全 文 ：中国生态农业学报 2012年 4月 第 20卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Apr. 2012, 20(4): 480−487


* 河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B610004)资助
陈志凡(1979—), 女, 副教授, 博士, 主要从事土壤污染诊断与修复研究。E-mail: chenzhf0604@163.com
收稿日期: 2011-08-27 接受日期: 2011-11-24
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00480
开封黑岗口引黄灌区稻麦轮作下农田
土壤剖面重金属分布特征*
陈志凡 王岩松 段海静 赵子楠
(河南大学环境科学研究所 河南大学环境与规划学院 开封 475004)
摘 要 引黄灌区是我国重要的农业生产基地, 其土壤重金属赋存状况直接关系到农业的可持续发展。本研
究以黑岗口引黄灌区开封北郊稻麦轮作下农田土壤为研究对象, 采集了耕作层(0~15 cm 与 15~30 cm)与剖面
(0~100 cm)土壤样品, 对其土壤剖面主要性质与重金属 Pb、Cd、Cu和 Zn的积累特征进行了分析。结果表明:
(1)长期引黄灌溉及稻麦轮作下, 开封北郊农业土壤主要性质在剖面上表现出明显的分异特征: 总有机碳(TOC)
与全氮(TN)含量主要分布在耕作层土壤, 而 30 cm以下的土层其含量明显降低; 全磷(TP)含量在各土壤层中无
明显差异; 在部分土壤剖面中 CaCO3呈现出明显的淀积层。(2)耕作层(0~30 cm)土壤中重金属 Pb、Cu、Zn的
含量与研究区背景值相当, 而 Cd含量显著高于背景值。除少部分剖面含量超标外, Cd、Pb、Cu、Zn的平均含
量均未超出 WHO 限值, 且远低于我国农业土壤环境质量标准。因子分析源解析表明: 引黄灌区土壤中 Pb、
Cu和 Zn具有相似的来源和迁移特性, 而 Cd的来源和迁移特性具有特殊性, 它可能与当地的化肥施用等农业
活动有关。(3)土壤剖面中 Cu和 Zn具有明显的表聚现象, Pb的表聚作用不明显, 而 Cd在剖面各层土壤含量具
有较大变异性, 这与重金属的自身属性、土壤剖面性质和当地的耕作条件有较大相关性。(4)Cu 和 Zn 在土壤
剖面主要以有机结合态和残余态形式存在; Pb的残余态、有机态以及铁锰氧化态含量也较高, 且 Pb的全量与
有机结合态含量百分比变化呈现出一定的相似性; 而 Cd 具有较高的碳酸盐结合态和离子交换态, 表明 Cd 在
土壤中具有较强的移动性, 预示 Cd的潜在健康风险较高。
关键词 开封北郊 引黄灌区 土壤剖面 重金属 稻麦轮作
中图分类号: X53 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)04-0480-08
Vertical distribution characteristics of heavy metals in agricultural soil profiles
under rice-wheat system in Heigangkou Yellow River Irrigation Region
CHEN Zhi-Fan, WANG Yan-Song, DUAN Hai-Jing, ZHAO Zi-Nan
(Institute of Resources and Environment, College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475004, China)
Abstract Yellow River Irrigation Region (YRIR) is one of China’s important grain production bases. The contents and chemical
forms of heavy metals in the agricultural soils of the region are related to sustainable agricultural development. The distribution of
main soil properties [total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and CaCO3] and heavy metals (Pb, Cd,
Cu and Zn) in the agricultural soils of YRIR were investigated using 45 soil samples. Five soil profiles (in the 0~100 cm soil layer)
and arable soils (in the 0~15 cm and 15~30 cm soil layers) were collected from agricultural lands under rice-wheat rotation system in
the northern suburb of Kaifeng. The region belongs to the Heigangkou YRIR, which is sufficiently representative of the YRIR. The
chemical forms of heavy metals were analyzed by sequential extraction and the concentrations determined with ICP-AES and
ICP-MS. Results showed that under long-term irrigation and rice-wheat rotation system, there were variations in the basic soil prop-
erties in the study area at different soil depths. For example, the contents of TOC and TN primarily accumulated in the 0~30 cm depth
of arable soils. These were clearly higher than those in the 30~100 cm soil layer. TP content was not remarkably different at different
soil depths. Obvious CaCO3 alluvial horizons were also noted in some soil profiles. In the 0~30 cm depth of arable soils, Pb, Cu and
第 4期 陈志凡等: 开封黑岗口引黄灌区稻麦轮作下农田土壤剖面重金属分布特征 481


Zn contents were similar to that of background soil value. However, Cd content was evidently higher than that of background soil
value. Also the average content of the heavy metals was still within WHO threshold, and far below that of China for agricultural soil
quality. Factor analysis showed that the sources and transfer characteristics of Pb, Cu and Zn were similar. Cd sources and transfer
characteristics were distinct from those of other heavy metals, which was attributed to fertilizer broadcasting and other agricultural
factors. While surface accumulation of total Cu and Zn in the soil profiles was obvious, Pb accumulation was not so variable among
different soil layers. However, Cd was highly variable at different soil depths. The distribution trends of the heavy metals across the
different soil layers were significantly related to heavy metal property, soil profile characteristics and agricultural activity. Cu and Zn
were mainly organic and residual fractions in soil profiles. The fraction of residual and organic and Fe/Mn oxide forms were also in
relatively high percentages. Total Pb and the associated organic fractions exhibited similar vertical distributions. However, Cd and the
associated carbonate and exchangeable forms accounted for considerable percentages. This suggested that Cd was highly mobile in
soils and therefore posed potential risks for human health.
