吉林省黑土區土壤重金屬元素的生物有效性轉化效率特征及相互關系

王柳茜++余丹++王冬艷++李文博

摘要：在吉林省黑土區系統野外調查、土壤樣品采集和測試分析的基礎上，以土壤重金屬有效系數為重金屬生物有效性轉化效率的評價指標，采用主成分分析法（PCA）對研究區土壤中元素生物有效性的轉化效率特征及相關性進行研究。結果表明，研究區農田生態系統中，土壤重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等元素的轉化效率之間存在極顯著正相關關系，土壤重金屬各元素有效態轉化效率的空間變化趨勢基本一致；研究區土壤中磷（P）與Cr、Cd、Zn、Ni元素轉化效率指標間呈極顯著正相關，其轉化程度與重金屬元素的轉化程度基本一致；研究區鈣（Ca）與Cr、Zn、Ni元素轉化效率間呈極顯著負相關，與Cd呈顯著負相關，其轉化程度與部分重金屬元素的轉化程度呈相反趨勢。

關鍵詞：吉林省；黑土區；土壤重金屬；生物有效性；轉化效率；相互作用

中圖分類號： X53文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0274-05

糧食安全是我國目前耕地利用中的重要問題，不僅是數量安全，質量安全也不容忽視。土壤重金屬污染具有毒性強、殘留時間長、難以徹底清除等特點[1]，在破壞土壤環境的同時間接影響土壤肥力，是耕地數量減少、耕地質量下降的主要原因之一[2]，威脅著糧食產量和質量安全。現有的土壤污染評價方法及相關標準是以土壤中重金屬全量為依據的，有研究表明，土壤中理化性質活潑、能為植物迅速吸收與同化，并對環境產生危害的主要是重金屬有效態[3-4]，其直接威脅土壤的生態環境安全，影響作物生長，同時通過食物鏈循環間接危害人體健康。因此，土壤重金屬有效態含量及其轉化效率成為評價重金屬生物有效性的主要參數指標，研究土壤重金屬的生物有效性成為重金屬污染研究的趨勢。

影響土壤重金屬有效態轉化的因素很多，元素之間的交互作用是其中之一[5-6]。目前，對元素交互作用的研究主要通過盆栽植物模擬試驗，利用土壤元素全量和植物體的元素積累量變化來判斷元素間是否存在互作[7-8]，這一定程度上可揭示元素間的作用規律，對自然生態系統中重金屬元素，尤其是其生物有效性間交互作用規律的認識、土地科學利用、土壤重金屬污染防治、糧食品質安全保證更具有實際意義。本研究在吉林省中部黑土區進行系統野外調查、土壤樣品采集和測試分析的基礎上，從土壤地球化學角度出發，以土壤重金屬有效系數（土壤中元素有效態含量與元素全量的比值）為重金屬生物有效性轉化效率的評價指標，采用主成分分析法（PCA），選擇鉻（Cr）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、砷（As）為重金屬元素組，磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、硼（B）為營養元素組，分析重金屬元素之間、營養元素與重金屬元素間生物有效性的轉化效率特征與相互關系，為科學認識土壤重金屬污染、合理利用土地、保證糧食質量安全提供元素地球化學證據。

1材料與方法

1.1樣品采集

研究區位于吉林中部玉米產區，包括梨樹縣-公主嶺市（東遼河流域）、九臺區-德惠市（松花江流域）、榆樹市-扶余縣（松花江流域）3個工作區，土壤類型主要以黑土、黑鈣土等為主（圖1）。采樣地塊選擇具代表性土壤類型的農田，刮去地表雜物，取距地表0～30 cm的土壤；每采樣地塊隨機選擇4～6個點，取等量耕作層土壤混合，“四分法”混勻，封存。梨樹縣-公主嶺市工作區、九臺區-德惠市工作區、榆樹市-扶余縣工作區分別采集27、20、15份土壤樣品，共計采集62份樣品。采樣時間為2016年5月。

1.2測量內容和方法

采用酸堿法測定土壤pH值，并根據不同的土壤pH值，依據林業土壤測試標準LY/T 1260—1999《森林土壤有效銅的測定》、LY/T 1261—1999《森林土壤有效鋅的測定》、LY/T 1262—1999《森林土壤有效鐵的測定》采取相應的浸提方法。堿性土壤中，P用0.5 mol/L NaHCO3溶液提取；K、Ca、Mg用1.0 mol/L NH4Ac溶液提取；B用沸水提取；As、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Zn用0.005 mol/L DTPA-0.01 mol/L CaCl2-0.1 mol/L TEA溶液提取。酸性土壤中，P用0.03 mol/L NH4F-0.25 mol/L HCl溶液提取；K、Ca、Mg用1.0 mol/L NH4Ac溶液提取；B用沸水提取；As、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Zn用0.1 mol/L HCl溶液提取。As含量采用氫化物-原子熒光光譜法（HG-AFS）測定；P、K、Ca、Mg、Fe、B含量采用等離子體光譜法（ICP-OES）測定；Cd、Cr、Cu、Ni、Zn含量采用等離子體質譜法（ICP-MS）測定。

