南方酸性红壤区不同种植方式土壤重金属的生物有效性

doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2021.12.008

摘要/Abstract

摘要： 测定了南方酸性红壤区5种农业种植方式（旱地、水田、果园、茶园和竹林）土壤重金属及其不同形态含量，借助潜在生态风险指数（RI）法、风险评估指数（RAC）法和次生相与原生相分布比值（RSP）法对土壤重金属的生态风险进行评估。结果表明，土壤中镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）和镍（Ni）的含量分别为0.080~0.290、0.078~0.150、1.54~6.90、39.13~91.30、20.35~73.98、15.03~40.81 mg/kg。Cd、Pb、Hg含量在旱地土壤中最高，As含量在茶园土壤中最高，Cr、Ni含量在竹林土壤中最高。除旱地土壤Pb外，其他重金属含量均未超出农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018）筛选值。Cd、Pb、Ni含量均超出福建省元素背景值，超标倍数排序为Cd˃Ni˃Pb˃Hg˃Cr˃As，Cd超标最严重。土壤中Cd以离子交换态为优势态，表现为水田（50.56%）˃旱地（44.14%）˃果园（38.64%）˃竹林（37.62%）˃茶园（36.25%）。RI值表现为旱地（270.70）>果园（201.98）>竹林（194.09）>水田（171.92）>茶园（107.05）。RI平均值为189.15，处于中等生态风险危害级别，Cd是主要生态风险贡献因子。RAC评价结果表明，土壤中Cd处于高（果园、茶园和竹林）—极高（旱地和水田）风险水平，Pb处于低—中风险水平，Hg、As、Cr、Ni为低风险水平。RSP评价结果显示，旱地、水田和竹林土壤中的Cd及果园土壤中的As为重度污染，茶园和果园土壤中的Cd及竹林土壤中的Hg为中度污染，旱地和水田土壤中的As为轻度污染。Cd是研究区最易迁移转化的生态风险因子，需采取必要的防控措施。

关键词: 南方酸性红壤区, 种植方式, 土壤, 重金属, 形态, 生物有效性

Abstract: The contents of heavy metals and different speciation in soils of five agricultural planting modes（dryland，paddy field，orchard，tea garden，bamboo forest）were determined in acid red soil zone of southern China. The ecological risk of soil heavy metals was evaluated using potential ecological risk index（RI），risk assessment code（RAC）and the ratio of secondary phase to primary phase（RSP）.The results showed that the concentrations of Cd，Hg，As，Pb，Cr and Ni in the soil of the study area were 0.080—0.290， 0.078—0.150， 1.54—6.90， 39.13—91.30， 20.35—73.98， 15.03—40.81mg/kg，respectively. The contents of Cd，Pb and Hg in dryland soil were the highest，the content of As in tea garden soil was the highest，and the contents of Cr and Ni in bamboo forest soil were the highest.The contents of different heavy metals，except for Pb in dryland soil，were lower than the screening value of risk control standard of soil contamination in agricultural land（GB 15618—2018）.The contents of Cd，Pb and Ni exceeded the soil background values of Fujian Province，exceeding multiple decreased in the order of Cd˃Ni˃Pb˃Hg˃Cr˃As，and the accumulation of Cd was the most severe. The predominant speciation of Cd was the ion exchangeable fraction，showing paddy field（50.56%）˃ dryland（44.14%）˃ orchard（38.64%）˃ bamboo（37.62%）˃ tea garden（36.25%）.RI value from high to low was dryland（270.70）>orchard（201.98）>bamboo forest（194.09）>paddy field（171.92）>tea garden（107.05）.The average value of RI was 189. 15，which belonged to medium ecological hazard on the whole，and Cd was the major ecological risk contributing factor. The results of RAC estimation showed that Cd belonged to high（orchard，tea garden and bamboo forest）to very high（dry land and paddy field）risk level，Pb belonged to low to medium risk level，and Hg，As，Cr and Ni belonged to low risk level.The results of RSP evaluation showed that Cd in dryland，paddy field and bamboo forest，and As in orchard were at heavy pollution level，Cd in tea garden and orchard，and Hg in bamboo forest were at moderate pollution level，and As in dryland and paddy field was at slight pollution level.Cd is the most easily translocated ecological risk factor in the study area，so necessary prevention and control measures should be taken.

