镉和铅在农业土地利用方式驱动下的浓度、形态及植物累积变化特征——以泰国达府为例

《Sustainable Environment》：Agricultural land uses driven variability of cadmium and lead concentrations, speciation, and plant accumulation: A case study of Tak Province, Thailand

　　

土地利用方式显著影响农业生态系统中重金属的累积与分布。本研究评估了五种土地利用系统（木薯田、水稻田、果园、玉米田和休耕地）对镉（Cd）和铅（Pb）浓度、化学形态及植物累积的影响。研究人员对土壤和植物样本进行了重金属总量分析，并采用序提提取法（F1–F5）测定重金属形态。结果表明，休耕地的Cd（17.5 mg kg^?1）和Pb（4.3 mg kg^?1）浓度显著高于耕作土壤（p < 0.05）。然而，所有土地利用系统中的重金属浓度均低于泰国现行农业用地土壤质量标准。Cd主要与可还原态（F3）和残渣态（F5）结合，而Pb主要存在于可氧化态（F4）和残渣态（F5）中。主成分分析（PCA）揭示，土壤理化性质对重金属的迁移性和生物有效性具有重要影响。

**1. 研究背景与目的**

农业生态系统正面临重金属污染日趋严重的威胁，主要源于农药过量使用、快速城市化和工业活动，这些污染对植物、动物和人体健康均产生不利影响。由于重金属具有不可生物降解的特性，从污染土壤中去除重金属仍是一项重大挑战。镉（Cd）和铅（Pb）被世界卫生组织（WHO）列为十大重要环境污染物之一，因其不可降解性和在植物组织中累积的倾向，对公众健康构成显著风险。不同作物对Cd和Pb的吸收和累积能力存在差异，这取决于土壤中重金属的生物有效性及土地利用方式。土壤化学性质通过吸附、络合和氧化还原反应等过程显著影响Cd和Pb的形态、迁移性和生物有效性。近年来研究表明，农业生态系统土壤中Cd和Pb的累积主要受人为输入驱动，包括无机肥料的过度施用和大气沉降，这些污染物不仅降低土壤肥力，还通过作物从污染土壤向可食用部分的转运直接影响食品安全。

然而，现有研究仍缺乏对土壤重金属形态与植物吸收模式之间关联的系统评估，尤其是在不同土地利用类型下，土地利用方式和植物功能群如何影响Cd和Pb在土壤-植物系统中的转移尚不明确。因此，本研究旨在：(i) 评估不同土地利用类型下Cd和Pb的累积及化学分馏特征；(ii) 确定特定土地利用模式下重金属浓度与土壤理化性质之间的相关性；(iii) 评估Cd和Pb在不同植物组织中的浓度、器官特异性累积模式以及C3和C4植物间的转运差异。该研究对于阐明土地利用模式如何决定重金属迁移性、为针对性修复和不同种植系统风险缓解方案的制定提供关键见解具有重要意义。

**2. 研究区域与方法概述**

研究区域位于泰国达府Mueang Tak县Nong Bua Tai街道Khlong Huai Sai村，研究人员从六种代表性土地利用类型（玉米田T1、木薯田T2、稻田1 T3、稻田2 T4、休耕地T5和果园T6）中系统采集土壤和植物样本。采样于2025年2月15日旱季进行，平均环境温度约31°C。研究区域为粉壤土，呈微酸性至中性pH条件。土壤样本采集深度为0–15 cm，植物样本包括水稻（叶片和根）、玉米（茎、叶和根）及木薯（块茎）。主要分析技术包括：采用电位法测定土壤pH、电导率仪测定电导率（EC）、重铬酸钾氧化法测定有机质（OM）、乙酸铵交换法测定交换性阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺）；采用硝酸-高氯酸（2:1）混合酸消解法测定土壤和植物样本中重金属总量；采用序提提取法将重金属分为水溶态（F1）、可交换态（F2）、可还原态（F3）、可氧化态（F4）和残渣态（F5）五个组分，所有提取液均采用原子吸收光谱法（AAS）测定Cd和Pb浓度。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验（p < 0.05），并运用主成分分析（PCA）探究土壤性质与重金属浓度的关系。

