第3卷第1期2021年1月
Vol.3No.1
Jan.2021环境生态学Environmental Ecology
：生态修复与管理！
林小兵'，张秋梅2，周利军'，王惠明3，刘晖3，黄欠如1，武琳“
(1.江西省红壤研究所国家红壤改良工程技术研究中心，江西南昌330046；
2.江西省新余市农业科学研究所，江西新余338000；
3.江西省农业生态与资源保护站，江西南昌330046)
摘要：土壤母质和pH是影响土壤重金属变化的重要因素，以江西某地区一般农田为对象，共采集1392份0~20cm表层土壤，分析了不同类型的土壤母质和pH与土壤重金属Cr、Pb、Cd、As和Hg的相互关系，为农田土壤重金属管控及修复治理提供参考。结果表明：第四纪红黏土发育的土壤重金属含量均较高，
紫红砂页岩风化物发育的土壤重金属均较低，而土壤pH较高，近代河湖冲积物发育的土壤pH和Cd含量较低，但土壤Hg和As含量偏高；土壤重金属在pH>7.5时含量最低，土壤Cr、Pb和Cd含量在pH<4.5时最高，土壤As在pH为5.5~6.5时含量最高，土壤Hg在pH为4.5~5.5时含量最高。土壤母质、pH及二者交互作用对土壤重金属Cr、Cd和As的影响均达到显著水平(P<0.05)，其中土壤Pb和Hg受土壤母质影响大，土壤Cr、Cd和As受土壤pH影响大。
关键词：农田；重金属；土壤母质;pH
中图分类号:X53文献标识码:A文章编号：2096-6830(2021)01-0083-06
Change of heavy metals in farmland soil from different parent material development and pH.LIN Xiao-bing1,ZHANG Qiu-mei2,ZHOU Li-jun1,WANG Hui-ming3,LIU Hui3,HUANG Qian-ru1,WU Lin1*(1.National Red Soil Improvement Engineering Technology Research Center,Jiangxi Institute of Red Soil,Nanchang330046,China；2.Xinyu Institute of Agricultural Science,Xinyu 338000,China；3.Jiangxi Agricultural Ecology and Resource Protection Station,Nanchang330046,China).Environmental Ecology, 2021,3(1),83~88.
Abstract:Soil parent material and pH are important factors for the change of soil heavy metals.A total of1392soils(0~20cm)were collected for general farmland in a certain area of Jiangxi province.The rel
ationship between different types of soil parent material,pH and soil heavy metals(Cr,Pb,Cd,As and Hg)was analyzed.The study provide a reference for farmland soil heavy metal management and rehabilitation.The results showed that the content of heavy metals in the quaternary red clay was higher.The purple-red sand shale weathered soils have lower heavy metals and higher soil pH.The soil pH and Cd of alluvial deposits developed in modern times were low,but the soil Hg and As were relatively high.Soil heavy metals were lowest at pH>7.5,soil Cr,Pb and Cd were highest at pH<4.5, soil As was highest at pH5.5〜6.5,and soil Hg was highest at pH4.5〜5.5.The effects of soil parent material,pH and their interaction on soil heavy metals(Cr,Cd and As)all reached significant levels(P<0.05).Soil Pb and Hg were greatly affected by soil parent material.The soil Cr,Cd and As were greatly affected by soil pH.