Key words Northern Kaifeng suburb, Yellow River Irrigation Region, Soil profile, Heavy metal, Rice-wheat system
(Received Aug. 27, 2011; accepted Nov. 24, 2011)
黄河是中国第二大河流和中国西北、华北的主
要水源, 流经9个省, 为1.3亿人口(主要是农民和农
村人口)提供了水资源。灌溉农业是黄河流域内水的
重要使用者。流域内灌溉面积超过400×104 hm2, 且
流域以外有大约200×104 hm2的农用地依靠黄河水进
行灌溉[1−3]。黄河水是沿黄灌区农业灌溉用水的主要
来源, 也是影响沿黄地区农业和农村经济发展的重
要因素[2,4]。改革开放以来, 随着黄河流域社会经济
的快速发展, 流域内未经处理或经初步处理的废污
水排放量急剧增加, 加之天然来水量偏少, 流域水
质污染日益加重[5−6]。因而, 引黄灌溉在为黄灌区农
业的发展带来显著经济效益的同时, 也为农灌区引
入了大量泥沙和盐分, 同时黄河水中重金属的存在
也对黄灌区农业土壤−作物系统的健康和灌区农业
的可持续发展构成潜在风险。
就已有研究来看, 对黄河水环境和沉积物中重
金属的全量和形态研究较多。如 Fan 等[7]对黄河包
头段的重金属污染研究表明, Pb和 Cd已经对黄河包
头段水环境质量和水生态系统健康构成高风险。Liu
等[8]研究了黄河兰州段表层沉积物中重金属的富集
特征, 结果表明, Pb、Cu、Zn 在沉积物中的浓度分
别为 26.39~77.66 mg·kg−1、29.72~102.22 mg·kg−1和
89.80~201.88 mg·kg−1。Yuan等[9]对黄河沉积物中重
金属的含量和赋存形态进行了研究, 结果表明, 重
金属 Pb 和 Cd 有较高的生态风险指数, 特别是二者
多以易活动的形式存在。张爱平等[10]分析了 2002—
2007年宁夏引黄灌区水体污染现状及污染源。然而,
关于引黄灌区农业土壤中重金属的全量及化学形态
等赋存状况尚少见报道。稻麦轮作是引黄灌区的一
项重要耕作制度, 稻麦轮作条件下引黄灌区土壤中
氮磷迁移特征备受学者关注[11], 然而关于其土壤中
重金属的迁移特征研究尚少。开封市位于黄河中下
游地区 , 濒临黄河南岸 , 引黄灌溉具有悠久历史 ,
其中黑岗口引黄灌区是开封市三大引黄灌区之一 ,
也是开封市最早的引黄灌区, 兴建于 1957年。该灌
区涉及开封市郊区、开封县 12个乡, 其规划灌溉面
积 1.64×104 hm2。灌区内总人口 37.3 万人, 其中农
业人口 32.1万人[12−13]。本文选择黑岗口引黄灌区控
制范围内的开封北郊稻麦轮作农田作为研究区, 面
积约 0.2×104 hm2, 通过采集土壤耕作层与土壤剖面
样品, 对研究区土壤剖面主要性质与典型重金属全
量及化学形态的分布特征及其影响因素进行分析 ,
旨在为引黄灌区农业的可持续发展和粮食安全提供
服务。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区地处黄河下游冲积扇南翼, 位于开封市
北郊即北环城路至黄河北干渠北侧, 属黑岗口引黄
灌区控制范围。研究区地理坐标为34°49′23.62″~
34°51′17.88″N, 114°19′12.15″~114°20′17.68″E, 海拔
高度70~75 m。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候,
年平均气温14 , ℃ 年平均降水量约639 mm。土壤以
潮土为主 , 其面积占开封市郊区土壤总面积的
97.91%。土壤pH多在8.4左右, 土壤质地以沙土和粉
土为主, 黏粒含量多小于100 g·kg−1[14]。因研究区紧
邻黄河, 河底高悬, 发展引黄有着优越的地理条件,
因而引黄灌溉具有悠久历史, 也是黄河沿岸典型的
引黄灌区之一[15]。研究区所在的黑岗口引黄灌区控制
范围环绕在开封市的四周, 涉及开封市城区全部8个
乡和开封县的4个乡, 共81个自然村, 灌区的规划范
围北临黄河大堤, 南至开封市郊边界及开封县惠济
河, 西起马家河北支, 东以惠北泄水渠为界, 控制面
积2.65×104 hm2, 设计灌溉面积1.64×104 hm2[12]。近30
年来, 研究区基本采用稻麦轮作耕种模式, 灌溉水
源来自于黄河北干渠, 采用沟渠灌溉方式。
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1.2 样品采集
