河北曹妃甸不同類型農(nóng)田土壤重金屬含量、分布及其相關(guān)性研究

王 巖,王 楠,周潔瑋*,張作新,甄志華,齊玉學(xué),劉 媛

(1.河北省唐山市農(nóng)作物種子管理檢驗站,河北 唐山 063000； 2.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院,河北 唐山 063000； 3.河北省唐山市土壤肥料站,河北 唐山 063000)

河北曹妃甸不同類型農(nóng)田土壤重金屬含量、分布及其相關(guān)性研究

王 巖1,王 楠2,周潔瑋1*,張作新3,甄志華1,齊玉學(xué)1,劉 媛1

(1.河北省唐山市農(nóng)作物種子管理檢驗站,河北 唐山 063000； 2.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院,河北 唐山 063000； 3.河北省唐山市土壤肥料站,河北 唐山 063000)

以河北曹妃甸3種類型農(nóng)田土壤(黏質(zhì)水稻土、壤質(zhì)水稻土、濱海風(fēng)沙土)為研究對象,研究土壤中Zn、Cu、Pb、Cd含量，分布及其相關(guān)性,并對其進行污染評價,以期為今后土地整理的實施和土壤重金屬污染的修復(fù)提供可靠依據(jù)。結(jié)果表明,在3類農(nóng)田土壤中,Zn、Cu、Pb、Cd的全量和有效態(tài)含量均表現(xiàn)為在黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土中較高,在濱海風(fēng)沙土中最低；4種重金屬元素均存在積累問題,其中Cd和Cu的積累程度相近且較大,Zn次之,Pb最小；4種重金屬單因子污染指數(shù)均表現(xiàn)為Pb>Cu>Zn>Cd,其中黏質(zhì)水稻土中存在Pb污染；重金屬的綜合污染指數(shù)表現(xiàn)為黏質(zhì)水稻土>壤質(zhì)水稻土>濱海風(fēng)沙土,其中濱海風(fēng)沙土處于安全等級,黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土處于警戒線等級。在3類土壤中,同種元素的全量與有效態(tài)含量大多存在正相關(guān)；總體上,Cd元素的全量和有效態(tài)含量與其他元素含量之間的相關(guān)性較強,其他元素含量之間的相關(guān)性不是很明顯；4種重金屬全量總體上均與土壤pH值呈顯著或極顯著正相關(guān)。

重金屬； 農(nóng)田土壤； 分布特征； 污染； 相關(guān)性

土壤是人類社會生產(chǎn)活動的物質(zhì)基礎(chǔ),是不可缺少、難以再生的自然資源。近年來,隨著我國工業(yè)化、城市化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展,大量化學(xué)物質(zhì)直接或間接地進入農(nóng)田土壤,導(dǎo)致農(nóng)田重金屬污染日益嚴重。這些污染主要是由采礦、冶煉、化工等工業(yè)產(chǎn)生的“三廢”以及污水灌溉、農(nóng)藥和化肥的不合理施用等引起的[1-4]。隨著2015年“京津冀協(xié)同發(fā)展”這一重大國家戰(zhàn)略的提出,“京津冀農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)一體化”的細則也逐步落實。位于環(huán)渤海、環(huán)京津“兩環(huán)”核心地帶的曹妃甸因盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)稻米而成為京津冀重要的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)基地。但曹妃甸還是冀東最大的造紙、機械制造和飼料加工基地,其工業(yè)的迅速發(fā)展對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響越來越大,進而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為此,深入研究該區(qū)不同類型的農(nóng)田土壤中重金屬含量及其分布特征,闡明元素之間的相互作用及其與土壤理化性狀的關(guān)系,并依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對其土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價,以期為今后土地整理的實施和土壤重金屬污染的修復(fù)提供可靠依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處曹妃甸八場西北部尚莊子村(118°37′10″～118°38′23″E、39°46′41″～39°45′35″N),屬河流沖積平原,境內(nèi)河網(wǎng)水渠縱橫交錯,陸域地形開闊平坦,交通便利。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,受海洋性和大陸性氣候的雙重影響,年平均氣溫10.9 ℃,年均降水量608.1 mm,主要災(zāi)害為土壤鹽漬化。研究區(qū)涉及土地面積209.3 hm2,其中耕地面積166.7 hm2,以種植水稻為主,并發(fā)展蔬菜、水果等經(jīng)濟作物。

