山东省某县表层土壤重金属形态特征及影响因素

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摘 要：为了解研究区重金属元素形态特征，对于部分代表性土壤样品测定了砷、镉、铬、汞、铅、镍、铜、锌等8种重金属元素的水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、腐殖酸结合态、强有机结合态和残渣态等七种形态。统计结果表明，重金属元素除Cd外，其余元素形态以残渣态为主，土壤理化性质改变可以影响到重金属元素不同形态之间的转化，可以根据情况因地制宜，改变土壤理化性质，以避免生态环境问题的发生。
关键词：土壤;重金属;形态;潜在生态危害
中图分类号：X753     文献标志码：A    文章编号：2095-2945（2019）06-0065-02
近年来，随着经济的发展，环境污染问题日益突出。重金属污染物来源广泛，包含工业和生活的废水、农药、化肥及大气降尘等几种形式。国内外学者对于重金属存在形式及迁移转化规律做了大量研究，已经认识到重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上是由其形态分布所决定[1]。土壤作为重金属污染物载体之一，其污染水平与人类自身的健康息息相关。土壤中的重金属较难迁移，具有残留时间长、隐蔽性强、毒性大等特点[2]。山东省某县经济发达，已经完成1：5万土地质量地球化学调查与评价工作，县域内土壤环境质量良好，但面临一定的重金属污染压力。
1 研究区概况
研究区位于山东省中部平原区，属北温带大陆性季风气候，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽多旱，冬季漫长干冷。区内地势南高北低，由西南向东北倾斜，略呈微波状。研究区出露地层主要为第四纪松散堆积物，其下伏隐伏地层有中新生代陆相盆地沉积和古生代海相-海陆交互相沉积岩系等。土壤类型主要有潮褐土、潮土、盐化潮土、湿潮土、砂姜黑土5个亚类。成土母质分为山前洪冲积物、第四系湖（河）相静水沉积物、黄泛冲积物等几种类型。
2 样品采集与分析
樣品采集时间为农作物收获期，样品采集深度为0-20cm，采用多点组合采样方法，每个分样点采集部位、采集深度、采集重量保持一致，共采集5件形态分析样品。样品采集后自然风干，过10目筛后送到实验室，分析方法采用全谱直读电感藕合等离子发射光谱法和氢化物发生原子荧光光谱法。分析过程严格按照规范进行，确保实验结果可靠。
3 研究区土壤重金属形态特征及影响因素
对于重金属形态，目前还没有统一的定义和分类方法，本文上述七种形态，其中离子交换态重金素，对环境变化敏感，易于迁移转化，能被植物吸收;碳酸盐结合态对土壤环境条件特别是pH值最敏感， pH值升高有利于碳酸盐的生成[3];残渣态比较稳定，植物对该形态可吸收性较低。
3.1 土壤中重金属元素形态分布特征
Cu元素以残渣态为主，所占比例在53.79%以上，次为腐植酸结合态和铁锰结合态，离子交换态和水溶态所占比例较低，均小于1.20%;Pb元素以残渣态和铁锰结合态为主，两者所占比例平均值分别为44.62%、29.79%，次为腐殖酸结合态、碳酸盐态、强有机结合态，离子交换态和水溶态所占比例较低，平均值分别为0.68%、0.43%;Zn元素以残渣态为主，所占比例最高值为74.68%，平均值为64.13%，次为铁锰结合态、腐植酸结合态、碳酸盐态，离子交换态和水溶态所占比例的平均值分别为0.57%、0.37%;Ni元素以残渣态为主，所占比例最高值为76.71%，平均值为71.93%，次为强有机结合态、铁锰氧化态、腐植酸结合态、碳酸盐态、离子交换态、水溶态（按所占比例的平均值由大到小排列），其中离子交换态和水溶态所占比例的平均值为0.72%、0.38%;Cr元素形态以残渣态为主，所占比例最高值为91.94%，平均值为88.33%，其余形态所占比例较低;Cd元素以碳酸盐态为主，所占比例的平均值为44.25%，次为腐殖酸结合态，其余形态所占比例较低;As元素以残渣态为主，所占比例平均值为69.79%，次为铁锰氧化态、腐殖酸结合态，离子交换态和水溶态所占比例较低，平均值分别为1.10%、1.66%;Hg元素以残渣态为主，所占比例最高值为78.32%，平均值为69.67%，其余形态除强有机结合态（所占比例平均值为13.11%）外，其余形态所占比例差别不大。
