植烟土壤重金属的有效性范文

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《农业环境科学学报》2014年第八期

1材料与方法

1.1样品采集选择典型植烟区的代表性田块，于前茬作物收获后、后茬烤烟起垄前采集0~20cm表层土样共440个。具体采样方法为：在每个取样田块，根据土块的形状按“S”形随机布设4~6个样点的土样构成一个混合样品，采用四分法保留大约1kg。样品经自然风干，研磨过筛保存备用。

1.2样品分析土壤pH值采用电位法，有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定[13]；有效态重金属采用不同的提取剂，即Cu、Ni、Zn用DTPA浸提[13]，Cd、Pb用1mol•L-1NH4OAc浸提[14]，用原子吸收光谱法测定；Hg、和Cr用0.1mol•L-1HCl浸提[15]，Hg用冷原子吸收光谱法测定、用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法、Cr用二苯碳酰二肼分光光度法。

1.3数据处理采用Excel2003和SPSS17.0软件对数据进行分析和处理。

2结果与分析

2.1植烟土壤重金属有效态含量的分布特征研究区内、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的有效态平均含量分别为0.92、0.075、0.75、1.62、0.004、1.89、1.14、1.94mg•kg-1（表1）。各元素有效态含量样品间的变异系数为48.97%~95.64%，整体属于中等变异[16]，其中Hg、Pb变异最为明显，分别达到95.64%和90.56%，说明有效态含量的影响因素复杂，受人为因素等影响更大[17]；8种元素中Hg和Pb的有效性受人为因素影响也相对较大。

2.2植烟土壤有效态重金属之间的关系采用相关分析、主成分分析和系统聚类相结合的方法，来探讨该植烟区土壤有效态重金属之间的相关性。研究区域内，大部分重金属元素的有效含量之间均达到显著性相关水平（表2）。-Cd、-Pb、Cd-Ni、Cd-Pb、Cr-Zn、Cu-Zn、Hg-Ni、Ni-Pb之间达到极显著正相关，表明它们可能具有同源性[18-19]或是伴生关系[20]；-Ni、Cr-Cu、Cu-Hg、Hg-Zn间表现出显著性相关；而Cr-、Cr-Cd、Cr-Hg、Cr-Pb、Cr-Ni、Cu-Cd、Cu-Ni的相关性不显著。结果表明，有效、Cd、Ni、Pb、Zn与8种元素中大部分元素都呈现较高的相关性，是伴随污染较多的元素，而有效Cr与其他元素的相关性很弱，说明该元素的累积独特。Kaiser-Meyer-Olkin检验表明，KMO统计量为0.547，大于0.5说明数据适合主成分分析，显著性水平为0意味着变量之间并不相互独立[21]。根据特征值>1的原则，运用SPSS软件对有效态8项指标进行主成分分析，用方差最大法进行正交旋转，得到主成分的特征值、方差贡献率及其累计方差贡献率（表3、表4）。可以看出，前3个主成分累计贡献率为59.604%，表明已包含样本的大部分信息。主要因子识别是通过土壤因子对主成分的贡献率即主成分载荷进行分析（图1、图2），载荷大的即可认为是主要影响因子，其正负可以反映出因子的复合性[22]。可以看出，第一主成分在有效态Cu和Zn上具有较大的正向载荷，由表2可以看出其相关系数达到了0.694，呈极显著水平。冶炼、铜锌合金、镀锌等工业生产以及给排水设施、建筑装饰材料等生活用料[23]都对Cu、Zn污染有贡献。第一主成分在一定程度上可以反映工业和生活污染。第二主成分在有效Cd和Pb上均有很大的正向载荷。研究表明[24]，随着磷肥及复合肥的大量施用，土壤有效Cd含量不断增加，作物吸收Cd量也相应增加。近年来，农用塑料薄膜大面积推广使用，由于其生产过程中加入了含有Cd、Pb的热稳定剂，也增加了土壤重金属污染[25]。因此，Cd和Pb在一定程度上可以作为反映农业活动水平的因子。第三主成分在有效Hg和Ni上有较大的正向载荷。Hg和Ni均为化石燃料燃烧后的产物，Hg主要来自于燃煤发电，燃烧行业中释放汞量约占60%[21]，火力电厂和汽车化石燃料产生的飞灰能使大气中Ni含量高达120~170ng•m-3[26]，因而第三主成分可以在一定程度上解释为大气降尘的污染水平。

