沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤重金屬鎘和鉻的現(xiàn)狀及潛在生態(tài)風險評價

張 娜，王嘉琦，梁曉晨，王小軍，李學斌，孫麗娜，林靜雯

（1.沈陽市環(huán)境保護局 東陵分局，遼寧 沈陽 110015；2.沈陽大學a.區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室；b.生物與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110044）

污灌區(qū)灌溉水質(zhì)不符合灌溉要求，會造成土壤污染.調(diào)查顯示，我國采用污水灌溉的區(qū)域中，有65%的面積遭受不同程度的重金屬污染［1］.可見，對于污灌地區(qū)重金屬的調(diào)查研究和評價具有重要的現(xiàn)實意義.沈陽市是我國重要的工業(yè)城市，工業(yè)污水灌溉帶來的土壤污染問題一直比較突出，特別是沈撫灌區(qū)污灌帶來的農(nóng)田石油污染問題已引起了各方面的廣泛關(guān)注［2］，但對于受到石油污染的沈撫灌區(qū)，該灌區(qū)農(nóng)田是否也存在著由于污灌帶來的重金屬的污染問題，特別是從2000年沈撫灌區(qū)停灌10多年以來土壤重金屬的現(xiàn)狀和分布狀況卻鮮有文獻涉及.本文選擇沈陽沈撫灌區(qū)上游指定區(qū)域土壤中的重金屬鎘和重金屬鉻進行監(jiān)測分析和評價，目的是全面系統(tǒng)了解和掌握從2000年沈撫灌區(qū)停灌10多年以來土壤重金屬鎘和重金屬鉻的現(xiàn)狀及潛在的生態(tài)風險，以期為沈撫灌區(qū)污灌土壤的規(guī)劃、管理提供全面、系統(tǒng)、可靠的環(huán)境基礎資料和科學依據(jù)，實現(xiàn)沈撫灌區(qū)以及其他灌區(qū)土壤的可持續(xù)發(fā)展科學保護和土壤生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的基礎指導.

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

建于1961年的沈撫灌渠全長近百公里，位于遼寧省沈陽市和撫順市之間.沈撫灌渠長期采用來自撫順市各大煉油廠的石油工業(yè)污水灌溉，污水成分復雜，變化大，灌溉面積約200平方公里，灌溉歷史長達40余年.20世紀90年代以來，逐步減少了污水灌溉面積，并于2000年基本實現(xiàn)了區(qū)內(nèi)農(nóng)田的改旱作業(yè)或清水灌溉作業(yè).本次采樣區(qū)域為沈陽沈撫灌區(qū)上游區(qū)域，該區(qū)域農(nóng)田土壤曾遭受到沈撫灌渠嚴重污染，它位于沈陽市東陵區(qū)（渾南新區(qū)）核心地帶，沈陽市東陵區(qū)（渾南新區(qū)）位于沈陽東南部，系渾河水系沖積而成的渾河平原上，地形平緩，平均海拔低于50米.研究區(qū)主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，農(nóng)作物以種植玉米、水稻為主，面積22平方公里，具體位置見圖1.

圖1 項目位置圖Fig.1 Project location

1.2 采樣點布設

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HT／T 166—2004》［3］規(guī)定，根據(jù)污染源情況，同時考慮灌溉水污染型土壤監(jiān)測布點原則，選擇農(nóng)田土壤曾遭受到沈撫灌渠污染較重的10個行政村為代表，布設調(diào)查采樣地點.共采集了50個表層（0～20cm）土壤樣品.采樣點位置采用GPS定位，每一個土壤樣品采用200m×200m范圍內(nèi)對角線法進行5點混合樣的采取，混合樣混勻后用四分法取1kg土樣裝入樣品袋備用，具體采樣點布設見圖2.

圖2 沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤采樣點布設圖Fig.2 Layout diagram of sampling points of the upriver range in Shenyang－Fushun irrigation area

1.3 樣品處理與分析

土壤樣品經(jīng)除去混雜物后風干，粗磨過孔徑2mm尼龍篩，再用手工研磨到土樣全部通過孔徑0.25mm的尼龍篩，二分法分成二份，一份裝瓶備分析用，一份繼續(xù)研磨至全部通過孔徑0.15 mm的尼龍篩，裝瓶待測.土壤樣品監(jiān)測與分析方法，采用我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》GB 15618—2008標準［4］環(huán)境監(jiān)測分析方法進行測定.

