江漢平原不同土地利用方式下土壤砷元素的含量特征
——以沙洋鎮為例

袁知洋吳殷琪孫佩潘飛段碧輝楊良哲黃彬王天一趙敏夏偉

(1.湖北省地質科學研究院，湖北 武漢 430000；2.湖北省硒生態環境效應檢測中心，湖北 武漢430000)

砷及其化合物具有毒性，可以通過土壤-農作物-人體的方式逐級累積最終危害人體健康[1，2]。研究顯示，在一些土壤或者水體含砷量過高的地區，由于農業活動中無意識地進行了污水灌溉、污泥覆蓋等，如采礦區排放區，農作物都會不同程度出現砷過量風險[3，4]。也有因為土壤發生背景不同或者地形地貌因素所形成的土壤砷含量的差異[5，6]，近年來越來越多的研究發現，人類活動或者土地利用方式變化對土壤-植物的砷遷移體系有較大影響，從而產生人類食物鏈的風險[7，8]。在平原地區，人類活動較為劇烈，如成都平原上不同土地利用方式土壤砷含量差異顯著，人類活動在一些地區超過了土壤自然形成的砷元素含量[9]；成都溫江區平原中的工業用地和城市建設用地土壤砷濃度值非常高，對應調查點土壤砷含量超過了國家安全限[10]，江漢平原是湖北省糧食和蔬菜的主產區，因此有必要對土壤砷環境進行調查研究。

本研究區沙洋鎮位于湖北省沙洋縣，該縣地處鄂中腹地，漢江中下游，居江漢平原與鄂西北山區結合部，沙洋鎮為縣城駐地，研究區地貌以平原為主，是農業種植區，且人類活動較為強烈，土地利用方式多樣且典型[11]，區域內也發現過土壤汞元素在不同土地利用情況下含量有顯著差異，水田和灘涂是土壤重金屬潛在風險區[12]，因此該地區的土壤砷環境安全是本研究的一個切入點。本文借助“湖北省沙洋縣土地質量地球化學評價”項目中對沙洋鎮表層土壤的調查采樣數據，針對性地深入分析了沙洋鎮土壤砷元素對土地利用方式的響應，旨在揭示土壤砷元素在江漢平原人類活動活躍區不同土地利用方式下的含量特征，為今后土壤砷元素的干預治理和合理利用土地資源提供一定的科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

沙洋縣地處鄂中腹地，漢江中下游，江漢平原北端，地跨E109°11′～109°55′，N29°33′～30°12′，沙洋鎮位于本研究沙洋縣調查工區南部，見圖1，毗鄰漢江。土壤類型主要為第四紀孫家河組沖洪積層潮土，土層較厚，色澤多棕黃或者灰黃，人類居住和耕作等活動較為強烈。

圖1 研究區沙洋鎮在沙洋縣所在位置

1.2 研究區土地利用概況

如圖2所示，研究區總面積為53.49km2，旱地面積為11.55km2；建設用地面積為22.28km2；林地面積為2.29km2，水面面積為7.54km2，水田面積為7.53km2，灘涂面積為2.24km2，草地面積為0.05km2，7類土地分別占比為21.59%、41.66%、4.28%、14.10%、14.09%、4.19%、0.10%。

圖2 研究區的不同土地利用方式和采樣點分布

圖3 沙洋鎮土壤砷元素統計直方圖

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計與樣品采集

在沙洋縣金土地項目1∶5萬土壤調查工作的基礎上，見圖1，選取了覆蓋沙洋縣沙洋鎮區域內的285個土壤采樣點，3～4個·km-2，土壤調查中對每樣土壤定點采取了5點采樣法進行采樣，即圍繞中心點的5等分混合采樣，土壤采樣深度均為0～20cm，將土壤樣品進行無污染自然風干后，取出細根、石粒等雜質，碾磨后過0.1mm孔徑塞篩，制成待測土壤樣品，帶回實驗室進行土壤全量砷元素的檢測。

