林田改茶土壤重金屬垂直變化及影響因素

盧妙婷，葉宏萌，胡家朋，張見明，蘇麗鰻，盧茜羽

（武夷學院 生態與資源工程學院，福建省生態產業綠色技術重點實驗室，福建 武夷山 354300）

土壤重金屬的污染問題是近年來土壤污染調研中最為關注的理化指標，也是土壤污染治理的重點[1]。不同區域地質背景、土壤母質、土地利用方式、氣候條件、植被類型、施肥管理等多方面影響，土壤重金屬的含量分布具有明顯的空間差異性[2-4]。其中，土地利用表征了自然條件和人為活動的綜合指標[5]，從土地利用類型細化測試與評估土壤重金屬含量變異特征，可以為城市規劃設計和土壤綜合利用提供參考依據。

當前有關研究集中于區域性耕地[6-8]或糧食主產區[9]的土壤重金屬的污染監測與評價。茶作為全球消費最大的非酒精飲料之一，是我國重要的經濟作物，其土壤重金屬污染已屢見報道[10-11]。近年來，在茶園面積擴展背景下，林地、耕地（水田）常被改成茶園（對應可以稱為“山茶”和“田茶”），而它們之間的重金屬含量分布的對比特征研究的報道鮮見。

武夷山植茶歷史悠久，是中國茶——武夷亞種的原產地，也是烏龍茶和紅茶的發源地[12]。對該茶區表層土壤重金屬（鎘和汞為主）含量超標已多次報道[10,12,13,14]。因此，隨著生態茶園的建設，對其茶園重金屬的污染防治已經提上日程。部分茶區盲目的面積擴展已被嚴格禁止，但是，已有研究僅限于茶園表層土壤的重金屬含量分布，對垂向剖面的重金屬含量及風險評價缺乏。針對研究區林田改茶可能會導致的土壤重金屬含量變化的影響不得而知，尤其是道路兩側的茶園和林、田土壤重金屬的垂向分布差異如何尚有待進一步研究。聚焦武夷山市道路兩側林地、山茶、田茶和水田土壤重金屬的垂向變化，探討分析他們之間的差異以及影響因素，對不同土地利用類型土壤重金屬的資料累積和生態茶園建設提供科學參考。

1 研究區概況

武夷山市位于福建省西北部，總面積2813 km2，擁有豐富的生物資源、森林資源及種質資源等。該市作為中國茶——武夷亞種的原產地，也是烏龍茶和紅茶的發源地；區域內土壤包括紅壤、黃壤，水稻土等多種類型，并以紅壤為主。武夷巖茶為中國傳統名茶，茶產業是武夷山的特色產業、支柱產業和富民產業。千余年來，武夷山茶園面積呈遞增態勢，近年來茶區盲目的面積擴展已被嚴格禁止，同時強化生態保護。現有茶園面積近15 萬畝，其中生態茶園示范面積累計超3 萬畝。隨著生態茶園的建設，對其茶園重金屬的污染防治已經提上日程。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

2021 年4 月，于武夷山市區海拔為200～260 m范圍內，選擇道路兩側的山茶、田茶、林地、水田四種不同土地利用類型樣地，各土地利用類型土壤樣地3個，合計12 個樣地。每個樣地按照梅花形布點法，并利用原狀取土鉆采集0～60 cm 柱狀土壤樣品，以10 cm進行分層，同層樣品混勻。土壤剖面樣品合計72 個，密封裝袋，貼上標簽。采樣點具體信息見表1。

表1 研究區不同土地利用類型采樣點信息Tab.1 Sampling point information of different land use types in the study area

2.2 實驗測試與方法

將采集的土壤樣品帶回室內，撿去土壤中的石礫、植物根系以及其他雜物后，自然風干。土壤樣品風干后按照四分法進行縮分、研磨。其中，過20 目尼龍篩后進行pH 值和粒徑指標的測試；過100 目尼龍篩后測試土壤碳、氮、磷和重金屬指標。

土壤基本理化性質中，粒徑利用Bettersize2600E型激光粒度分布儀（濕法）進行測量，不同粒徑分級的標準為：黏粒≤5 μm、5 μm＜粉粒≤50 μm、50 μm＜砂礫≤1000 μm，D50 為平均粒徑；總有機碳（TOC）采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，總氮（TN）采用凱氏定氮法測定，總磷（TP）采用堿熔-抗鉬銻分光光度法[15]。

