白銀區東大溝流域農田土壤Cd分布及其影響因素

王 婷，南 海

（1.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省天水市農業科學研究所，甘肅 天水 741001）

白銀區東大溝流域農田土壤Cd分布及其影響因素

王 婷1，南 海2

（1.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省天水市農業科學研究所，甘肅 天水 741001）

為揭示白銀區東大溝流域耕地土壤Cd的分布特征及其影響因素，對采集土樣的Cd、土壤有機質、全氮、全磷、CEC、pH、土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶含量進行了測定，運用GIS手段分析了耕層土壤Cd空間分布特征。結果表明，耕層土壤Cd濃度范圍0.170～82.400 mg/kg，屬重度污染。土壤Cd含量高值區出現在沙坡崗和民勤村，呈島狀分布，并以此為中心Cd濃度向周邊方向遞減。Cd土壤剖面分布具有明顯的表層富集規律，符合負指數方程遞減規律。表層土壤Cd含量與有機質呈顯著正相關，與pH呈極顯著負相關。

鎘；空間分布；影響因素；白銀區

白銀市是以有色金屬采選冶金為主的工業城市，城區工廠多且分布集中，東大溝流域農田長期引用工業企業排放的含重金屬廢水進行灌溉，造成嚴重的土壤重金屬污染，掌握該區域土壤重金屬污染現狀，對保護土壤環境、保障農產品質量安全和減少人體健康風險具有重要意義。近年來，已對白銀區土壤Cd污染來源［1-2］、分布特征［3］、污染程度與評價［4-5］、Cd污染土壤的生物性狀［6-7］、土壤Cd的分布遷移及其賦存形態和Cd污染土壤對作物的影響等方面開展了大量研究［8-9］。這些研究雖然較好地反映了該區土壤Cd變化的某些特征，但由于樣點密度小，難以反映小尺度農業土壤Cd空間分布變化及其驅動因子。我們于2014年選擇白銀區Cd污染最為嚴重的東大溝流域，在較小尺度范圍內進行了高密度采樣，對表層土壤Cd空間分布特征、土壤剖面Cd的垂直分布特征以及表層土壤Cd含量與土壤理化性質的關系進行了研究，旨在為控制與治理重金屬污染，合理布局農業產業提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白銀區屬溫帶大陸性干旱、半荒漠氣候，海拔1 500～2 200 m，年均降水量193.7 mm，年均蒸發量2 004.1 mm，年均日照時數2 603.4 h，年平均氣溫8.3℃，≥10℃活動積溫2 920.5℃，無霜期161 d左右。主要土壤類型為灰鈣土和淡灰鈣土。城郊耕地總面積1.07萬hm2，有效灌溉面積0.47萬hm2，主要分布在城東、城西兩大溝流域沖洪積階地面上，農業生產中有不同程度地利用污水灌溉的歷史，土壤環境也表現出不同程度的Cd、Cu、Zn、Hg和Ni污染，其中尤以Cd污染最為嚴重。

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品采集主要運用ArcGIS技術，將白銀市區劃分為1 km×1 km網格，沿東大溝排污河兩側，用土鉆垂直取0～20 cm耕層土樣，5個點構成1個混合樣。用GPS定位儀精確定位，統一編號，注明采樣地點、土壤名稱、經緯度、采樣日期等信息。試驗采集土壤樣品57個，測定土壤樣品中Cd含量、土壤有機質、全氮、全磷、CEC、pH、土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶指標。土壤剖面按照3 km×3 km網格選取位置，采集農田0～20、20～40、40～60、60～100 cm土層中土壤樣品。采樣點分布見圖1。

1.3 土壤樣品測定

土壤總Cd用原子吸收分光光度法測定（VarianAF240WFX-1D）。土壤有機質、全氮、全磷、CEC、pH、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶指標均按常規分析方法測定［10］。

圖1 采樣點分布

1.4 數據分析

土壤Cd描述性統計和相關分析采用SPSS 18.0軟件。變異函數擬合及相關參數確定、克里格插值及趨勢面分析采用ESRI的ArcGIS 9.3的地統計模塊分析。Cd的土壤剖面垂直分布和模型擬合采用Sigmaplot 13.0完成。

2 結果與分析

2.1 土壤Cd基本統計特征

從表1看出，2014年測得東大溝流域兩側耕地耕層Cd的平均濃度超過土壤環境質量二級標準18.4倍，屬重度污染。Cd濃度范圍0.170～82.400 mg/kg，變異系數148.05，說明耕層土壤中的重金屬受到外界的干擾明顯，空間分異較大，其變異幅度在很大程度上與白銀區產業布局和耕地分布有關。與2012年測定結果相比［11］，Cd平均濃度降低1倍，Cd污染最大值也降低42.2%，但變異系數146.46變化不大，說明白銀地區受污染區域分布變化不大，但污染程度有所降低。