供试土壤样品于2007年5月采自开封市北郊即
北环城路至黄河北干渠北侧的稻麦轮作农田中, 采
用蛇形布点的方法 , 各土壤剖面间隔距离约为
2 000~3 000 m, 共采集土壤剖面5个, 从南至北依次
为P0、P1、P2、P3和P4。其中, 剖面P0属于两年休
耕地, 其他4个剖面均采集于稻麦轮作地。所有剖面
采集均远离公路与村庄。由于开封地下水埋藏较浅,
基本在深度70~100 cm时就可见地下水渗出 (剖面
P0、P2、P3在90~100 cm处有地下水渗出, 剖面P1、
P4在约60 cm处有地下水渗出), 因此土壤剖面深度
取为0~100 cm, 分0~15 cm、15~30 cm、30~40 cm、
40~50 cm、50~60 cm、60~70 cm、70~80 cm、80~90
cm和90~100 cm 9个层次采集样品。采样时先在剖面
上划好采样深度, 由下向上分层采样, 每一个采样
土层中, 采样宽度为30~40 cm; 每层采集样品1 kg
左右装入样品袋, 共计45个土壤样品。在采集过程
中 , 观察到剖面P1中50~60 cm处有明显的黏土层 ,
当地人称为“煤土层”; 剖面P2的腐殖层与淋溶层非
常清晰, 腐殖层呈暗黑, 淋溶层呈黄白色; 剖面P3、
P4耕作层明显。
所有土壤样品及时在实验室内风干、用木棒压
碎、过孔径为2.00 mm的尼龙筛, 然后用四分法将上
述样品分成4份 , 两份作为20目的土壤样品保存于
样品袋中, 1份样品研磨到全部过孔径为0.25 mm(60
目)的尼龙筛 , 并装入样品袋中保存 , 余下的1份研
磨到全部过孔径为0.149 mm(100目)的尼龙筛, 并装
入样品袋中保存。
1.3 分析测定
1.3.1 土壤基本性质分析
称取2.000 g 100目的风干土壤样品, 用气量法
测定土壤中CaCO3含量。总有机碳(TOC)采用Liqui
TOC Analyzer (Elementar Co., Hanau, Germany)测定,
总磷 (TP)采用 HClO4消化法测定 , 总氮 (TN)用
Kjeldahl法测定[16]。
1.3.2 土壤中重金属全量测定
称取0.100 0 g的100目风干土壤样品置于聚四
氟乙烯坩埚中, 运用高压密闭HF、HNO3和HClO4分
解法消解样品, 用电感耦合等离子体原子发射光谱
仪(ICP-AES, ULTIMA, 法国JY公司)测定样品中Pb、
Cd、Cu、Zn浓度。在样品消解过程中所用的试剂均
为优级纯, 并加入国家标准土壤样品(GSS-1、GSS-2)
进行分析质量控制, 各种重金属元素的回收率均在
国家标准参比物质的允许范围内。
1.3.3 土壤中重金属形态分析
根据Tisser定义的连续提取方法对土壤剖面P1
中重金属的形态进行分析。称取2.000 0 g土壤样品,
放置于50 mL离心管中, 按下列方法连续提取土壤
中重金属[17−18]: (1)离子交换态: 加入20 mL浓度为1
mol·L−1的MgCl2溶液, pH=7.0, (25±5) ℃下振荡2 h;
(2)碳酸盐结合态 : 残渣中加入 20 mL浓度为 1
mol·L−1 的 NaOAC 溶 液 , pH=5.0(HOAC 调 节 ),
(25±5)℃下振荡5 h; (3)铁锰氧化态: 残渣中加入20
mL浓度为0.1 mol·L−1的NH2OH·HCl(盐酸羟胺 )的
25%的HOAC溶液, pH=2.0(HNO3调节), (25±5)℃下
振荡5 h; (4)有机结合态: 残渣中加入10 mL浓度为
30%的 H2O2(HNO3调节 pH=2), 5 mL浓度为 0.1
mol·L−1的HNO3溶液85 ℃加热2~6 h, 进行间断振荡
与加热, 直到无气泡为止(保证H2O2是充足的)。冷却
至 室 温 后 加 入 10 mL 浓 度 为 3.2 mol·L−1 的
CH3COONH4的20%的HNO3溶液, 连续振荡30 min;
(5)残余态: 取残渣0.100 g置于消解罐中, 加入3 mL
的HNO3、1 mL的HClO4和1 mL的HF在150 ℃消解5 h,
冷却后缓慢加热至1滴, 加入1 mLHNO3定容至10 mL,
待测。其中步骤(1)、(2)、(3)、(4)每一阶段振荡后, 均
采用4 000 r⋅min−1离心20 min, 滤取上清液待分析,
其残余物再加超纯去离子水20 mL离心清洗。最后,
用电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS, Element 2,
Finnigan Co., USA)测定各提取态溶液中浓度。
