环境科学  2022, Vol. 43 Issue (6): 3262-3268   PDF    
西南典型"退耕还林"区土地利用/覆被变化对土壤中硒及重金属含量的影响
刘永林1,2, 刘属灵1,2, 吴梅1,2, 田兴磊3, 刘双燕1,2     
1. 重庆师范大学地理与旅游学院, 重庆 401331;
2. 重庆师范大学GIS应用研究重点实验室, 重庆 401331;
3. 山东省地质科学研究院, 济南 250013
摘要: 人类活动(土地利用)和环境变化(土地覆被变化)对土壤中硒和重金属含量分布具有重要影响."退耕还林"生态工程的实施改变了土地利用/覆被, 为研究土地利用/覆被变化对土壤中硒和重金属影响提供了理想的实验场所.在西南典型"退耕还林"区, 采集了旱地、水田和林地(天然林地和次生林地)的91件表层土壤样品.测定和分析了土壤中硒、重金属、pH和有机质等参数.结果表明: 1研究区表土中ω(Se)(0.42×10-6)、ω(As)(13.0×10-6)和ω(Sb)(1.03×10-6)均值显著高于渝西地区的土壤背景值; 2人工次生林地表土中Se、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量都显著高于旱地, 表明"退耕还林"工程的实施可能会显著影响表土中硒和重金属富集; 3土壤有机质(SOM)含量水平是控制表土中硒和重金属含量差异的重要因子.结果发现土地利用/覆被变化通过影响土壤pH和SOM间接深刻地影响土壤中硒和重金属迁移和富集.
关键词: 土地利用/覆被变化           重金属      有机质      退耕还林     
Effect of Land Use/Land Cover Change on the Concentration of Se and Heavy Metals in Soils from a "Return Cropland to Forest" Area, Southwest China
LIU Yong-lin1,2 , LIU Shu-ling1,2 , WU Mei1,2 , TIAN Xing-lei3 , LIU Shuang-yan1,2     
1. School of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China;
2. Key Laboratory of GIS Application Research, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China;
3. Shandong Institute of Geological Sciences, Ji'nan 250013, China
Abstract: Human activities (land use) and environmental change (land cover change) affect the concentration of Se and heavy metals in soils. The implementation of the "Return Cropland to Forest (RCF)" ecological project has changed the land use and cover, which has provided an ideal experimental area for studying the effects of land use and cover change on selenium (Se) and heavy metals in the soil. In this study, 91 top soil samples from different land use and land cover types, including dry land, paddy land, natural forest land, and secondary forest land, were collected, and the contents of Se, heavy metals, and soil organic matter (SOM) and pH were analyzed. The results showed that: ① the average values of ω(Se) (0.42×10-6), ω(As) (13.0×10-6), and ω(Sb) (1.03×10-6) were higher than the soil background values of western Chongqing. ② The concentrations of Se, Cd, Cr, Ni, Pb, and Zn in soils from secondary forest land were significantly higher than those from dry land soils, suggesting that the Se and heavy metals might have significantly increased in the surface soil after the implementation of the RCF ecological project. ③ The SOM was the key controlling factor for the enrichment and distribution of Se and heavy metals in the top soils. Our results indicated that the land use and land cover change would deeply impact the concentrations of Se and heavy metals in the top soils via influencing the soil properties, especially the SOM.
Key words: land use/land cover change      selenium      heavy metals      soil organic matter      return cropland to forest     

土壤中硒(Se)含量的丰缺程度引起的区域人体健康问题已得到广泛确认[1~6], 而开发富硒土壤资源是解决土壤硒含量分布不均匀的重要途径之一.但随着社会经济的快速发展, 土壤重金属污染问题[7, 8], 已经比较严重.据文献[9], 我国耕地土壤重金属污染状况令人堪忧[7, 9~12].因此, 富硒土壤中硒与重金属含量水平、相互关系及其对人体健康的联合影响, 已越来越受到科学界和政府部门广泛关注[13~17].