Key words：Farmland；heavy metals；soil parent material；pH
土壤重金属污染关系着生态环境质量、农产品安全及人体健康[1，2]，根据2014年《全国土壤污染状况调查公报》，我国土壤重金属污染主要以镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)等污染为主，点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、1.5%、1.1%，其中耕地土壤点位超标率为19.4%[3]，土壤重金属污染形势严峻。造成土壤重金属污染的主要途径一是人类活动，随着工业化、城市化和集约化农业的快速发展，大量废水、废气、废渣、农药及化肥进入环境[4]；二是地质背景，主要由成土母质本身
重金属含量高而导致土壤重金属富集[5,6]，且成土母
收稿日期：2020-10-29
基金项目：江西省重点研发计划项目(20171ACG70022)；江西省重大科技研发专项项目(20194ABC28010)资助。
作者简介：林小兵(1992-)，男，江西丰城人，硕士，助理研究员，主要研究方向土壤资源与环境生态。
通讯作者：武琳，E-mail：690474114@qq 。
・84・环境生态学第1期
质是大尺度土壤重金属累积的主要影响因子，而人类活动更多在小尺度起作用［7］。
土壤母质在土壤形成和发育上起着重要作用，能直接影响土壤的矿物组成和土壤颗粒组成冈。主要来源于母岩和残落的生物物质的土壤重金属，其元素含量水平和分布规律相对稳定［9］，但由于矿化及地质作用，导致部分地区土壤母质中重金属出现高度富集［2］，且不同地理环境下土壤母质中重金属含量差异不同，具有较强的空间异质性［10,11］。中国土壤元素背景值调查结果也表明，不同类
型土壤母质发育的土壤重金属含量的差异很大。土壤pH 是土壤环境质量的重要指标，不仅影响土壤重金属化学形态和植物生物有效性［12，13］，而且还是土壤环境质量标准值的参数，土壤pH范围不同，土壤重金属的限值标准也不同［14］o土壤pH可以影响土壤重金属的存在形态、吸附解吸和迁移转化［15］，已成为土壤重金属修复的重要途径。
关于不同土壤母质与土壤重金属的研究主要采用室内培养或盆栽试验［16］，本文在调查江西省某地区一般农田土壤母质、pH及5种重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr)的基础上，分析了农田土壤重金属与土壤母质和pH的关联性，为农田土壤环境管控提供研究资料，为土壤重金属污染修复提供理论依据，对农业生产实践具有指导作用。
1材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于江西省中部偏西，属于赣西中低山与丘陵区，境内多山地，地貌主要以山地、丘陵、平原为主。亚热带湿润性季风气候，四季分明，雨量充沛，气候温和，无霜期长，年平均气温17.7年平均降雨量1595mm，季节性降水变化大，河流较多，水系发达，属鄱阳湖水系。该城市工业较发达，三大产业结构为5.6：67：27.4，工业化率达51.3%，城市化率达56.6%。农作物以双季稻为主，蔬菜种植面积8200hm2，约占耕地面积的10%，主要蔬菜包括白菜、萝卜、油菜、空心菜、土豆、辣椒、茄
子等。
1.2样品采集与测试
采样点选择远离工矿企业、污水灌区和城市郊区等，且周边无明显污染源的一般农田，按照每个乡镇3~10个行政村的原则均匀布设。土样采集于2017年2—3月，按5点取样法采集0〜20cm表层土壤，混合后保证样品1kg左右，共采集1392个样品，采样过程中记录采样点的地理特征及环境状况等，避免已种植作物或施肥田块。将采集土壤样品先自然风干，并挑出杂物后过20目筛装瓶，于阴凉环境下保存至化验室检测。
土壤pH测定采用电位法，土水比为125。土壤重金属Cr和Pb采用X射线荧光光谱法测定，检测限分别为3mg/kg和2mg/kg；土壤重金属Cd采用电感耦合等离子体发射光谱法测定，检测限为0.005 mg/kg；土壤重金属As和Hg采用原子荧光光谱法测定，检测限分别为0.2mg/kg和0.0005mg/kg。