1.4 数据处理
相关数据的统计分析通过EXCEL 2007和SPSS
12.0软件完成, 差异显著性检验采用ANOVA法和t检
验法, 聚类分析采用有序样本的最优分割法, 因子分
析采用主成分分析法, 设定提取的因子个数为2。
2 结果与分析
2.1 引黄灌区耕作层土壤主要性质与重金属含量
状况
研究区耕作层土壤样品基本性质与重金属 Pb、
Cd、Cu、Zn 的含量见表 1。表层(0~15 cm)土壤中
TOC、TN、TP和 CaCO3的平均值分别为 62.9 g·kg−1、
0.564 g·kg−1、0.78 g·kg−1 和 77.80 g·kg−1, 亚表层
(15~30 cm)土壤中 TOC、TN、TP 和 CaCO3的平均
含量依次为 43.90 g·kg−1、0.364 g·kg−1、0.74 g·kg−1
和 78.90 g·kg−1。表层土壤中重金属 Pb、Cd、Cu、Zn
的平均含量分别为 23.89 mg·kg−1、0.26 mg·kg−1、21.22
mg·kg−1、75.31 mg·kg−1, 亚表层土壤中重金属 Pb、Cd、
Cu、Zn 的平均含量依次为 27.89 mg·kg−1、0.26
mg·kg−1、23.26 mg·kg−1、87.05 mg·kg−1。与开封污灌
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土壤重金属含量[14]相比, 引黄灌区土壤耕作层中Cd、
Cu、Zn含量远低于污灌土壤, 而部分 Pb含量略高于
污灌土壤。然而, 与土壤背景值[19]相比, 引黄灌区耕
作层土壤中Cd的含量显著高于背景值, Pb和 Zn的部
分含量也高于土壤背景值。与我国农业土壤环境质量
标准[20]相比, 4 种重金属在耕作层的含量均远低于限
制值。与WHO的限值[21]相比, 除少部分含量超标外,
4种重金属在耕作层的平均含量均低于WHO限值。
2.2 引黄灌区典型农业土壤主要性质的剖面分布
特征
从图 1 可以看出, 长期引黄灌溉及稻麦轮作条
件下, 开封北郊农田土壤主要性质在剖面上表现出
明显的分异特征: TOC 主要分布在耕作层土壤中 ,
其中 0~15 cm表层土壤中 TOC 含量尤其高, 达到
55.10~76.10 g·kg−1, 15~30 cm土层中 TOC含量略有
下降, 其含量范围为 32.60~50.80 g·kg−1, 而 30 cm
以下土层的 TOC 含量明显降低 , 含量范围为
3.90~23.80 g·kg−1。休耕地中土壤剖面 (P0)各土层
TOC含量与 P1、P2无明显差异。对土壤 TOC含量
进行有序样本最优分割聚类分析发现 , 土壤 TOC
在剖面上的最佳分割为 0~15 cm、15~30 cm 和
30~100 cm。
TN 含量与 TOC 含量具有相似的分布规律, 在
0~15 cm表层土壤中 TN 含量较高, 其值在 0.41~0.62
g·kg−1之间, 15~30 cm土壤中 TN含量略有下降, 其含
量范围为 0.13~0.60 g·kg−1, 30 cm以下土层的 TN含量
明显下降, 含量范围为 0.00~0.29 g·kg−1。值得注意的
是, 在休耕地中, TN 含量的最大范围值出现在 15~30
cm土壤层中, 而在 50~100 cm土壤层中 TN含量基本
检测不出。

表1 引黄灌区开封段农田耕作层土壤中重金属Pb、Cd、Cu、Zn含量与基本属性
Table 1 Soil contents of Pb, Cd, Cu, Zn and basic characteristics in arable layers of the studied area
土层
Soil layer
(cm)
项目
Item
总有机碳
Total organic
carbon (g·kg−1)
全氮
Total nitrogen
(g·kg−1)
全磷
Total phosphorus
(g·kg−1)
CaCO3
(g·kg−1)
Pb
(mg·kg−1)
Cd
(mg·kg−1)
Cu
(mg·kg−1)
Zn
(mg·kg−1)
0~15 平均值±标准差
Mean±SD
62.90±11.50 0.564±0.087 0.78±0.11 77.80±16.00 23.89±3.59 0.26±0.10∗ 21.22±6.99 75.31±21.17
范围值 Range 55.10~76.10 0.411~0.617 0.69~0.96 56.00~96.50 20.96~29.64 0.08~0.32 13.89~32.74 50.79~104.81
