陜西省涇惠渠灌區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及評價

易 秀,谷曉靜,侯燕卿,劉秀花,謝娟

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院,陜西西安710054;2.西安市環(huán)境保護科學研究院,陜西西安710002)

涇惠渠灌區(qū)是陜西省重要的糧食、蔬菜基地,其土壤環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣對人們的健康有著重大影響。近年來灌區(qū)在高效發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時,由于大量施用農(nóng)藥、化肥以及地膜的推廣,土壤中污染物含量有增加趨勢,尤其是重金屬等[1]。據(jù)報道,重金屬是農(nóng)事活動引入的最多污染物。一般化學肥料中含有數(shù)量不等的Cd,Zn,Ni,Cr,Cu,Zn,As,農(nóng)藥中含Hg,As,Cu,Zn等重金屬[2-5]。由于地膜生產(chǎn)過程中加入了含有Cd,Pb的熱穩(wěn)定劑,同時也增加了土壤重金屬污染[6]。另外Cu,Zn,Fe,As,Cr等被廣泛應(yīng)用于飼料添加劑中[7-9],通過畜禽糞便也進入到農(nóng)田環(huán)境中。針對上述問題,本文在調(diào)查收集涇惠渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況資料的基礎(chǔ)上,通過采集土壤樣品、化驗分析,摸清灌區(qū)土壤中重金屬含量現(xiàn)狀,并通過單因子指數(shù)法對其土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀作出評價,從而為指導(dǎo)灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保證灌區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提供科學的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部,東經(jīng)108°34′34″—109°21′35″,北緯 34°25′20″—34°41′40″。屬涇、渭河沖積平原區(qū)。灌區(qū)東西長約70 km,南北寬約20 km,耕地面積9.13×104hm2,有效灌溉面積8.39×104hm2,渠井雙灌面積7.33 hm2。地勢由西北向東南傾斜,海拔高程350～450 m,地面坡降1/300～1/600,是典型的北方平原灌區(qū)。根據(jù)中國土壤分類系統(tǒng)[10],灌區(qū)的主要土類以灌淤土和褐土為主。

2 研究方法

2.1 采樣點的布設(shè)及樣品測定

灌區(qū)種植的農(nóng)作物主要以小麥、玉米為主,有少部分果園,都為井渠雙灌。采樣時,根據(jù)作物類型,種植農(nóng)作物的土壤采樣深度為0—20 cm;果園土壤采樣深度為0—40 cm。因為灌區(qū)耕地地勢平坦,土壤比較均勻,采用梅花布點法或蛇形布點法,每個采樣點設(shè)5～20個分點,每個分點取土樣1 kg左右,然后用塑料袋將各分點的土樣混合均勻,再用四分法保留混合土樣約1 kg,裝入采樣袋,貼好標簽。將采集的土壤樣品晾攤在室內(nèi)自然風干,并剔除異物(植物根、石礫等),用瑪瑙研缽研磨,過100目尼龍篩,保存待測。

2.2 評價重金屬的選擇及其測定方法

對土壤中重金屬污染評價時,雖然有效態(tài)含量更為合理,但由于重金屬形態(tài)區(qū)分的測定相對較困難,而且到目前為止,國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準對重金屬含量的規(guī)定及有關(guān)建議值等只限于重金屬的全量,因而重金屬評價均以全量為依據(jù),很少有學者以重金屬有效態(tài)含量作為評價指標[11]。本試驗選擇Cd,Cr,Pb,Hg,As,Cu,Zn作為調(diào)查研究對象,主要是基于灌區(qū)的污染源、作物效應(yīng)及危害。

各種重金屬測定所采用的方法按照相應(yīng)的國家標準進行[12]。具體測定由西北農(nóng)林科技大學測試中心完成。

3 研究結(jié)果及討論

3.1 評價方法及評價標準的選取

本文在對研究區(qū)原始測試數(shù)據(jù)分析評價的基礎(chǔ)上,主要采用單因子污染指數(shù)法對灌區(qū)土壤的環(huán)境質(zhì)量進行現(xiàn)狀評價。

