ABSTRACT

In this paper, three soils (garden soil, forest soil, and wasteland soil) in Shangzhou District were used as research objects to determine soil nutrients (pH, conductivity, total nitrogen, total phosphorus) and heavy metal (Cu, Zn, Cd, Ni, Mn) content at different depths (5 - 10 cm and 10 - 20 cm)，and the correlation between soil nutrients and heavy metals was analyzed. Through the study, we found that the soil of the three different habitats belonged to alkaline soil, the total nitrogen and total phosphorus content of garden soil were high, and the heavy metal content of wasteland soil was the highest. The content of heavy metal Cd in the soil of the three different habitats is all higher than the risk screening value (0.3 mg/kg) stipulated in the new national standard (GB 15618-2018). By analyzing the correlation between them, the results show that the conductivity is significantly correlated with pH and heavy metals, and there is a certain or extremely significant correlation between heavy metals and pH and other heavy metals. There was no significant correlation between total nitrogen or total phosphorus content with pH, electrical conductivity and heavy metal content.

Keywords:Shangzhou District, Soil, Nutrient, Heavy Metal Content

不同生境土壤养分与重金属的变异特征

——以商州区为例

贺柳青^1*，李堆淑²

¹云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明

²商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西 商洛

收稿日期：2019年4月2日；录用日期：2019年4月17日；发布日期：2019年4月24日

摘 要

本文以商州区的三种土壤(花园土、林地土、荒地土)为研究对象，测定其在不同深度(5~10 cm和10~20 cm)的土壤养分(pH值、电导率、全氮、全磷)和重金属(Cu、Zn、Cd、Ni、Mn)含量，并分析土壤养分和各重金属之间的相关性。研究发现，三种不同生境的土壤都属于偏碱性土，花园土的全氮、全磷含量较高，荒地土的重金属含量最高。重金属Cd含量在三种不同生境土壤中均高于新国标(GB 15618-2018)规定的风险筛选值(0.3 mg/kg)。相关性分析表明，电导率与pH、重金属，重金属与pH以及各重金属之间均有一定的显著或极显著相关性，而全氮、全磷含量与pH、电导率、重金属含量之间的相关性不显著。

关键词 :商州区，土壤，养分，重金属含量

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1. 引言

土壤是发育于地球陆地表面具有生物活性和孔隙结构的介质，是地球陆地表面的脆弱薄层，是动植物赖以生存和发展的物质基础，因此，研究土壤的养分状况能够使我们更好地保护和利用土壤。在研究土壤的空间变异性方面，地统计学方法成为很多学者的常用方法。法国学者Matheron提出和发展了区域化变量理论，认为变量的结构性和随机性并存，通过地统计学方法，可以对变量进行插值和对相关变量值进行预测。从20世纪70年代开始，大量学者应用地统计学方法研究土壤空间变异性。Webster [1] 进行了较为成功的探索，推动了土壤特性空间变异性的研究。Webster和Nortcliff [2] 研究发现，1 hm²农田内的Fe和Mn有相当强的空间依赖性，空间相关距离在80~100 m，但Zn和Cu则几乎没有。郭安延等 [3] 分析了滑县土壤养分的空间变异特征，发现滑县土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾等四种养分属于中等变异。张志坚等 [4] 运用地统计学和GIS技术对江西省的森林土壤养分进行研究，发现TP和TN具有中等程度的变异，有机质具有强变异性。王璐 [5] 对洪洞大槐树景区土壤的养分与重金属空间分布特征做了研究，发现土壤的pH值为弱变异性，其余的肥力指标为中等变异性，Cu、Pb、Zn与另外两种重金属元素在空间上的分布差异较大。

诸多学者都对商洛市的土壤进行过研究，如朱亚等 [6] 对商洛中药材种植区的土壤进行理化性质差异分析，李堆淑 [7] 对商洛农田土的养分与重金属的变异特征做了分析，高利峰 [8] 对商洛市不同功能区的土壤重金属污染状况做了分析。而对于商洛市不同生境土壤的养分与重金属变异特征的研究较少，鉴于此，本文分析了商洛市商州区三种不同生境的土壤(花园土、林地土、荒地土)，研究其养分与重金属含量的变异特征及其相关性。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