1.2 布點采樣

在污染源調(diào)查與評價的基礎(chǔ)上,以該研究區(qū)的土地利用圖、土地規(guī)劃圖、土壤圖、遙感圖、水系分布圖等為基礎(chǔ),采用“3S”技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理與空間分析,建立研究區(qū)基本農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫充分考慮農(nóng)田土壤環(huán)境的復(fù)雜特點,在我國現(xiàn)有的“小比例尺”農(nóng)業(yè)土壤類型調(diào)查法的基礎(chǔ)上,提出更為精細的以農(nóng)田耕作田塊為調(diào)查單元的“大比例尺”農(nóng)田環(huán)境污染綜合調(diào)查技術(shù),并以此生成采樣單元,按照“梅花布點法”設(shè)置采樣點。在作物收獲后,共采集34個田塊的38個樣點耕層土壤(0～20 cm),并對樣品進行自然風(fēng)干、剔除異物、磨碎過孔徑0.15 mm的尼龍篩等預(yù)處理[5-6]。

1.3 測定項目及方法

土壤Zn、Cu、Pb、Cd全量均采用王水高氯酸消化—原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)測定,Zn、Cu、Pb、Cd有效態(tài)含量采用DTPA(pH值7.3)浸提—原子吸收分光光度法測定,pH值采用電位法測定,土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定,土壤黏粒含量采用比重計法測定[7]。

1.4 土壤重金屬污染評價方法與標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1 單因子積累指數(shù)法 依據(jù)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T 332—2006)[8],若有當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸蒂Y料,可根據(jù)背景上限值計算單因子積累指數(shù),即以某污染物實測值與其土壤背景上限值的比值為標(biāo)準(zhǔn)進行土壤中該污染物積累狀況評價。若單因子積累指數(shù)小于1,表明該區(qū)域土壤不存在該污染物積累現(xiàn)象,反之,則表明存在該污染物積累,且單因子積累指數(shù)越大,該污染物積累狀況越嚴重。冀東沿海區(qū)Zn、Cu、Pb、Cd的背景上限值分別為80.1、22.8、41.3、0.074 mg/kg[9]。

1.4.2 單因子污染指數(shù)法 依據(jù)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T 332—2006)[8],采用單因子污染指數(shù)法對土壤中重金屬含量進行評價,即以某重金屬實測值與其標(biāo)準(zhǔn)限值的比值為標(biāo)準(zhǔn)進行評價。若單因子污染指數(shù)小于1,表明土壤無該重金屬污染,反之,則存在污染問題,且單因子污染指數(shù)越大,該重金屬的污染問題就越嚴重,其評價指標(biāo)限值如表1所示。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)限值 mg/kg

1.4.3 綜合污染指數(shù)法 依據(jù)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T 332—2006)[8],采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P綜),即以1/2單因子污染指數(shù)的平均值和最大值之和的平方根為標(biāo)準(zhǔn)進行污染等級評價,其評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用Excel 2003和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理分析,采用CAD 2004和ArcGIS 10.1軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北曹妃甸不同類型土壤的理化性質(zhì)分析

對38個土樣的黏粒含量、pH值和有機質(zhì)含量進行統(tǒng)計分析(圖1)表明,土樣的黏粒含量變化較大,65.79%的土樣是重壤土或中壤土,屬于壤質(zhì)淹育型水稻土(以下簡稱壤質(zhì)水稻土)；18.42%是輕黏土或重壤土,屬于黏質(zhì)淹育型水稻土(以下簡稱黏質(zhì)水稻土)；15.79%的土樣是輕壤土或砂壤土,屬于濱海風(fēng)沙土。3類土壤的pH值變化不大,84.21%的土樣pH值在堿性范圍內(nèi)(pH值高于7.5),只有濱海風(fēng)沙土屬弱堿性土(pH值介于6.5～7.5)。3類土壤的有機質(zhì)含量分布比較集中,84.21%的土樣有機質(zhì)含量處于4級水平(介于 10～20 g/kg[7]),濱海風(fēng)沙土處于5級水平(介于6～10 g/kg[7])。

圖1 河北曹妃甸不同類型土壤的理化性質(zhì)