國內(nèi)外學者對土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價時,采取的標準也不統(tǒng)一。一般結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況來確定研究所采用的評價標準,包括土壤環(huán)境質(zhì)量評價標準或當?shù)氐耐寥辣尘爸?。本文用單因子污染指?shù)法進行灌區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價時,參照中國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-1995)和無公害農(nóng)產(chǎn)品基地土壤環(huán)境質(zhì)量標準(NY5010-2001)。

3.2 評價結(jié)果及討論

3.2.1 灌區(qū)土壤重金屬含量特征及其相互關(guān)系 灌區(qū)土壤中Pb,Cd,Hg,As,Cu,Zn平均值與陜西省土壤背景值的平均值(圖1)相比,分別超出46.0%,105.7%,90.6%,47.8%,12.6%和178.6%,只有Cr的平均含量與土壤背景值基本接近。因而Cd,Hg,Zn的風險必須引起足夠的重視。

圖1 灌區(qū)土壤中重金屬平均值與陜西省土壤背景值比較

灌區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計分析結(jié)果表明(表1),Cd的變異系數(shù)最大,為1.547,As的變異系數(shù)最小,為0.105,除了由于土壤本底差異的原因外,人類活動的影響也是一個重要因素。變異系數(shù)越大,各個采樣地點之間的相關(guān)性受人為作用影響也越大,說明Cd在灌區(qū)受到的人為干擾和影響最強烈。由于外來重金屬元素主要積累于土壤表層[5],不同土地利用方式或取樣位置對土壤重金屬的影響比較明顯。在灌區(qū)菜地和果園由于受施肥等因素的影響,其表層重金屬積累較多。在涇陽樊窯村、涇陽社樹林、三原腰寨村、閻良槐樹林、臨潼南窯村7種元素含量都高出土壤背景值。

在自然條件下,由于重金屬元素之間的伴生性,有些元素之間具有一定的相關(guān)性。據(jù)報道美國佛州土壤中Cu與Zn之問的相關(guān)性達到了極顯著水平。并且指出Cu與Zn,Zn與Cd之間具有極顯著的相關(guān)水平[13]。Cu與Zn具有相似的離子半徑,它們在形成污染物時具有相似的程序和過程,故易于出現(xiàn)極顯著的相關(guān)水平。Cu與Cd之間具有顯著的相關(guān)性也出現(xiàn)在香港的土壤中[14]。陜西省土壤褐土中各元素背景值的相關(guān)性分析結(jié)果[15]表明(表2),Cu和Zn,Cu和Cr,Cu和Cd,Zn和Cd,Zn和Cr之間達到了極顯著相關(guān),Cd和As之間達到了顯著相關(guān)。但涇惠渠灌區(qū)土壤各重金屬之間的相關(guān)性分析表明(表3),所有各元素之間的相關(guān)性都不顯著,說明灌區(qū)土壤受人為耕作的影響,如化肥、農(nóng)藥和家畜糞便的大量施用,以及污水灌溉等,使得農(nóng)田中不同重金屬的來源發(fā)生了變化[16],改變了土壤自身的一些特性,消弱了成土母質(zhì)因素的影響,導(dǎo)致不同重金屬在土壤中的含量增加程度不同,變異性也增大。

表1 灌區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計 mg/kg

表2 褐土元素背景值的相關(guān)性分析

表3 灌區(qū)土壤重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)

3.2.2 土壤重金屬和土壤肥力指標之間的相關(guān)性將灌區(qū)土壤重金屬元素與各肥力指標的實測結(jié)果進行相關(guān)性分析(表4),結(jié)果表明,它們之間的相關(guān)性無論從顯著性還是數(shù)值大小,都不具有任何規(guī)律性,這與灌區(qū)100 a來的耕種歷史有關(guān)。由于經(jīng)歷了十分強烈的人為干擾作用,各因素之間的變異性增大(表4)。