**3. 主要研究结果**

**3.1 土壤理化性质**

土壤化学性质在不同土地利用类型间呈现显著差异（p < 0.05）。土壤pH范围为6.2–7.5，休耕地（T5）的pH最高（7.4），而玉米田（T1）和木薯田（T2）的pH最低。EC值变化范围为19.1–75.9 μS cm^?1，稻田（T3和T4）的EC值显著高于其他区域，表明可溶性盐浓度较高。土壤OM浓度范围为1.3%–7.8%，稻田和休耕地表现出较高的碳累积能力，而木薯田（T2）的EC和OM水平较低。交换性Ca²⁺在稻田和休耕地中显著较高（3410–3668 mg kg^?1），玉米田和木薯田则显著较低（374–621 mg kg^?1）；交换性Mg²⁺以玉米田（T1）最高（132.82 mg kg^?1）；交换性K⁺在稻田和果园中最高（60.47–67.24 mg kg^?1）。土地利用方式通过改变植被覆盖、残留物归还、水分管理和施肥实践等，驱动土壤理化性质的变化，进而影响重金属的迁移性和生物有效性。

**3.2 土壤中Cd和Pb总量**

休耕地（T5）的Cd浓度最高，达17.5 mg kg^?1，显著高于其他土地利用类型（p < 0.05），而果园（T6，3.9 mg kg^?1）、稻田2（T4，3.8 mg kg^?1）、稻田1（T3，3.3 mg kg^?1）、玉米田（T1，3.2 mg kg^?1）和木薯田（T2，2.8 mg kg^?1）的Cd浓度相对较低。值得注意的是，所有土地利用类型的Cd浓度均超过1.7 mg kg^?1的标准限值。休耕地Cd水平异常偏高可能反映了地质成因（母质影响）或长期大气沉降累积的结果，同时，休耕地的高pH（7.4）和高Ca²⁺水平可通过竞争吸附、共沉淀和碳酸盐形成过程促进Cd的稳定化。Pb浓度方面，休耕地（T5）的Pb水平最高（4.3 mg kg^?1），显著高于其他区域，但所有区域均低于55 mg kg^?1的监管阈值。休耕地Pb水平升高可能与长期大气沉降以及OM和Fe/Mn氧化物的显著保留有关。

**3.3 植物中Cd和Pb含量**

不同植物组织和作物类型间的Cd浓度差异显著。玉米叶片中Cd浓度最高（3.5 mg kg^?1），其次为水稻根（2.0 mg kg^?1）、水稻叶（1.7 mg kg^?1）和玉米根（1.6 mg kg^?1）。玉米作为C4植物，其高效的营养物质运输系统促进了Cd向地上组织的转运，导致叶片中Cd浓度超过3 mg kg^?1，这可能对食物链造成潜在风险，特别是当叶片用作动物饲料时。木薯块茎的Cd浓度较低，表明从根部向块茎的转运受限。然而，木薯块茎的Pb浓度最高（2.7 mg kg^?1），这可能与块根作物直接接触土壤导致的土壤-植物直接转移有关。水稻叶片中Pb含量比根部高80%，这可能暗示大气沉降或叶面吸收的作用。Pb在玉米各组织间分布均匀（变异仅4%–5%），表明内部转运量极低。总体而言，Cd表现出更明显的组织特异性累积模式，而Pb的分布更均匀（水稻中叶部富集除外）。

**3.4 土壤中Cd和Pb的化学形态**

在不同土地利用类型中，Cd主要以可还原态（F3，24%–35%）和残渣态（F5，33%–40%）存在，表明Cd主要受Fe-Mn氧化物吸附/共沉淀和矿物晶格整合控制。值得注意的是，稻田2（T4）中Cd主要以可交换态（F2）存在，表明厌氧条件下Fe³⁺还原为Fe²⁺导致Fe-Mn氧化物失稳，Cd从可还原态（F3）释放进入更易利用的形态（F2）。休耕地（T5）中Cd在残渣态中占比最高，表明在微扰动的常年植被条件下，Cd向稳定性更强的形态转化。相比之下，Pb在不同土地利用中主要以单一稳定形态存在：玉米田和木薯田中Pb主要存在于残渣态（F5，接近100%），表明强烈的矿物固定和极低的生物有效性；稻田2（T4）和果园（T6）中Pb主要与可氧化态（F4，接近100%）结合，表明Pb与OM或硫化物相强结合。Pb在稻田1（T3）和休耕地（T5）中的可迁移形态未被检测到，表明Pb被土壤组分牢固保留，仅在强烈氧化或矿物基质内释放。Pb的低迁移性和高吸附亲和力是水溶态和可交换态几乎不存在的主要原因。

