表4）。可以看出，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為59.604%，表明已包含樣本的大部分信息。主要因子識(shí)別是通過土壤因子對(duì)主成分的貢獻(xiàn)率即主成分載荷進(jìn)行分析（圖1、圖2），載荷大的即可認(rèn)為是主要影響因子，其正負(fù)可以反映出因子的復(fù)合性[22]。可以看出，第一主成分在有效態(tài)Cu和Zn上具有較大的正向載荷，由表2可以看出其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.694，呈極顯著水平。冶煉、銅鋅合金、鍍鋅等工業(yè)生產(chǎn)以及給排水設(shè)施、建筑裝飾材料等生活用料[23]都對(duì)Cu、Zn污染有貢獻(xiàn)。第一主成分在一定程度上可以反映工業(yè)和生活污染。第二主成分在有效Cd和Pb上均有很大的正向載荷。研究表明[24]，隨著磷肥及復(fù)合肥的大量施用，土壤有效Cd含量不斷增加，作物吸收Cd量也相應(yīng)增加。近年來，農(nóng)用塑料薄膜大面積推廣使用，由于其生產(chǎn)過程中加入了含有Cd、Pb的熱穩(wěn)定劑，也增加了土壤重金屬污染[25]。因此，Cd和Pb在一定程度上可以作為反映農(nóng)業(yè)活動(dòng)水平的因子。第三主成分在有效Hg和Ni上有較大的正向載荷。Hg和Ni均為化石燃料燃燒后的產(chǎn)物，Hg主要來自于燃煤發(fā)電，燃燒行業(yè)中釋放汞量約占60%[21]，火力電廠和汽車化石燃料產(chǎn)生的飛灰能使大氣中Ni含量高達(dá)120~170ng•m-3[26]，因而第三主成分可以在一定程度上解釋為大氣降塵的污染水平。

2.3植煙土壤重金屬生物有效性的影響因素土壤重金屬的形態(tài)除了受重金屬元素本身性質(zhì)和含量影響外，也受到土壤理化性質(zhì)的直接影響，尤以pH和有機(jī)質(zhì)影響較為顯著[27]。統(tǒng)計(jì)表明，研究區(qū)域pH值小于7的樣點(diǎn)比例為95%，其中小于6.5的占80%，植煙土壤大部分偏酸性。有效態(tài)、Cu、Hg、Zn與pH呈正相關(guān)（表5），相關(guān)系數(shù)的大小順序?yàn)镠g>Zn>Cu>，其中Hg元素與pH的相關(guān)性顯著。李永華等[28]認(rèn)為隨著pH值升高，酸提取態(tài)汞的含量明顯增加。而有效態(tài)Cd、Cr、Ni和Pb與pH呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的大小順序?yàn)镃d>Pb>Cr>Ni，其中有效態(tài)Cd、Pb與pH的相關(guān)性極顯著，有效態(tài)Cr與pH的相關(guān)性顯著。當(dāng)pH值下降時(shí)，土壤中Cd、Pb和Cr的有效態(tài)含量增加，容易發(fā)生遷移而被煙葉吸收。研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍在12.34~45.86g•kg-1，平均為25.94g•kg-1，處于較豐富的水平[10]。分析發(fā)現(xiàn)，除有效態(tài)Hg與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)外，其余元素與有機(jī)質(zhì)均為正相關(guān)關(guān)系，其影響的大小順序?yàn)镃d>Pb>>Zn>Ni>Cr>Cu，其中有效態(tài)Cd和Pb與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性極顯著，、Zn和Ni與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性顯著。