1.3研究方法

采用主成分分析法[10]、相關分析法分析吉林省黑土區土壤重金屬元素的生物有效性轉化效率特征及相互關系。

2結果與分析

2.1土壤元素的轉化效率

為研究各元素間轉化效率的相互變化規律，將土壤中元素有效態含量與元素全量（表1）的比值即生物可利用性系數K[11]作為土壤元素有效系數，即土壤轉化效率指標。試驗數據經K-S檢驗，剔除異常值，由表2可見，研究區Ca、Cd的有效系數均值相對較高，分別為43.99%、34.42%，As、Cr、Fe的有效系數均值較低，分別為0.19%、0.53%、0.40%，其他元素有效系數均值分布在1%～10%之間；K、Mg的有效系數變異系數小于20%，呈弱變異，其有效性在研究區內變化不大，Cd、Cu、Ca、B的有效系數變異系數在20%～50%之間，呈中等變異，As、Cr、Ni、Zn、P、Fe的有效系數變異系數大于50%，呈強變異，其有效系數在研究區內的變化較大。

2.2土壤元素的生物有效性主成分分析

由表3可見，在研究區由初始特征值選取4個主成分，這4個主成分對各種元素指標的解釋方差貢獻率分別為 41.53%、19.63%、11.37%、8.83%，累積貢獻率達到 81.35%。利用最大方差法對初始主成分矩陣進行因子旋轉，由表4可見，元素Cr、Cd、Zn、Ni、P、Ca受4種主成分因素的影響程度較為相近。因此，選擇Cd、Cr、Ni、Zn、P、Ca進行相關分析。由表5可見，Cd、Cr、Ni、Zn等4種重金屬元素有效系數間呈極顯著正相關；P有效系數與重金屬元素Cd、Cr、Ni、Zn的有效系數呈極顯著正相關，Ca有效系數與Cr、Zn、Ni有效系數呈極顯著負相關，與Cd呈顯著負相關。為呈現Cd、Cr、Ni、Zn、P、Ca這6種土壤元素生物有效性在空間上的變異

規律，采用自然斷點法將各元素有效系數劃分為5級，得到土壤元素有效系數在研究區的空間分布變異規律，由圖2可見，梨樹縣-公主嶺市、榆樹市-扶余縣2個工作區土壤重金屬Cd、Cr、Ni、Zn的轉化效率相對較高，而九臺區-德惠市的轉化效率較低；梨樹縣-公主嶺市、榆樹市-扶余縣工作區P的有效系數相對較高，而九臺區-德惠市的有效系數相對較低；梨樹縣-公主嶺市、榆樹市-扶余縣工作區Ca的有效系數相對較低，而九臺區-德惠市的有效系數相對較高，Ca與4種重金屬元素的有效性變化呈明顯相反趨勢。

3結論與討論

3.1土壤重金屬元素間轉化效率的關系

試驗表明，土壤重金屬元素Cr、Cd、Zn、Ni的全量值在研究區內變化不大，有效態含量多呈強變異性，其有效系數間呈

極顯著正相關；梨樹縣-公主嶺市、榆樹市-扶余縣2個工作區土壤重金屬Cd、Cr、Ni、Zn的轉化效率相對較高，而九臺區-德惠市的轉化效率較低。在重金屬有效性的地球化學變異規律上，研究區土壤重金屬各元素有效態轉化效率的空間變化趨勢基本一致，一種重金屬元素轉化效率的提升通常伴隨其他重金屬元素轉化效率的升高，這一轉化效率特征為“土壤-植物”系統重金屬的交互作用提供了地球化學證據。

另外，Cd可以促進植物對其他重金屬元素的吸收[12-15]，尤其是Cd、Zn之間呈明顯的協同作用[16]。本研究結果表明，土壤中Cd元素的有效系數與其他重金屬元素有效系數呈極顯著正相關，土壤中Cd元素的轉化效率與其他重金屬之間的轉化密切相關，呈明顯的協同作用。

3.2土壤營養元素與重金屬元素轉化效率的關系

3.2.1P與重金屬元素Cr、Cd、Zn、Ni轉化效率的關系有研究表明，土壤施入磷肥，會造成Pb、Cd在內的重金屬生物有效性降低[20]。另有學者認為，磷肥中的陽離子可能會與重金屬離子間產生競爭吸附，使其解吸量增加，從而使重金屬的有效性增加[21-22]。這種差異可能與P對重金屬的有效性影響和不同的土壤環境、元素形態、自身特性有關[5]。本研究結果顯示，研究區P全量值變化不大，有效態含量呈強變異性，其有效系數與4種重金屬元素生物有效系數間呈顯著正相關；梨樹縣-公主嶺市、榆樹市-扶余縣工作區P的有效系數相對較高，而九臺區-德惠市的有效系數相對較低，P與重金屬有效系數的空間變化基本一致，P轉化效率的提升通常伴隨重金屬元素轉化效率的升高。施用P肥可能會引起土壤重金屬元素的生物有效性增加，從而引起作物遭受土壤重金屬污染的風險。3.2.2Ca與重金屬元素Cr、Cd、Zn、Ni轉化效率的關系Mg、Ca具有調節植物體內滲透壓和維持植物代謝平衡的作用，可促進植物對營養元素的吸收，而重金屬的存在可能會對這種平衡產生影響[23]。有研究表明，在黃土性土壤中，Ca、Mg濃度升高，會增加土壤對Cr、As的吸附，使土壤對重金屬污染的凈化能力有所提高[24]；鈣濃度的增加會降低挪威云杉體內的Cd積累[25]。本研究結果顯示，Ca全量值在研究區內呈中等變異，有效態含量呈強變異，其有效系數與Cr、Zn、Ni有效系數呈極顯著負相關，與Cd呈顯著相關；梨樹縣-公主嶺市、榆樹市-扶余縣工作區Ca的有效系數相對較低，而九臺區-德惠市的有效系數相對較高，Ca與4種重金屬元素的有效性變化呈明顯相反趨勢，即Ca元素轉化效率的提升可抑制土壤中重金屬元素生物有效性的轉化，從而降低重金屬污染風險。

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