2.3植烟土壤重金属生物有效性的影响因素土壤重金属的形态除了受重金属元素本身性质和含量影响外，也受到土壤理化性质的直接影响，尤以pH和有机质影响较为显著[27]。统计表明，研究区域pH值小于7的样点比例为95%，其中小于6.5的占80%，植烟土壤大部分偏酸性。有效态、Cu、Hg、Zn与pH呈正相关（表5），相关系数的大小顺序为Hg>Zn>Cu>，其中Hg元素与pH的相关性显著。李永华等[28]认为随着pH值升高，酸提取态汞的含量明显增加。而有效态Cd、Cr、Ni和Pb与pH呈负相关，相关系数的大小顺序为Cd>Pb>Cr>Ni，其中有效态Cd、Pb与pH的相关性极显著，有效态Cr与pH的相关性显著。当pH值下降时，土壤中Cd、Pb和Cr的有效态含量增加，容易发生迁移而被烟叶吸收。研究区域土壤有机质含量范围在12.34~45.86g•kg-1，平均为25.94g•kg-1，处于较丰富的水平[10]。分析发现，除有效态Hg与有机质呈负相关外，其余元素与有机质均为正相关关系，其影响的大小顺序为Cd>Pb>>Zn>Ni>Cr>Cu，其中有效态Cd和Pb与有机质的相关性极显著，、Zn和Ni与有机质的相关性显著。

3讨论

3.1pH对植烟土壤重金属生物有效性的影响土壤pH直接影响重金属的活性，从而影响重金属的迁移和淀积行为。pH升高时，土壤中粘土矿物、水合氧化物和有机质表面的负电荷增加，因而对离子的吸附能力加强，使溶液中重金属离子的浓度降低[29]。有研究表明，pH是影响土壤组分对Cd吸附解析的重要因素，pH值下降时，交换态Cd含量增加[30]。Chuan等[31]对污染土壤的Cd、Pb研究结果指出，在碱性条件下，其有效态含量很低；李忠义等[32]也指出Cd、Pb与pH呈极显著负相关，与本研究区域植烟土壤中有效态Cd、Pb与pH的相关性结果一致。因此，有效控制土壤中Cd、Pb元素对烟叶的胁迫，可以通过调控pH值来实现，如施用石灰提高土壤pH值[33]。

3.2有机质对植烟土壤重金属生物有效性的影响有机质对重金属形态的影响机制复杂：一是能够提高土壤pH值，增加土壤固相有机质对重金属的吸附，形成难溶性沉淀，降低土壤中重金属的活性；二是有机质中释放出的H+可与土壤重金属离子交换[29]，腐殖质中的富里酸与重金属形成易溶的络合物，从而增加土壤溶液中重金属离子浓度[34]。一般情况下有机质与重金属有效态呈负相关，而研究区域植烟土壤中有效、Cd、Ni、Pb和Zn与有机质均达到显著性正相关。钟晓兰等[34]发现有机质对重金属有效态含量有较大正向作用；袁波等[17]研究表明有效Pb与有机质极显著正相关，是由于富里酸与重金属形成易溶的络合物；李忠义等[32]研究表明，有效态Cd、Pb、Zn与有机质呈极显著正相关；刘洋等[35]研究也表明土壤有效、Cd与有机质显著正相关，并指出研究区土壤施用肥料中含有一定量的重金属。目前，大量施肥导致土壤重金属含量增加的报道较多[27，36]，因此，实际烟草生产中，在保证烟叶生产的基础上，尽量少施肥或施入重金属含量较低的有机肥，这样可以有效减少土壤中Cd、Pb、和Zn等元素对烟叶的胁迫。由相关分析可知，pH和有机质对不同重金属有效态的影响作用大小和方向不同，表明有效态含量并不完全受pH和有机质影响，还受到重金属全量、粘粒、粉粒、砂粒及CEC、FeOx、MnOx含量及土壤类型共同影响，其中重金属全量是影响较大的因素[27]。因此，进一步分析植烟土壤中各重金属的形态与全量以及土壤理化性质的关系具有重要意义。

4结论

（1）植烟土壤中8种重金属元素有效态含量属于中等变异，范围在48.97%~95.64%之间，Hg和Pb变异相对较大，表明重金属有效态含量受人为因素影响较大。（2）植烟土壤重金属有效态含量之间大多表现出显著的相关性。、Cd、Ni、Pb、Zn是伴随污染较多的元素，而Cr与其他元素的相关性很弱。（3）植烟土壤重金属有效性的三个主成分分别反映工业与生活污染源、农业污染源、大气自然污染源。（4）土壤理化性质显著影响植烟土壤重金属的有效性，其中pH和有机质主要影响Cd、Pb的有效性，而、Zn和Ni的有效性则主要为有机质所控制。

作者：王春香徐宸许安定陈玉成杨志敏杨超单位：西南大学资源环境学院西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆市农业资源与环境研究重点实验室中国烟草总公司重庆市公司，重庆重庆烟草科学研究所