德陽(yáng)市農(nóng)用地土壤中鎘的分布特征及異常來(lái)源分析

錢 蜀，王英英，向秋實(shí)

四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川成都610041

農(nóng)用地(特別是耕地)土壤中鎘元素會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全造成威脅，危害人體健康［1］。金立新等進(jìn)行了1∶25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)德陽(yáng)地區(qū)表層土壤重金屬污染以鎘為主［2］，但針對(duì)龍門山區(qū)特別是德陽(yáng)地區(qū)農(nóng)用地耕作層土壤中的鎘分布特征及來(lái)源的研究較少。通過(guò)對(duì)德陽(yáng)6個(gè)區(qū)縣農(nóng)用地耕層土壤中鎘含量進(jìn)行系統(tǒng)采樣監(jiān)測(cè)，了解鎘的含量變化特征，特別是對(duì)德陽(yáng)西北部區(qū)域農(nóng)用地土壤中鎘的含量異常來(lái)源進(jìn)行了剖析，并對(duì)鎘污染環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為該區(qū)域合理規(guī)劃利用農(nóng)用地及綠色農(nóng)業(yè)的開(kāi)展提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域基本情況

1.1 地形、地貌及礦產(chǎn)礦藏

監(jiān)測(cè)區(qū)域位于四川盆地西北部，介于龍門山造山帶與龍泉山褶隆帶之間，屬龍門山-大巴山臺(tái)緣坳陷，地勢(shì)北西高南東低［3］;屬于蒲江-新津-德陽(yáng)隱伏斷裂帶。

西北部綿竹和什邡為龍門山脈中段，地形主要為山地;中部為成都平原東北部，東南部為盆中丘陵。德陽(yáng)是四川省天然氣和磷礦石生產(chǎn)基地，境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)35種礦產(chǎn)，已開(kāi)發(fā)利用的有13種，主要為磷礦石、天然氣、石灰?guī)r、煤炭、礦泉水。其中，磷礦探明儲(chǔ)量約占四川省的25%;全省53個(gè)探明礦區(qū)，平均品位大于25%的有15個(gè)礦區(qū)全部在德陽(yáng)境內(nèi)，磷礦石產(chǎn)量占全省的90%以上。

1.2 氣候、水文特征

德陽(yáng)市屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，境內(nèi)地形地貌多樣，氣候差異大，形成不同的小區(qū)氣候，平原、丘陵盛行偏北風(fēng);河流分屬沱江和涪江水系，主要有綿遠(yuǎn)河、石亭江、湔江、清白江、凱江等。綿遠(yuǎn)河年平均流量為15.5 m3/s，最小流量為2.45 m3/s;石亭江最大流量3 850 m3/s，最小流量為3.2 m3/s;湔江最小流量3.0 m3/s，多年的平均徑流總量為3.2億立方米;青白江多年的平均徑流量為54.6 m3/s;凱江多年的平均流量為21.4 m3/s。

1.3 土壤利用和土壤類型分布特征

截至2007年，德陽(yáng)市耕地面積為19.08萬(wàn)公頃，約占全市總面積的32.0%;森林覆蓋率為38.4%。西北部綿竹、什邡境內(nèi)土壤類型主要為黃壤、棕壤和黃棕壤;其余區(qū)縣境內(nèi)主要分布水稻土、紫色土和潮土。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)德陽(yáng)市6個(gè)區(qū)縣農(nóng)用地面積的不同，在監(jiān)測(cè)區(qū)域按照約每10 km2布設(shè)1個(gè)樣點(diǎn)的原則，共布設(shè)77個(gè)點(diǎn)位，其中耕地點(diǎn)位66個(gè)，林地點(diǎn)位11個(gè)且分布在綿竹和什邡西北部。另在綿竹和什邡地區(qū)的4家涉重金屬企業(yè)周邊200 m范圍內(nèi)共布設(shè)了48個(gè)點(diǎn)位。詳見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2.2 樣品采集、處理及分析測(cè)試

土壤樣品采集參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)采集了表層20 cm深度的土樣，自然風(fēng)干后研磨成0.15 mm粒徑備分析用;土壤中鎘的分析采用《石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理

