不同農(nóng)地利用方式土壤砷、汞累積特征分析及評價研究

朱溪橋，高雪松，唐世超，鄧良基，李啟權(quán)，胡玉福

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川成都611130；2.成都市國土規(guī)劃地籍事務(wù)中心，四川成都610074）

重金屬具有不可降解、易富集等特征，且易通過物理、化學(xué)和生物等表生地質(zhì)作用，借助地表徑流、地下水和大氣傳輸進入表生地球化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，進而進入生態(tài)鏈的循環(huán)中，對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境及食品安全存在潛在威脅。砷由于其化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境行為與重金屬有很多相似，因此也將其包括進土壤重金屬范圍內(nèi)。砷和汞都是引起土壤污染的重要元素，并且與人類健康關(guān)系密切，屬于易致癌物質(zhì)[1-2]。當(dāng)土壤中的砷、汞累積到一定程度時還會減少作物的產(chǎn)量，降低耕地產(chǎn)能，從而影響社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3]。土壤重金屬作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好壞的重要指示物，其含量受土壤肥力、土壤物理性質(zhì)、田塊地理位置、灌溉方式以及土地利用方式等自然因素和人類活動因素的共同影響[4-5]。研究表明土地利用方式對土壤重金屬含量影響顯著。宋成軍等[6]通過前人研究，闡明了土地利用在土壤重金屬污染風(fēng)險預(yù)測和污染土壤修復(fù)中的重要作用。白玲玉等[7]發(fā)現(xiàn)土地利用方式對 As、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn的累積具有顯著影響，其中設(shè)施菜地累積較顯著。上述研究證明土地利用與重金屬含量有密切關(guān)系。都江堰作為成都平原上重要的商品糧油、蔬菜、水果生產(chǎn)基地，農(nóng)地利用方式多樣，其生態(tài)質(zhì)量水平直接關(guān)系到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)資源的合理利用。本文以都江堰為研究區(qū)域，分析不同農(nóng)業(yè)利用方式下土壤耕層砷、汞的富集狀況，并利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)對農(nóng)田土壤砷、汞污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價，以期為該區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中重金屬監(jiān)測防控、農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于成都平原西北部，地理位置介于東經(jīng)103°25'42"～103°47'，北緯 30°44'54"～31°22'9"。區(qū)域?qū)僦衼啛釒駶櫄夂騾^(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，年均氣溫15.2℃，年均降雨量1243.80mm，年平均日照時數(shù)1016.9h，無霜期長，年均無霜期269d。成土母質(zhì)主要為侏羅系自流井群巖層風(fēng)化物、第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積物，侏羅系沙溪廟組巖層風(fēng)化物。土壤類型以黃壤、水稻土為主，土地利用類型以旱地、水田、果園、菜地為主。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用多熟制，主要種植玉米、小麥和水稻；種植的經(jīng)濟作物主要是油菜、獼猴桃等，土地墾殖率較高。

1.2 樣品采集及分析

土壤采樣點的布設(shè)按照網(wǎng)格法和分層抽樣法進行設(shè)計。野外樣品采集過程中利用1:5萬地形圖和GPS（Etrex）進行樣點定位，并根據(jù)實地情況進行樣點調(diào)整，共獲得73個土壤樣點，其中旱地29個，水田22個，果園、菜地土壤樣本共22個（圖1）。每個樣點在同一地塊內(nèi)按照梅花布點法取5個小樣點，制成一個混合樣，每個土樣最后保留0.5kg。準(zhǔn)確稱取100目干燥土壤樣品0.1000g到三角燒杯中，用10mL王水半封閉在電熱板上消解溶樣（溫度≤140℃）3h，將樣品取下冷卻，用超純水將消解液轉(zhuǎn)移到50mL刻度試管中定容，搖勻，靜置待用，用氫化物原子熒光光譜法（HG-AFS）測定Hg含量，同時做試劑空白；取10mL澄清液至25mL的容量瓶中,加入5mL硫脲-抗壞血酸混合溶液,用水稀釋至刻度，放置30-40min，用氫化物原子熒光光譜法（HG-AFS）測定As含量，同時做試劑空白。分析過程所用試劑均為優(yōu)級純，所用的水均為超純水。土壤理化性狀指標(biāo)的測定采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[8]檢測。

圖1 研究區(qū)位置和樣點分布圖

1.3 生態(tài)風(fēng)險評價方法

為了定量評價研究區(qū)土壤砷、汞在4種不同農(nóng)地利用方式下對生態(tài)安全的影響，本研究采用地累積指數(shù)（the index of geoaccumulation,Igeo）和潛在生態(tài)指數(shù)法對土壤砷、汞2種重金屬污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險進行評估。

1.3.1地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)法是在20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[9]。其計算公式如下：