土壤重金屬含量的分析測試工作由安徽省地質實驗研究所實驗測試中心承擔。其中，元素Cu、Zn、Pb、Cr 和Cd 含量采用IRIS Advantage 等離子體發射光譜儀測定，Hg 和As 含量采用XGY1011 型原子熒光光譜儀測定，各元素標準樣品采用國家標準物質中心提供的土壤標準樣品，加標回收率控制在90%-110%[14]。

2.3 評價參考標準

評價參考標準引用GB 15618—2018 《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》[16]及福建省土壤環境背景值[17]，見表2。

表2 評價參考標準Tab.2 Evaluation reference standard

2.4 數據處理

數據統計采用統計軟件Excel 進行，含量分布圖采用Origin 2019b 進行繪制，相關性分析采用SPSS軟件分析。

3 實驗結果與分析

3.1 土壤基本理化性質

研究區不同土地利用類型土壤基本理化性質，從粒徑分級角度來看，研究區四種土地利用類型的D50均值大小關系為：林地（98.41 μm）＞水田（33.53 μm）＞田茶（31.04 μm）＞山茶（26.86 μm）。不同土地利用類型中的土壤顆粒組成均以粉粒為主，山茶、田茶、林地和水田土壤的粉粒質量分數依次為50.68%、44.54%、41.88%和46.62%。此外，山茶土壤中黏粒的質量分數最高，分數為24.56%；砂粒的分數最小，為22.96%，這剛好解釋了其土壤D50 最小。而田茶、林地、水田的黏粒的質量分數分別為17.20%、18.66%、17.45%，砂礫則依次為38.03%、35.92%、34.24%。從整體來看，整個研究區土壤樣品中田茶、林地和水田土壤的顆粒組成以粉粒為主，黏粒次之，砂礫最少。這與已有報道一致，也反映南方紅壤為主地區的土壤整體結構性狀[18]。從土壤酸度比較而言，研究區山茶、田茶、林地和水田土壤pH 值的范圍分別為4.75～4.91、4.92～5.57、4.75～4.99、5.05～5.48，平均值依次為4.48、5.12、4.87、5.17，表明研究區土壤樣品皆呈較強的酸性。其中，山茶與林地土壤pH 值的數值最為接近，田茶和水田土壤pH的數值基本相同，一定程度上反映了不同土地利用類型土壤酸化具有一定的速率，而且土壤母質、地理位置、地形地勢、人類活動等也在一定程度上影響著土壤的酸化速率[19]，詳見表3。

表3 研究區不同土地利用類型基本理化性質Tab.3 Basic physical and chemical properties of different land use types in the study area

不同土地利用類型土壤剖面的碳、氮、磷含量平均值的比對而言，研究區水田TOC 質量比最高，均值為0.91 mg/kg；田茶土壤TOC 質量比最低，均值為0.78 mg/kg。山茶、田茶、林地、水田土壤TN 質量比的范圍分別為687.33～1264.00、540.00～1086.33、451.00～1086.67 和567.33～1458.00 mg/kg，平均值分別為888.00、811.56、671.22 和871.28 mg/kg。其中，林地TN 質量比遠小于其他三種土地利用類型。不同土地利用類型土壤TP 質量比均值大小關系為：山茶（410.73 mg/kg）＞田茶（374.29 mg/kg）＞林地（352.76 mg/kg）＞水田（301.19 mg/kg）。整體而言，山茶和田茶土壤中的TN、TP 質量比較高，明顯受到茶農的施肥累積影響；林地基本不施肥，在柱狀樣中養分含量整體較低。由此可見，一定區域范圍內的土地利用類型是表征該區域人為和自然整體影響的綜合指標[5]。