1.4 評價標準

本評價標準，土壤重金屬鎘和重金屬鉻一級標準執(zhí)行遼寧省土壤背景值標準［5－6］，其余執(zhí)行我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》GB 15618—2008標準，見表1.

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標準Table 1 Environmental quality standards for soils

1.5 評價方法

土壤重金屬鎘和重金屬鉻評價方法采用土壤單因子污染指數(shù)法、土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和土壤潛在生態(tài)風險評價法.

（1）土壤單項污染指數(shù)法.土壤單項污染指數(shù)

（2）土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法.土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

（3）土壤潛在生態(tài)風險評價采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法［7］.土壤金屬元素i的潛在生態(tài)風險指數(shù)：

式中，Pi為土壤重金屬元素i的單項污染系數(shù)，本文以遼寧省表層土壤背景值作為參比值計算該系數(shù)；Tri為土壤重金屬元素i的毒性響應系數(shù)，反映重金屬元素的毒性水平以及生物對重金屬污染的敏感程度，土壤各重金屬毒性響應系數(shù)為Tri（Mn）＝Tri（Zn）為1；Tri（V）＝Tri（Cr）為2；Tri（Cu）、Tri（Ni）、Tri（Co）、Tri（Pb）為5；Tri（Cd）為30.

土壤單項污染指數(shù)法、土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和土壤潛在生態(tài)風險指數(shù)法污染等級劃分標準見表2.

表2 污染等級劃分標準Table 2 Pollution grading standards

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣區(qū)域土壤重金屬鎘和重金屬鉻監(jiān)測分析

采樣區(qū)域土壤中重金屬鎘和重金屬鉻監(jiān)測分析結(jié)果見表3.從表3可以看出，與《土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB 15618—2008》國家二級標準值（旱地鎘質(zhì)量分數(shù)≤0.45mg·kg－1、水田鎘質(zhì)量分數(shù)≤0.50mg·kg－1（pH＞6.5）、旱地鉻質(zhì)量分數(shù)≤200mg·kg－1、水田鉻質(zhì)量分數(shù)≤300mg·kg－1（pH＞6.5））比較，沈陽沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域內(nèi)，每一個行政村采樣點重金屬鎘和重金屬鉻均未超出國家二級標準.說明該采樣區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤符合國家對一般農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的標準要求，沈撫灌渠灌的污水灌溉沒有給采樣區(qū)域的土壤帶來重金屬鎘和鉻污染.

此次采樣共10行政村，但其中4個行政村土壤重金屬鎘、3個行政村土壤重金屬鉻超出遼寧省土壤環(huán)境背景標準值（鎘0.108mg·kg－1，鉻57.9mg·kg－1）.雖然沈陽沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域土壤中重金屬鎘和重金屬鉻含量符合國家對一般農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的標準要求，但土壤已表現(xiàn)出不同程度的重金屬富集現(xiàn)象.有研究表明［9］土壤重金屬鎘或鉻的富集可能主要與化肥的施用有關(guān).旱田作業(yè)時化肥的施用對于土壤重金屬鎘的貢獻尤其突出，尤其是磷肥的施用對土壤中鎘的富集有著很大的關(guān)系.土壤重金屬鎘和重金屬鉻在上述幾個村子富集原因是否為化肥的施用輸入、或者周邊工業(yè)或運輸?shù)妮斎耄贾档眠M一步商榷.

表3 采樣區(qū)域土壤中重金屬鎘和重金屬鉻監(jiān)測分析結(jié)果Table 3 The monitoring and analyzing results of the Cd，Cr in the soil of sampling range

變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點的平均變異程度.一般情況下，變異系數(shù)在0～10% 之間屬于弱變異，在10%～100%之間屬于中等變異，100%以上屬于強變異［10－11］.沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤重金屬鎘和重金屬鉻的變異系數(shù)在10%～100%之間屬于中等變異，說明各監(jiān)測點位的土壤重金屬鎘和重金屬鉻的含量差異較大，在土壤中分布不均勻.這是沈陽沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域土壤中重金屬鎘和重金屬鉻一個顯著特征.說明該區(qū)域農(nóng)業(yè)活動對土壤的擾動性較大.

