寶雞市近郊農(nóng)田土壤重金屬含量及風(fēng)險評價

謝萍娟, 郭掌珍

(1.寶雞市環(huán)境影響評價所，陜西 寶雞 721000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

寶雞市近郊農(nóng)田土壤重金屬含量及風(fēng)險評價

謝萍娟1, 郭掌珍2

(1.寶雞市環(huán)境影響評價所，陜西 寶雞 721000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

為調(diào)查寶雞市城區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及其生態(tài)風(fēng)險，測定了寶雞市30個農(nóng)田土壤樣品Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn 7種重金屬含量，并采用累積性指數(shù)、地累積指數(shù)和商值法對其評價。結(jié)果表明，30個土壤樣點Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn含量分別為0.035±0.028、0.102±0.020、26.06±3.35、5.27±1.95、91.75±6.16、29.95±1.95和60.26±8.77 mg·kg-1。30個樣點Hg、Cd、Pb、Cr、Cu含量高于陜西省土壤環(huán)境背景值，但所有元素的污染等級均為無污染。與加拿大保護生態(tài)和人體健康的農(nóng)田土壤質(zhì)量指導(dǎo)值相比，鉻對所有樣點均有造成一定生態(tài)風(fēng)險的可能，其余元素均為無風(fēng)險。

農(nóng)田土壤；重金屬；寶雞市

重金屬是一類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并可對生物體產(chǎn)生明顯毒害的金屬或類金屬。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)和城市化的發(fā)展，工業(yè)三廢和生活垃圾的排放逐漸增加，農(nóng)田土壤受重金屬污染的問題越來越突出[1]。寶雞市是陜西省第二大城市，是陜西省重要的工業(yè)城市，有冶金、采礦、機械加工、化工、電力、紡織等多個工業(yè)門類，且三面環(huán)山，大氣污染物不容易擴散[2,3]，由此引起的重金屬污染問題不容忽視。為評估經(jīng)濟發(fā)展過程中可能帶來的農(nóng)田土壤重金屬污染，本文對寶雞市城區(qū)周邊農(nóng)田土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀進行初步研究，旨在為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和食品安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

寶雞市是陜西省第二大城市，東連咸陽市，南接漢中市，西北與甘肅省天水市和平?jīng)鍪信?，境?nèi)交通便利。該市屬于暖溫帶半濕潤氣候，全年氣候變化受東亞季風(fēng)控制。冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤旰脱谉岣稍锾鞖饨惶娉霈F(xiàn)；春季氣溫多變少雨，秋季降溫迅速陰雨連綿，平均降水量590～900 mm。寶雞市目前主要以裝備制造業(yè)、有色金屬冶煉及加工、電子信息、化工、食品、建材等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

1.2 土壤樣品采集

2013年5-6月，從寶雞市長坡塬村、永利村等30個農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)區(qū)采集30個土壤樣品。為了保證樣品的代表性，樣品由采樣中心點及周邊的4～5個子樣混合組成，置于布袋中運回實驗室，去除較大的植物根系、石塊等雜物，自然風(fēng)干，研磨過篩，測定汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、砷(As)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)7種金屬元素含量。具體樣點名稱列于表1。

表1 樣點編號及名稱

1.3 土壤樣品測定方法

Cd、Pb采用石墨爐原子吸收法，Cr、Cu、Zn采用火焰原子吸收法測定，儀器型號：Thermo ICE 3300。As、Hg采用原子熒光法測定，儀器型號：NanoDrop 3300。試驗中加入土壤GSS-1標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW-07401)為參考物質(zhì)，各元素的分析誤差均在允許范圍內(nèi)。

1.4 土壤累積性指數(shù)

土壤累積性指數(shù)常用于評價土壤重金屬累積性污染程度[4]。其計算公式為：

Pi=Ci/Cbi

式中，Pi為環(huán)境中污染物i的累積性指數(shù)；Ci為環(huán)境中污染物i的實測濃度/mg·kg-1；Cbi為環(huán)境背景值/mg·kg-1。

本研究采用陜西省土壤背景值[5]計算土壤累積性指數(shù)。土壤累積性分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤累積性指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5 地積累指數(shù)(Igeo)