2.2 河北曹妃甸不同類型土壤中重金屬含量及分布特征

2.2.1 全量 由圖2可知,黏質(zhì)水稻土和濱海風(fēng)沙土中重金屬全量均表現(xiàn)為Zn>Pb>Cu>Cd,壤質(zhì)水稻土中表現(xiàn)為Zn>Cu>Pb>Cd；4種重金屬全量在黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土中較高,在濱海風(fēng)沙土中最低。3類土壤中Zn、Pb、Cu、Cd全量均超過冀東沿海區(qū)背景上限值[9],采用單因子積累指數(shù)法對土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價發(fā)現(xiàn),黏質(zhì)水稻土中各重金屬元素的積累指數(shù)表現(xiàn)為Cd>Cu>Zn>Pb,壤質(zhì)水稻土中表現(xiàn)為Cu>Cd>Zn>Pb,濱海風(fēng)沙土中表現(xiàn)為Cu>Cd>Zn>Pb；3類土壤中各重金屬的積累指數(shù)均超過1(表3)。說明,3類土壤中4種重金屬元素均存在積累問題,其中Cd和Cu的積累程度較接近且較大,Zn次之,Pb最小。

采用單因子污染指數(shù)法對土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價發(fā)現(xiàn),3類土壤中各重金屬元素的單因子污染指數(shù)均表現(xiàn)為Pb>Cu>Zn>Cd,其中僅黏質(zhì)水稻土中Pb的單因子污染指數(shù)大于1,其余均小于1(表3)。說明,黏質(zhì)水稻土中存在Pb污染。

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行土壤污染等級評價發(fā)現(xiàn),3類土壤中重金屬的綜合污染指數(shù)表現(xiàn)為黏質(zhì)水稻土>壤質(zhì)水稻土>濱海風(fēng)沙土,前兩者的綜合污染指數(shù)均大于0.7,濱海風(fēng)沙土的綜合污染指數(shù)小于0.7(表3)。表明,只有濱海風(fēng)沙土處于清潔水平,屬于安全等級；黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土處于尚清潔水平,屬于警戒線等級,需對其加強保護。

2.2.2 有效態(tài) 由圖2可知,黏質(zhì)和壤質(zhì)水稻土中重金屬有效態(tài)含量表現(xiàn)為Pb>Zn>Cu>Cd,濱海風(fēng)沙土中表現(xiàn)為Zn>Cu>Pb>Cd。上述數(shù)據(jù)表明,4種重金屬元素的有效態(tài)含量在黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土中較高,在濱海風(fēng)沙土中最低。由于國家尚未出臺土壤中重金屬有效態(tài)含量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),同時冀東地區(qū)也缺少關(guān)于農(nóng)田土壤中重金屬有效態(tài)含量的背景數(shù)據(jù),本研究無法對4種元素的有效態(tài)含量進行評價,僅列出其在3類土壤中的有效態(tài)含量,為后續(xù)的相關(guān)性分析提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 河北曹妃甸不同類型土壤中重金屬全量、有效態(tài)含量

項目單因子積累指數(shù)ZnCuPbCd單因子污染指數(shù)ZnCuPbCd綜合污染指數(shù)黏質(zhì)水稻土2．433．131．983．380．650．711．020．420．88壤質(zhì)水稻土2．653．201．703．110．710．730．880．380．78濱海風(fēng)沙土1．261．951．191．350．400．440．610．330．54

2.3 河北曹妃甸不同類型土壤中重金屬全量和有效態(tài)含量的相關(guān)性

2.3.1 同種重金屬全量與有效態(tài)含量的相關(guān)性 由表4可知,黏質(zhì)水稻土的4種重金屬，壤質(zhì)水稻土的Cu、Cd，濱海風(fēng)沙土的Zn、Cu、Cd有效態(tài)含量與全量均呈顯著或極顯著正相關(guān)。壤質(zhì)水稻土的Zn、Pb有效態(tài)含量與全量則呈不顯著正相關(guān),說明其有效態(tài)含量雖與全量有關(guān),但并不是隨著全量的增加而無限制的增加,可能受土壤pH值、氧化還原條件等其他因素限制[9-11]。濱海風(fēng)沙土的Pb有效態(tài)含量與全量呈不顯著負相關(guān),說明其他因素對Pb有效態(tài)含量的影響超過了其全量的影響。