1.3.2 土壤砷元素測定方法

土壤砷采用了GB/T 22105規定的原子熒光光譜測定方法進行測試，每批土壤樣品做3次空白樣和平行樣，取平均值作為樣品砷元素的最終含量，測試過程中加入國家標準土壤參比物質(GSS-12)進行質量控制，各重金屬的回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。即方法檢出限為0.01mg·kg-1，數據報出率為100%，分析精密度為3.87%，重復檢驗合格率為100%，ΔlgC為-0.01。

數據統計和相關分析采用SPSS 17.0統計軟件，圖像采用MapGis 67和Origin 8.1繪制。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤砷元素總體含量特征

如表1所示，沙洋鎮土壤砷元素平均值為10.298mg·kg-1，變異系數為36.2%，屬于中等變異程度。從圖2可以看出，其偏態分布較為明顯，因此說明研究區土壤As分布不均勻，局部出現了不穩定的高值，可能受到人類活動的影響。

表1 沙洋鎮土壤砷元素特征值統計表

2.2 研究區土壤砷元素在不同土地利用下含量特征

由表2、圖4可知，砷元素在沙洋鎮中灘涂的均值含量最高，達到15.646mg·kg-1，其次是建設用地和水田，對比來看，砷元素在沙洋鎮灘涂含量均值是建設用地的1.18倍，是水田的1.38倍，是林地的1.46倍，是草地的1.68倍，是旱地的1.8倍，是水面利用方式的1.98倍，在研究區中城鎮建設用地土壤出現了砷的最高含量值19.827mg·kg-1，其次是旱地土壤砷的最高值為19.020mg·kg-1，土壤砷在不同土地利用下的均值含量排序為灘涂>建設用地>水田>林地>草地>旱地>水面，這和陳同斌等發現在北京的不同土地利用方式土壤砷含量特征相似[13]，灘涂水田等土壤砷含量較高，林業用地土壤砷含量較為安全。

表2 不同土地利用方式下砷元素的統計特征

圖4 不同土地利用方式下砷元素的含量柱狀圖

由圖5可知，砷元素總體在沙洋鎮的中心城區含量較為聚集，但是面積較小的灘涂中砷元素含量均值也較高，如閘口村到沙洋縣城一帶的灘涂中靠近縣城一側，沙洋縣城區人口和建筑密集區，且這些建設用地毗鄰有大量的水稻田，其土壤砷元素含量偏高，其次為沙洋鎮的西北方向，為沙洋縣目前已建成的開發區，土壤砷元素在沙洋鎮的南部含量較少，此區域主要為旱地和未開發用地。

圖5 不同土地利用方式下砷元素地球化學特征

3 結論與討論

3.1 結論

土壤砷元素在不同土地利用情況下土壤重金屬元素含量特征差異顯著。砷元素在沙洋鎮中灘涂的均值含量最高，達到15.646mg·kg-1，其次是建設用地和水田，灘涂土壤砷元素含量均值是建設用地的1.18倍、水田的1.38倍、林地的1.46倍、草地的1.68倍、旱地的1.8倍、水面利用方式的1.98倍，在研究區中城鎮建設用地土壤出現了砷的最高含量值19.827mg·kg-1，其次是旱地土壤砷的最高值為19.020mg·kg-1，土壤砷在不同土地利用下的均值含量排序為灘涂>建設用地>水田>林地>草地>旱地>水面，除了灘涂其他用地砷平均含量均低于國家標準的風險值15mg·kg-1。

旱地和水面土地利用方式下土壤砷元素含量較少，但是個別旱地要注意砷元素的外來干擾。

3.2 討論

從相關灘涂和濕地的土壤砷元素研究中得知，濕地土壤砷元素通常是由有機物不斷沉積而來，特別是水生動物和植物的殘體沉積[14]，而且灘涂沉積物所累積的砷元素對灘涂水體進行砷元素的釋放，并且對水體砷元素的影響大于降水的砷沉降的影響[15]。有學者在研究河口灘涂沉積物中砷元素發現，砷元素在強還原條件下容易形成惰性態而沉積固定，在氧化環境中可以活化成游離態[16]，因此有必要在灘涂等強還原環境下適當進行抽水暴曬，創造一定的氧化環境，因此為了防止在沙洋鎮大片的灘涂和漢江濕地發生砷環境風險，對發生砷增多的灘涂進行適當干預，可以適當采取排水、暴曬、翻整、清淤等措施。