土壤中鎘評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。

單因子污染指數(shù)(Pip)計(jì)算方法見(jiàn)式(1)，污染評(píng)價(jià)分級(jí)見(jiàn)表1。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)

Hakanson土壤(沉積物)單一重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法［4］()：

式中:Pi為某種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)，Ti為某種重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)(Cr=2，Pb=5，As=10，Cd=30，Hg=40)。＜40為低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，40≤＜80為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，80≤＜160為較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，160≤＜320為重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，≥320為嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘的含量變化狀況

表2顯示了德陽(yáng)市6個(gè)區(qū)縣土壤中鎘元素含量的統(tǒng)計(jì)情況，監(jiān)測(cè)區(qū)域共采集了77個(gè)農(nóng)用地土壤樣品。

表2 德陽(yáng)市不同監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘元素含量統(tǒng)計(jì)mg/kg

從表2可見(jiàn)，土壤中鎘元素含量范圍為0.11 ～4.68 mg/kg，算術(shù)均值為 0.44 mg/kg。綿竹市土壤中鎘含量最高，為0.96 mg/kg，約為德陽(yáng)市總體土壤中鎘含量的2倍，其次為旌陽(yáng)、什邡、羅江和廣漢，4個(gè)地區(qū)土壤中鎘含量相差不大，鎘算術(shù)均值為0.35 mg/kg左右;中江最低，土壤中鎘算術(shù)均值為0.27 mg/kg。

從德陽(yáng)地區(qū)農(nóng)用地土壤中鎘含量的克里格插值圖變化情況來(lái)看(圖2)，土壤中鎘元素含量呈現(xiàn)由西北區(qū)域的綿竹向東南區(qū)域的中江逐漸降低的變化過(guò)程。

圖2 監(jiān)測(cè)區(qū)土壤中鎘含量空間分布圖

綿竹市土壤中鎘元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差最高，遠(yuǎn)高于德陽(yáng)市總體和其他5個(gè)縣市，說(shuō)明綿竹市土壤中鎘元素含量呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。綿竹區(qū)域土壤中鎘含量最高的是4#點(diǎn)，位于德陽(yáng)和綿竹市的西北部，在其周邊加密布設(shè)了 3#、5#、6#、7#、8#共 5個(gè)點(diǎn)，在離4#點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域布設(shè)了1#點(diǎn)。圖3顯示了7個(gè)點(diǎn)位鎘含量的對(duì)比情況。

圖3 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤中鎘含量對(duì)比

4#點(diǎn)周邊加密點(diǎn)中僅3#點(diǎn)土壤中鎘略低于4#點(diǎn)，其余4個(gè)點(diǎn)位土壤中鎘含量均較低?？梢酝茢啵?#點(diǎn)周邊土壤中鎘的高含量并非大范圍連續(xù)分布;距離4#點(diǎn)較遠(yuǎn)的1#點(diǎn)土壤中鎘含量為1.9 mg/kg，低于4#和3#點(diǎn)，但遠(yuǎn)高于監(jiān)測(cè)區(qū)域總體土壤鎘含量均值，說(shuō)明綿竹西北部較大范圍土壤中鎘的含量水平整體均明顯高于其余5個(gè)地區(qū)。

3.2 鎘的環(huán)境質(zhì)量及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

表3統(tǒng)計(jì)了德陽(yáng)市不同監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘元素超標(biāo)情況。

表3 德陽(yáng)市不同監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘元素超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)

由表3可見(jiàn)，從監(jiān)測(cè)區(qū)域總體來(lái)看，德陽(yáng)市農(nóng)業(yè)用地土壤中鎘元素超標(biāo)點(diǎn)比例約為30%;從超標(biāo)程度看，土壤中鎘元素超標(biāo)程度主要為輕微輕度，個(gè)別點(diǎn)土壤中鎘元素出現(xiàn)了中度超標(biāo)，無(wú)重度超標(biāo)情況;從6個(gè)區(qū)縣土壤中鎘元素的超標(biāo)情況看，位于德陽(yáng)西北部的綿竹和什邡土壤中鎘元素超標(biāo)情況較重，超標(biāo)范圍較廣，約62.5%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤中鎘均出現(xiàn)超標(biāo)，且綿竹地區(qū)約25%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤中鎘出現(xiàn)了輕中度超標(biāo)。