表4 河北曹妃甸不同類型土壤中重金屬全量和有效態(tài)含量的相關(guān)性

續(xù)表4 河北曹妃甸不同類型土壤中重金屬全量和有效態(tài)含量的相關(guān)性

注：*、 **分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01),下同。

2.3.2 不同重金屬全量、有效態(tài)含量之間的相關(guān)性 重金屬元素之間的相關(guān)性反映了其污染程度或污染來源的相似性。由表4可知,在黏質(zhì)水稻土中,Cu有效態(tài)含量與Cd有效態(tài)含量、Cd全量,Cd有效態(tài)含量與Cu全量、Zn全量,Cd全量與Zn全量、Cu全量均存在極顯著正相關(guān)；Cu有效態(tài)含量與Pb全量,Cu全量與Pb全量、Zn全量均存在顯著正相關(guān)。在壤質(zhì)水稻土中,Cd有效態(tài)含量與Zn全量、Cu全量、Pb全量,Zn全量與Cu全量、Cd全量,Cu全量與Pb全量、Cd全量,Pb全量與Cd全量均存在極顯著正相關(guān)；Pb全量與Zn全量存在顯著正相關(guān)。在濱海風(fēng)沙土中,Zn有效態(tài)含量與Pb全量,Cd有效態(tài)含量與Cu全量,Pb全量與Cd全量均存在極顯著正相關(guān)；Zn有效態(tài)含量與Cd有效態(tài)含量、Cd全量,Cu有效態(tài)含量與Cd有效態(tài)含量,Cd有效態(tài)含量與Zn全量、Pb全量,Zn全量與Pb全量、Cd全量均存在顯著正相關(guān)。綜上分析,在3類土壤中總體以Cd元素的全量和有效態(tài)含量與其他元素含量之間的相關(guān)性較強,其他元素含量之間的相關(guān)性不是很明顯。

2.3.3 重金屬含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性 由表5可知,3類土壤中重金屬全量總體上均與土壤pH值呈顯著或極顯著正相關(guān),表明土壤pH值提高,土壤中新增的氫氧根離子會結(jié)合固定金屬離子,使其環(huán)境容量增大。3類土壤中重金屬有效態(tài)含量多數(shù)與土壤pH值無明顯相關(guān)性,只有部分土壤中的Zn、Cu、Cd有效態(tài)含量與其呈極顯著正相關(guān),這表明土壤pH值雖有提高,但仍處在中性或弱堿性范圍,重金屬元素只可有限度地被氫氧根離子活化,因而不會使有效態(tài)含量發(fā)生顯著變化[12-14]。

由表5可知,3種土類中所有重金屬全量和有效態(tài)含量均與土壤有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)性。這是由于土壤中有機物分子可與重金屬元素結(jié)合,形成絡(luò)合物或螯合物,從而降低重金屬離子活性；與此同時,土壤中的有機腐植酸、富里酸等可活化被固定的重金屬離子,使其轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的有效態(tài)形式[15-16]。因此,土壤中重金屬元素含量(全量和有效態(tài)含量)與土壤中的有機質(zhì)含量并無固定的相關(guān)性。

表5 河北曹妃甸不同類型土壤中重金屬含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

據(jù)文獻可知,在20世紀曹妃甸八場實行過污水灌溉,污灌水源主要為造紙業(yè)、機械制造和飼料加工等工農(nóng)業(yè)廢水[4],大量含Pb、Cd等重金屬離子的工業(yè)廢水被引入水稻田進行灌溉,造成了重金屬元素一定程度的積累[17-18]。本研究在參考前人評價的基礎(chǔ)上,通過實地調(diào)查與分析發(fā)現(xiàn),土壤中Pb、Cd元素積累在污灌停止后仍持續(xù)加強,且Pb元素已經(jīng)出現(xiàn)土壤污染問題。與此同時,以前沒有的Zn、Cu元素污染積累現(xiàn)象也出現(xiàn)在該地區(qū)的農(nóng)田土壤中。這主要是由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施肥總量大大超過《化肥使用環(huán)境安全技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 555—2010)的建議值[19],產(chǎn)生了由化肥雜質(zhì)帶來的農(nóng)田Pb、Cd元素污染問題；并且隨著農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,養(yǎng)殖業(yè)得到大力發(fā)展,農(nóng)田灌溉水上游分布的眾多養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨塘使得大量富含硫酸銅的魚塘消毒劑和魚、鴨糞便等魚塘排水流入到農(nóng)田之中,造成農(nóng)田表層土壤中出現(xiàn)Zn、Cu元素積累的新問題。綜上,使用大量含有重金屬離子的工業(yè)廢水、魚塘排水為灌溉水和長期不合理地施用化肥是導(dǎo)致曹妃甸農(nóng)田重金屬污染的主要原因。有效地控制灌溉水源,實行測土配方施肥,推廣合理的種養(yǎng)模式,發(fā)展生態(tài)化農(nóng)業(yè),是解決土壤污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

