精河縣重金屬土壤環(huán)境容量及近百年趨勢(shì)預(yù)測(cè)

馬輝英，楊曉東，呂光輝

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

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精河縣重金屬土壤環(huán)境容量及近百年趨勢(shì)預(yù)測(cè)

馬輝英1，2，楊曉東1，2，呂光輝2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

【目的】開展重金屬土壤環(huán)境容量研究，準(zhǔn)確了解土壤環(huán)境承載力，為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、區(qū)域重金屬污染研究與控制等提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^土壤環(huán)境容量計(jì)算模型估算精河縣土壤重金屬元素的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境容量，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)?！窘Y(jié)果】草甸土、林灌草甸土、風(fēng)沙土和鹽土4種土壤類型的各種重金屬元素的靜態(tài)容量排序?yàn)椋篜b>Cr>Zn>Cu>Co。各重金屬元素在不同年限下、不同土壤類型中的動(dòng)態(tài)容量排序?yàn)椋篊o和Pb在控制年限20、50、80 a時(shí)為鹽土>林灌草甸土>草甸土>風(fēng)沙土；Cr、Cu和Zn在控制年限20、50、80 a時(shí)為鹽土>林灌草甸土>風(fēng)沙土>草甸土；5種元素在控制年限100 a時(shí)各土壤類型的動(dòng)態(tài)容量基本保持一致。鹽土和林灌草甸土的重金屬靜態(tài)容量高于風(fēng)沙土和草甸土，可以充分利用容量較大的土壤實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。【結(jié)論】精河縣土壤綜合質(zhì)量指數(shù)為2.354 7，污染級(jí)別為Ⅳ級(jí)，屬中度污染。精河縣土壤中的其它重金屬元素在保持目前不受污染現(xiàn)狀值的情況下，隨著土壤自凈作用，環(huán)境污染現(xiàn)狀會(huì)趨于好轉(zhuǎn)。

環(huán)境容量；土壤重金屬；靜態(tài)容量；動(dòng)態(tài)容量；土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

0 引 言

【研究意義】重金屬作為主要環(huán)境污染物，具有隱蔽性、滯后性、積累性、不可逆性和難治理的特點(diǎn)，且有通過食物鏈危害人類健康的潛在危險(xiǎn)，受到國(guó)內(nèi)外環(huán)境工作者的高度關(guān)注[1]。與水體和大氣環(huán)境要素相比，土壤環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，重金屬等污染物更易于積聚。進(jìn)入土壤的重金屬元素在土壤環(huán)境容量范圍內(nèi)，可以利用其自凈能力和緩沖作用凈化，一旦超過承受上限，土壤將面臨重金屬污染，進(jìn)而引發(fā)環(huán)境問題，威脅人類的健康[2]。土壤環(huán)境容量是一定環(huán)境單元、一定時(shí)限內(nèi)遵循的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，即土壤所能容納污染物的最大負(fù)荷量[3，4]。土壤環(huán)境容量的研究主要包括土壤環(huán)境背景值、允許限值、典型污染物遷移自凈能力、數(shù)學(xué)模型等方面的研究。其中，土壤環(huán)境容量的確定又以背景值和土壤污染物允許限值的確定最為關(guān)鍵[5]。作為衡量土壤重金屬污染狀況的基礎(chǔ)工具，土壤環(huán)境容量在污染土壤修復(fù)與綜合治理以及健全土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系方面起著重要作用[6]。開展精河縣重金屬土壤環(huán)境容量研究能較為準(zhǔn)確地為該縣礦業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供建議，也可為環(huán)境資源開發(fā)與管理規(guī)劃的制訂提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，許多學(xué)者對(duì)土壤環(huán)境容量及重金屬污染預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。夏增祿[7]首次制定了我國(guó)主要土類的Cu、As、Pb、Cd 4種重金屬元素的土壤臨界含量。南忠仁[8]、廖金鳳[9]分別計(jì)算了甘肅省白銀市灰鈣土、廣東省南海市農(nóng)業(yè)土壤中的多種重金屬元素靜態(tài)環(huán)境容量。葉嗣宗[10]利用物質(zhì)平衡線性模型和土壤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算出了上海市土壤中汞含量。杜金輝等[11]通過改進(jìn)的土壤環(huán)境容量模型計(jì)算出了嶗山風(fēng)景區(qū)土壤重金屬的動(dòng)態(tài)環(huán)境容量。馬宏瑞等[12]對(duì)新疆油田開發(fā)區(qū)的石油類土壤環(huán)境容量進(jìn)行了估算。段晴楓[13]采用靜態(tài)吸附法研究了新疆某石化污水庫周邊的土壤吸附金屬的影響因素?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】通過對(duì)精河縣土壤重金屬環(huán)境容量調(diào)查與計(jì)算，估算環(huán)境容量并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】估算精河縣土壤重金屬含量的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)境容量，并預(yù)測(cè)其近百年環(huán)境容量的變化趨勢(shì)，研究成果可以為土壤環(huán)境管理、土壤資源保護(hù)、推進(jìn)生態(tài)縣市建設(shè)及工農(nóng)業(yè)合理布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