四川的磷礦資源主要分布在樂(lè)山和德陽(yáng)市，經(jīng)過(guò)40多年的開(kāi)發(fā)，省內(nèi)已形成了金河磷礦和清平磷礦2大礦山企業(yè)，分別位于什邡和綿竹，開(kāi)采出的磷礦石主要用于生產(chǎn)磷肥、黃磷、磷酸氫鈣、三聚磷酸鈉等，磷礦開(kāi)發(fā)利用和深加工過(guò)程中鎘、釩等重金屬通過(guò)廢氣、廢水和廢渣污染周圍環(huán)境介質(zhì)［5-6］。

圖4為監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況。

圖4 監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況

由圖4可見(jiàn)，鎘元素總體呈現(xiàn)低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，部分點(diǎn)位土壤中鎘出現(xiàn)了中度和較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。其中，中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)共有9個(gè)，主要分布在綿竹，此外，什邡、羅江、旌陽(yáng)和廣漢的個(gè)別點(diǎn)位土壤中鎘也出現(xiàn)了中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)共有4個(gè)，分布在綿竹境內(nèi)：監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘元素未出現(xiàn)重度和嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 區(qū)域土壤中鎘的來(lái)源分析

3.3.1 地球化學(xué)背景對(duì)土壤中鎘元素含量的影響

從監(jiān)測(cè)區(qū)域土地利用類型來(lái)看，1#～8#、17#、18#共10個(gè)點(diǎn)位的土地利用類型屬于林地，且位于3#、4#、1#土壤鎘含量水平明顯高于其余67個(gè)的耕地點(diǎn)位;10個(gè)林地點(diǎn)位的地質(zhì)區(qū)域位于四川盆地西緣的龍門山中段九頂山南麓，均源于龍門山的“彭灌雜巖”，該區(qū)域分布有3套含磷巖系(上震旦統(tǒng)“綿竹式”含磷巖系、下寒武統(tǒng)“清平式”含磷巖系和上泥盆統(tǒng)“什邡式”含磷巖系)［7］：可見(jiàn)，土壤中鎘元素含量高與地球化學(xué)本底密切相關(guān)。

3.3.2 工礦企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)土壤中鎘元素含量的影響

綿竹市的12#、16#、10#耕地點(diǎn)土壤中鎘含量高于龍門山中段的部分林地點(diǎn)位，說(shuō)明除了地球化學(xué)背景的影響以外，人為活動(dòng)也可能導(dǎo)致土壤中鎘含量的增加;而從67個(gè)耕地點(diǎn)土壤中鎘含量來(lái)看，其總體低于林地土壤中的鎘含量：可以推斷，農(nóng)事活動(dòng)不是影響土壤中鎘元素含量的主要人為因素。

綿竹和什邡土壤中鎘含量相對(duì)較高，且12#、16#、10#耕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于綿竹，結(jié)合德陽(yáng)地區(qū)工礦企業(yè)的分布特點(diǎn)，在綿竹和什邡2個(gè)地區(qū)選擇了4家涉重金屬企業(yè)1～企業(yè)4并對(duì)其周邊土壤中鎘的含量情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖5為4家企業(yè)周邊土壤中鎘元素含量算術(shù)均值對(duì)比情況。

圖5 綿竹和什邡地區(qū)4家涉重金屬企業(yè)周邊土壤中鎘含量對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，只有企業(yè)4土壤中鎘含量與其周邊耕地土壤相差不多，其余3家企業(yè)周邊土壤中鎘元素含量均明顯高于周邊耕地土壤中鎘含量。

從監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤中鎘超標(biāo)點(diǎn)的分布來(lái)看，9#、10#土壤中鎘出現(xiàn)了輕微超標(biāo)，均位于企業(yè)2的下風(fēng)向和企業(yè)周邊的河流下游;16#、36#點(diǎn)土壤中鎘出現(xiàn)輕度超標(biāo)，位于企業(yè)1、企業(yè)2、企業(yè)4的下風(fēng)向交匯處;21#～24#土壤中鎘元素均出現(xiàn)了輕微超標(biāo)，位于企業(yè)1、企業(yè)3的下風(fēng)向，而19#土壤中鎘元素未超標(biāo)，其位于企業(yè)1、企業(yè)3的上風(fēng)向;12#點(diǎn)土壤中鎘為輕度超標(biāo)，在調(diào)查區(qū)域土壤中鎘超標(biāo)程度相對(duì)較重，其緊鄰企業(yè)4。