式中Cn為實測重金屬含量，mg/kg；Bn為當(dāng)?shù)爻练e物重金屬含量背景值，mg/kg；K一般取1.5，是為消除各地巖石差異可能引起背景值變動的修正系數(shù)[9]。地累積指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度的劃分見表1。

表1 地累積指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2潛在生態(tài)指數(shù)法 潛在生態(tài)指數(shù)法是Hakanson應(yīng)用沉積學(xué)原理建立的評價重金屬污染和潛在生態(tài)風(fēng)險的方法。該方法兼顧了環(huán)境中各項污染物影響和污染物綜合影響，并定量劃分出重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險程度，是目前評價重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險廣泛應(yīng)用的方法[5]，其計算式如下：

根據(jù)Hakanson的分級標(biāo)準(zhǔn)[5]，重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)見表2。

表2 潛在生態(tài)危害系數(shù)、危害指數(shù)與生態(tài)危害程度分級

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)地利用方式土壤pH、有機質(zhì)和土壤砷、汞含量分析

研究選擇對重金屬含量有較大影響的pH和有機質(zhì)作為理化指標(biāo)進行分析（表3）。pH是影響土壤重金屬形態(tài)與含量的重要指標(biāo)，大部分采樣點土壤pH呈酸性，僅23.29%的樣點土壤pH呈弱堿性，其中pH最高值出現(xiàn)在水田土壤中，而菜地所有樣點均小于7；有機質(zhì)含量最高的是果園土壤，菜地次之，水田最低。

表3 研究區(qū)不同農(nóng)地利用方式土壤理化性質(zhì)分析

4種農(nóng)地利用方式下土壤砷、汞含量存在差異（表4）。研究區(qū)土壤As平均含量為7.24mg/kg，不同農(nóng)地利用下其含量由高到低的順序排列為：果園＞水田＞菜地＞旱地。果園中As平均含量最高，為8.61mg/kg，分別高出旱地、水田和菜地土壤的1.28倍，1.14倍和1.21倍。As在果園土壤中含量高，這與該用地方式下肥料的施用量有關(guān)。果園由于其生物量大，因此施肥量顯著高于其他糧田[10]。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)果園主要施加磷肥及鉀肥，有研究表明磷肥的含砷量最高，有的甚至高達273mg/kg[11]。除此之外，果園中大量施用的殺蟲劑也是果園土壤中重金屬的重要來源，這些殺蟲劑除直接與果樹葉片、作物粘結(jié)外，大部分均散落在土壤表面，并在土壤中殘留累積[12]。對4種農(nóng)地利用方式土壤砷含量進行單因素方差分析，果園土壤中砷同旱地土壤中的砷存在顯著性差異(p<0.05)。與背景值比較，研究區(qū)73個樣點土壤砷含量平均值（7.46mg/kg）并未達到國家背景值（11.20mg/kg）和川西平原背景值（7.79mg/kg）。旱地、水田、菜地中土壤砷含量平均值低于川西平原背景值，而果園中土壤砷含量低于國家背景值，高于川西平原背景值11.5%。4種不同農(nóng)地利用方式均有樣點超出川西平原背景值，其比例分別為31.03%，45.45%，55.56%以及75%。與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB156l8～1995)相比，4種農(nóng)地利用方式土壤砷都處于一級標(biāo)準(zhǔn)，并未造成污染。

土壤Hg平均含量為0.29mg/kg，不同土地利用下其含量由高到低依次為：果園＞菜地＞旱地＞水田。果園土壤中Hg含量為0.330mg/kg，分別是旱地、水田和菜地土壤的1.22倍，1.26倍和1.19倍。土壤Hg在菜地中含量也較高，這是因為菜地利用強度大，復(fù)種指數(shù)高，因此其化肥和有機肥的投入量遠高于糧田[13]。對4種農(nóng)地利用方式土壤砷含量進行單因素方差分析，果園和旱地以及果園和水田差異顯著(p<0.05)。與背景值比較，研究區(qū)73個樣點土壤汞含量平均值（0.29mg/kg）高于川西平原背景值（0.18mg/kg）61.1%，高于國家背景值（0.07mg/kg）314.3%。旱地、水田、果園和菜地中土壤汞含量平均值分別高于川西平原背景值50.0%、44.4%、83.3%和55.6%。4種不同農(nóng)地利用方式均有90%以上樣點數(shù)超出川西平原背景值。與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB156l8～1995)相比，僅在旱地利用方式中有1處樣點處于一級標(biāo)準(zhǔn)，占旱地樣點3.4%，其余96.6%為二級標(biāo)準(zhǔn)，水田、果園和菜地樣點均處于二級標(biāo)準(zhǔn)，但并未危害人體健康。與土壤砷比較，土壤中汞的富集更明顯一些。