2.2 沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤重金屬鎘和鉻污染現(xiàn)狀評價

采用遼寧省土壤環(huán)境背景標準值作為評價標準，運用單項指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對采樣區(qū)域土壤重金屬鎘和重金屬鉻進行現(xiàn)狀評價，單項污染指數(shù)法可以體現(xiàn)每一個評價指標的污染狀況，綜合污染指數(shù)充分考慮了高濃度物質(zhì)對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響.評價結(jié)果見表4.

表4 土壤重金屬鎘和重金屬鉻污染指數(shù)評價結(jié)果Table 4 The pollution index assessment results of the Cd，Cr in the soil

從表4可以看出，此次采樣共10個行政村，按照單項污染指數(shù)評價，對于土壤重金屬鎘，6個行政村單項污染指數(shù)小于1，屬于清潔級；4個行政村單項污染指數(shù)介于1～2之間，屬于輕污染級.對于土壤重金屬鉻，7個行政村單項污染指數(shù)小于1，屬于清潔級；3個行政村單項污染指數(shù)介于1～2之間，屬于輕污染級.

按照內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價，對于土壤重金屬鎘，1個行政村綜合污染指數(shù)小于0.7，屬于清潔級，4個行政村綜合污染指數(shù)介于0.7～1，屬于尚清潔級，4個行政村綜合污染指數(shù)介于1～2，屬于輕污染級，1個行政村綜合污染指數(shù)介于2～3，屬于中污染級.由此可見，對于采樣區(qū)域土壤重金屬鎘內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價已經(jīng)有中污染級存在，這是因為綜合污染指數(shù)評價突出了高濃度污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響，說明采樣區(qū)域土壤重金屬鎘雖然尚能達到國家土壤環(huán)境質(zhì)量要求，但土壤重金屬鎘已存在著污染風險.

按照內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價，對于土壤重金屬鉻，4個行政村綜合污染指數(shù)介于0.7～1，屬于尚清潔級，6個行政村內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)介于1～2，屬于輕污染級.由此可見，對于采樣區(qū)域重金屬鉻現(xiàn)狀評價結(jié)果都為輕污染級以下，說明采樣區(qū)域土壤重金屬鉻一般無污染，應做好預防.

2.3 沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤重金屬鎘和重金屬鉻潛在生態(tài)風險評價

按照Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法對沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤中重金屬鎘和重金屬鉻潛在生態(tài)風險進行了評價，結(jié)果如表5所示.

表5 土壤重金屬鎘和鉻潛在生態(tài)風險評價Table 5 The ecological risk assessment of the Cd，Cr in the soil

從由表5可以看出，此次采樣共10個行政村，對于土壤重金屬鎘，按照潛在生態(tài)風險評價，2個行政村屬于中等生態(tài)風險，6個行政村屬于高生態(tài)風險，2個行政村屬于很高生態(tài)風險.說明沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域土壤中重金屬鎘存在著一定生態(tài)風險，具有潛在危害，應引起重視.

對于土壤重金屬鉻，按照潛在生態(tài)風險評價，均屬于輕微生態(tài)風險，說明沈陽沈撫灌區(qū)上游土壤中重金屬鉻生態(tài)風險不大，但要防止人類活動對土壤重金屬鉻帶來的影響.

3 結(jié) 論

（1）沈陽沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域內(nèi)，此次采樣共10個行政村，每一個行政村重金屬鎘和重金屬鉻均未超出國家二級標準值，說明沈撫灌渠灌的污水灌溉沒有給采樣區(qū)域的土壤帶來重金屬鎘和鉻污染.但4個行政村土壤重金屬鎘、3個行政村土壤重金屬鉻超出遼寧省土壤環(huán)境背景標準值，說明土壤中重金屬鎘和重金屬鉻在該采樣區(qū)域有富集現(xiàn)象，可能與化肥的施用有關(guān).重金屬鎘和重金屬鉻在土壤中分布極不均勻，說明土壤的擾動性較大.

（2）對于沈陽沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域土壤，按照單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價，雖然重金屬鎘現(xiàn)狀評價結(jié)果都為中污染級以下，但該區(qū)域土壤重金屬鎘具有污染風險.而重金屬鉻現(xiàn)狀評價結(jié)果都為輕污染級以下，說明采樣區(qū)域土壤重金屬鉻一般無污染風險.

（3）對于沈陽沈撫灌區(qū)上游采樣區(qū)域土壤，按照Hakanson潛在生態(tài)風險評價，重金屬鎘存在著一定的生態(tài)風險，具有潛在危害.重金屬鉻生態(tài)風險不大.

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