不同土地利用類型下土壤銅累積狀況及其污染風險控制

管濱+孫虎

摘要：對陜西省寧陜縣旬陽壩鎮的菜地、階地耕地、坡耕地、荒地、林地5種不同土地利用類型的437個土壤樣點進行調查分析，探討土壤銅的累積狀況，了解不同土地利用類型下土壤銅含量的差異。結果表明，研究區土壤銅的平均值為24.29mg/kg，顯著高于全國土壤銅濃度背景值（22.60mg/kg），但未超過銅元素的累積臨界值（37.45mg/kg）。與全國銅濃度背景值相比，5種不同土地利用類型土壤銅出現不同程度的累積，銅平均含量由高到低順序為：菜地>階地耕地>坡耕地>荒地>林地。

關鍵詞：土地利用類型；銅；污染；風險控制

中圖分類號：S158.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2015）04-0083-05

銅是一種人體必需的微量元素。WHO推薦成年男性日需要攝入量為0.7mg，成年女性日需要攝入量為0.8mg[1]。銅攝入量過低會導致骨質疏松、缺血性心臟病等疾病的發生[2]。銅的口服劑量大于200mg/kg體重將會使人致命[3]。同時，植物的生長發育過程離不開銅[4]，但土壤中銅的大量累積不但會抑制植物的生長，而且會污染生境[5]。目前對銅濃度累積狀況的研究集中在市域、縣域、湖泊[6]。本研究以鎮域為研究范圍，對陜西省寧陜縣旬陽壩鎮不同土地利用類型下銅累積狀況進行調查分析并探討了其污染風險控制對策。

收稿日期：2014-09-30

基金項目：教育部科學技術研究重點項目“陜南南水北調水源區景觀生態變化與土壤侵蝕關系研究”（105152）

1材料與方法

1.1樣品采集與分析

本研究區為位于南水北調中線水源區和國家天然林資源保護工程項目區的寧陜縣旬陽壩鎮。旬陽壩鎮位于陜西省寧陜縣城東北34km，東經108°25'12"～108°41'24"，北緯33°24'36"～33°36'36"，全鎮總面積176km2，自1998年以來，本區全面停止采伐，開始實施天然林保護工程，許多坡耕地變成板栗林。本區森林資源豐富，森林面積1.73×104hm2，森林覆蓋率達97%以上；全鎮有耕地399.07hm2，均分布在月河、腰竹溝的沿河兩岸，主產洋芋、玉米等農作物，占全鎮總面積的2%。

本次樣品采集時問為2013年7月，根據野外采樣經驗選取階地耕地、坡耕地、菜地、荒地、林地5種土地利用類型，根據研究區的地勢、地形特點，每種土地類型每隔5m選取一個樣點，采用“S”法取樣，深度為耕層O～20cm，取樣工具為不銹鋼土鉆。同時，考慮到采樣面積小，需要定位的精度高，普通GPS難以滿足定位的需求，因此，用皮尺在田間測量確定采樣點，用GPS確定4個邊界點的坐標，并根據每個土地類型面積的大小確定點位和布點數量，共采集437個樣本。樣品取后帶回實驗室，把植物根系、石子等雜物取出，自然風干。采樣點具體情況見表1，各樣地形狀及走向見圖1。

土壤銅濃度測定：首先利用振動磨（粉磨時間為10s）將土壤樣品制成粉末，混合均勻；其次，稱取4g樣品于樣品環內，在壓片機上壓成樣片（壓力定為30L），并將樣片放入干燥箱進行干燥。最后，將制好的樣品放在X射線熒光光譜儀樣品盒內，通過計算機操作，樣品自動輸入射線熒光光譜儀，48h后得出土壤銅濃度結果。

1.2數據處理

用ArcGIS10.0制作研究區地理位置圖。采用SPSS17.0做正態分布統計檢驗和方差分析。使用Origin8.5檢驗并制作5種土地利用類型下銅濃度對數直方圖。

2結果與分析

2.1不同土地利用類型下土壤銅濃度

由表2看出，437個樣點銅濃度的幾何平均值為24.29mg/kg，顯著高于全國土壤銅濃度背景值（22.60mg/kg）[7]（P<0.01）。5種土地利用類型下銅濃度（濃度對數轉換后）頻數直方圖如圖2所示。在5種土地利用類型中，菜地銅濃度均值最大，為25.47mg/kg；階地耕地次之，為25.26mg/kg；坡耕地為25.13mg/kg。菜地、階地耕地、坡耕地土壤銅濃度均高于荒地、林地。荒地、林地土壤銅平均濃度分別為23.36、23.23mg/kg，仍高于全國土壤銅濃度背景值。

土壤元素累積臨界值是土壤是否污染的判斷標準[8]。銅元素的累積臨界值為37.45mg/kg（由幾何平均數和方差的平方的乘積確定）。在全部437個樣點中，其中一菜地樣點的濃度最大，為32.30mg/kg，但仍小于銅元素的累積臨界值。菜地銅濃度均值最大（濃度為25.69mg/kg），但仍顯著小于臨界值37.45mg/kg（P<0.01）。可見陜兩省寧陜縣旬陽壩鎮土壤并未受到銅元素的污染。