3討論

3.1pH對(duì)植煙土壤重金屬生物有效性的影響土壤pH直接影響重金屬的活性，從而影響重金屬的遷移和淀積行為。pH升高時(shí)，土壤中粘土礦物、水合氧化物和有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷增加，因而對(duì)離子的吸附能力加強(qiáng)，使溶液中重金屬離子的濃度降低[29]。有研究表明，pH是影響土壤組分對(duì)Cd吸附解析的重要因素，pH值下降時(shí)，交換態(tài)Cd含量增加[30]。Chuan等[31]對(duì)污染土壤的Cd、Pb研究結(jié)果指出，在堿性條件下，其有效態(tài)含量很低；李忠義等[32]也指出Cd、Pb與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，與本研究區(qū)域植煙土壤中有效態(tài)Cd、Pb與pH的相關(guān)性結(jié)果一致。因此，有效控制土壤中Cd、Pb元素對(duì)煙葉的脅迫，可以通過調(diào)控pH值來實(shí)現(xiàn)，如施用石灰提高土壤pH值[33]。

3.2有機(jī)質(zhì)對(duì)植煙土壤重金屬生物有效性的影響有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬形態(tài)的影響機(jī)制復(fù)雜：一是能夠提高土壤pH值，增加土壤固相有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的吸附，形成難溶性沉淀，降低土壤中重金屬的活性；二是有機(jī)質(zhì)中釋放出的H+可與土壤重金屬離子交換[29]，腐殖質(zhì)中的富里酸與重金屬形成易溶的絡(luò)合物，從而增加土壤溶液中重金屬離子濃度[34]。一般情況下有機(jī)質(zhì)與重金屬有效態(tài)呈負(fù)相關(guān)，而研究區(qū)域植煙土壤中有效、Cd、Ni、Pb和Zn與有機(jī)質(zhì)均達(dá)到顯著性正相關(guān)。鐘曉蘭等[34]發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬有效態(tài)含量有較大正向作用；袁波等[17]研究表明有效Pb與有機(jī)質(zhì)極顯著正相關(guān)，是由于富里酸與重金屬形成易溶的絡(luò)合物；李忠義等[32]研究表明，有效態(tài)Cd、Pb、Zn與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)；劉洋等[35]研究也表明土壤有效、Cd與有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)，并指出研究區(qū)土壤施用肥料中含有一定量的重金屬。目前，大量施肥導(dǎo)致土壤重金屬含量增加的報(bào)道較多[27，36]，因此，實(shí)際煙草生產(chǎn)中，在保證煙葉生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，盡量少施肥或施入重金屬含量較低的有機(jī)肥，這樣可以有效減少土壤中Cd、Pb、和Zn等元素對(duì)煙葉的脅迫。由相關(guān)分析可知，pH和有機(jī)質(zhì)對(duì)不同重金屬有效態(tài)的影響作用大小和方向不同，表明有效態(tài)含量并不完全受pH和有機(jī)質(zhì)影響，還受到重金屬全量、粘粒、粉粒、砂粒及CEC、FeOx、MnOx含量及土壤類型共同影響，其中重金屬全量是影響較大的因素[27]。因此，進(jìn)一步分析植煙土壤中各重金屬的形態(tài)與全量以及土壤理化性質(zhì)的關(guān)系具有重要意義。

4結(jié)論

（1）植煙土壤中8種重金屬元素有效態(tài)含量屬于中等變異，范圍在48.97%~95.64%之間，Hg和Pb變異相對(duì)較大，表明重金屬有效態(tài)含量受人為因素影響較大。（2）植煙土壤重金屬有效態(tài)含量之間大多表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。、Cd、Ni、Pb、Zn是伴隨污染較多的元素，而Cr與其他元素的相關(guān)性很弱。（3）植煙土壤重金屬有效性的三個(gè)主成分分別反映工業(yè)與生活污染源、農(nóng)業(yè)污染源、大氣自然污染源。（4）土壤理化性質(zhì)顯著影響植煙土壤重金屬的有效性，其中pH和有機(jī)質(zhì)主要影響Cd、Pb的有效性，而、Zn和Ni的有效性則主要為有機(jī)質(zhì)所控制。

作者：王春香徐宸許安定陳玉成楊志敏楊超單位：西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國煙草總公司重慶市公司，重慶重慶煙草科學(xué)研究所