1.3研究方法
依据文献资料［17-19］，将土壤母质定为定性指标，并根据调查点地质地貌、土壤类型等进行区组划分，划分为花岗岩类风化物、泥质岩类风化物、紫红砂页岩风化物、石灰岩类风化物、第四纪红黏土和近代河湖冲积物共6个指标。土壤pH根据土壤酸碱性并参考农用地土壤污染风险筛选值［20］
和文献资料［17］，将调查点土壤pH划分为:pH<4.5、4.5〜5.5、5.5〜6.5、6.5〜7.5和pH>7.5共5个指标。
调查点表层土壤以酸性土壤为主，土壤pH范围为3.85〜8.13，共采集1392件土壤样品，其中土壤pH<4.5的土壤样品75件，占总样品5.39%；土壤pH在4.5〜5.5范围内土壤样品881件，占总样品62.39%；土壤pH在5.5〜6.5范围内土壤样品308件，占总样品22.13%；土壤pH在6.5〜7.5范围内土壤样品72件，占总样品5.17%；土壤pH>7.5的土壤样品56件，占总样品4.02%。不同土壤母质土壤样品共采集1314件，其中花岗岩类风化物发育的土壤样品111件，占总样品&45%；泥质岩类风化物发育的土壤样品718件，占总样品54.64%；紫红砂页岩风化物发育的土壤样品144件，占总样品10.96%；石灰岩类风化物发育的土壤样品49件，占总样品3.73%；第四纪红黏土发育的土壤样品137件，占总样品10.43%；近代河湖冲积物发育的土壤样品155件，占总样品11.79%。
1.4数据分析
本试验数据计算和统计分析采用R语言统计软件()完成，使用双因素方差分析(ANOVA)检验土壤母质和pH对土壤重金属的影响；不同土壤母质和pH下土壤重金属差异的单因素方差分析采用R语言程序包vegan完成，并通过Tukey HSD检验法对各处理进行差异显著性检验，所有制图通过R语言软件程序包ggplot2完成。
2021 年林小兵等：不同母质发育及pH 的农田土壤重金属含量差异・85・
2结果与分析
2.1 土壤母质与pH 对农田土壤重金属的双因素
分析
使用双因素方差分析（ANOVA ）检验不同土壤
母质和土壤pH 对农田土壤重金属的影响，结果见
表1-除土壤重金属Hg 夕卜，土壤母质和土壤pH 对
土壤重金属的影响均达到显著水平（P <0. 05），即均
存在主效应；土壤母质对土壤重金属Pb 和Hg 的影
响大于土壤 pH, 土壤 pH 对土壤重金属 Cr 、Cd 和 As
的影响大于土壤母质。土壤母质与土壤pH 的交互
作用对土壤重金属Cr 、Cd 和As 的影响均达到显著
水平（P <0. 05），即存在交互效应，其交互作用对土
壤重金属的影响均低于土壤母质和土壤pH，而土壤
母质与土壤 pH 的交互作用对土壤重金属 Pb 和 Hg
影响较小（P >0.05）o
表1 土壤母质与土壤pH 对农田土壤重金属的
双因素分析
Table 1 Two-way ANOVA analysis for the effect of soil
注：*表示处理间差异显著（P <0.05）； * * *表示处理间差异
极显著（P <0. 001）-
parent material and pH on soil heavy metals in farmland
因素重金属离差平方和
自由度Df 均方差F P
土壤母质
Cr 28 41655 68314.431<0.001…Pb 59 874511 975
17. 170<0.001…
Cd
9.58
5 1.91628.947<0.001…As 1 0875217.4
7.069<0.001…
Hg
0. 284
5
0.057 3.9370.002…
土壤pH
Cr 26 99046 74817. 134<0.001…
Pb 7047
41762 2. 5260.039*
Cd
17.044 4.261
64. 379<0.001…As 21634540.717. 584<0.001…
Hg
0. 084
40. 021
1.4510.215
土壤母质xpll
Cr 13 14419692 1.7570.023*Pb 15 34319808 1. 158
0.286
Cd
5.46
190. 287