2.2不同土地利用類型下銅濃度差異

5種土地利用類型下銅濃度差異的方差分析結果（表3）表明，坡耕地、階地耕地、菜地銅濃度均值顯著高于荒地與林地（P<0.01）；階地耕地和坡耕地之間沒有顯著差異，可見，地形對土壤銅濃度的累積沒有顯著影響。菜地銅濃度雖高于階地耕地和坡耕地，但無顯著差異。因為，兩類耕地和菜地同樣受人為活動影響，相對來講菜地耕作強度更大，且使用有機肥和農藥更多；荒地和林地中土壤銅濃度遠低于其他土地利用類型，因為此類地偏遠或地形復雜，受人為擾動小，但是荒地和林地土壤銅平均濃度顯著高于全國土壤銅背景值。

2.3土壤銅來源分析

成土母質、銅制劑農藥、有機肥是土壤銅的主要來源。土壤是地殼表層巖石風化與成土作用的產物，除了礦點和污染點外，總體上看土壤的化學組成相對穩定，元素的含量水平和變化幅度也相對穩定[7]。土壤背景值是未受污染的土壤基本化學組成[9]。本試驗測得土壤銅的平均濃度為24.29mg/kg，比全國土壤銅背景值（22.60mg/kg）高0.84mg/kg，銅濃度背景值占本研究區銅濃度的93.04%。可見，在本研究中成土母質是銅的最主要來源。endprint

銅制劑農藥是導致土壤銅增加的一個重要原因[10]。波爾多液因其粘著力強且長期使用不產生抗藥性而作為最典型的銅制劑農藥，同時也是生產上使用較廣泛的農藥。波爾多液噴灑過程中，一部分直接噴灑在土壤上，其余部分會隨著枝葉進入土壤，這樣會導致土壤中銅含量增加。巴西可可種植園、法國的葡萄園及英國的蘋果園土壤銅含量銅量較高也是大量噴灑波爾多液的結果[12]。波爾多液等含銅制劑不僅用在果園，在菜地也使用[13]。本研究中，5種不同土壤利用類型中菜地含銅量最高，這與菜地使用波爾多液等含銅制劑農藥有關。

有機肥的施用是土壤銅增加的一個重要因素。有機肥具有培肥地力和改善作物品質等特性，因此在現代農業中經常施用[14]。王開峰等[15]通過對7塊稻田長期試驗觀測得出，有機肥的長期施用增加了土壤重金屬污染的風險，中高量有機肥的施用使銅的活化率、全量和有效態含量明顯升高。本研究中，階地耕地和坡耕地的銅含量顯著高于荒地和林地，有機肥在銅累積方面起到重要作用。

2.4土壤銅污染控制對策

銅在土壤中的污染不僅與銅的含量有關，還與土壤對銅的吸附、解吸、遷移等特性以及外界環境因素有關[16]。吸附、解吸是銅進入土壤后發生的主要化學過程，影響著銅在固相、液相中的分配[17]。通過調節吸附和解吸的影響因素（pH值，土壤組分）可以減少土壤液相中銅離子，增加土壤固相的銅離子，從而減少植物對銅離子的吸收，降低果實中的銅含量。外界環境（降水，溫度）是影響銅污染的因素之一，可影響作物對銅的吸收量、吸收速度以及吸收時間。

含銅農藥波爾多液作為殺菌劑在果園、菜地上的廣泛使用，使得土壤中銅大量增加，甚至導致土壤污染，果實銅含量超標。為此必須尋找抗菌植物或者尋找波爾多液替代者。有機肥的長期施用增加了重金屬污染的風險。對于有機肥的施用，需在正確指導的前提下科學使用。

植物修復具有經濟、持久的優點，可進行大面積污染治理，因此逐漸成為修復土壤污染的良好技術措施。自1983Chaney[18]提出植物修復以來，超富集植物修復土壤污染的研究日益增多。目前已發現海州香薷、星香草、紫花苜蓿等植物具有銅超積累特性。其中，已知的銅積累量最高的植物是異葉柔花（AeollanthusbiformifoliusDeWild），其含銅量高達3.92mg/g[19]。因此，可選擇合適的超富集植物來修復銅濃度過高或銅污染土壤。

3結論

通過對寧陜縣旬陽壩鎮土壤中銅的調查分析表明，研究區土壤銅的平均值為24.29mg/kg，顯著高于全國土壤銅濃度背景值（22.60mg/kg），但未超過銅元素的累積臨界值（37.45mg/kg）。在5種不同土地利用類型中，銅含量由高到低的順序為：菜地>階地耕地>坡耕地>荒地>林地。與全國土壤銅背景值相比，5種土地利用類型的土壤銅含量都顯著增加，出現一定的累積。endprint