變異系數(shù)是統(tǒng)計數(shù)波動的參數(shù)，在一定程度上反映了該元素的分布特征。4種不同農(nóng)地利用方式，土壤砷、汞的變異程度都比較弱，說明在這4類土地利用中其空間分異較小或污染程度具有相似性。

表4 研究區(qū)不同農(nóng)地利用方式下土壤砷、汞含量描述性統(tǒng)計表

2.2 土壤重金屬及其與pH、有機質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

土壤As、Hg含量與土壤pH、有機質(zhì)之間的相關(guān)性分析可知(表5)，土壤pH與土壤As和Hg含量呈負相關(guān)，其中與土壤Hg相關(guān)性顯著（p＜0.05），這一結(jié)果與佘加平[16]研究結(jié)果一致。土壤中有機質(zhì)與土壤中As呈顯著負相關(guān)（p＜0.05），土壤Hg含量與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），這是因為土壤對砷的吸附主要是通過帶正電荷的微粒和帶負電荷的砷絡(luò)陰離子之間的相互作用實現(xiàn)，有機質(zhì)是土壤中普遍存在的帶負電荷的膠體，它與土壤間吸附反映往往優(yōu)先于砷絡(luò)陰離子，因此土壤中有機質(zhì)含量越高，土壤顆粒所帶正電荷就相應(yīng)減少，最終結(jié)果反映出土壤中砷和有機質(zhì)之間的負相關(guān)[17]；而有機質(zhì)含量高說明土壤腐殖質(zhì)含量高，土壤腐殖質(zhì)對Hg2+有很強的螯合能力和吸附能力，通過生物小循環(huán)和土壤上層腐殖質(zhì)的形成，使得土壤中的Hg積累[18]。As與Hg相關(guān)性不顯著，說明研究區(qū)土壤As和Hg來源可能并不一致。

2.3 不同農(nóng)地利用方式土壤砷、汞地累積指數(shù)評價

本文以四川省砷、汞土壤環(huán)境背景值分別作為研究區(qū)土壤砷、汞的背景值，以4種農(nóng)地利用方式下的砷、汞的平均含量作為研究區(qū)農(nóng)用土壤的代表性含量進行地累積指數(shù)計算，從而評估其土壤砷、汞的總體污染富集程度。

表5 研究區(qū)土壤砷、汞與土壤pH和有機質(zhì)的相關(guān)性分析

地累積指數(shù)分析結(jié)果見表6，反映了土壤砷、汞在不同農(nóng)地利用方式下的污染程度。按照地累積指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)（表1），4種土地利用方式中土壤As含量均處于安全水平，而土壤Hg存在污染，這與之前的結(jié)論一致。土壤汞污染在果園內(nèi)最嚴(yán)重，菜地次之，旱地最小，而在水田中土壤汞地累積指數(shù)小于0，還未受到污染。研究區(qū)汞污染程度僅在1級，屬于輕度污染。

表6 研究區(qū)土壤中砷、汞的地累積指數(shù)及其污染級別

運用木桶定理，引入了綜合地累積指數(shù)Itot，將研究區(qū)所有重金屬地累積指數(shù)Igeo的最大值定位為Itot，并根據(jù)綜合地累積指數(shù)進行評估。從表6數(shù)據(jù)分析可以得出研究區(qū)綜合地累積指數(shù)Itot值最高僅為1，除水田土壤沒有出現(xiàn)重金屬砷、汞的富集外，其他三種農(nóng)業(yè)用地均出現(xiàn)富集現(xiàn)象。

2.4 不同農(nóng)地利用方式土壤砷、汞的潛在生態(tài)風(fēng)險評價

根據(jù)Hakanson歸一化處理后的毒性系數(shù)，本研究將砷和汞的毒性系數(shù)分別取值為10和40[10]，對研究區(qū)不同農(nóng)地利用方式砷和汞潛在生態(tài)風(fēng)險因子及指數(shù)進行計算，并選取川西平原土壤砷、汞環(huán)境背景值為參比值，結(jié)果列于表7。

表7 不同農(nóng)地利用方式土壤中重金屬的潛在生態(tài)因子（Ei）和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）統(tǒng)計

4種農(nóng)地利用方式下土壤砷、汞綜合潛在危害指數(shù)順序為 R果園＞R菜地＞R旱地＞R水田，分別為 68.63、67.57、84.33和70.82，均小于150，屬輕度污染。從單元素角度分析可知：土壤As在果園中值最大，為 11.06，旱地中最小，為 8.63；土壤Hg在果園中值最大，為73.27，水田中最小，為57.89。兩者比較，土壤As在4種農(nóng)地利用方式中值均小于40，風(fēng)險等級屬于A級，潛在生態(tài)風(fēng)險低；土壤Hg在不同農(nóng)地利用方式中值均高于40小于80，風(fēng)險等級屬于B級，其潛在生態(tài)風(fēng)險程度高于As。上述結(jié)果表明，不同農(nóng)地利用方式中，土壤重金屬元素砷和汞含量存在差異，并均存在富集趨勢，對該區(qū)生態(tài)環(huán)境存在潛在威脅。