综上所述，除Cd外，其他元素均以残渣态为主，其中Pb元素残渣态略低，略大于40%，其余均在50%之上，Cr元素残渣态约在90%。除Cu、AS、Hg外，其余元素水溶态小于离子交换态。其余形态碳酸盐态、腐植酸结合态、铁锰结合态、强有机结合态因元素的不同所占比例大小排序有所不同。
3.2 土壤重金属元素的生物可利用率
土壤中不同形态重金属的迁移能力和毒性不同，可用生物可利用系数来评价植物对重金属元素的吸收性。从植物的可吸收性来看，Cd元素离子交换态和水溶态所占的比例最高，为5.45%，Cr最低，为0.54%，Cu、Pb、Zn、Ni、Hg、As所占比例依次为1.19%、1.12%、0.94%、1.10%、4.65%、2.75%。上述结果表明Cd元素相对于其他元素来说，其生态危害性高于其他重金属元素。
3.3 影响土壤重金属元素形态迁移转化的因素
影响土壤重金属元素存在形态的因素很多，除重金属元素总量以外，其余如土壤理化性质及外源性输入对重金属形态的分布情况也产生一定影响。因数据有限，本文仅对重金属各形态所占比例与土壤中pH、有机质进行回归分析。
3.3.1 重金属元素形态随土壤pH变化规律
土壤pH值是土壤酸碱度的反映，同时也是影响重金属及其形态分布的最重要因素之一。pH值分别与Hg元素离子交换态和水溶态进行回归分析，建立一元线性回归方程：Hg离子交换态百分比=-2.5577×（pH值）+22.244，R2=0.4329;Hg水溶态百分比=-2.9981×（pH值）+26.04，R2=0.3318。由回归方程可知，随着pH的升高，Hg元素离子交换态含量降低，Hg元素水溶态含量降低。
pH值与As元素及Pb元素各形态进行回归分析，发现土壤pH对As和Pb形态的影响具有特殊性，不呈线性分布。As的水溶态、离子交换态、碳酸盐态和腐植酸态所占比例在7.8～7.9的范围内处于低点，当pH7.9时As元素的水溶态、离子交换态、碳酸盐态所占比例迅速上升，腐植酸态基本不受影响。因此防止土壤盐碱化是降低As危害的可靠方法。Pb的水溶态、离子交换态、腐植酸态所占比例在7.8～7.9的范围内处于低点，当pH7.9时Pb元素的离子交换态、腐植酸态所占比例上升明显，Pb的水溶态受pH变化不是很明显。因此通过人工干预手段保持土壤pH值在合理的变化范围内，可有效降低Pb的危害。
3.3.2 土壤有機质对重金属元素形态的影响
土壤有机质是土壤的重要组成部分之一，也是土壤肥力的一个重要指标，同时土壤中有机质含量水平对于土壤中重金属元素各形态相对含量产生影响，使各形态相对含量发生变化。pH值分别与Hg元素离子交换态和水溶态进行回归分析，建立一元线性回归方程：Hg离子交换态百分比=-1.1918×有机质百分含量+5.1661，R2=0.8081;Hg水溶态百分比=-0.8239×有机质百分含量+4.5742，R2=0.2154。由回归方程可知有机质含量的增加可以使土壤中Hg的离子交换态和水溶态等可吸收形态所占的比例下降。
4 结束语
（1）研究区内重金属形态除Cd以外，其他元素均以残渣态为主，重金属被植物吸收利用率较低。
（2）重金属的危害性不仅与元素总量有关，还与不同形态所占的比例有关，对于重金属污染或存在潜在危害地区，可以通过增加土壤有机物含量、调节土壤酸碱度等改变土壤理化性质的手段，降低重金属元素可利用形态含量水平，以避免生态环境问题的发生。
参考文献：
[1]关天霞，何红波，张旭东，等.土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素[J].土壤通报，2011，42（02）：503-512.
[2]韩春梅，王林山，巩宗强，等.土壤中重金属形态分析及其环境学意义[J].生态学杂志，2005（12）：1499-1502.
[3]李宇庆，陈玲，仇雁翎，等.上海化学工业区土壤重金属元素形态分析[J].生态环境，2004，13（2）：154-155.