西安市西郊菜園土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

賈銳魚等

摘要 在西安市西郊菜園區(qū)采集土壤樣品，測(cè)定土樣中Zn、Pb、Cd和Cr 4種重金屬元素的含量，分別為138.79、39.11、0.30、67.63 mg/kg。利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合因子指數(shù)法和地積累指數(shù)法，對(duì)菜園土壤重金屬的污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，3個(gè)采樣區(qū)的土壤受到不同程度的污染，其中Zn為中度污染，Pb、Cd為輕度污染-中度污染，Cr為無(wú)污染-輕度污染，綜合污染程度依次為三民村>北石橋>魚化寨西村。同時(shí)，測(cè)定重金屬各種形態(tài)含量。通過(guò)生物有效性分析，發(fā)現(xiàn)4種重金屬中Zn和Pb對(duì)植物的潛在威脅較大，Cd對(duì)植物的影響較小，Cr會(huì)對(duì)植物造成危害。

關(guān)鍵詞 西安市菜園；土壤重金屬；污染

中圖分類號(hào) S156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）03-00735-04

Abstract By collecting samples in western suburbs garden of Xi′an， the content of heavy metals in soil was investigated. The content of soil samples of Zn， Pb， Cd and Cr were 138.79， 39.11， 0.3 and 67.63 mg/kg. The circumstances of heavy metal pollution were evaluated with single factor index method， Nemerow comprehensive index method and geoaccumulation index method. The results showed that the three soil sampling areas affected to different degrees of pollution： Zn was moderately pollution， Pb， Cd was light pollution to moderately pollution and Cr was pollution to light pollution， pollution levels from high to low is Sanmin Village> Beishi bridge> Yuhuazhai Village. The content of various forms of heavy metals were determined， through biological effectiveness analysis， it was found that Zn and Pb had high potential threats on plant， Cd had little effect on plant. Cr will cause harm to the plant.

Key words Garden of Xi′an City； Soil heavy metal； Pollution

重金屬污染土壤，不但會(huì)影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]，而且當(dāng)人們食用被重金屬污染的蔬菜等農(nóng)作物時(shí)，重金屬會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，造成重金屬在人體內(nèi)的積累，對(duì)人類的影響可能是災(zāi)難性的，故有人形象地將土壤污染稱為“化學(xué)定時(shí)炸彈”[2]。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)大多數(shù)城市的近郊農(nóng)田土壤都受到不同程度的重金屬污染，許多地方的蔬菜、水果等作物中的鎘、鉻、鉛、砷等重金屬含量接近臨界值甚至超標(biāo)[3-4]。因此，土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

西安市是陜西省省會(huì)，位于我國(guó)大陸腹地，關(guān)中平原中部的渭河兩岸，屬北半球暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)是溫暖濕潤(rùn)，四季分明，雨熱同期。西安地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，地貌類型多樣，地勢(shì)東南高、西北與西南低，平均海拔400 m左右，呈一簸箕狀。西郊是西安市的老工業(yè)區(qū)，主要分布有電力機(jī)械、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、機(jī)械制造等企業(yè)，會(huì)受到煙塵中有害重金屬的污染，同時(shí)上世紀(jì)開展的污水灌溉加劇了土壤重金屬污染，因此選擇西郊菜園土壤為研究對(duì)象，分析區(qū)域土壤重金屬的污染狀況，為市郊菜園蔬菜合理種植與綠色蔬菜生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與測(cè)定

研究區(qū)內(nèi)土壤為塿土，成土母質(zhì)多為黃土。在保證土壤樣品具有代表性的前提下，西郊菜園選擇北石橋、三民村、魚化寨西村3個(gè)采樣區(qū)。在每個(gè)采樣區(qū)，采用梅花形布點(diǎn)法[5]各采集3個(gè)混合土壤樣品，采集深度為0～20 cm，用四分法將多余土壤樣品棄掉，每個(gè)樣品留取500 g。將樣品裝入聚乙烯樣品袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。

將樣品帶回后，首先剔除土壤中作物根系和石礫等雜物，置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)陰干。將風(fēng)干后的土樣研磨，收集過(guò)100目尼龍篩的土樣，混勻后備用。