企業(yè)1是什邡市自發(fā)形成的一個(gè)老化工區(qū)域，區(qū)域內(nèi)有磷化工、黃磷、硫鐵礦和鋅精礦制硫酸企業(yè)。由于大多是鄉(xiāng)辦企業(yè)，目前轉(zhuǎn)制為私人企業(yè)，在污染排放監(jiān)管上自律不嚴(yán)，以及一些歷史原因，周邊土壤形成一定的污染。企業(yè)2～企業(yè)4均是以磷礦石、鋅精礦為原輔料的礦化工業(yè)，磷礦石、鋅精礦中含有大量重金屬鎘、鉛、砷、汞等。特別是在20世紀(jì)80—90年代粗放型的生產(chǎn)模式下，污染物直接排放對(duì)周圍環(huán)境影響較大。

該區(qū)域土壤中鎘元素異常的人為原因主要為工礦活動(dòng)所致，這也與文獻(xiàn)［2］得出的土壤鎘等重金屬污染主要來(lái)源于龍門山地區(qū)含鎘巖(礦)石和工礦企業(yè)產(chǎn)生的近地表大氣塵的結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

1)德陽(yáng)地區(qū)6個(gè)縣市農(nóng)業(yè)土壤中鎘含量范圍為0.11～4.68 mg/kg，位于德陽(yáng)西北部的綿竹市土壤中鎘含量最高，東南部的中江縣土壤中鎘含量最低：土壤中鎘由西北向東南逐漸降低。

2)監(jiān)測(cè)區(qū)域總體約有30%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤中鎘出現(xiàn)了輕微、輕度和中度超標(biāo)，綿竹和什邡地區(qū)土壤中鎘超標(biāo)的點(diǎn)位比例最高(均為62.5%)，且綿竹市約25%的超標(biāo)點(diǎn)位土壤中鎘出現(xiàn)中度超標(biāo);鎘元素總體呈現(xiàn)低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，部分點(diǎn)位土壤中鎘出現(xiàn)了中度、較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中，大部分中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位和全部較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位分布在綿竹。從對(duì)綿竹市土壤中鎘含量最高的4#林地點(diǎn)位周邊的加密監(jiān)測(cè)，得出該區(qū)域土壤中鎘的高含量水平并非是大范圍連片出現(xiàn)。

3)從對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域農(nóng)用地土壤中鎘含量較高和出現(xiàn)超標(biāo)的點(diǎn)位地質(zhì)和地理分布來(lái)看，該區(qū)域土壤中鎘的來(lái)源主要來(lái)自于四川盆地西緣的龍門山中段的“彭灌雜巖”的地球本底影響和以磷礦石、鋅精礦為原輔料的礦化工企業(yè)通過(guò)大氣遷移和廢水排放對(duì)周邊造成的人為影響。

［1］NY 861—2004 糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量［S］．

［2］金立新，侯青葉，包雨函，等．德陽(yáng)鎘污染農(nóng)田區(qū)生態(tài)安全性及居民健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］．現(xiàn)代地質(zhì)，2006，13(3)：984-989．

［3］秦兵，陳代庚，任利民，等．成都盆地淺層土壤中砷來(lái)源的多元統(tǒng)計(jì)分析［J］．安全與環(huán)境工程，2006，13(3)：23-28．

［4］Hakanson L．An Ecological Risk Index for Aquatic Pollution Control．A Sedimentological Approach［J］．Water Search，1980，14：975-1 001．

［5］李虎杰．四川優(yōu)勢(shì)非金屬礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)利用［J］．西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17(3)：66-70．

［6］陳立平．淺談磷礦開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)［J］．資源與環(huán)境，2007，18：142．

［7］王磊，唐文春，秦兵，等．四川龍門山地區(qū)磷礦、煤礦開(kāi)采對(duì)水系沉積物Cd等元素影響調(diào)查［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2007，26(6)：36-41．