山东省不同植被类型土壤重金属环境容量研究

收稿日期：2008-01-23；修订日期：2008-03-18 基金项目 ：山 东 省 科 技 攻 关 项 目 （2006GG3206002 ）；山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （Y20071330）资 助 作者简介：于光金（1983－），男，山东省莱芜市人，硕士研究生, 研究方向为土壤污染修复。 * 通迅作者：jmchengcn@yahoo.com.cn
型，研究不同植被类型的土壤重金属环境容量，为土
结果表明：不同植被类型土壤中各重金属元素的
表 1 山东省不同植被类型土壤的环境背景值（mg kg-1） Table 1 The soil- background value indifferent vegetative types in Shandong Province
（3）
式中，Si 为若干年后土壤中重金属元素 i 含量的允
许限值（mg kg-）1 ；Ci 为土壤中元素 i 的现状值（mg kg-1）；
K 为污染物的残留率（常量）；Qin 为土壤中重金属元素 i 的年动态容量（kg hm-2）；M 为每公顷 0~20cm 的表层
土壤重量（2.25×106 kg hm-2）; n 为控制年限。
重金属在土壤中的迁移主要包括植物吸收、地表
径流和地下渗漏等，据研究，重金属在土壤中的迁移
比较困难，残留率一般在 90%左右[15]，由于缺乏山东省
不同植被类型土壤残留率的相关实验数据，在计算
中，近似假定 Cu、Zn、Pb、Cd 在不同植被类型土壤中的 残留率为 K=0.9。根据土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 的背景 值、允许含量以及残留率 K 值，计算出不同植被类型 土壤中上述元素的动态环境容量，见表 4。
Cu
50 150 150
150
150
Zn
200 250 250
250
250
Pb
150 300 300
300
300
Cd
0.3
0.6 0.6
0.6
0.6
2 不同植被类型土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd
的环境容量研究
2.1 静态容量的研究
土壤的静态容量，是以静止的观点来度量使土壤
达到环境标准所能许可容纳的污染物量。静态容量的
由表 4 可见，同一种重金属在不同植被类型土壤 中的动态容量排序与静态容量的排序相同，农作物的
Cu、Zn、Pb、Cd 的动态环境容量最小，以 100 年为年
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土壤通报
第 40 卷
表 4 不同植被类型土壤的重金属动态环境容量（kg hm-2 a-1）
生长乔木林、灌丛、草原和草甸、沼泽湿生植物等土壤
沼泽湿生植物＞乔木林＞农作物；Pb：沼泽湿生植物＞
灌丛＞草原、草甸＞乔木林＞农作物；Cd: 乔木林＞灌
丛＞沼泽湿生植物＞草原、草甸＞农作物。其中，农作
物的 Cu、Zn、Pb、Cd 的静态环境环境容量最小，以 100
年为年限，分别为 0.61、3.11、2.84、0.005kg hm-2 a-1。
表 3 不同植被类型土壤的重金属静态环境容量（kg hm-2 a-1）
6.35
Pb
50
0.010 0.025 0.025 0.022
0.022
Cd
100
0.005 0.013 0.013 0.011
0.011
2.2 动态容量的研究
静wenku.baidu.com土壤环境容量的研究中，并未考虑土壤环境
的自净作用与缓冲性能，因为污染物进入土壤的累积
过程中，还要受土壤环境地球化学背景与迁移转化过
程的影响和制约，如污染物的输入与输出、吸附与解
中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：0564- 3945(2009)02- 0366- 03
山东省有现代植物 186 科，近 3000 种，植物种 壤重金属污染的总量控制及其污染的防治提供科学
类、数量与分布等因自然条件不同差异较大，其典型 依据。
土壤上的植被类型主要有针叶林、阔叶林、针阔混交 林、草原、草甸、灌丛、沼泽湿生植物和农作物等。植物 的重金属耐性通常因植物种类和重金属元素种类的
50
1.23 5.96 5.62
5.50
5.66
100 0.61 2.98 2.81 2.75
2.83
Cu
50
6.22 8.60 8.66