土樣中Zn、Pb、Cd和Cr含量的測(cè)定采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解法[6]。對(duì)預(yù)處理后的土壤樣品進(jìn)行消解，用北京普析通用儀器有限公司生產(chǎn)的TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)火焰法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬污染分析

2.1.1 土壤重金屬含量測(cè)定。

該研究依據(jù)我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）[13]。由表1可知，研究區(qū)內(nèi)100%土壤中Zn、Cd含量達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，22%土樣中Pb含量達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，78%土樣中Pb含量達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，100%土樣中Cr含量達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。重金屬Zn、Pb、Cd和Cr的變異系數(shù)分別為2%、15%、16%和19%，Zn的變異系數(shù)較小，說(shuō)明全區(qū)土壤中Zn含量的離散程度較小，受到人為的影響較小，而Pb、Cd和Cr的變異系數(shù)相對(duì)較大，說(shuō)明這3種元素在全區(qū)土壤中離散程度較大，受到人為活動(dòng)的影響比Zn大。

2.1.2 重金屬污染分析。由表2可知，在單因子指數(shù)評(píng)價(jià)中，89%土樣中Zn、78%土樣中Pb和67%土樣中Cd的單因子指數(shù)在2～3之間，表明土壤污染程度為中度污染，污染等級(jí)為3級(jí)；11%土樣中Zn、22%土樣中Pb 、33%土樣中Cd 和56%土樣中Cr的單因子指數(shù)在1～2之間，表明土壤污染程度為輕度污染，污染等級(jí)2級(jí)；44%土樣中Cr的單因子指數(shù)

小于1，表明這些采樣點(diǎn)的土壤沒(méi)有受到Cr污染，污染等級(jí)

1級(jí)。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為89%土樣的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)在2～3之間，污染程度為中度污染，污染等級(jí)為4級(jí)；11%土樣的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)≤2，污染程度為輕度污染，污染等級(jí)為3級(jí)。

地積累指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為100%土樣中Zn、Pb、Cd 3種元素的地積累指數(shù)均在0～1之間，表明土壤污染程度為輕污染—中污染，污染等級(jí)為1級(jí)；全部土樣中Cr元素的地積累指數(shù)均小于0，表明土壤沒(méi)有受到污染，污染等級(jí)為0。

單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法和地積累指數(shù)法都是針對(duì)土壤中單一重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)分析的。以土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)單因子指數(shù)法中有56%采樣點(diǎn)土壤處于Cr元素輕度污染狀態(tài)，地積累指數(shù)法中所有土樣都沒(méi)有受到Cr元素的污染。主要原因是地積累指數(shù)考慮到自然成巖對(duì)土壤中重金屬積累的作用。對(duì)于其他元素的評(píng)價(jià)結(jié)果，兩者基本一致。

從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，各采樣點(diǎn)的重金屬污染程度幾乎均處在中度污染。其原因在于該方法是綜合評(píng)價(jià)多種重金屬元素對(duì)土壤的綜合污染程度。它既兼顧單元素污染指數(shù)的平均值和最大值，又突出高濃度重金屬污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，反映各種污染物對(duì)土壤環(huán)境的作用。

2.2 土壤中重金屬元素各形態(tài)分析

重金屬形態(tài)根據(jù)生物利用性的大小分為可利用態(tài)（可交換態(tài)）、潛在可利用態(tài)（包括碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)）和不可利用態(tài)（殘?jiān)鼞B(tài)）3種[15]。采用多步連續(xù)提取方法，提取土壤樣品中不同形態(tài)的重金屬。采用火焰原子法，測(cè)定各形態(tài)重金屬含量。重金屬土壤中Zn含量的大小順序?yàn)闅堅(jiān)鼞B(tài)（58.71 mg/kg）>有機(jī)物結(jié)合態(tài)（40.11 mg/kg）>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（33.17 mg/kg）>可交換態(tài)（5.69 mg/kg）>碳酸鹽結(jié)合態(tài)（1.53 mg/kg）。土壤中Pb含量的大小順序?yàn)橛袡C(jī)物結(jié)合態(tài)（24.72 mg/kg）>殘?jiān)鼞B(tài)（7.24 mg/kg）>（3.25 mg/kg）>可交換態(tài)（2.93 mg/kg）>碳酸鹽結(jié)合態(tài)（0.98 mg/kg）。土壤中Cd含量的大小順序?yàn)闅堅(jiān)鼞B(tài)（0.219 mg/kg）>可交換態(tài)（0.045 mg/kg）>碳酸鹽結(jié)合態(tài)（0.025 mg/kg）>有機(jī)物結(jié)合態(tài)（0.009 mg/kg）>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（0.002 mg/kg）。土壤中Cr含量的大小順序?yàn)闅堅(jiān)鼞B(tài)（35.17 mg/kg）>可交換態(tài)（32.46 mg/kg）。