Key words: Acid red soil zone of Southren China, Planting type, Soil, Heavy metal, Speciation, Bioavailability

中图分类号:

X53
S154.4

李灵, 张玉, 翁建凤, 赵敏, 曹顶慧. 南方酸性红壤区不同种植方式土壤重金属的生物有效性[J]. 河南农业科学, 2021, 50(12): 68-77.

LI Ling, ZHANG Yu, WENG Jianfeng, ZHAO Min, CAO Dinghui. Bioavailability of Soil Heavy Metals under Different Planting Types in Acid Red Soil Zone of Southern China[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2021, 50(12): 68-77.

图/表 6

参考文献

［1］安婧，宫晓双，陈宏伟，等.沈抚灌区农田土壤重金属污染时空变化特征及生态健康风险评价［J］.农业环境科学学报，2016，35（1）：37‐44.
AN J，GONG X S，CHEN H W，et al.Temporal and spatial characteristics and health risk assessments of heavy metal pollution in soils of Shenfu irrigation area［J］.Journal of Agro‐Environment Science，2016，35（1）：37‐44.
［2］宋波，张云霞，庞瑞，等.广西西江流域农田土壤重金属含量特征及来源解析［J］.环境科学，2018，39（9）：4317‐4326．
SONG B，ZHANG Y X，PANG R，et al.Analysis of characteristics and sources of heavy metals in farmland soils in the Xijiang River draining of Guangxi［J］.Environmental Science，2018，39（9）：4317‐4326.
［3］沈洪艳，安冉，师华定，等.湖南某典型流域农用地土壤重金属污染及影响因素［J］.环境科学研究，2021，34（3）：715‐724.
SHEN H Y，AN R，SHI H D，et al.Heavy metal pollution and its influencing factors in agricultural land in a typical
watershed in Hunan Province ［J］.Research of Environmental Science，2021，34（3）：715‐724.
［4］周萍，文安邦，史忠林，等.三峡库区不同土地利用土壤重金属分布特征与污染评价［J］.农业机械学报，2017，48（7）：207‐213.
ZHOU P，WEN A B，SHI Z L，et al.Distribution characteristics and pollution evaluation of soil heavy metals of different land use types in Three Gorges Reservoir region［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48（7）：207‐213.
［5］中华人民共和国生态环境部. 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）：GB 15618—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018．
Ministry of Ecological Environment of the People’s Republic of China. Soil environmental quality standard for
risk control of soil pollution in agricultural land （trial implementation）：GB 15618—2018［S］.Beijing：ChinaStandard Press，2018.
［6］陈卫平，杨阳，谢天，等.中国农田土壤重金属污染防治挑战与对策［J］.土壤学报，2018，55（2）：261‐272.
CHEN W P，YANG Y，XIE T，et al.Challenges and countermeasures for heavy metal pollution control in farmlands of China［J］.Acta Pedologica Sinica，2018，55（2）：261‐272.
［7］韦壮绵，陈华清，张煜，等.湘南柿竹园东河流域农田土壤重金属污染特征及风险评价［J］.环境化学，2020，39（10）：2753‐2764.
WEI Z M，CHEN H Q，ZHANG Y，et al.Pollution characteristics and risk assessment of heavy metals in farmland soils at Shizhuyuan Donghe River basin of Southern Hunan［J］.Environmental Chemistry，2020，39（10）：2753‐2764.
［8］来雪慧，刘子婧，闫彩，等.太原市郊区农田土壤重金属的形态特征及其风险分析［J］.山东农业大学学报（自然科学版），2020，51（2）：242‐248.
LAI X H，LIU Z J，YAN C，et al.Morphological characteristics and risk analysis of heavy metals in farmland soil in the suburb of Taiyuan［J］.Journal of Shandong Agricultural University （Natural Science Edition），2020，51（2）：242‐248.
［9］朱侠.铅锌矿区及农田土壤中重金属的化学形态与生物有效性研究［D］.北京：中国科学院大学，2019．
ZHU X .Chemical speciation and bioavailability of heavy metals in soils of lead‐zinc mining area and farmland［D］.Beijing：University of Chinese Academy of Sciences，2019.
［10］KESHAVARZI A，KUMAR V.Spatial distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in agricultural soils of Northeastern Iran［J］.Geology，Ecology，and Landscapes，2020，4（2）：87‐103.