土壤中硒和重金属丰缺程度, 同时受到土壤外部因素和内在因素影响[8, 18~21].自然状况下, 成土母质是土壤中硒和重金属的重要来源[18, 22~25], 也主要控制着土壤矿物成分和基本理化性质, 从而间接影响土壤中硒和重金属的迁移和富集.随着土壤发育程度增加, 土壤内部因素(pH值、有机质、微生物和黏粒含量等)对硒和重金属影响快速增加[14, 21, 26, 27].其中土壤pH值和有机质(SOM)对硒和重金属含量分布、迁移转化和富集影响最为广泛和深刻[16, 19, 20, 28].但随着社会经济发展, 人为活动对土壤中硒和重金属含量水平的影响越来越大, 如矿区周边农田土壤中硒和重金属含量增高等[29, 30]; 化肥施用导致耕地土壤中镉(Cd)含量升高[31]等.

土地利用/覆被变化是人为活动的重要体现形式, 也是反映全球环境变化的重要因子, 其对土壤pH值和SOM的含量变化有显著影响[32].因此, 土地利用/覆被变化也可能会通过影响土壤pH和SOM而间接影响土壤中元素迁移转化和富集程度, 如土壤中N、P和K[33, 34].土地利用类型差异对土壤中硒和重金属含量分布的研究较多[13, 26, 31, 33, 35], 但缺乏土地覆被变化对土壤中硒和重金属含量分布的影响研究.自20世纪50年代, 我国开始实行“退耕还林”和“退湖还田”等生态工程, 明显改变了地区的土地利用/覆被.这为广泛而深入地认识土地利用/覆被变化对土壤中硒和重金属含量分布的影响提供了良好的实验场所.为此, 本文主要研究目标有: ①明确土地利用/覆被变化对土壤中硒和重金属含量是否具有差异影响; ②明确土地利用/覆被变化对土壤中硒和重金属含量差异影响的主控因素, 以期为更好地管理和开发富硒土壤资源, 提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

重庆市江津区位于四川盆地东南部, 属亚热带湿润季风气候区, 年均气温18.4℃, 年均降水量1 001 mm.研究区总体地势南高北低, 境内地貌类型分为河谷阶地、丘陵和山地[图 1(b)].其中河谷阶地零星分布在长江沿岸, 丘陵分布在向斜谷地, 山地主要分为背斜低山和倒置中低山[图 1(b)].江津区受到晚白垩世燕山运动第三期影响, 形成多个背斜和向斜平行相间排列.总体构造特点表现为向斜开阔, 背斜紧密.白垩纪(K)地层出露于研究区南部, 岩性为砂岩夹泥岩; 侏罗纪(J)地层出露于背斜两翼和向斜核部, 为研究区出露面积最广的地层, 岩性为泥岩、粉砂岩及砂岩; 三叠纪(T)地层出露于背斜核部, 岩性主要为湖河相碎屑岩和浅海相碳酸盐岩.因此, 研究区成土母岩可分为白垩纪、侏罗纪和中晚三叠世的陆相红色碎屑岩, 与早三叠世的海相碳酸盐岩.其中, 陆相红色碎屑岩面积最广, 为研究区主要成土母岩.

图 1 研究区土壤样点和土地利用分布示意 Fig. 1 Map for soil sampling site and the distribution of land use

重庆市自2000年实施“退耕还林”工程, 而江津区是重庆市退耕还林的重点区县.经过退耕还林工程的实施和社会经济的快速发展, 江津区土地利用/覆被已发生巨大的变化[图 1(c)1(d)], 林地面积由2000年的1 581.74 km2(占比49.21%)增加至2015年的1 771.55 km2(占比55.36%), 对应的耕地面积由1 508.21 km2(占比46.93%)下降至1 231.13 km2(占比38.47%).