表4 灌區(qū)土壤重金屬元素與肥力指標的相關(guān)系數(shù)

從表4可以看出,pH與Cr具有顯著的相關(guān)性。由于灌區(qū)為石灰性土壤,很大一部分Cr以Cr(OH)3的形式沉淀于土壤中,當p H越高,土壤對其吸附量越大[17];有機質(zhì)僅與Zn和Pb的關(guān)系達到了顯著水平。當土壤中有機質(zhì)含量越高時,將明顯促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,提高了有機膠體數(shù)量,增加了土壤比表面積,增大了吸附量,從而使土壤中重金屬含量也越高;全磷和速效磷與Hg達到了顯著相關(guān)性,而速效磷與Cu也達到了極顯著相關(guān)性,速效鉀與As達到了極顯著相關(guān);全氮和堿解氮與各重金屬元素無相關(guān)性。上述結(jié)果還有待于下一步研究工作繼續(xù)探討。

3.2.3 用單因子污染指數(shù)法對灌區(qū)土壤重金屬現(xiàn)狀評價結(jié)果 單因子污染指數(shù)評價即對土壤中的某一污染物的污染程度進行評價。通過單因子評價,確定單個土壤質(zhì)量參數(shù)的污染情況,它是多因子綜合評價的基礎(chǔ)。評價依據(jù)是該污染物的單項污染指數(shù)。重金屬單因子指數(shù)用農(nóng)業(yè)部規(guī)定的行業(yè)標準NY5010-2001規(guī)定的計算方法,即:

式中:Ci——土壤中污染元素i的實測值;Si——土壤中污染元素i的評價標準。這里,采用Xa,Xc,Xp分別代表土壤污染積累起始值、中度污染起始值和重度污染起始值(表5)。根據(jù)Xa,Xc值和Xp計算公式確定污染等級和污染指數(shù)范圍:

Pi≤1為非污染,相應(yīng)地區(qū)為非污染區(qū);

1＜Pi≤2為輕污染,相應(yīng)地區(qū)為輕度污染區(qū);

2＜Pi≤3為中度污染,相應(yīng)地區(qū)為中度污染區(qū);

Pi≤3為重污染,相應(yīng)地區(qū)為重度污染區(qū)。

表5 土壤污染評價標準的建議范圍與起始值 mg/kg

按照以上污染指數(shù)范圍,再求具體的污染指數(shù),可以消除由于各污染物的評價標準不同,可能相差極大的現(xiàn)象。具體計算公式如下:

將灌區(qū)土壤重金屬含量與表5中的無公害農(nóng)產(chǎn)品基地土壤污染評價標準的建議范圍與不同起始值相比較,灌區(qū)土壤中Cr,Pb,Cu,Hg含量基本未達到土壤污染積累的起始值,但Cd,Zn,As有不同程度的污染。利用式(2)—(5)計算了各單因子指數(shù),確定出灌區(qū)土壤的污染等級(表6)。

表6 涇惠渠灌區(qū)土壤單因子指數(shù)評價結(jié)果

評價結(jié)果表明,灌區(qū)土壤中Zn污染最嚴重,71%的采樣點為輕度污染,另有4個采樣點為中度污染,平均單因子污染指數(shù)1.48,灌區(qū)土壤平均為輕度污染;灌區(qū)土壤中As 83%的采樣點為輕度污染,平均單因子污染指數(shù)1.11,灌區(qū)土壤平均為輕度污染;灌區(qū)土壤中Cd的平均評價結(jié)果為非污染,但個別采樣點分別達到了輕度、中度和重度污染。因此在灌區(qū)土壤資源利用中,如果作為無公害農(nóng)產(chǎn)品基地,首先要防治Zn和As的污染,其次Cd的污染也應(yīng)引起重視,重點查明污染源,有針對性地治理。

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