［11］YANG Q Q，LI Z Y，LU X N，et al.A review of soil heavy metal pollution from industrial and agricultural regions in China：Pollution and risk assessment［J］.Science of the Total Environment，2018，642：690‐700.
［12］冯艳红，郑丽萍，应蓉蓉，等.黔西北炼锌矿区土壤重金属形态分析及风险评价［J］.生态与农村环境学报，2017，33（2）：142‐149.
FENG Y H，ZHENG L P，YING R R，et al.Forms of heavy metals in soils of zinc mining area in Northwestern Guizhou Province and their environmental risks［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2017，33（2）：142‐149.
［13］赵阿娟，李宏光，杨虹琦，等.不同类型及耕种模式土壤重金属形态特征分析［J］.核农学报，2015，29（11）：2178‐2183.
ZHAO A J，LI H G，YANG H Q，et al.Analysis on morphology characteristic of heavy metals in the different soil types and cultivation modes［J］.Journal of Nuclear Agricultural Sciences， 2015， 29 （11）：2178‐2183.
［14］LUO Q．Proceedings of the 2009 international conference on environmental science and information application technology［M］.Washington：IEEE Computer Society，2009：70‐72．
［15］李灵，张玉，连艳雪，等.武夷山市公路路面沉积物重金属污染与评价［J］.云南农业大学学报，2015，30（6）：916‐923．
LI L，ZHANG Y，LIAN Y X et al.Pollution and assessment of heavy metals in roadside pavement sediment of Wuyishan City［J］.Journal of Yunnan Agricultural University，2015，30（6）：916‐923.
［16］陈振全，陈春秀，刘用清，等.福建省土壤元素背景值及其特征［J］.中国环境监测，1992，8（3）：107‐110.
CHEN Z Q，CHEN C X，LIU Y Q，et al.Element background values and its characteristics in Fujian soil［J］.Environmental Monitoring，1992，8（3）：107‐110.
［17］徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算［J］.环境科学与技术，2008，31（2）：112‐115.
XU Z Q，NI S J，TUO X G，et al.Calculation of heavy metals toxicity coefficient in the evaluation of potential ecological risk index［J］.Environmental Science &Technology，2008，31（2）：112‐115.
［18］JAIN C K.Metal fractionation study on bed sediments of River Yamuna，India［J］.Water Research，2004，38（3）：569‐578．
［19］霍文毅，黄风茹，陈静生，等.河流颗粒物重金属污染评价方法比较研究［J］.地理科学，1997，17（1）：81‐86．
HUO W Y，HUANG F R，CHEN J S，et al.Comparative study of assessment method for river particulate heavy
metal pollution［J］.Scientia Geographica Sinica，1997，17（1）：81‐86.
［20］马宏宏，彭敏，刘飞，等.广西典型碳酸盐岩区农田土壤-作物系统重金属生物有效性及迁移富集特征［J］.环境科学，2020，41（1）：449‐459.
MA H H，PENG M，LIU F，et al.Bioavailability，translocation，and accumulation characteristic of heavy metals in a soil‐crop system from a typical carbonate rock area in Guangxi，China［J］.Environmental Science，2020，41（1）：449‐459.
［21］赵艳民，秦延文，曹伟，等.洞庭湖表层沉积物重金属赋存形态及生态风险评价［J］.环境科学研究，2020，33（3）：572‐580.
ZHAO Y M，QIN Y W，CAO W，et al.Speciation and ecological risk of heavy metals in surface sediments of Dongting Lake［J］.Research of Environmental Science，2020，33（3）：572‐580.
［22］AKCAY H，OGUZ A，KARAPIRE C.Study of heavy metal pollution and speciation in Buyak Menderes and Gediz River sediments［J］.Water Research，2003，37（4）：813‐822.
［23］康智明，王彬，祝文烽，等.福建省明溪县农地土壤重金属的空间分异和潜在生态风险评价［J］.福建农林大学学报（自然科学版），2015，44（2）：212‐218.
KANG Z M，WANG B，ZHU W F，et al.Spatial variation，ecological risk and environmental pollution assessment of heavy metal of farmland soil in Mingxi County of Fujian Province［J］.Journal of Fujian Agriculture and Forestry University（Natural Science Edition），2015，44（2）：212‐218.
［24］NICHOLSON F A，SMITH S R，ALLOWAY B J，et al.An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales［J］.The Science of the Total Environment，2003，311（1/3）：205‐219.
［25］崔莹，王海邻，李永，等.焦作市城市污泥中重金属的形态分布及生态风险评价［J］.河南农业科学，2014，43（11）：65‐71.