3.2 土壤重金屬總量分布特征

根據研究區內不同土地利用類型重金屬元素的總量統計結果（表4）來看，不同土地利用類型土壤中各類重金屬元素質量比的均值大小關系為：Zn＞Pb、Cr＞Cu、As＞Hg＞Cd。這一順序與元素的地球化學背景值密切相關，也在一定程度上受到人類活動的影響[20]。其中，Cr、Cu 和As 元素在山茶土壤累積質量比最高，均值分別為37.45、14.19 和8.74 mg/kg；Zn、Cd 元素在田茶土壤累積達到最高，均值分別為76.76、0.08 mg/kg；Pb元素在林地中累積最多，為39.54 mg/kg；Hg 元素在水田中質量比最高，均值為0.09 mg/kg。不同重金屬元素在土地利用類型土壤中最低平均值出現規律為，Cr 和Cu 元素在林地中質量比最低，均值為12.12 和4.47 mg/kg；Zn和As 元素在水田中質量比最低，為60.70 和5.19 mg/kg；Cd、Pb、Hg 元素在山茶中質量比最低，為0.05、29.03 mg/kg和0.08 mg/kg。同時，山茶中Zn 和Pb 元素的變異系數較大，分別為50.71%和42.66%，反映出研究區道路兩側山茶土壤中Zn 和Pb 元素來源可能較為復雜，例如，茶農施肥、道路交通、人為活動干擾等多因素[21]。

表4 研究區不同土地利用類型重金屬元素總量Tab.4 Total amount of heavy metal elements in different land use types in the study area

3.3 土壤重金屬元素垂向分布及污染分析

為了解研究區土壤重金屬質量比的垂向分布及污染狀況，將文中重金屬垂向各剖面質量比與福建省土壤環境背景值[17]進行比較分析，結果見圖1。

圖1 重金屬元素總量垂向變化趨勢Fig.1 Vertical trend of the total amount of heavy metal elements

由圖可知，研究區山茶土壤Cr、Cu 和As 含量遠高于其他三種土地利用類型，主要是因為其土壤20～30 cm剖面處的Cr、50～60 cm 處的Cu 以及整個剖面范圍的As含量均值分別為43.15、25.69 和8.74 mg/kg，明顯高于福建省土壤環境背景值（41.3、21.6 和5.78 mg/kg）[17]，說明山茶土壤具有明顯的As 累積現象，應引起重視。對于Zn元素而言，淺層（0～40 cm）質量比高于深層（40～60 cm）質量比，說明近年來研究區表層土壤Zn 元素具有持續積累的趨勢，但0～60 cm 范圍內各剖面Zn 質量比皆低于福建省土壤環境背景值（82.7 mg/kg）[17]且遠低于GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（數值為200 mg/kg）[16]，表明現階段Zn 元素的累積量尚未構成明顯污染。田茶在0～60 cm 整個垂向范圍內，其Cd 質量比明顯高于福建省土壤環境背景值（0.054 mg/kg）[17]，且在所有元素中Cd 元素超標點位最多，且變化較為復雜，應該引起重視，并進一步調查分析其原因和形成機理；與此同時，水田表層（0～10 cm）Cd 質量比均值為0.14 mg/kg，遠高于其他三種土地利用類型，但深層（50～60 cm）質量比（0.04 mg/kg）卻是同深度剖面范圍的最低值，說明水田中Cd 質量比垂向變異大且主要累積于水田淺層，垂向遷移作用弱。Pb 質量比在林地0～60 cm 范圍內，均高于福建省土壤環境背景值（34.9 mg/kg）[17]并且高于其他三種土地利用類型，且淺層（0～30 cm）質量比高于深層（30～60 cm）質量比。這一現象很可能是因為采集的林地土壤樣品屬于道路兩側，對交通排放廢棄物中的Pb 累積較大。不同土地利用類型的土壤樣品中Hg質量比總體臨近或高于福建省土壤環境背景值（0.081mg/kg）[17]，但尚低于GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（數值為水田：0.5 mg/kg，其他：1.3 mg/kg）[16]。

整體而言，研究區72 個土壤剖面樣品中，Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg 元素分別有16.7%、4.1%、6.9%、55.6%、31.9%、44.4%、54.2%超過福建省土壤背景值[17]，但是尚未超出GB 15618—2018 的風險限值（除山茶土壤深層（50～60 cm）的一個樣品的Cu 元素超出風險篩選限值50 mg/kg）[16]。由此可見，研究區市區道路兩側的農用地（茶園和水田）和林地土壤0～60 cm 剖面范圍內的重金屬污染情況并不嚴重，但是Cd、Hg 元素超過福建省土壤環境背景值[17]的樣品比例較多，應引起重視。