4.342<0.001***
As 9431949.6 1.6140.046*
Hg
0. 391
19
0.206
1.427
0.104
2.2 不同土壤母质对农田土壤重金属和pH 的
影响
在土壤pH 方面，不同母质间农田土壤pH 具有 显著差异（F =10.09,P <0. 001，图1a ），以紫红砂 页岩风化物发育的土壤pH 最高，平均值为5.61，而
近代河湖冲积物发育的土壤pH 最低，平均值为5. 05，与紫红砂页岩风化物相比，花岗岩类风化 物、泥质岩类风化物、石灰岩类风化物、第四纪红黏
土和近代河湖冲积物发育的土壤pH 分别降低了
6. 06% ,5. 17% ,0. 18%、9. 98%-不同土壤母质间农田土壤重金属具有显著差异
（P <0. 001，图1），第四纪红黏土发育的土壤Cr 含量
最高，平均值为75. 92 mg/kg，且显著高于泥质岩类扬州大学
风化物、石灰岩类风化物和近代河湖冲积物（图 1b ）o 与第四纪红黏土相比，花岗岩类风化物、泥质
岩类风化物、紫红砂页岩风化物、石灰岩类风化物
和近代河湖冲积物发育的土壤Cr 含量分别降低了
9. 52%、11. 14%、25. 78%、6.72% 和 10.05%-第四
纪红黏土发育的土壤Pb 含量最高，平均值为50. 23 mg/kg，且显著高于其他5种土壤母质（图1c ），与第
四纪红黏土相比，土壤Pb 含量降低了 12. 42%〜
42.62%-第四纪红黏土发育的土壤Cd 含量最高，
平均值为0. 57 mg/kg ，且显著高于其他5种土壤母
质（图1d ），与第四纪红黏土相比，其他5种土壤Cd
含量降低了 26. 95%〜55. 45%-紫红砂页岩风化
物发育的土壤As 含量最低，平均值为7.62 mg/kg,
且显著低于其他5种土壤母质（图1e ），与紫红砂
中国电信我的e家页岩风化物相比，土壤As 含量增加了 29. 79%〜 45.41%- 土壤Hg 含量表现为第四纪红黏土>近代
河湖冲积物>花岗岩类风化物>泥质岩类风化物>紫
红砂页岩风化物〉石灰岩类风化物（图1f ）-
2.3不同土壤pH 对农田土壤重金属的影响
土壤 pH 对农田 土壤重金 属 均产生显 著影 响
（P <0. 01，图2） , 土壤Cr 含量在pH<4. 5时最高，平 均值为77.66 mg/kg，而pH>7.5最低，平均值为
48. 86 mg/kg-与 pH <4. 5 相比，土壤 pH 为 4.5- 5.5、5.5~6.5、6.5~7.5 和>7.5 条件下土壤 Cr 含量
分别降低了 14. 22%、8. 01%、22. 16%和 37. 08% （图
2a ）o 土壤Pb 含量在pH<4.5时最高，平均值为
52. 88 mg/kg，且显著高于其他土壤pH 水平，与 pH<4. 5相比，土壤Pb 含量在pH>4.5时降低了
26. 18% 〜54.27%（图 2b ）o 土壤 Cd 含量在 pH<4. 5 时最高，平均值为0.69 mg/kg，且显著高于其他土
壤pH 条件下，与pH <4. 5相比，土壤Cd 含量在
pH>4. 5 时降低了 26. 04% 〜70. 13% （图 2c ）o 土
壤As 含量在pH 为5. 5~6. 5时最高，平均值为
・86・环境生态学第1期
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土壤母质
申 花岗岩类风化物 白紫红砂页岩风化物 白第四纪红黏土
申 泥质岩类风化物
白石灰岩类风化物
申近代河湖冲积物
注：图中小写字母不同表示不同处理间差异达显著水平(P <0. 05)，下同
图1 土壤母质对农田土壤重金属的影响
Fig .1 Effects of soil parent material on soil heavy metals in farmland
40
30
20
10
7
兰
諒旦、*如
bc H ^Z F
土壤pH
申 <4.5由4.5〜5.5
5.5~
6.5
申 6.5~7.5白 >7.5
图2 土壤pH 对农田土壤重金属的影响
Fig ・2 Effects of soil pH on soil heavy metals in farmland