CUI Y，WANG H L，LI Y，et al.Speciation distribution of heavy metals in sewage sludge of Jiaozuo and ecological risk assessment［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2014，43（11）：65‐71.
［26］刘天波，刘友梅，李帆，等.烤烟重金属来源及其治理技术研究进展［J］.河南农业科学，2013，42（2）：7‐10.
LIU T B，LIU Y M，LI F，et al.Progress on source of heavy metals in flue‐cured tobacco and its control［J］.Journal of Henan Agricultureal Sciences，2013，42（2）：7‐10.
［27］LIANG J，FENG C T，ZENG G M，et al.Spatial distribution and source identification of heavy metals in surface soils in a typical coal mine city，Lianyuan，China ［J］.Environmental Pollution， 2017， 225：681‐690.
［28］孙叶芳，邢海，吴卫红，等.磷肥对铅锌矿区土壤-白菜中重金属积累的阻控［J］.浙江大学学报（农业与生命科学版），2017，43（6）：787‐796.
SUN Y F，XING H，WU W H，et al.Control of heavy metal accumulations in soil‐cabbage（Brassica chinensis L.）system of lead/zinc mine tailings using phosphorus fertilizer［J］.Journal of Zhejiang University（Agriculture and Life Sciences），2017，43（6）：787‐796.
［29］孟敏，杨林生，韦炳干，等.我国设施农田土壤重金属污染评价与空间分布特征［J］.生态与农村环境学报，2018，34（11）：1019‐1026.
MENG M，YANG L S，WEI B G，et al.Contamination assessment and spatial distribution of heavy metals in greenhouse soils in China［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2018，34（11）：1019‐1026.
［30］LÜ J S，LIU Y，ZHANG Z L，et al.Identifying the origins and spatial distributions of heavy metals in soils of Ju Country（Eastern China）using multivariate and geostatistical approach［J］.Journal of Soils and Sediments，2015，15（1）：163‐178.
［31］张金彪，黄维南，陈玉森，等.福建省耕地土壤重金属含量和可浸提性研究［J］.应用生态报，2003，14（2）：273‐276.
ZHANG J B，HUANG W N，CHEN Y S，et al.Content and extractability of heavy metals in cultivated soil in Fujian Province［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2003，14（2）：273‐276.
［32］甘婷婷，赵南京，殷高方，等.长江三角洲地区农用地土壤重金属污染状况与防治建议［J］.中国工程科学，2020，22（4）：174‐184.
GAN T T，ZHAO N J，YIN G F，et al.A Review on heavy metal pollution of agricultural land soil in the Yangtze
River Delta and relevant pollution control strategy［J］.Strategic Study of CAE，2020，22（4）：174‐184.
［33］梁玉峰，谭长银，曹雪莹，等.不同土地利用方式下土壤养分和重金属元素垂直分布特征［J］.环境工程学报，2018，12（6）：1791‐1799.
LIANG Y F，TAN C Y，CAO X Y，et al.Vertical distribution of soil nutrient and heavy metals in soil under different land use［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2018，12（6）：1791‐1799.
［34］白玲玉，曾希柏，李莲芳，等.不同农业利用方式对土壤重金属累积的影响及原因分析［J］.中国农业科学，2010，43（1）：96‐104.
BAI L Y，ZENG X B，LI L F，et al.Effects of land use on heavy metal accumulation in soils and source analysis
［J］.Scientia Agricultura Sinica，2010，43（1）：96‐104.
［35］郝汉舟，靳孟贵，李瑞敏，等.耕地土壤铜、镉、锌形态及生物有效性研究［J］.生态环境学报，2010，19（1）：92‐96.
HAO H Z，JIN M G，LI R M，et al.Fractionations and bioavailability of Cu，Cd and Zn in cultivated land［J］.Ecology and Environmental Sciences，2010，19（1）：92‐96.
［36］叶宏萌，李国平，郑茂钟，等.武夷山茶园土壤中五种重金属的化学形态和生物有效性［J］.环境化学，2016，35（10）：2071‐2078.
YE H M，LI G P，ZHENG M Z，et al.Speciation and bioavailability of five toxic heavy metals in the tea garden soils of Wuyishan［J］.Environmental Chemistry，2016，35（10）：2071‐2078.
［37］吴丽娟，任兰，陆喜红，等.南京市农用地土壤中重金属形态特征分析［J］.环境监测管理与技术，2018，30（4）：57‐64.
WU L J，REN L，LU X H，et al.Research on the chemical speciation of heavy metals in agricultural soil in Nanjing［J］.The Administration and Technique of Environmental Monitoring，2018，30（4）：57‐64.