商州区是陕西省商洛市辖区的建制，总面积2672 km²，是商洛市经济、政治、文化中心，位于秦岭南坡，是东秦岭山地地貌的组成部分，山大、山多，属于暖温带半湿润季风山地气候，气候温和，雨量充沛，年平均气温13.5℃，年降水量758 mm。全区宜林地500万亩，林地覆盖面积200万亩，草坡可利用面积61万亩，境内生态环境优美，生物资源丰富。

2.2. 土壤样品采集

于2017年4月份对商州区三种不同生境的土壤(花园土、林地土、荒地土)进行不同深度的采集(5~10 cm和10~20 cm)，在每个样点周围采用对角线法进行取样，每个样点采集5个点，将其充分混合后装入聚乙烯灭菌袋内，编好号带回实验室。在采样过程中用GPS记录其海拔以及经纬度(见表1)。将新鲜土样称取10 g，测定其理化性质，剩余土样在室内自然风干，去除杂志后研磨过筛。将制备好的土样放在干燥皿内，用来测定其他指标。

表1. 采样点坐标

2.3. 各指标的测定及数据分析

土壤pH采用5:1水土浸提法，用pH仪测定 [9] ；土壤电导率采用5:1水土浸提法，用电导仪测定 [10] ；土壤全氮采用凯氏定氮法测定 [11] ；土壤全磷采用高氯酸–硫酸法，磷的测定采用钼锑抗比色法 [12] ；土壤重金属用原子吸收光谱仪测定 [13] 。采用SPSS22进行数据处理与分析。

3. 结果与分析

3.1. 土壤养分状况分析

据表2可知，花园土的平均pH值为7.53，平均电导率为81.97，平均全氮含量为0.970 g/kg，平均全磷含量为0.572 g/kg；林地土的平均pH值为7.54，平均电导率为98.23，平均全氮含量为0.690 g/kg，平均全磷含量为0.288 g/kg；荒地土的平均pH值为7.52，平均电导率为69.20，平均全氮含量为0.442 g/kg，平均全磷含量为0.567 g/kg。

表2. 土壤养分

三种土壤都属于偏碱性土，且都适宜作物生长，三种土壤的平均pH值为林地土 > 花园土 > 荒地土；平均电导率大小为林地土 > 花园土 > 荒地土，土壤电导率与盐分含量有关，由此可知，其盐分含量为林地土 > 花园土 > 荒地土；平均全氮含量为花园土 > 林地土 > 荒地土，由此可知，其肥力大小为花园土 > 林地土 > 荒地土；平均全磷含量为花园土 > 荒地土 > 林地土。

3.2. 土壤重金属含量分析

重金属一般是指比重大于5.0 g/cm³的金属，有些是植物生长必需的元素，如铁、锰、铜、锌，这些是植物生长所需的微量元素，微量元素在作物体内含量虽少，但它们对植物的生长发育起着至关重要的作用。值得注意的是所有的重金属元素含量过高均会对植物生长造成危害。当前最为人们所关注的主要是生物毒性显著的镉、铅、汞及毒性一般的镍、铜、锌等几种主要的重金属 [14] [15] 。

表3. 土壤重金属含量

Mg/kg

据表3可知，花园土中，Cu的平均含量为21.835 mg/kg，Zn的平均含量为20.920 mg/kg，Cd的平均含量为1.121 mg/kg，Ni的平均含量为14.104 mg/kg，Mn的平均含量为371.767 mg/kg；林地土中，Cu的平均含量为29.992 mg/kg，Zn的平均含量为21.677 mg/kg，Cd的平均含量为2.117 mg/kg，Ni的平均含量为19.171 mg/kg，Mn的平均含量为370.931 mg/kg；荒地土中，Cu的平均含量为33.337 mg/kg，Zn的平均含量为36.274 mg/kg，Cd的平均含量为2.372 mg/kg，Ni的平均含量为23.046 mg/kg，Mn的平均含量为427.188 mg/kg。

三种土壤中，荒地土的重金属含量最高，并且三种土壤中Cd的平均含量均高于新国标(GB 15618-2018)规定的风险筛选值(0.3 mg/kg)，说明三种土壤都存在重金属Cd污染风险。宋伟等 [16] 分析表明，在8种主要土壤重金属污染中，Cd元素发生污染的概率高达25.20%。重金属是具有潜在危害的重要污染物。土壤重金属污染会影响土壤性质，抑制作物生长发育，降低作物产量与品质 [17] [18] 。