15~30 平均值±标准差
Mean±SD
43.90±9.90 0.364±0.171 0.74±0.11 78.90±26.70 27.89±13.73 0.26±0.06∗∗ 23.26±9.16 87.05±32.33
范围值 Range 32.60~50.80 0.134~0.597 0.66~0.88 53.00~123.00 18.20~51.97 0.19~0.35 15.80~38.25 53.04~129.64
污灌土壤[14] Sewage irrigated soils 22.69 1.70 44.62 200.99
土壤背景值[19] Soil background values 21.90 0.10 24.10 71.10
中国农业土壤环境质量标准[20] Criteria of China agricultural soil quality 350.00 1.00 100.00 300.00
WHO限值[21] WHO limits 35.00 0.35 30.00 90.00
∗与∗∗表示该元素与研究区的土壤背景值存在显著(P<0.05)和极显著(P<0.05)差异 ∗ and ∗∗ mean significant differences between the con-
tents of metals in studied soils and soil background values at 0.05 and 0.01 levels.



图 1 研究区土壤剖面总有机碳、全氮、全磷和 CaCO3的分布规律
Fig. 1 Vertical distribution of total organic C, total N, total P and CaCO3 contents in different soil profiles located in the studied area
P0、P1、P2、P3、P4为从南到北5个土壤剖面, 下同。P0, P1, P2, P3, P4 are soil profiles from south to north, respectively. The same below.
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不同于TOC与TN的剖面分布规律, TP含量在各
土壤层中并无明显差异 , 其含量值基本位于
0.37~0.96 g·kg−1之间。较为特殊的是, 休耕地中TP
含量在深度为60~70 cm和80~90 cm的土壤层中出现
了两个高值。
除剖面 P0与 P1外, 其他 3个土壤剖面中CaCO3
含量垂直分布特征不明显 , 基本位于 38.80~96.50
g·kg−1值范围内。休耕地土壤剖面 P0在 15~30 cm土
层范围内出现了明显的 CaCO3淀积层, 30 cm以下土
壤层中 CaCO3含量迅速下降。而在土壤剖面 P1 中,
50~70 cm土壤深度内出现了一段明显的CaCO3淀积
层, 其他上下各层 CaCO3含量相当。
2.3 引黄灌区典型农业土壤中重金属 Pb、Cd、Cu、
Zn的剖面分布特征
从图 2可以看出, 整个土壤剖面中 Pb含量的分
布由上至下总体呈现出微弱的递减趋势 , 在 0~30
cm 土壤耕作层中, Pb 的平均含量为 25.89 mg·kg−1;
30~60 cm 之间土壤层中, Pb 的平均含量为 19.45
mg·kg−1; 60~100 cm深度内土壤层 Pb含量平均值为
17.45 mg·kg−1。Cd含量在土壤剖面中表现出较大的
变异性。0~30 cm土壤耕作层中并未表现出 Cd富集,
而在 30 cm 以下深度内某一土壤层, 存在有较高的
Cd含量。如剖面 P0、P1与 P2的 Cd含量最大值分
别出现在深度为 50~60 cm、60~70 cm与 70~80 cm
的土壤层中。Cu 与 Zn 含量具有相似的剖面分布特
征, 0~30 cm土壤耕作层中对 Cu和 Zn表现出了较好
的富集性, 二者在该段土层的平均含量分别为 22.24
mg·kg−1和 81.18 mg·kg−1。而在 30 cm以下土层中, Cu
和 Zn 的含量表现出较为明显的下降趋势 , 如在
30~60 cm深度土壤中, Cu和 Zn的平均含量分别为
14.55 mg·kg−1和 65.77 mg·kg−1; 在 60~100 cm深度范
围内的土壤中, Cu 和 Zn 的平均含量分别为 11.89
mg·kg−1和 55.01 mg·kg−1。
图 3显示了土壤剖面 P1中不同形态重金属的垂