9.23
8.66
100 3.11 4.30 4.33 4.62
4.33
Zn
50
5.67 12.21 12.53 12.41
12.68
100 2.84 6.10 6.26 6.20
吸、固定与溶解、累积与降解等，这都使得土壤环境容
量处于一个动态的变化过程中[13]。因此，土壤相对于污
染物具有一个动态的容量。动态容量的计算公式为[11,14]：
Si=CiKn+106
Qin M
K 1- Kn 1- K
（2）
公式(2)变形后为：
Qn=10-
6M[Si-
CiKn]
1- K K(1- Kn)
元素
农作物
Element
Crop
Cu
22.75±7.20
Zn
61.83±18.84
Pb
23.99±*
Cd
0.0769±1.58
注：* 指缺少该元素的标准差。
乔木林 Tree
17.58±8.73 58.93±1.34 28.77±9.84 0.0601±1.59
灌丛 Shrub 25.12±1.71 57.48±1.37 21.56±2.31 0.0444±1.71
摘 要：根据山东省植被特点，将植被分为农作物、乔木林、灌丛、草原和草甸、沼泽湿生植物五种主要类型，研究了不 同植被类型的土壤重金属环境容量。结果表明：农作物的 Cu、Zn、Pb、Cd 的静态环境容量和动态环境容量均最小；不同植被 类型土壤的平均动态年容量是土壤的静态年容量的 7~20 倍。
关 键 词：植被; 土壤; 重金属; 环境容量
Table 3 The static capacity of some heavy metals in different vegetative types
元素 年限 (a) 农作物 乔木林 灌丛 草原、草甸 沼泽湿生植物
Element Year Crop Tree Shrub Grassland Marsh plant and meadow
and meadow
Cu
50 12.54 37.67 37.66 37.66
100 12.50 37.50 37.50 37.50
37.66 37.50
力是十分必要的。 参考文献:
[1] 李 硕.水葱对镉污染土壤修复潜力的研究[D] .湖南：湖南大学， 2006：21- 27.
Zn
50 50.18 62.75
草原、草甸 Grassland and meadow
27.69±1.05 44.87±2.20 24.32±1.52 0.1123±1.21
沼泽湿生植物 Marsh plant
24.20±1.43 57.56±1.56 18.14±1.59 0.1031±1.41
背景值各异：Cu：草原、草甸＞灌丛＞沼泽湿生植物＞ 物＞灌丛＞草原、草甸；Pb：乔木林＞草原、草甸＞农 农作物＞乔木林；Zn：农作物＞乔木林＞沼泽湿生植 作物＞灌丛＞沼泽湿生植物；Cd：草原、草甸＞沼泽湿
计算公式如下[5,11,12]：
Qi=10-6M(Si- Cib- Cin)=10-6(Si- Ci)
（1）
式中，Qi 为土壤中重金属元素 i 的静容量（kg hm-2）；
M为每公顷 0~20cm 的表层土壤重量（2.25×106kg hm-）2 ;
Si 为土壤中重金属元素 i 含量的允许限值（mg kg-1）；Cib 为土壤中重金属元素 i 的背景值 （mg kg-1）；Cin 为已进 入土壤的重金属元素 i 的含量值 （mg kg-1）；Ci=Cib+ Cin， 为土壤中重金属元素 i 的现状值（mg kg-1）。
根据土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 的背景值及其允许含
量，分别以 50 年和 100 年为控制年限，计算出不同植
被类型土壤中上述元素的静态环境容量，见表 3。
由表 3 可见，同一种重金属在不同植被类型土壤
中的静态容量排序为：Cu：乔木林＞沼泽湿生植物＞
灌丛＞草原、草甸＞农作物；Zn：草原、草甸＞灌丛＞
表 2 山东省不同植被类型土壤重金属临界值（mg kg-1）
Table 2 The soil- critical value in different vegetative types in Shandong Province
元素 农作物 乔木林 灌丛
草原、草甸
沼泽湿生植物
Element Crop Tree Shrub Grassland and meadow Marsh plant
土壤元素背景值是指土壤中已经容纳的元素量
受能力不同[1]，所以生长不同植被类型的土壤重金属 值，其数值的大小，影响着土壤将能容纳元素的量。山