3.3. 土壤养分与重金属含量的相关性分析

据表4可知，在花园土中，电导率与pH呈高度显著正相关(R_电导率-pH = 0.952)；Cu与pH、电导率呈极显著负相关(R_Cu-pH = −0.898，R_Cu-电导率 = −0.881)；Cd与pH、电导率、Cu呈极显著负相关或极显著正相关(R_Cd-pH = −0.902，R_Cd-电导率 = −0.809，R_Cd-Cu = 0.914)，Cd与Zn呈显著正相关(R_Cd-Zn = 0.575)；Ni与pH、Cu、Zn、Cd呈显著负相关或显著正相关(R_Ni-pH = −0.646，R_Ni-Cu = 0.705，R_Ni-Zn = 0.639，R_Ni-Cd = 0.672)；Mn与Zn呈显著正相关(R_Mn-Zn = 0.718)，Mn与Ni呈高度显著正相关(R_Mn-Ni = 0.936)。

表4. 花园土壤养分与重金属含量的相关性

注：a表示p < 0.05 (显著)，b表示p < 0.01 (极显著)，c表示p < 0.001 (高度显著)，下同。

表5. 林地土壤养分与重金属含量的相关性

据表5可知，在林地土中，Cu与pH呈极显著正相关(R_Cu-pH = 0.876)；Cd与pH呈显著正相关(R_Cd-pH = 0.719)，Cd与Cu呈高度显著正相关(R_Cd-Cu = 0.930)；Ni与Zn呈极显著正相关(R_Ni-Zn = 0.812)；Mn与Zn呈显著正相关(R_Mn-Zn = 0.769)，Mn与Ni呈高度显著正相关(R_Mn-Ni = 0.985)。

表6. 荒地土壤养分与重金属含量的相关性

据表6可知，在荒地土中，电导率与pH呈高度显著正相关(R_电导率-pH = 0.976)；全磷与pH、电导率呈极显著负相关(R_全磷-pH = −0.873，R_{全磷-电导率} = −0.789)；Zn与pH、电导率呈极显著负相关(R_Zn-pH = −0.905，R_Zn-电导率 = −0.871)，Zn与全磷呈显著正相关(R_Zn-全磷 = 0.687)；Cd与Cu呈极显著正相关(R_Cd-Cu = 0.871)；Ni与Cu呈极显著正相关(R_Ni-Cu = 0.869)；Mn与电导率呈显著负相关(R_Mn-电导率 = −0.663)。

由此可见，pH与电导率，重金属与pH，重金属与电导率以及重金属之间都有一定的相关性，而pH、电导率、重金属与全氮、全磷之间的相关性不大。

4. 讨论与结论

1) 土壤溶液的pH值是反映土壤酸碱性的化学指标，土壤pH值介于5.5~8.5之间适宜作物生长发育。本研究区的三种土壤都属于微碱性土，都适宜作物生长。

2) 土壤中所含盐类的总量即土壤的总盐量，在描述土壤盐分状况时，常用的指标是土壤浸出液电导率。三种土壤中林地土的电导率较高，表明其盐分含量较高。

3) 土壤中有机氮和无机氮之和称为全氮，土壤氮素绝大部分来自有机质，故有机质的含量与全氮成正相关。全氮含量表示土壤中所贮存的氮素以及土壤的供氮潜力，因此，全氮含量可以作为土壤肥力的指标。花园土的全氮含量较高，表明其土壤肥力较好。土壤全磷量即磷的总贮量，包括有机磷和无机磷两大类。由于大部分磷素以迟效性状态存在于土壤中，因此土壤磷素供应的指标不能用全磷含量来表示。

4) 三种土壤的Cd含量都超过新国标规定的风险筛选值，表明土壤Cd的生态危害严重，尤其是荒地土中5种重金属含量都高于其他两种土壤。

5) pH与电导率、重金属分别与pH、电导率以及重金属之间的相关性均比较显著，表明重金属富集的主要因素是pH和电导率。

文章引用

贺柳青,李堆淑. 不同生境土壤养分与重金属的变异特征——以商州区为例
Variation Characteristics of Soil Nutrients and Heavy Metals in Different Habitats—Taking Shangzhou District as an Example[J]. 土壤科学, 2019, 07(02): 136-143. https://doi.org/10.12677/HJSS.2019.72017

参考文献