海南省农产品基地土壤理化指标和主要无机元素监测与评价
时间：2023-04-14 12:35:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
吴 姬，伍成成，唐闻雄
(海南省生态环境监测中心，海南海口 571126)
土壤生态系统是人类赖以生存的基础，也是重要的污染物容纳场所。涉重金属企业“三废”排放以及污水灌溉、污泥农用、化肥的不合理施用导致重金属在土壤中积累，农用地土壤也面临着重金属污染带来的环境问题[1-2]。针对农田或农产品基地理化性质变化和土壤重金属污染的生态风险评价成为研究的热点[3-7]。但研究区域大多集中在污染源附近的小尺度范围，对省级层面主要农产品生产基地土壤重金属生态风险评价和理化指标分布特征的研究较少。该研究选取海南省8个农产品基地，分析土壤理化指标和主要无机元素含量及其差异特征，评价土壤主要无机元素污染风险，旨在为农产品基地土壤污染防治和农业生产可持续发展提供技术支撑。
1.1 研究区概况海南省属热带季风气候，日照多，气温高，雨量充沛、时空变化大。全省主要土壤类型为砖红壤、水稻土、赤红壤、燥红土、紫色土、火山灰土、风沙土、新积土等。土壤成土母质有花岗岩、基性火山岩、第四系、沉积岩、变质岩、碱性侵入岩、中生代火山岩等。海南是发展热带特色高效农业的重要区域。
1.2 样品采集选取海南8个农产品基地，基地代码分别为J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8。其中J1、J2土地利用方式主要为耕地(旱地)，J3、J4、J5、J6、J7土地利用方式主要为耕地(水田)，J8土地利用方式为园地(果园)。
在种植基地范围内采用网格法进行随机布点，网格大小为100 m×100 m，每个种植基地布设5个监测点位。每个点位土壤理化指标和无机测试项目采集表层(0～20 cm)，单点采样，每层采样量不少于2 000 g。
1.3 样品处理将样品置于风干室搪瓷盘中，自然风干，适时压碎、翻动，拣出碎石、砂砾、植物残体。在土壤样品制备间内完成土壤样品粗磨、细磨、分样等工作。
1.4 样品分析测试理化指标包括土壤pH、有机质和阳离子交换量；
无机项目以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)为基础，选择农用地土壤污染风险筛选值的基本项目，包括镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌。
土壤pH采用《电位法》(HJ 962—2018)，有机质含量采用《土壤检测第6部分：土壤有机质的测定》(NY/T 1121.6—2006)，阳离子交换量采用《森林土壤阳离子交换量的测定方法》(LY/T 1243—1999)，镉含量采用《石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)，汞和砷含量采用《微波消解/原子荧光法》(HJ 680—2013)，铜、铅、铬、锌和镍含量采用《波长色散X射线荧光光谱法》(HJ 780—2015)。
2.1 研究区土壤理化指标特征从表1～2可以看出，农产品基地土壤pH最小值为4.55，最大值为7.03。土壤呈强酸性和酸性，监测点位pH≤5.5的有21个，占农产品基地点位数的52.5%；
监测点位5.5
表1 土壤理化指标和无机项目结果统计
表2 农产品基地土壤酸碱度统计
土壤有机质含量最小值为2.95 g/kg，最大值为24.80 g/kg，平均值为13.60 g/kg(表1)。农产品基地土壤有机质含量集中在9.19～18.50 g/kg的监测结果占比最多，为72.5%(图1)。依据有机质含量分级标准，农产品基地有机质含量偏低，12.5%的点位有机质含量中等，62.5%的点位有机质含量较低，25.0%的点位有机质含量属于缺乏以下(表3)。
图1 农产品基地有机质频数分布Fig.1 Frequency distribution of organic matter in agricultural product base
表3 农产品基地土壤有机质含量分级统计