环境容量也不相同。研究不同植被类型土壤的重金属 东省土壤类型主要包括潮土、褐土、棕壤和盐土四种，
环境容量，对合理利用和开发不同植被类型土壤的自 主 要 呈 中 性 和 弱 碱 性 ，80% 以 上 的 土 壤 pH 值 在
2期
于 光 金 等：山东省不同植被类型土壤重金属环境容量研究
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生植物＞农作物＞乔木林＞灌丛。在同一种植被类型 中， Zn 的背景值较高，最高达 61.83 mg kg-1，而 Cd 的背景值较低，最低为 0.0444 mg kg-1。 1.2 不同植被类型土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 的允许限值
62.77
62.77
100 50.00 62.50
62.50
62.50
62.75 62.50
[2] BAKER A J M. Accumulators and excluders- strategies in the response of plants to heavy metals [J]. Journal of Plant Nutrition, 1981, 3(10): 643- 654.
1 不同植被类型土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 的背景值和允许限值
不同而异[1]，主要通过金属排斥（metal exclusion）和金
土壤环境容量的研究主要包括土壤环境背景值、
属积累（metal accumulation）两条基本途径实现[2]。土壤 允许限值、典型污染物迁移自净能力、数学模型等方
重金属环境容量是指一定单元、一定时限内，遵循环 面的研究。其中，土壤环境容量的确定又以背景值和
境质量标准，既保证农产品产量与质量，也不使环境 土壤污染物允许限值的确定最为关键[4,5]。
受污染时，土壤所能容纳的重金属污染物的最大负荷 1.1 不同植被类型土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 的背景值
量[3]。由于不同的植被类型对重金属吸收、转运以及耐
净能力，防止土壤污染等具有一定的理论意义和现实 6.5~8.5 之间[6]，生长山东省各植被类型的主要土壤类
意义。
型为潮土，褐土，棕壤和盐土。据山东省土壤环境背景
本文根据山东省植被特点，将植被分为农作物、 值的调查研究[7]，得到山东省不同植被类型土壤表层
乔木林、灌丛、草原和草甸、沼泽湿生植物五种主要类 （0~20cm）Cu、Zn、Pb、Cd 的平均背景值，见表 1。
Table 4 The dynamic capacity of some heavy metals in different vegetative types 的自净能力，进一步探讨不同植被类型的土壤纳污能
元素 年限 (a) 农作物 乔木林 灌丛 草原、草甸 沼泽湿生植物
Element Year Crop Tree Shrub Grassland Marsh plant
第 40 卷第 2 期 2009 年 4 月
土壤通报 Chinese Journal of Soil Science
Vol . 40 , No . 2 Apr . , 2009
山东省不同植被类型土壤重金属环境容量研究
于光金 1，成杰民 1*，王忠训 2，慕金波 2，荆林晓 1
（1. 山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014；2. 山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南 250013）
由于各地土壤组成差异较大，土壤上长期生长的 植被类型各异，不同植物吸收土壤中元素的性能也不 同，要给土壤环境制定统一的标准或允许限值是较困 难的[8]，这里根据 Cu、Zn、Pb、Cd 的生物地球化学特性 和 对 生 物 的 毒 性 ， 根 据 山 东 省 土 壤 pH 值 范 围 为 6.5~8.5，参考我国土壤环境质量标准（GB15618- 1995） 中的二级标准，其中农作物由于人类食用的关系，还 特别考虑了农产品安全质量、无公害蔬菜产地环境要 求（GB/T 18407.1- 2001），确定出土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 全量的允许限值[9,10]如表 2。