3.4 土壤重金屬含量累積的影響因素分析

研究區土壤重金屬含量與其他理化性質的相關性分析結果見表5。

表5 土壤重金屬含量與其他基本理化性質的相關性分析Tab.5 Correlation analysis between soil heavy metal content and other basic physical and chemical properties

不同重金屬元素之間，Cr 和Cu、Cr 和As、Cu 和As 呈顯著正相關，相關系數分別為0.794、0.678、0.590，說明這幾種元素存在一定的共同來源。Cr 和Pb、Cu 和Pb、Cd 和As、Pb 和As 呈顯著負相關，相關系數分別為-0.542、-0.469、-0.536、-0.570，說明了它們之間來源的差異性。

土壤粒徑對不同種類重金屬的影響不同，其中，Cr 與粉粒、砂礫，Cu 與砂礫，Cd 與D50，Pb 與黏粒、D50，As 與粉粒、砂礫呈顯著正相關，表明土壤粉粒、砂礫組分越多很可能越容易累積土壤中的Cr、Cu、As 元素；而Cr 與黏粒、D50，Cu 與黏粒、D50，Cd 與粉粒，Pb 與粉粒、砂礫，As 與D50，Hg 與粉粒呈顯著負相關。

重金屬與其他理化性質的相關關系中，Zn 和TP，Cd 和TOC、TN 呈顯著正相關，說明了土壤磷的來源對Zn 的吸附起著正效應，土壤有機質的主要來源也增加了Cd 的質量比[22-23]。此外，As 和pH 呈顯著負相關，說明酸化會增加土壤As 的吸附或滯留。這與上文山茶土壤pH 最小，As 富集含量最大相符。

整體來看，粒徑對研究區內土壤重金屬含量影響較為顯著，了解研究區土壤風化和粒徑組成，可以一定程度上了解該區域土壤的養分及重金屬污染特征。除了上述土壤基本理化性質對土壤重金屬含量有影響外，不同土地利用的植被栽植方式、密度、年限以及施肥量和頻次等農耕措施都會影響到土壤重金屬的來源、遷移和累積。因此，今后的研究還應該進一步細分農耕措施和人為活動差異，加深不同土地利用類型土壤重金屬含量差異的原因挖掘。

4 結論

（1）對研究區內土壤基本理化性質而言：研究區內林地的D50均值最高，山茶的D50均值最低；不同土地利用類型的土壤顆粒組成均以粉粒為主，且呈較強的酸性；TOC 含量水田最高，山茶和田茶土壤中的TN、TP 含量都較高，林地中整體養分含量較低。

（2）對研究區內土壤重金屬總量而言：四種土地利用類型土壤中各類重金屬元素含量的均值大小整體規律為：Zn＞Pb、Cr＞Cu、As＞Hg＞Cd。其中，Zn 在田茶土壤累積最高，水田最低；Pb 元素在林地中累積最多，山茶則最低；Cr 和Cu 在山茶土壤累積質量比最高，林地中含量最低；As 元素在山茶土壤累積質量比最高，水田中質量比最低；Hg 元素在水田中質量比最高，山茶則最低；Cd 元素在田茶土壤最高，山茶則最低。

（3）土壤重金屬垂向分布情況可知，各土地利用類型土壤Zn 元素近年來有持續積累的趨勢，但尚未構成污染風險；山茶土壤As 具有明顯的累積現象，應引起重視。整體而言，研究區市區道路兩側的農用地（茶園和水田）和林地土壤0-60 cm 剖面范圍內的重金屬污染情況并不嚴重（基本未超出GB 15618—2018[16]的風險限值），但是Cd、Hg 元素超過福建省土壤環境背景值[17]的樣品比例較多，應引起重視。

（4）土壤重金屬含量與其他理化性質的相關性分析說明：Cr 和Cu、Cr 和As、Cu 和As 之間存在一定的共同來源。同時，粒徑分級和D50指標與多數重金屬元素有顯著相關性，說明土壤粒徑結構對重金屬質量比影響較顯著。土壤中磷的來源對Zn 元素的吸附起著正效應，土壤有機質也增加了Cd 質量比，土壤的酸化會增加As 元素的吸附或滯留。