土壤阳离子交换量最小值为1.28 cmol/kg，最大值为10.80 cmol/kg，平均值为5.59 cmol/kg(表1)。农产品基地土壤阳离子交换量含量集中在4.0～8.0 cmol/kg的监测结果占比最多，点位数共26个，占农产品基地点位数的65.0%(图2)。
图2 农产品基地阳离子交换量频数分布Fig.2 Frequency distribution of cation exchange capacity in agricultural product base
从表4可以看出，8个农产品基地中，J8(园地)基地pH为5.92，高于耕地基地(J1～J7)，有机质含量和阳离子交换量分别为5.0 g/kg和 1.64 cmol/kg，均低于耕地基地。
表4 农产品基地土壤理化指标结果统计
2.2 研究区土壤无机元素含量特征从表1可以看出，镉含量为0.02～0.37 mg/kg，平均值为0.10 mg/kg；
汞含量为0.012～0.126 mg/kg，平均值为0.038 mg/kg；
砷含量为0.26～6.75 mg/kg，平均值为1.65 mg/kg；
铅含量为14.7～50.1 mg/kg，平均值为27.9 mg/kg；
铬含量为10.1～118.0 mg/kg，平均值为37.1 mg/kg；
铜含量为4.2～23.1 mg/kg，平均值为9.0 mg/kg；
镍含量为3.7～44.8 mg/kg，平均值为10.2 mg/kg；
锌含量为14.3～105.0 mg/kg，平均值为45.9 mg/kg。不同无机元素在样点间的变异程度不同，镍的变异系数最大(78.4%)，其次是砷、铬、汞、镉、锌、铜，铅的变异系数最小(36.6%)。
土壤pH是控制土壤重金属有效性的重要因素之一[9]。分析土壤pH与对应主要无机元素含量的关系(图3和表5)发现，镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌和镍含量与pH的相关系数分别为0.416、0.100、0.047、-0.257、0.013、0.173、-0.057、-0.003。由此可见，土壤pH与主要无机元素含量之间相关性不显著(P>0.05)。从表5可以看出，有机质含量、阳离子交换量与主要无机元素含量之间相关性不显著(P>0.05)。8个无机元素含量的相关性分析结果表明，铬含量与铜、镍含量呈现显著相关(P<0.05)，相关系数分别为0.826、0.915；
铜含量与镍含量呈显著相关(P<0.05)，相关系数为0.866；
其他元素含量之间相关性不显著(P>0.05)。
2.3 不同类型农产品基地土壤主要无机元素分布规律从图3可以看出，镉含量最大值出现在J8(果园)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为果园型(J8)>旱地型(J1、J2)>水田型(J3～J7)；
汞含量最大值出现在J1(旱地)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为旱地型>水田型>果园型；
砷含量最大值出现在J5(水田)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为水田型>旱地型>果园型；
铅含量最大值出现在J4(水田)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为水田型>旱地型>果园型；
铬含量最大值出现在J1(旱地)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为旱地型>水田型>果园型；
铜含量最大值出现在J1(旱地)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为旱地型>果园型>水田型；
锌含量最大值出现在J4(水田)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为水田型>旱地型>果园型；
镍含量最大值出现在J1(旱地)监测点，在各类型农产品基地中的平均值表现为旱地型>水田型>果园型。可见，果园型农产品基地镉含量最高(平均值在3类基地中排名第1)，旱地型农产品基地铬、铜、镍、汞含量最高，水田型农产品基地砷、铅、锌含量最高。