精河縣隸屬于新疆博爾塔拉蒙古自治州，位于新疆西北部，準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣，天山西部支脈婆羅科努山北麓，地理位置81°46′～83°51′E，44°02′～45°10′N。全縣總面積11 275 km2，地形由南部和西部的天山山脈向北部、東部的艾比湖和荒漠戈壁傾斜，荒漠以及海拔800 m以上的山地占全縣總面積的66%以上。精河縣屬典型的北溫帶干旱荒漠型大陸性氣候，干燥少雨，蒸發(fā)量大，年平均降水量102 mm，1月平均氣溫-15℃，7月平均氣溫26℃，光照充足，晝夜溫差大，春季多風(fēng)沙、浮塵天氣。全縣實(shí)際地表水資源總量為10.48×108m3，水資源季節(jié)分布不均勻，洪水水量占很大比重。土壤主要有灰棕漠土、灰漠土、草甸土、沼澤土、鹽土和風(fēng)沙土等類型。

1.2 材 料

根據(jù)土壤類型采用非均勻布點(diǎn)方法在精河縣共設(shè)置21個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100和100～120 cm土層樣品，每個(gè)樣不少于2.5 kg，共采集124個(gè)樣品(根據(jù)成土情況，其中一個(gè)樣點(diǎn)只采集到4層樣品) 。土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干，去除石礫和根系，磨碎過10目(測(cè)定土壤pH)和100目(測(cè)定土壤重金屬含量)尼龍篩，留待實(shí)驗(yàn)室分析使用。

樣品分析分為預(yù)處理和測(cè)定兩階段。預(yù)處理方法參見《土壤和固體廢棄物監(jiān)測(cè)分析技術(shù)》[14]。預(yù)處理完成后，樣品測(cè)定委托新疆大學(xué)理化測(cè)試中心完成。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES，IRIS Advantage 1000，USA)測(cè)定鎘(Cd)、鈷(Co)、鉻(Cr)、銅(Cu)、錳(Mn)、鉛(Pb)和鋅(Zn)7種重金屬元素的含量。

1.3 方 法

1.3.1 土壤靜態(tài)容量數(shù)學(xué)模型

采用以下公式計(jì)算土壤靜態(tài)容量[3,10,15]：

(1)

其中，Cs為土壤靜容量(kg/hm2)；M為1 hm2耕作層土壤重量(2.25×106kg/hm2)；Ci為某污染物的土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)；Cbi為某污染物的土壤環(huán)境背景值(mg/kg)。

土壤靜態(tài)容量使用靜止的觀點(diǎn)表征土壤環(huán)境的容納能力，土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)定值，不同類型土環(huán)境背景值差異決定了土壤環(huán)境靜態(tài)容量的高低，兩者差值越大，土壤環(huán)境容量越高。土壤靜態(tài)容量數(shù)學(xué)模型參數(shù)易獲得、計(jì)算方便，許多學(xué)者在研究區(qū)域土壤環(huán)境容量時(shí)常選用此模型。新疆精河縣土質(zhì)特殊，結(jié)合實(shí)地調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)確定以艾比湖流域土壤環(huán)境現(xiàn)狀值作為背景值[16]。

土壤靜態(tài)容量的另一計(jì)算公式

(2)

其中，W為某元素達(dá)到臨界含量值的環(huán)境容量(kg/hm2)；M為1 hm2耕作層土壤重(2.25×10 kg/hm2)；Cic為土壤中某種污染元素的臨界含量值(mg/kg)；Cib為土壤中該元素的背景值(mg/kg)；Cio為已進(jìn)入土壤的該種元素的含量值(mg/kg)；Cip=Cib+Cio，Cip指土壤中該元素的現(xiàn)狀值(mg/kg)。

1.3.2 土壤動(dòng)態(tài)容量數(shù)學(xué)模型

元素在土壤中實(shí)際上是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡過程：一是土壤本身含有一定的量值，即土壤背景值，這一量值是土壤成土過程中自然形成的，雖處在人為的元素循環(huán)中，但它具有自然的、相對(duì)穩(wěn)定的特征；二是元素的輸入是多途徑、多次性的或者連續(xù)的過程；三是輸入的元素將因地下滲漏、地表徑流及作物吸收而損失，這些輸出部分一方面影響了土壤元素的存在，另一方面這一存在量也影響著以后的輸入。由于元素在土壤中處于這種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，因此，土壤相對(duì)于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所能容納的量是一種變動(dòng)的量值，即土壤具有變動(dòng)的容量[2,11]。因此前人在考慮這些變化的情況下，根據(jù)物質(zhì)平衡線性模型假定土壤污染物的輸出量與土壤污染物含量之間呈直線關(guān)系，應(yīng)用逐年遞推方法得出如下平均動(dòng)態(tài)年容量公式：