**3.5 土地利用类型对Cd和Pb累积的影响**

3.5.1 土壤理化性质与重金属累积的相关性：相关性分析表明，土壤pH与Cd和Pb累积均呈正相关（r = 0.65），表明较高pH的土壤倾向于含有较高的Cd和Pb总量。土壤OM与Cd和Pb呈弱正相关（r = 0.27和0.26），表明OM在重金属结合和稳定化中作用有限但值得关注。Ca与Cd和Pb呈中等正相关，表明富钙土壤可能通过阳离子交换或共沉淀机制促进金属累积。Mg²⁺与pH（r = ?0.73）和K（r = ?0.58）呈负相关，表明土壤系统中阳离子间存在潜在的竞争性相互作用。OM与EC呈正相关（r = 0.88），暗示较高OM含量可能与较高盐分条件相关。这些相互作用反映了吸附-解吸、离子交换和矿物结合等复杂地球化学过程，最终控制着重金属在土壤中的迁移性、生物有效性和累积。

3.5.2 主成分分析（PCA）：PCA分析表明，两个主成分共解释了总方差的81.4%（PC1 = 54.3%；PC2 = 27.1%），土地利用类型是影响土壤化学性质和Cd、Pb分布的主要因素。PC1主要代表肥力-盐度梯度，EC、K、Ca、OM和pH具有显著正载荷，Mg具有负载荷。样本可分为四个主要组别：第1组包括玉米田和木薯田（T1和T2），聚集于PC1负轴，与OM和Mg正相关；第2组包括稻田1和稻田2（T3和T4），位于PC1正侧，与EC、K、Ca和OM强相关；第3组为休耕地（T5），位于右上象限，与pH、Cd和Pb强相关，表明休耕地通过高质量和高丰度的SOM及高pH增强了对这些金属的固定作用；第4组为果园（T6），位于PCA双标图原点附近，代表中等土壤性质。PCA分组图还显示两个明显分离的簇：第1组（PC1负侧）包括T1、T2和T6（旱地系统）；第2组（PC1正侧）包括T3、T4和T5（高土壤水分和较高OM累积系统），表明水文状况和土地利用管理是土壤性质和重金属累积差异的主要决定因素。

**4. 讨论与结论**

研究讨论部分强调，土地利用方式通过改变土壤理化性质显著影响Cd和Pb的迁移性和生物有效性。稻田土壤因淹水条件导致的氧化还原周期性变化，对Fe-Mn氧化物稳定性产生显著影响，进而调控Cd和Pb的释放与固定。休耕地作为未受扰动的生态系统，因持续的凋落物输入和较高的OM含量，表现出更强的金属固定能力。C3与C4植物在Cd和Pb吸收及转运方面显示出明显差异：C4植物（玉米）具有较高的水分利用效率和发达的维管束系统，促进Cd向地上部组织的转运；而C3植物（水稻）在湿润条件下较高的气孔导度和蒸腾作用可促进溶解态Pb从根部向地上部的移动。

研究结论可概括为：休耕地表现出显著高于耕作系统的Cd和Pb总浓度，指示了背景地质来源和长期累积作用。然而，形态分析显示Pb主要与残渣态结合，表明其迁移性低且即时环境风险较小；而Cd在可还原态和可交换态中的分配比例较高，表明其对pH和氧化还原条件变化具有较高的环境敏感性。多变量分析确定土壤pH、OM、EC和交换性Ca、Mg含量是影响金属分布的主要因素。稻田土壤在PCA中表现出明显聚类，强调了氧化还原过程对金属分馏的影响。尽管大多数土壤浓度符合可接受的国际阈值，但玉米叶片中的Cd累积超过了植物推荐限值，突显了食物链转移的潜在风险。未来研究人员计划开展长期田间试验，以评估在不断变化的气候和土地利用情景下缓解策略的可持续性。化学形态分析、土壤性质评估和多变量统计方法的结合为环境监测建立了综合框架。持续监测和土壤管理实践，特别是保持最佳pH水平和稳定可移动Cd组分的措施，对于减轻农业环境中的生态和人类健康风险十分必要。