直分布状况。 P b 在土壤剖面中主要以残余态
(63.28%~79.04%)、有机结合态(12.63%~22.11%)和铁



图 2 重金属 Pb、Cd、Cu、Zn在研究区土壤剖面中的垂直分布
Fig. 2 Vertical distribution of Pb, Cd, Cu and Zn contents in different soil profiles located in the studied area



图 3 不同形态 Pb、Cd、Cu和 Zn在土壤剖面 P1中的垂直分布特征
Fig. 3 Vertical distribution of different Pb, Cd, Cu and Zn forms in soil profile P1

第 4期 陈志凡等: 开封黑岗口引黄灌区稻麦轮作下农田土壤剖面重金属分布特征 485


锰氧化态(8.32%~15.19%)的形式存在 , 其碳酸盐结
合态与离子交换态几乎检测不到。其中, Pb 的有机
结合态含量百分比变化与 Pb 的全量变化呈现出一
定的相似性。但总体而言, Pb 的各形态百分比含量
在剖面 P1中未表现出明显的分异规律。除 Cd的碳
酸盐结合态外, Cd的不同形态百分比含量在剖面 P1
不同土壤层中具有较大的变异性, 在不同深度土壤
层中, Cd 各种形态的平均百分比含量由大到小依次
为 : 碳酸盐结合态(29.97%)>残余态(26.56%)>铁锰
氧化态(23.75%)>有机结合态(10.51%)>离子交换态
(9.21%)。Cu和 Zn在土壤剖面中主要以有机结合态
和残余态形式存在, 其各形态的剖面分布表现出较
大的变异性。
3 讨论
3.1 土壤主要性质剖面分布特征分析
从表 1 可以看出, 土壤表层中 TOC、TN、TP
的平均含量均高于亚表层, 这与长期的表层农业施
肥以及农作物凋落物残留有关。而 CaCO3在土壤表
层的平均含量略低于亚表层, 这可能与 CaCO3的淋
溶作用有关。从图 1 中可以看出, TOC 主要富集于
0~30 cm 土层内, 与人为耕作层深度相吻合, 而自
30 cm 深度以下迅速减少, 这与有机质的吸附性和
不易移动性相关。除剖面 P4 外, TN 也主要集中于
0~30 cm的耕作层土壤中, 但 30~100 cm土壤层中,
TN 并未呈现明显递减趋势, 这与 NO33−、NH4+的易
向下迁移特性有关。总的说来, TP 在土壤剖面各层
次中分布较为均一, 这与矿物磷的特性以及研究区
较浅的地下水位有很大关系。除剖面 P1 和 P4 外,
CaCO3在其他剖面中基本呈现出先减然后在 80~100
cm微增的趋势。而在剖面 P1与 P4中, CaCO3分别
在 40~70 cm 和 30~60 cm 有较为明显的淀积特征,
CaCO3 的这些分布特征一方面与当地降水特征及其
本身的淋溶和淀积特性有关, 另一方面也与研究区
长期引黄灌溉过程中不同阶段具有不同特征的泥沙
沉积有关。
从图 1 看, 休耕地剖面 P0 各土层 TOC 含量与
P1、P2并无明显差异, 特别是 0~30 cm耕作层土壤
中 TOC含量并未因休耕而发生显著减少或增加, 这
可能与休耕地中自然生长的禾本科植物较多有关 ,
其凋落物能够补充土壤表层中的 TOC; 同时, 两年
休耕过程中由于没有农作物对耕作层TOC的吸收而
使其得到一定的积累。然而与其他各剖面相比, 休
耕地剖面 15~30 cm土层中 TN与 CaCO3含量明显偏
高, 这可能与休耕条件下强烈的地表蒸发过程逐渐
导致 TN 与 CaCO3发生表聚现象有关。另外值得注
意的是, 与其他剖面相比, 休耕地中 TP含量在深度
为 60~70 cm和 80~90 cm的土层中出现了两个高值,
这可能与两年休耕过程中缺乏水稻种植时的淹水条
件, 使得 TP 在潜水位(约 100 cm)上层发生滞留有
关。从以上比较分析可见, 休耕情况下不易造成氮
磷向地下水中淋失。
3.2 土壤中 Pb、Cd、Cu与 Zn的剖面分布特征及
其影响因素分析
表 1显示表层土壤中重金属 Pb、Cu和 Zn的平
均含量相对低于亚表层 , 但并无显著差异(t 检验 ,
P>0.05)。耕作层(0~30 cm)土壤中重金属 Pb、Cu、
Zn 的含量与研究区背景值相当, 而 Cd 含量显著高
于背景值(0~15 cm, P<0.05; 15~30 cm, P<0.01), 这
说明引黄灌溉一定程度上造成了重金属 Cd 在受灌
土壤中的明显积累。除 Pb外, 其他重金属在耕作层
中的平均含量明显低于开封污灌土壤[14], 这可能与