地積累指數(shù)常用于評價沉積物(土壤)中重金屬的污染程度[6]，其計算公式為：

Igeo=log2(Cn/1.5Bn)

式中，Cn為元素實測質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1；Bn為元素背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1。

根據(jù)地積累指數(shù)，可對重金屬污染程度進行劃分，標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 Muller地積累指數(shù)分級

1.6 多因子分析

主成分分析法(principal component analysis PCA)是因子分析的一種，廣泛應(yīng)用于評估土壤中污染物的來源及變化[7]。PCA可用綜合指標(biāo)代替一類相關(guān)性較高的數(shù)據(jù)，從而簡化數(shù)據(jù)，并反映數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，其分析結(jié)果有助于區(qū)分變量中相對同源的組分[8]。采用統(tǒng)計軟件SPSS 17.0(SPSS Inc，USA)進行PCA及相關(guān)性統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量及其累積性評價結(jié)果

土壤重金屬含量及累積性評價結(jié)果見表4。

表4 土壤重金屬含量及其累積性評價結(jié)果

由表4可見，30個樣點Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn的平均含量分別為0.035±0.028，0.102±0.020，26.06±3.35，5.27±1.95，91.75±6.16，29.95±1.95，60.26±8.77 mg·kg-1。同一重金屬在不同樣點間的變異程度不同，其中Hg在整個研究區(qū)域變異較大，As、Cd、Zn等次之，Cu最小。土壤重金屬不同樣點含量差異大，提示來源可能不同[9]；Hg、As變異系數(shù)較大，分布不均勻，受人為擾動的可能性較大。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，Hg最大值出現(xiàn)在28#趙家臺村，最小值位于18#王家村；Cd最大值出現(xiàn)在5#寶陵村，最小值出現(xiàn)在2#永利村；Pb最大值出現(xiàn)在22#西秦村，最小值位于19#范家崖村；As含量最大值出現(xiàn)在6#斜坡村，最小值位于5#寶陵村；Cr含量最大值出現(xiàn)在2#永利村，最小值位于25#齊家村；Cu最大值出現(xiàn)在6#斜坡村，最小值出現(xiàn)在1#長坡塬村； Zn最大值出現(xiàn)在11#莊子上村，最小值出現(xiàn)在27#張家?guī)X村。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各重金屬高值區(qū)均分布有機械、電子及金屬制品工業(yè)，因此其來源可能與工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及大氣揚塵有關(guān)。

從表4還可以看出，30個樣點As、Zn 2種元素的平均含量與陜西省土壤背景值相比無明顯變化，均屬于無累積，其余元素均為輕度累積。整體看累積程度表現(xiàn)為Hggt;Crgt;Cugt;Pbgt;Cdgt;Zngt;As。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)[10]二級標(biāo)準(zhǔn)相比，各樣點金屬元素含量均未超標(biāo)。汞出現(xiàn)累積的點位數(shù)占樣點總數(shù)的63.0%，累積性指數(shù)最大為7.14，累積性程度為重度累積；Cd、Pb、Cr、Cu、Zn出現(xiàn)累積的點位數(shù)占樣點總數(shù)的百分?jǐn)?shù)分別為87.0%、100%、100%、100%、23.0%，最大累積程度均為輕度累積；所有樣點As均未見累積。綜上所述，陜西省近郊農(nóng)田土壤重金屬含量整體屬輕度累積，但個別點位汞污染較嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠重視。環(huán)境中的汞主要來源于燃煤、鋼鐵等工業(yè)排放[11]，考慮到寶雞市主要以機械、電子、金屬壓延加工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，且能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主，因此，農(nóng)田土壤汞的來源可能與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。

2.2 土壤污染物地積累指數(shù)評價結(jié)果

由地積累指數(shù)計算結(jié)果可知(表5)，分析的7種元素在30個樣點中的污染程度均為無污染，但28#樣點趙家臺村Hg表現(xiàn)為中度污染，應(yīng)引起重視。