另外,本研究結(jié)果還表明,在河北曹妃甸3類農(nóng)田土壤中,Zn、Cu、Pb、Cd的全量和有效態(tài)含量均表現(xiàn)為在黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土中較高,在濱海風(fēng)沙土中最低。在3類土壤中,重金屬的綜合污染指數(shù)表現(xiàn)為黏質(zhì)水稻土>壤質(zhì)水稻土>濱海風(fēng)沙土。其中，濱海風(fēng)沙土處于清潔水平,屬于安全等級；黏質(zhì)水稻土和壤質(zhì)水稻土處于尚清潔水平,屬于警戒線等級,需對其加強保護。在3類土壤中,同種元素的全量與有效態(tài)含量大多存在正相關(guān),這表明元素全量的增加會導(dǎo)致其有效態(tài)含量的增加；總體上Cd元素的全量和有效態(tài)含量與其他元素含量之間的相關(guān)性較強,其他元素含量之間的相關(guān)性不是很明顯,這表明Cd元素易與其他元素形成復(fù)合污染。在3類土壤中,4種重金屬全量總體上均與土壤pH值呈顯著或極顯著正相關(guān),重金屬有效態(tài)含量多數(shù)與土壤pH值無明顯相關(guān)性；4種重金屬元素含量與土壤有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)關(guān)系,說明土壤有機質(zhì)對重金屬含量的影響存在不確定性。

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Contents,Distribution and Correlations of Heavy Metals in Different Types of Soil in Caofeidian of Hebei

WANG Yan1,WANG Nan2,ZHOU Jiewei1*,ZHANG Zuoxin3,ZHEN Zhihua1,QI Yuxue1,LIU Yuan1

(1.Crop Seed Management and Inspection Station of Tangshan City,Tangshan 063000,China; 2.Affiliated Hospital of North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China; 3.Soil and Fertilizer Station of Tangshan City,Tangshan 063000,China)

The contents,distribution and correlation of Zn,Cu,Pb,Cd in three types of soil (clayey paddy soil,loamy paddy soil,coastal aeolian sandy soil) in Caofeidian were studied,and the assessment of soil heavy metals pollution was done.The results showed that total amount and available contents of Zn,Cu,Pb,Cd in clayey paddy soil and loamy paddy soil were higher than those in coastal aeolian sandy soil;Zn,Cu,Pb,Cd had showed the cumulative phenomenon,the cumulative indexes of Cu and Cd were close and higher,followed by Zn,Pb was the least.The order of single factor pollution index of four heavy metals was Pb>Cu>Zn>Cd,and Pb pollution occured in clayey paddy soil.The order of comprehensive pollution index was clayey paddy soil>loamy paddy soil>coastal aeolian sandy soil,only the coastal aeolian sandy soil was at the clean level,clayey paddy soil and loamy paddy soil were at the alert levels.There were strong relationships between the same element total amount and available content,but the correlation was not obvious between different elements total amount and available contents,except the Cd.The contents of the four elements were positively correlated with pH value mostly.

heavy metals; farmland soil; distribution characteristics; pollution; correlation

2016-01-10

河北省唐山市科技支撐計劃重大項目(14120202a)

王 巖(1986-)，男，河北唐山人，農(nóng)藝師，碩士，主要從事土壤重金屬污染修復(fù)研究。 E-mail:wangyanhj2009@163.com

*通訊作者：周潔瑋(1972-)，男，河北唐山人，高級農(nóng)藝師，本科，主要從事土壤污染修復(fù)技術(shù)研究。 E-mail: 290462925@qq.com

X53

A

1004-3268(2016)07-0061-06