3 結(jié)論

（1）4種不同的農(nóng)地利用方式下，土壤砷含量從高到低依次為：果園＞水田＞菜地＞旱地；土壤汞含量由高到低依次為：果園＞菜地＞旱地＞水田。土壤砷和汞在果園土壤中含量最高，分別為8.61mg/kg、0.33mg/kg，與川西平原背景值相比，分別高出10.5%、83.3%。這與不同農(nóng)地利用方式下土地利用強度以及不科學(xué)的化肥、農(nóng)藥施加有關(guān)。

（2）研究區(qū)土壤pH與Hg含量呈顯著負相關(guān)（p＜0.05）；土壤有機質(zhì)與As含量呈顯著負相關(guān)（p＜0.05），與Hg含量呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）。

（3）研究區(qū)耕地除水田土壤以外，其余三種農(nóng)業(yè)利用方式土壤砷、汞污染屬于1級污染，污染程度屬于輕度污染。其中不同農(nóng)地利用方式下土壤表層汞污染程度主要為輕度污染，而砷污染級別均為0級，即還沒有出現(xiàn)砷污染。

（4）綜合潛在風(fēng)險指數(shù)表明研究區(qū)兩種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險值較低，生態(tài)危害程度為輕微污染。從單元素角度分析，汞的潛在生態(tài)危害程度高于砷，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)注意合理施肥及耕作，以避免重金屬的進一步富集。

[1]雷國平,張福剛.黑龍江省肇源縣土壤汞的空間分異研究[J].水土保持研究,2013,12(1):273-276.

[2]曾希柏,李蓮芳,白玲玉,等.山東壽光農(nóng)業(yè)利用方式對土壤砷累積的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2007,18(2):310-316.

[3]孫芳芳,文典,王富華,等.典型菜地土壤汞在小白菜和胡蘿卜可食部位的富集規(guī)律[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2012,21(9):1630-1634.

[4]徐小遜,張世熔,李丹陽,等.川中典型丘陵區(qū)土壤砷和汞空間變異特征及影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2010,29(7):1320-1325.

[5]趙淑蘋,陳立新.大慶地區(qū)不同土地利用類型土壤重金屬分析及生態(tài)危害評價[J].水土保持學(xué)報,2011,25(5):195-199.

[6]宋成軍,張玉華,劉東生,等.土地利用/覆被變化（LUCC）與土壤重金屬積累的關(guān)系研究進展[J].生態(tài)毒理學(xué)報,2009,5(4):617-624.

[7]白玲玉,曾希柏,李蓮芳,等.不同農(nóng)業(yè)利用方式對土壤重金屬累積的影響及原因分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(1):96-104.

[8]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].第三版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[9]張素娟,肖玲,孫科,等.某冶煉廠周邊農(nóng)田土壤重金屬復(fù)合污染研究[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2009,30(2):243-247.

[10]杜連鳳,吳瓊,趙同科,等.北京市郊典型農(nóng)田施肥研究與分析[J].中國土壤與肥料,2009(3):75-78.

[11]淳長品.土壤砷鉛汞脅迫對臍橙生長和重金屬累積的影響[D].重慶:西南大學(xué),2008.

[12]湯民,張進忠,張丹,等.果園土壤重金屬污染調(diào)查與評價[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(14):244-249.

[13]黃紹文,金繼運,和愛玲,等.農(nóng)田不同利用方式下土壤重金屬區(qū)域分異與評價[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2007,26(增刊):540-548.

[14]姚廷伸.川西平原農(nóng)業(yè)經(jīng)濟自然區(qū)沖積性水稻土及糧食作物(小麥、大米）中十一種化學(xué)元素背景值的研究[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1987:1-67.

[15]國家環(huán)境保護局主持,中國環(huán)境監(jiān)測總站主編.中國土壤元素背景值[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1990:145-153.

[16]佘加平,武俐,趙同謙,等.丹江口水庫淅川淹沒區(qū)土壤中汞和砷的賦存特征及生態(tài)風(fēng)險評價[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(1):111-117.

[17]翁煥新,張霄宇,鄒樂軍,等.中國土壤中砷的自然存在狀況及其成因分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2000,34(1):88-92.

[18]李廷芳.北京土壤的地球化學(xué)過程與元素背景含量的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué),1987,8(4):57-61.