2.2 土壤Cd空間分布

選用簡單克里格法進行地統計分析，Cd含量分級后的結果如圖2。空間分布圖顯示，沿東大溝排污河兩側，耕層土壤Cd呈島狀分布，峰值區有兩部分，一處分布在城區周邊的王峴鎮范圍內，由污染最嚴重的沙坡崗向郝家川、蘇家墩、崖渠水等村向外遞減，地帶性明顯。另一處分布在四龍鎮民勤村，并以此為中心污染范圍向西北和東南方向遞減。東大溝靠近沙河入黃河口處污染程度較輕。這種地帶性與空間分布特征與白銀市工業布局和耕地分布特點相一致，東大溝流域所在周邊集中有白銀公司等能源礦產企業，地勢較為平坦，水源不充足，附近耕地土壤有長期污水灌溉的歷史。

圖2 Cd含量空間分布

2.3 土壤Cd剖面分布特征

2.3.1 土壤剖面Cd垂直分布特征 從圖3看出，Cd在所研究剖面土壤中具有明顯的表層富集型分布規律，各剖面Cd濃度變化范圍主要在0～60 cm，隨著土壤深度的增加，各剖面層含量逐漸減少，這與之前的報道一致［12］。不同地區Cd污染程度不同決定了Cd在剖面中分布的不同。表層Cd含量越高，下層土壤Cd含量相對也較高。

圖3 土壤剖面Cd含量垂直分布

圖4 剖面土壤中Cd隨深度變化模擬曲線

表1 東大溝流域耕地耕層土壤重金屬Cd含量的統計特征

表2 表層土壤Cd含量與土壤理化性狀相關分析

2.3.2 土壤剖面Cd隨深度變化的模擬曲線 從圖4看出，除沙坡崗Cd在剖面的分布擬合方程不顯著外，其余點擬合模型均在P＝0.05水平顯著相關，分布態勢相同，呈負指數規律遞減。說明土壤表層重金屬濃度含量過高，在降水與灌溉下滲水流作用下會向犁底層，甚至心土層遷移，但遷移能力較低，易在土壤表層積累。前人的研究也表明，高劑量時遷移率小但絕對遷移量大，低劑量時元素遷移率大但絕對遷移量小［13］。這可能與長期污灌條件下耕層土壤理化性質發生改變，從而使更多的重金屬固定在土壤表層等原因有關。

2.4 表層土壤Cd含量與土壤理化性質的關系

有機質含量能決定土壤重金屬的有效性，并依靠有機質的專性吸附和表面配位作用來影響土壤重金屬的行為和移動性。從表2可以看出，表層土壤Cd含量與有機質呈顯著正相關，白銀區的表層土壤有機質含量高于下層土壤，因此Cd移動性小，易于在表層土壤富集。環境體系中的pH、Eh和水分等條件會強烈影響土壤重金屬形態分布。pH是土壤化學性質的綜合反映，土壤中重金屬的活性隨pH升高而降低，對重金屬離子的吸附力加強，導致交換態重金屬離子的濃度降低。本研究也證實，pH與Cd含量呈極顯著負相關，這與之前研究結論一致［14］。相關分析表明，Cd含量與土壤全氮、全磷和CEC呈正相關關系，但相關不顯著，說明外源Cd輸入可能會增加土壤養分。Cd含量與土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶呈負相關關系，相關也不顯著，說明Cd污染對土壤酶活性有一定影響，但響應并不敏感。

3 小結與討論

1）白銀區東大溝流域兩側耕地耕層土壤Cd濃度范圍0.170～82.400 mg/kg，平均濃度超過土壤環境質量二級標準18.4倍，屬重度污染。與較早研究結果相比，該區受污染區域分布變化不大，但污染程度有所降低。土壤Cd空間分布具有地帶性特征，Cd濃度最高值區出現在沙坡崗和民勤村，呈島狀分布，并以此為中心Cd濃度向周邊方向遞減。長期污水灌溉時間的不同可能是造成土壤Cd這種空間分布特征的主要原因。Cd土壤剖面分布具有明顯的表層富集規律，隨著土壤深度增加，各剖面層含量逐漸減少，Cd濃度變化范圍主要在0～60 cm。表層Cd污染程度不同決定Cd在下層土壤剖面中含量差異，Cd的剖面分布特征可用負指數方程模擬。

2）表層土壤Cd含量與有機質呈顯著正相關，與pH呈極顯著負相關。Cd含量與土壤全氮、全磷和CEC呈正相關關系，與土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶呈負相關關系，相關均不顯著。

［1］ 石培宏，楊太保，田慶春，等.白銀市工業污染源重金屬排放特征分析［J］.中國環境監測，2012，28（5）：9-15.