重金屬元素形態(tài)和生物有效性關(guān)系十分密切。生物有效性是研究不同重金屬形態(tài)被植物吸收或在植物體內(nèi)積累的過(guò)程。不同形態(tài)重金屬在植物體內(nèi)遷移和累積有差異?？衫脩B(tài)易被植物吸收。潛在可利用態(tài)不易被植物直接吸收，但在一定條件下能轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)。有研究表明，潛在可利用態(tài)的遷移活動(dòng)能力受到土壤pH的影響很大，隨著土壤pH的降低，移動(dòng)性和生物活性顯著增加，如燕麥等谷類作物根系分泌的酸性物質(zhì)就可以溶解碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，使之轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)被植物吸收，殘?jiān)鼞B(tài)則不能被植物吸收[16]。

由圖1～4可知，Zn、Pb和Cd 3種元素的可利用態(tài)分別為4%、8%和15%，所占比例較小，Cr的可利用態(tài)占48%。這部分重金屬元素易通過(guò)土壤—植物系統(tǒng)遷移，被蔬菜吸收并累積在植物體內(nèi)，對(duì)蔬菜造成污染。Zn和Pb 2種元素的潛在可利用態(tài)分別占總量的54%和74%。這部分元素不會(huì)直接被蔬菜吸收，但在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)，對(duì)蔬菜污染具有潛在的威脅。Cd和Cr 2種元素以殘?jiān)鼞B(tài)為主，分別占總量的73%和52%。這部分不會(huì)轉(zhuǎn)移到植物中造成污染。

3 結(jié)論

（1）利用單因子指數(shù)法和地積累指數(shù)法對(duì)西安市西郊菜園種植區(qū)土壤中Zn、Pb、Cd、Cr 4種重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)兩者評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同。結(jié)果還表明，除幾個(gè)采樣點(diǎn)沒(méi)有受到Cr元素污染外，其余各采樣點(diǎn)中4種元素均對(duì)土壤有著一定的污染，其中Zn為中度污染，Pb、Cd為輕度污染-中度污染，Cr為無(wú)污染-輕度污染。各個(gè)采樣區(qū)受元素污染程度大小依次為北石橋Pb>Cd>Zn>Cr，三民村Pb>Zn>Cd>Cr，魚化寨西村Zn>Pb>Cd>Cr。

（2）利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)西郊菜園土壤中4種重金屬污染程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明全部采樣點(diǎn)土壤都受到不同程度的污染，44%的采樣點(diǎn)為中度污染，大小順序?yàn)槿翊?北石橋>魚化寨西村。

（3）通過(guò)對(duì)各種重金屬形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Zn和Pb的可利用態(tài)含量較小，小部分易被植物吸收，對(duì)植物的影響不大，但潛在可利用態(tài)所占比例較大，在一定條件下如當(dāng)pH降低土壤呈酸性時(shí)會(huì)通過(guò)土壤——植物系統(tǒng)進(jìn)入植物并積累在植物體內(nèi)，對(duì)植物具有潛在的威脅；Cd的殘?jiān)鼞B(tài)占總量的3/4，可被植物吸收的很少，對(duì)植物的影響較??；雖然Cr的總含量與土壤背景值相近，但可利用態(tài)含量較大，會(huì)被植物吸收并積累在植物體內(nèi)，對(duì)植物造成危害。

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