土壤的交通区域位置有一定关系 ;另一方面也说明
研究区土壤并未因引黄灌溉而导致重金属的严重污
染。尽管研究区耕作层土壤中重金属 Pb、Cd、Cu、
Zn的平均含量均在世界卫生组织的建议标准值范围
内, 但部分土壤中 Pb、Cu、Zn的含量高于建议值, 说
明某种程度上引黄灌溉还是给当地居民带来了一定
的潜在健康风险。通过对重金属 Pb、Cd、Cu、Zn 在
各剖面中不同土壤层次的全量进行因子分析(表2), 进
一步对重金属的含量和来源特征进行解释, 结果发
现: 在因子的旋转矩阵中, Pb、Cu和 Zn在因子 1(F1)
中显示出较高的因子负荷, Cd在因子 2(F2)中表现出
较高的值, 规律较为明显。说明在引黄灌区土壤中
重金属 Pb、Cu和 Zn具有相似的来源和迁移特性, 而
Cd 的来源和迁移特性具有特殊性, 它可能与当地的
化肥施用等农业活动有关。
从重金属土壤剖面分布情况看, Cu和 Zn具有较
为明显的表聚现象, Pb 的分布由表层至深层土壤表
现出弱减趋势, 而 Cd在深层土壤中有较高值出现。
这可能由重金属的自身性质、耕作特征与当地土壤
背景条件共同决定。Cd容易与土壤胶体相结合存在
于土壤溶液中, 它具有较强的移动性[17]。稻麦轮作
耕作背景下 , 氧化−还原作用的交替作用及络合物
的形成对 Cd 在土壤中的移动性产生了重要影响。
Cu 和 Zn 具有易被有机质吸附的特征, 相关分析表
明(表 3): Cu 与土壤中有机物含量表现出显著相关性,
486 中国生态农业学报 2012 第 20卷


表 2 研究区土壤剖面中重金属含量的主成分分析及其矩阵
Table 2 Principal component analysis and component matrix of heavy metal concentrations in different soil layers of the studied area
方差解释 Total variance explained
初始特征值
Initial eigenvalue
提取后特征值
Extraction sum of squared loading
变换后特征值
Rotation sum of squared loading
成分
Factor
特征值
Total
解释方差
% of variance
累积方差
Cumulative (%)
特征值
Total
解释方差
% of variance
累积方差
Cumulative (%)
特征值
Total
解释方差
% of variance
累积方差
Cumulative (%)
1 2.555 63.871 63.871 2.555 63.871 63.871 2.368 59.204 59.204
2 0.853 21.318 85.189 0.853 21.318 85.189 1.039 25.985 85.189
3 0.426 10.661 95.850
4 0.166 4.150 100.000
Component matrix 成分矩阵
主成分 Component matrix 旋转主成分 Rotated component matrix 重金属
Heave metal 1 2 1 2
Pb 0.901 −0.130 0.893 0.176
Cd 0.473 0.880 0.155 0.987
Cu 0.819 −0.195 0.837 0.087
Zn 0.921 −0.151 0.920 0.162

表3 研究区土壤剖面中重金属全量与土壤基本性质之间
的Pearson相关系数(n=44)
Table 3 Pearson correlation coefficient matrix for heavy
metals and soil elementary properties in the studied area
Pb Cd Zn Cu TOC TN TP CaCO3
Pb 1.000 0.299∗ 0.606∗ 0.829∗∗ 0.536∗∗ 0.461∗∗ 0.533∗∗ 0.364∗
Cd 1.000 0.237 0.295 0.068 0.318∗ 0.166 0.210
Zn 1.000 0.667∗∗ 0.329 0.497∗∗ 0.448∗∗ 0.339∗
Cu 1.000 0.702∗∗ 0.667∗∗ 0.627∗∗ 0.730∗∗
TOC 1.000 0.935∗∗ 0.133 0.529∗∗
TN 1.000 0.264 0.622∗∗
TP 1.000 0.249
CaCO3 1.000
∗ P < 0.05, ∗∗ P < 0.01.