［2］ 田慶春，楊太保，石培宏，等.白銀市土壤重金屬污染源分析及防治措施［J］.中國環境監測，2012，28 （6）：40-45.

［3］ 雷思維，吳國振，王興峰.白銀區土壤和春小麥中重金屬分布規律調查分析［J］.甘肅冶金，2007，29（4）：86-88.

［4］ 南忠仁.甘肅省白銀市中心區土壤環境質量評價［J］.西北師范大學學報，1994，30（1）：83-88.

［5］ 劉白林.白銀黃灌區農田土壤重金屬空間分布及其污染風險評價［D］.蘭州：蘭州大學，2014.

［6］ 魯海燕，曹 靖，楊 鑫，等.白銀地區污灌對農田土壤細菌多樣性的影響［J］.長春理工大學學報（自然科學版），2010，33（2）：110-116.

［7］ 劉 姣，曹 靖，南忠仁，等.白銀市郊區重金屬復合污染對土壤酶活性的影響［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2010，46（5）：39-43.

［8］ 劉白林，馬新旺，朱賽勇，等.白銀黃灌農業區不同土層重金屬賦存形態及其風險評價［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2014，50（3）：431-436.

［9］ 郭淑文.白銀市郊區土壤與主要糧食作物污染情況調查［J］.甘肅農業科技，2002（12）：32-33.

［10］ 魯如坤.土壤農業化學分析法［M］.北京：北京農業科技出版社，1999.

［11］ 汪 霞.干旱區綠洲農田土壤重金屬污染生態補償機制研究［D］.蘭州：蘭州大學，2012.

［12］ 南忠仁，李吉均.干旱區耕作土壤中重金屬鎘鉛鎳剖面分布及行為研究—以白銀市區灰鈣土為例［J］.干旱區研究，2002（17）：39-45.

［13］ 薛粟尹，李 萍，王勝利，等.工礦型綠洲農田土壤中氟和Cd的剖面行為研究［J］.中國環境科學，2014，34（1）：195-200.

［14］ 陳懷滿.土壤對Cd的吸附與解吸-Ⅰ.土壤組分對鎘的吸附和解吸的影響［J］. 土壤學報，1988，25 （1）：66-74.

（本文責編：陳 偉）

Cd Distribution of Soil in Dongdagou Baiyin District and Its Influencing Factors

WANG Ting1，NAN Hai2
（1.Institute of Soil，Fertilizer and Water-saving Agriculture，Gansu Academy of Agricultural Scienceses，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Tianshui Institute of Agricultural Sciences，Tianshui Gansu 741001，China）

This study is aimed to explore Cd distribution characteristics and its influence factors in cultivated soil from Dongdagou in Baiyin district of Baiyin city，Gansu province.The content of Cd，soil organic matter，total N，total P，CEC，pH，soil urease，invertase，catalase and polyphenol oxidase in soil are measured，and the spatial distribution data of Cd are obtained with ArcGIS method.The result shows that the arable layer soil is polluted seriously，the range of Cd contents is 0.170～82.400 mg/ kg.The high value area of Cd contents with island-like spacial distribution located mainly in Shapogang and Minqin village，in which Cd contents decreased around.Cd distribution has obvious enrichment regularity in the surface layer of soil profile，and the significant model of negative exponential function is found for Cd.Cd contents are significantly positively correlated with organic matter，and it are very significantly negatively correlated with pH.

Cd；Spatial distribution；Influencing factors；Baiyin district

X131.3

A

1001-1463（2015）07-0009-04

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.07.004

2015-04-05

甘肅省青年科技基金計劃“白銀礦區土壤鎘遷移轉化與糧食質量安全的耦合規律研究”（2013GS06935）；甘肅科技計劃軟科學項目“白銀礦區土壤重金屬污染現狀、趨勢及對策研究”（1305ZCRA174）

王 婷（1982—），女，甘肅秦安人，助理研究員，碩士，主要從事農業環境與作物栽培及生理方面的研究工作。聯系電話：（0931）7614846。E-mail：wt1982_2000_2000@163.com