1.2 样品采集与化学分析

研究区陆相红色碎屑岩分布广泛, 也是主要农业活动和“退耕还林”区, 因此为减少成土母岩的影响, 仅采集此分布区的土壤样品.为较客观对比“退耕还林”前后表土中硒与重金属含量的差异, 采取以下采样原则: ①就近原则, 即旱地与对应的人工次生林相距近; ②旱地和人工次生林的成土母岩、地形地貌等地理环境相似.江津区共采集91件表层土壤(0~20 cm)样品[图 1(b)], 其中旱地(长期耕作)41件, 水田10件, 林地40件(其中天然林地24件, 次生林地17件).天然林地和次生林地(至少退耕还林5 a以上, 且未施用化肥)通过实地调研和询问当地居民获得具体位置.所有土壤样品在室内自然风干, 剔除土壤中植物根系、小碎石等杂质, 研磨棒打碎土壤团块, 过2 mm孔径筛(10目); 取一定量10目样品, 研磨过0.15 mm孔径筛(100目), 待测.取50 mg 100目土壤样品, 采用氢氟酸、浓硝酸和高氯酸(体积比为3∶3∶1)消解样品.电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定土壤中锌(Zn)和铜(Cu), 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定土壤中镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)和锑(Sb).浓硝酸和高氯酸(体积比5∶1)消解土壤样品, 用氢化物原子荧光光度计(HF-AFS)测定样品中Se和砷(As).以超纯水为浸提液, 采用玻璃电极法测定土壤pH(水土比2.5∶1.0); 重铬酸钾法测定土壤中有机质(SOM).整个实验过程中, 使用两组空白样, 两组土壤标准物质(GSS-1、GSS-3或GSS-6)与样品同时消解和分析测试, 以控制实验质量, 相对误差率在±10%之内.

1.3 数据处理与分析

SPSS 20.0用于相关性分析和非参数检验; Mann-Whitney U和Kruskal-Wallis非参数检验分别用于两个独立样本和多个独立样本分析. ArcGIS 10.2、OriginLab 2016和CorelDRAW X7用于绘制各种图形.

2 结果与分析 2.1 表土中硒与重金属含量特征

研究区表土pH值在4.06~7.92, 均值6.17(表 1), 为弱酸环境(5.5~6.5)[36].表土ω(SOM)为0.40%~5.89%, 均值1.60%(表 1), 为中等含量(1.0%~2.0%)[36].

表 1 表土中硒与重金属含量统计特征1) Table 1 Statistical characteristics for Se and heavy metals in soils

研究区表土ω(Se)为0.06×10-6~2.57×10-6, 均值0.42×10-6(表 1), 分别是渝西地区(0.25×10-6)[37]和中国表土(0.24×10-6)[38]Se含量的1.66倍和1.75倍.根据Tan等[3]划分的中国土壤Se含量标准, 研究区分别有6.59%、7.69%、40.66%和45.05%样品属于缺硒(< 0.125×10-6)、边缘硒(0.125×10-6~0.175×10-6)、中等硒(0.175×10-6~0.40×10-6)和足硒(0.40×10-6~3.0×10-6).总计有85.71%的表土样品ω(Se)高于0.175×10-6, 说明研究区土壤总体富硒.研究区表土中Se含量分布为中等变异(50%~100%, CV=81.5%).

研究区表土中ω(As)(13.0×10-6)、ω(Cd)(0.26×10-6)、ω(Cr)(59.9×10-6)、ω(Cu)(26.4×10-6)、ω(Ni)(27.8×10-6)、ω(Pb)(25.5×10-6)、ω(Sb)(1.03×10-6)和ω(Zn)(79.9×10-6)的均值分别是渝西地区表土的2.21、1.18、0.84、1.08、0.84、0.91、1.56和0.95倍, 表明仅As和Sb显著高于渝西区表土背景值, 而其余重金属接近或低于渝西区表土背景值.依据中国农业土壤重金属污染等级[39], 研究区表土重金属(除Sb)均值都未超标.但分别有3.3%和28.6%表土样品中As和Cd含量超过农田土壤重金属污染标准值(5.5 < pH≤6.5, 水田), 表明研究区仅局部地区表土存在As和Cd污染, 其中Cd污染相对较严重.