图3 土壤主要无机元素含量及其与pH的关系Fig.3 Relationships between main organic elements contents and pH in soil
表5 土壤理化指标和主要无机元素相关性分析
傅杨荣[8]研究发现海南岛土壤元素地球化学基准值和背景值深刻继承了成土母岩母质的元素地球化学特征，如基性火山岩土壤富集铁族元素(铬、铜、镍、锰等)，第四系土壤富集二氧化硅(SiO2)，碱性侵入岩土壤富集铅、镉等。8个农产品基地成土母岩涉及3类成土母岩，J1基地成土母岩为基性火山岩，J2、J3、J4、J5、J8均为第四系，J6和J7为花岗岩。由此可见，J1基地铬、铜、镍含量远高于其他基地主要是受玄武岩富含铬、铜、镍所致。成土母岩为第四系的基地，其无机元素含量分布主要与农业耕作和肥料施用等相关。成土母岩为花岗岩的基地，无机元素含量是成土母岩元素含量和农业生产叠加影响所致。
2.4 农产品基地土壤主要无机元素的污染风险从表6可以看出，农产品基地土壤8种无机元素含量平均值均低于农用地土壤污染风险筛选值，说明该研究区对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可以忽略。
对比海南省土壤环境背景值[10]发现(表6)，各农产品基地砷、铜、镍含量平均值低于土壤背景值，汞、铬、锌含量均仅有1个基地元素含量平均值高于土壤背景值，其中J1基地汞、铬含量平均值分别是土壤背景值的1.62、1.07倍，J4基地锌含量平均值是土壤背景值的1.47倍。J4、J5、J6这3个基地铅含量分别为土壤背景值的1.51、1.49、1.03倍。各基地镉含量均高于土壤背景值，为土壤背景值的1.25～3.75倍。由此可见，人为活动影响下，研究区农产品基地土壤主要无机元素产生了一定积累。其中镉受人为影响积累程度相对最高，铅次之，汞、铬、锌积累程度较小，砷、铜、镍含量呈下降趋势。
表6 不同农产品基地土壤主要无机元素平均值
人为因素是造成农田土壤重金属积累的主要因素，主要包括施肥、动物粪便和生物固体应用、污水灌溉、大气沉降等[11-12]。李建国等[13]研究发现无锡市土壤As、Cu、Hg、Pb和Zn空间变异受人类活动的影响明显，均超出当地的土壤背景值。李树辉等[2]研究指出有机肥尤其是商品有机肥也呈现出重金属含量升高、种类增加的趋势。王美等[14]研究指出有机肥如畜禽粪便、污泥及其堆肥中的重金属含量高于化肥，猪粪中的铜、锌、砷、镉含量明显高于其他有机废弃物，鸡粪中铬含量高；
污泥和垃圾堆肥中铅或汞含量高。鉴于上述研究成果，海南农产品基地镉、铅等重金属高于土壤背景值可能受基地生产中化肥、动物粪便施用等人为影响，应引起关注。
(1)8个农产品基地的土壤普遍呈酸性，强酸性和酸性点位比例为97.5%，没有土壤呈碱性或强碱性。阳离子交换量为1.28～10.80 cmol/kg。有机质含量为2.95～24.80 g/kg，有机质含量偏低。园地(J8)基地pH最高，有机质含量和阳离子交换量均低于耕地(旱地或水田)基地(J1～J7)。
(2)土壤镉含量0.02～0.37 mg/kg，汞含量0.012～0.126 mg/kg，砷含量0.26～6.75 mg/kg，铅含量14.7～50.1 mg/kg，铬含量10.1～118.0 mg/kg，铜含量4.2～23.1 mg/kg，镍含量3.7～44.8 mg/kg，锌含量为14.3～105.0 mg/kg。相关性分析结果表明，pH、有机质含量、阳离子交换量与主要无机元素含量之间相关性不显著(P>0.05)。铬、铜、镍含量之间呈现显著相关(P<0.05)，其他无机元素含量之间相关性不显著(P>0.05)。
(3)不同类型农产品基地主要无机元素含量不同。果园型农产品基地镉含量最高，旱地型农产品基地铬、铜、镍、汞含量最高，水田型农产品基地砷、铅、锌含量最高。
(4)8个农产品基地土壤中各主要无机元素含量的平均值均未超过农用地土壤污染风险筛选值，污染风险可忽略。与海南省土壤环境背景值比较结果表明，人为活动影响下研究区农产品基地土壤主要无机元素可能产生了一定积累。镉受人为影响积累程度相对最高，铅次之，汞、铬、锌积累程度较小，砷、铜、镍含量呈下降趋势。
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