[1]	马宇, 王硕立, 赵曦, 侯冰清, 薛子钟, 张扬, 习红昂, 程玉渊, 时向东, 邢雪霞. 保水剂对豫西南半湿润区雪茄烟田耕层土壤理化性质及烟株生长发育的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(2): 46-55.
[2]	徐春燕, 张倩, 王雅娴, 王红雨, 盛开, 王宜伦. 商品有机肥对砂质潮土理化性状、冬小麦产量及养分积累的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(2): 56-64.
[3]	赵鑫, 陈栋, 郭冠廷, 吴娇娇, 张远东, 龙林梅, 龙明忠, 李晓娜. 贵州石漠化地区生物结皮对土壤氮矿化的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(2): 75-84.
[4]	吴雅芬, 周柳婷, 王义祥, 罗涛, 黄小云, 黄秀声. 牧草的重金属胁迫效应及修复机制研究进展[J]. 河南农业科学, 2024, 53(1): 1-11.
[5]	任志超, 李想, 李先锋, 毋丽丽, 王景, 彭志良, 刘国顺, 殷全玉. 生物炭对黑胫病抗性不同烤烟品种根际土壤真菌群落结构的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(1): 105-115.
[6]	许志敏, 朱峻熙, 熊志秦, 朱佳, 万艳萍, 丁国昌. 铜锌复合胁迫下禾本科观赏草的富集、转运效应评价[J]. 河南农业科学, 2024, 53(1): 116-124.
[7]	余高, 陈芬, 田霞, 卢心, 滕明欢, 谢婉莹. 冬季覆盖对幼龄柑橘园土壤化学性质及酶活性的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(9): 91-101.
[8]	田田, 张风光, 王茂元, 黄洪贵, 秦志清, 赖铭勇, 刘银华, 黄柳婷, 吴妹英. 2 月龄斑鳜形态性状与体质量的相关性研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(8): 126-134.
[9]	张静, 苏胜, 毛伟, 曾洪玉, 仇建荣, 赵海涛. 江苏沿江地区不同地力水平下油菜的肥料效应分析[J]. 河南农业科学, 2023, 52(7): 60-69.
[10]	李善敏, 曾歆花, 黄卫昌, 付浩, 黄清俊. 不同林地类型对白及生长及其内生真菌多样性的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(7): 70-80.
[11]	贾云超, 黄达, 王喜枝, 闫军营, 王立河. 长期定位施氯对3 种质地土壤理化性质及作物产量的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(7): 81-89.
[12]	许豆豆, 贺云新, 李飞, 刘爱玉, 周仲华. 间套作模式在棉田上的研究进展[J]. 河南农业科学, 2023, 52(6): 1-11.
[13]	熊瑞, 张玮, 钟康裕, 周文涛, 欧茜, 王泓睿, 龙攀, 徐莹, 傅志强. 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤物理特性及碳氮含量的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 81-90.
[14]	柴冠群, 杨娇娇, 王丽, 刘桂华, 罗沐欣键, 秦松, 范成五. 活化磷矿粉对土壤镉形态转化和辣椒镉吸收的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 91-98.
[15]	谭攀, 王士超, 谢锦, 蒋高乾, 韩立朴. 暗管排水与秋葵种植协同改良滨海盐土的施肥效应研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 99-109.