2.2 不同土地利用类型下表土中硒与重金属含量差异

Kruskal-Wallis非参数检验结果显示不同土地利用类型下的表土中仅Se、Cd、Pb和Sb具有显著性差异, 而其余5种重金属无显著差异(图 2).对Se来讲, 林地(0.49×10-6, 平均值, 下同)>水田(0.37×10-6)>旱地(0.36×10-6); 对Cd来讲, 水田(0.35×10-6)>林地(0.26×10-6)>旱地(0.23×10-6); 对Pb来讲, 林地(26.9×10-6)>水田(26.0×10-6)>旱地(24.0×10-6); 对Sb来讲, 林地(1.09×10-6)>旱地(0.98×10-6)>水田(0.97×10-6).

*表示通过Kruskal-Wallis非参数检验(P<0.05) 图 2 不同土地利用类型下表土中硒与重金属含量特征 Fig. 2 Concentration of Se and heavy metals in soils from different land use types

2.3 “退耕还林”前后表土中硒与重金属含量差异

Mann-Whitney U非参数检验结果显示(图 3), 退耕还林后, 次生林地表土中ω(Se)(0.50×10-6)、ω(Cd)(0.31×10-6)、ω(Cr)(67.8×10-6)、ω(Ni)(30.8×10-6)、ω(Pb)(26.9×10-6)和ω(Zn)(94.0×10-6)的均值均显著高于旱地表土的(0.36×10-6、023×10-6、57.0×10-6、26.5×10-6、24.0×10-6和76.7×10-6), 而As、Cu和Sb含量无显著性差异.

*表示通过Mann-Whitney U非参数检验(P<0.05) 图 3 “退耕还林”前后表土中硒与重金属含量特征 Fig. 3 Content characteristics for Se and heavy metals in soils after dry land abandonment

3 讨论 3.1 土地利用/覆被变化对表土中硒含量影响

研究区林地表土硒含量高于水田和旱地耕作土(图 2), “退耕还林”前后也显示次生林地表土硒含量显著高于旱地(图 3), 这一结果与多数前人研究结果一致[41, 42].但Tan等[3]的研究结果显示耕作土硒含量高于自然林地土.不同土地利用类型下表土中硒含量的差异, 可能是不同土地利用方式导致土壤中基本理化性质呈现差异, 从而引起土壤在利用和发育过程中保硒能力存在有较大差异.研究区土地利用/覆被变化导致土壤pH值和SOM具有显著差异性(经过Kruskal-Wallis非参数检验, 图 4).

*表示通过Kruskal-Wallis非参数检验(P<0.05) 图 4 土地利用/覆被变化下表土pH和SOM的差异 Fig. 4 Effect of land use/land cover change on the concentration differences for pH and SOM

有研究表明[2, 28, 43], 随着土壤pH值增加, 土壤中硒形态主要为易于迁移的硒酸根(Se6+), 相反, 土壤中硒形态主要为易被吸附的亚硒酸根(Se4+), 所以导致中性和碱性土壤中硒不易富集, 而酸性土壤中硒易于富集.研究区土壤pH值与硒含量呈显著负相关关系(r=-0.186, P < 0.05, 表 2), 也证明了这一点.然而, 天然林地(6.26)、次生林地(5.71)和旱地(6.22)的表土pH均值都属于弱酸性, 表明除了土壤pH, 还有其它因素影响不同土地利用类型下表土中硒含量差异.

表 2 表土中硒、重金属及土壤性质的相关性特征1) Table 2 Correlation among Se, heavy metals, and soil properties in soils

研究区土壤SOM与硒含量呈显著正相关关系(r=0.597, P < 0.01), 说明相对于土壤pH, SOM是影响土壤硒含量分布的主要因素. SOM对土壤硒含量具有两面性[20]: 一方面, SOM通过吸附作用吸附硒, 从而导致土壤中硒含量增高; 另一方面, SOM被微生物等矿化, 从而释放硒.图 4显示, 相对于旱地, 天然林地和次生林地土壤SOM含量显著较高, 从而导致林地(天然林和次生林)土壤中硒含量较高.这一结论验证了土地利用/覆被变化通过影响土壤pH和SOM而间接影响土壤中硒含量、分布和富集, “退耕还林”可能会增加土壤中硒含量水平.