11.05 mg/kg ，与pH 为5.5~6.5相比，其他pH 条件 土壤Hg 含量在pH 为4. 5 ~ 5. 5时最高，平均值为
下土壤As 含量降低了 3. 17%〜34. 57% (图2d)。 0. 19 mg/kg ，且显著高于pH 〉7. 5条件下，与pH
为
2021年林小兵等：不同母质发育及pH的农田土壤重金属含量差异・87・
4.5〜
血雨5.5相比，其他pH条件下土壤Hg含量降低了4.10%〜20.80%(图2e)。
3讨论纪录片面条之路
土壤母质关系着土壤发育程度，决定其土壤颗粒和矿物组成，直接影响土壤中重金属含量。成土母质对表层土壤重金属含量有显著影响［21］，徐慧秋等［22］研究也表明土壤重金属Cd和As污染受成土母质影响较大。本研究发现土壤母质和pH对土壤重金属Hg的影响较小，研究表明，土壤中Hg为相对孤立元素［23］，与其他元素的相关性也较低，可能是重金属Hg常温下为液态元素，在大气中的移
动扩散性较强［24］。土壤pH很大程度受土壤母质影响，与土壤重金属关系十分密切，特别是影响土壤中重金属的活性和形态［25］，且土壤重金属安全临界值与土壤pH密切相关［16,26］O
土壤母岩中的矿物质组成不同会直接影响土壤的组成性质，从而影响重金属的吸附能力与吸附形态［27］，土壤重金属差异主要受母质发育土壤的pH、CEC、粒径分布及矿物组成影响，且土壤黏粒、有机质、CEC含量是影响土壤母质吸附重金属差异的重要因素［28］O研究发现河流沉积物的成土母质中含有较高的重金属含量［29］，流水作用带走土壤养分和碱性物质，最终保留了抗侵蚀性强的土壤元素。第四纪红黏土发育的5种土壤重金属均较高，可能是第四纪红黏土发育的土壤黏粒含量较高，其吸附作用也越强［30］o同样陈宏坪等［31］研究发现，土壤黏粒含量越高，土壤Cd安全临界值越大。与其他土壤母质相比，第四纪红黏土发育的水稻土缓冲能力更强。花岗岩类风化物发育土壤多分布在山地丘陵地带，地表冲刷较严重，强烈的物理风化成土过程，使其更易保持其原始的物质属性。石灰岩类发育的土壤砂粒较多，其土壤养分和元素相对较低。
不同类型土壤是影响土壤pH大小的重要因素［32］，酸性母岩上发育的土壤，其pH较石灰岩发育的土壤低。本研究发现，总体上农田土壤重金属随pH增加呈现降低趋势，土壤重金属含量在pH> 7.5时最低，而土壤Cr、Pb和Cd含量在pH<4.5时最高，土壤As含量在pH为5.5〜6.5时最高，土壤Hg含量在pH为4.5〜5.5时最高。欧芙容等［15］在洞庭湖滨带上研究发现土壤重金属Hg、Cd和Pb含量随土壤pH增加呈先降低后增加的趋势，在土壤pH为6.5〜7.5时最低；土壤重金属As和Cr含量随土壤pH增加
呈先增加后降低的变化规律，在中性条件时含量最高，可能原因是该研究中酸性土壤主要分布在居民地和旅游区，中性土壤主要分布在湿地保护区，碱性土壤主要分布在农业区和工业区。一般情况下土壤pH高，土壤中氧化物、黏粒矿物和负电荷增加，对土壤中重金属离子的吸附能力增强⑼，但也有研究表明当土壤pH过高，重金属沉淀物与羟基络合而溶出，从而导致土壤重金属含量降低［33,34］o土壤重金属含量不仅受pH影响，还受有机质、颗粒组成、土壤母质等环境及人为因素影响［28］。本研究中，土壤pH在4.5〜5.5范围内占总样品62.39%，存在部分土壤重金属含量偏低的样品，一定程度上可能会降低pH范围内的重金属含量。
4结论
(1)双因素方差分析表明，土壤母质和pH对农田土壤重金属有显著影响，且主因素作用大于交互作用，其中土壤母质对土壤Pb和Hg作用大，土壤pH对土壤Cr、Cd和As作用大。
(2)不同类型母质发育的土壤重金属含量差异较大，以第四纪红黏土发育的土壤重金属最高，紫红砂页岩风化物发育土壤重金属最低。
(3)土壤重金属含量呈现随pH增加而降低的趋势，土壤Cr、Pb和Cd含量在pH<4.5时最高，土壤As含量在pH为5.5〜6.5时最高，土壤Hg含量在pH为4.5〜5.5时最高，土壤重金属含量在pH> 7.5时最低。
参考文献
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