表5 土壤重金屬地積累指數(shù)及其污染分級

2.3 土壤主要污染物主成分分析

采用主成分分析法對寶雞市近郊農(nóng)田土壤全部樣點的金屬元素進行載荷因子分析，為消除變量之間在數(shù)量級和量綱上的差異，以使各類變量處于同等地位，采用Z分?jǐn)?shù)法(Z Score)對重金屬含量數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。通過對原始數(shù)據(jù)的歸一化，得到原始數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣，為使主成分變量更容易得到解釋，采用方差極大正交旋轉(zhuǎn)法(varimax normalized rotation)對因子載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)，并對相關(guān)矩陣特征向量進行提取，取特征值gt;1，累積方差大于70%的前3個成分作為主成分，得到寶雞市近郊農(nóng)田土壤的主成分因子載荷(表6)。由表6可見，第一主成分占方差的34.159%，包括Cr、Cu、Zn。第二主成分則包括了元素Hg、Pb，其貢獻率占方差的20.789%，第三主成分包含As、Cd?？紤]到寶雞市近郊農(nóng)田土壤重金屬污染整體較輕，因此，主成分分析中不同因子主要反映了各重金屬高值區(qū)人為來源的差異[12]。

表6 主成分分析結(jié)果

2.4 重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價

目前國內(nèi)外還沒有系統(tǒng)地針對土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險的評價標(biāo)準(zhǔn)。采用加拿大基于保護生態(tài)和人體健康的農(nóng)田土壤質(zhì)量指導(dǎo)值進行潛在環(huán)境風(fēng)險評價，評價結(jié)果見表7。

表7 研究區(qū)重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

由表7可見，總鉻100%超標(biāo)，最大超標(biāo)倍數(shù)為0.58倍。說明研究區(qū)鉻具有造成一定生態(tài)風(fēng)險的可能性。此外，其余元素均未見超標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)寶雞市近郊農(nóng)田土壤30個樣點Hg，Cd，Pb，As，Cr，Cu，Zn含量分別為0.035±0.028，0.102±0.020，26.06±3.35，5.27±1.95，91.75±6.16，29.95±1.95，60.26±8.77 mg·kg-1。

(2)土壤累積性指數(shù)和地積累指數(shù)的計算結(jié)果顯示，30個樣點Hg、Cd、Pb、Cr、Cu雖有一定的累積，但所有元素的污染等級均為無污染。

(3)生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果顯示，鉻有造成一定生態(tài)風(fēng)險的可能，其余元素均為無風(fēng)險。

[1]張繼舟，王宏韜，倪紅偉，等.我國農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀、成因與診斷方法分析[J].土壤與作物,2012,1(4):212-218.

[2]寶雞市政府網(wǎng)[Z].http://www.baoji.gov.cn/

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HeavyMetalContentsDetectionandRiskAssessmentinFarmlandSoilfromBaoji

Xie Pingjuan1，Guo Zhangzhen2

(1.BaojiResearchInstituteofEnvironmentalImpactAssessment,BaojiShaanxi721000,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

30 samples of surface farmland soils collected from suburbs of Baoji in Shaanxi Province were monitored for total contents of 7 heavy metals by a cumulative index, geo-accumulation index and quotient method, in order to investigate their concentration and risk. The results indicate that the concentrations of Hg, Cd, Pb, As, Cr, Cu and Zn in agriculture soils are 0.035±0.028，0.102±0.020，26.06±3.35，5.27±1.95，91.75±6.16，29.95±1.95，and 60.26±8.77 mg·kg-1, respectively. The mean concentrations of Hg, Cd, Pb, Cr, and Cu in soil of 30 sites are higher than the soil background contents in Shaanxi Province, but within a safe range. Compared with Soil Quality Guideline for the protection of Environmental and Human Health of Canada, Cr was a certain threat to the ecological system in all sites, while other heavy metals were not.

Soil；Heavy metals；Baoji City

2014-03-10

2014-05-05

謝萍娟(1977-)，女(漢)，陜西岐山人，工程師，碩士，研究方向：環(huán)境評價。

X53

A

1671-8151(2014)05-0442-05

(編輯：馬榮博)