3.2 土地利用/覆被变化对表土中重金属含量影响

图 2可知, 林地表土中Pb和Sb含量显著高于耕作土(水田和旱地), 而Cd呈现水田最高.“退耕还林”后的次生林地表土Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量都显著高于耕地.这可能归因于土壤理化性质差异及其重金属来源差异[17, 21, 37].表 2显示, Cd(r=0.450, P < 0.01)、Cr(r=0.236, P < 0.05)、Ni(r=0.303, P < 0.01)和Zn(r=0.302, P < 0.01)与pH值呈显著正相关关系, 而Cd(r=0.399, P < 0.01)、Pb(r=0.534, P < 0.01)、Sb(r=0.489, P < 0.01)和Zn(r=0.280, P < 0.01)与SOM呈显著正相关关系.

有研究表明[19, 22, 26, 27, 33, 44~46], 土壤pH值和SOM对重金属的吸附和解析、迁移和转化的影响最为重要.pH主要通过影响土壤中重金属的形态而间接影响重金属的含量、迁移和转化.总体上, 研究区表土中Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量随土壤pH值升高而增加(表 2). Cd、Ni、Pb和Zn在pH为6.5~7.5时最高, 而Cr在pH为5.5~6.5时最高; 但Cd在pH < 4.5时最低, Cr、Ni和Zn含量在pH为4.5~5.5时最低(未列出图表数据).这种弱酸性和中性土壤中重金属平均含量较高的原因可能是随着土壤pH值升高, 土壤中黏土矿物、铁/铝/锰水合氧化物和有机质表面的负电荷增加, 从而对重金属离子的吸附力增强[1, 19, 44].但随着pH值过高(碱性和强碱性)[45], 土壤中重金属形成沉淀物和羟基络合而溶出, 从而会导致表土中重金属含量降低.研究区70%的水田土壤样品pH值在6.5~7.5范围, 这可能是导致水田Cd含量最高的主要原因之一.“退耕还林”后的人工次生林地pH值多在5.5~6.5范围, 而旱地pH值范围较宽, 这可能是造成人工次生林地土壤重金属含量较高的主要原因之一.

除了土壤pH值, 土壤有机质也是影响土壤重金属富集、迁移和转化的重要因素[8, 19, 46].一方面, 土壤有机质中存在官能团和配体(羧基、羟基等), 可以通过络合作用与重金属结合, 形成稳定的化合物, 而不利于重金属的迁移.如Halim等[47]的研究表明, 腐殖酸的添加降低了土壤中重金属的有效性; 另一方面, 有机质分解过程中可能会产生大量无定形的携带负电荷的胶体有机聚合物, 增大土壤对重金属的吸附能力[26]; 再者, 土壤有机质也可为土壤提供螯合物以增加土壤中重金属的活动性[48].

林地(次生林或天然林)表土有机质含量显著高于旱地, 这可能是导致林地(次生林或天然林)表土重金属含量高于旱地的另一主要原因.水田中Cd含量显著高于林地, 可能是由于农业化肥的使用[26], 以及水田较长期处于还原环境利于有机质累积, 因此, 更有利于Cd在水田土壤中富集所致.

4 结论

(1) 研究区表土中Se、As和Sb均值含量显著高于渝西地区土壤背景值, 而其余重金属接近或低于渝西地区土壤背景值.

(2) 林地表土中Se、Pb和Sb含量显著高于耕作土, 而水田土壤中Cd含量高于林地.

(3)“退耕还林”后, 人工次生林表土中Se、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量都显著高于旱地, 表明“退耕还林”可能会显著增加表土中硒和重金属含量.

(4) 林地(次生林或天然林)与旱地表土中pH值和SOM含量的差异是导致土地利用/覆被变化下表土中硒和重金属含量差异的原因, 尤其是SOM.

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