而 Zn和 Cu具有相似的剖面分布特征。Pb通常具有
较低的移动性, 然而被解吸到土壤溶液中的 Pb容易
从土壤表层向深层移动[22]。谭长银等[23]对河南省封
丘县旱地土壤中重金属的剖面分布特征研究表明 :
石灰性潮土全量 Cd和 DTPA可提取态 Cd、Pb、Cu、
Zn 均有明显的表聚现象, 这可能与两个区域的不同
耕作条件有很大关系。潮土形成过程的一个重要特
征就是地下水的参与, 由于雨季地下水位较浅和干
旱条件下季节性的灌溉, 使得毛管水前锋能够到达
地表, 在半干旱条件下很容易产生盐分以及其他微
量金属元素的表聚[24]。而在本研究区, 稻麦轮作及
引黄灌溉的耕作条件下, 移动性较大的Cd表现出相
反的特征。考虑到研究区潜水位通常位于地表以下
50~60 cm 深度处, 重金属 Cd 的这种分布规律某种
程度上会对地下水的水质保障造成潜在的风险。
土壤性质对微量金属在剖面中的分配产生了重
要影响。本文对土壤层中各元素含量与 TOC、TN、
TP和 CaCO3的含量进行了相关性分析。从分析结果
(表 3)可以发现, Cu与 CaCO3、TOC、TN及 TP间存
在显著相关(P<0.01), 一方面说明 CaCO3 的淋溶和
淀积对Cu的垂直迁移起了重要作用, 另一方面也说
明 Cu与 TOC、TN、TP中的部分物质容易螯合, 共
同向下迁移。Pb与 TOC、TN、TP及 CaCO3含量相
关性也较为显著, Zn 与 TN、TP 的相关性较强, 与
CaCO3也有一定的相关性, 但与 TOC 没有显著相关
性。Cd基本不受土壤中 TOC、TP和 CaCO3的影响。
各元素之间总的相关性及其与土壤基本属性的相关
性如表 3所示。
在本研究中, 选择P1为典型剖面对其不同土层
中的重金属形态进行了分析。Pb的存在形式主要是
残余态、有机结合态和铁锰氧化态, 与其他区域的
研究结果具有较好的一致性[25]。其中, Pb的有机结合
态含量百分比变化与Pb的全量变化呈现出一定的相
似性, 与Pb易被有机物吸附的性质有关。对Cd来说,
碳酸盐结合态含量较高, 且在剖面P1不同土壤层中
具有较大变异性 , 这可能与研究区土壤相对高的
CaCO3含量有关。同时, 与其他金属相比, 土壤中Cd
的离子交换态具有较高百分比含量, 这表明Cd在土
壤剖面中具有较大的迁移性, 一定程度上暗示Cd具
有较高的潜在健康风险。Cd的各形态百分比含量特
征与其他区域已有研究相比具有较好的一致性[25]。
Cu和Zn在土壤剖面中主要以有机结合态和残余态
形式存在。然而, 其各形态的剖面分布表现出较大
的变异性, 这可能与Cu、Zn的垂直迁移转化特性以
及试验误差有关。
4 结论
长期引黄灌溉及稻麦轮作背景下, 开封北郊农
第 4期 陈志凡等: 开封黑岗口引黄灌区稻麦轮作下农田土壤剖面重金属分布特征 487


业土壤主要性质在剖面上表现出明显的分异特征 :
0~30 cm耕作层土壤中 TOC与 TN含量明显高于其
他土层; TP 的含量在各土壤层中并无明显差异; 在
部分土壤剖面中 CaCO3呈现出明显的淀积层。
与土壤背景值相比, 引黄灌区耕作层土壤中Cd
的含量显著高于背景值, Pb和Zn的部分含量也高于
土壤背景值。但除少部分含量超标外, Cd、Pb、Cu、
Zn的平均含量均未超出WHO限值, 且远低于我国农
业土壤环境质量标准。
土壤剖面中 Cu 和 Zn 具有明显的表聚现象, Pb
的表聚作用不明显, 而Cd在剖面各层土壤中含量具
有较大变异性, 这与重金属的自身属性、土壤剖面
性质和当地的耕作条件有较大相关性。Cu 和 Zn 在
土壤剖面中主要以有机结合态和残余态形式存在 ;
Pb 的残余态、有机态以及铁锰氧化态含量也较高,
且 Pb 的全量变化与 Pb 的有机结合态含量百分比变
化呈现出一定的相似性; 而Cd拥有较高的碳酸盐结
合态和离子交换态, 这表明Cd在土壤中具有较强的
移动性, 暗示 Cd存在较高的潜在健康风险。
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