(3)

式中：Wn為某一區(qū)域土壤耕作層中，幾年后預(yù)期某重金屬元素的總量(kg/hm2)；Wo為觀察起始年時(shí)耕作層中該元素的總量(kg/hm2)；K為殘留率，表示經(jīng)過一年耕作后，某元素在土壤中的含量為上一年土壤中含量及當(dāng)年輸入量之和的比率；Qn為平均動(dòng)態(tài)年容量kg/(hm2·a)；n為控制年限。

該公式可描述土壤中重金屬的累積過程，土壤重金屬污染物的變化主要取決于殘留率K。土壤污染物的殘留率是反映污染物動(dòng)態(tài)平衡的參數(shù)，作為反映土壤動(dòng)態(tài)環(huán)境容量的關(guān)鍵，它不僅取決于土壤的結(jié)構(gòu)和功能，而且與進(jìn)入到土壤環(huán)境中的污染物性質(zhì)密切相關(guān)[17]。根據(jù)精河縣艾比湖流域重金屬元素背景值和土壤標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)用公式計(jì)算精河縣主要土壤的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量。據(jù)研究，重金屬在土壤中不易被自然淋溶，遷移殘留率一般在90%左右[18]。因缺乏精河縣土壤K值的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在計(jì)算中假定各種重金屬元素在土壤中的殘留率K=0.9。

1.3.3 評(píng)價(jià)方法

基于重金屬污染既可能是單一因素作用的結(jié)果，也可能是多元素共同作用的結(jié)果，采用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行重金屬土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

首先獲得單因子污染指數(shù)，其計(jì)算公式為：

(4)

式中，Pi為第i種污染物的單因子污染指數(shù)；Ci為第i種污染物實(shí)測(cè)值；Si為第i種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

獲得綜合污染指數(shù)，計(jì)算公式為：

P=∑Wi×Pi.

(5)

式中，Wi為權(quán)重，依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中重金屬污染物對(duì)土壤的危害程度大小。利用改進(jìn)的層次分析法(AHP法)[15]確定其權(quán)重值為：Wi=(Cd，0.360 0；Cu，0.142 1；Pb，0.254 2；Zn，0.042 1；Cr，0.023 2)。

1.3.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)》和艾比湖流域土壤環(huán)境重金屬背景值，將第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為該地區(qū)土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將土壤質(zhì)量分為六個(gè)等級(jí)。表1

表1 新疆農(nóng)田土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The grading standards of the soil quality evaluation in Xinjiang

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬背景值

鑒于目前全國(guó)及新疆的土壤環(huán)境背景值資料均屬于上世紀(jì)80年代資料，第二次全國(guó)土壤環(huán)境背景值調(diào)查結(jié)果尚未公布，故選擇2010年艾比湖流域土壤背景值作為精河縣4種土壤類型的不同重金屬元素的背景值。表2

表2 艾比湖流域重金屬元素的環(huán)境背景值Table 2 The background values of heavy metal in soils in Ebinur Lake basin(mg/kg)

2.2 土壤重金屬元素臨界含量值

進(jìn)入土壤的污染物通過各種途徑對(duì)環(huán)境、生物和人群產(chǎn)生影響，大致可概括為：土壤-作物(作物效應(yīng))，土壤-植(動(dòng))物-人體(人體健康效應(yīng))，土壤-微生物(土壤生物效應(yīng))。當(dāng)污染物或某種元素在土壤中的含量控制在某濃度值時(shí)，對(duì)人類、生態(tài)、環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生不可容忍的危害，該濃度限值被稱為此種污染物或元素在土壤中的臨界含量值，它是計(jì)算環(huán)境容量的一個(gè)重要參數(shù)。由于各地土壤組成差異較大，要給土壤環(huán)境制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或允許限值較為困難[9]。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為據(jù)(II類主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等土壤，土壤質(zhì)量基本上對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染；II類土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))。精河縣主要土壤類型草甸土、林灌草甸土、風(fēng)沙土、鹽土的pH值均大于7.5，確定研究區(qū)4種土壤類型各個(gè)元素的臨界標(biāo)準(zhǔn)值以國(guó)標(biāo)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的>7.5一列為限。研究表明，4種土壤中的Cr和Mn均超過該國(guó)標(biāo)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，Cr的超標(biāo)率要超過Mn，其他元素含量均控制在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。因此，精河縣重金屬環(huán)境容量的計(jì)算主要以Co、Cr、Cu、Pb、Zn為主。表3

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 The three standard values for the environmental quality standards in soil

2.3 土壤環(huán)境質(zhì)量

利用改進(jìn)的AHP法對(duì)精河縣土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。單因子指數(shù)結(jié)果表明Cd的含量在1.21～19.00 mg/kg，平均含量3.96 mg/kg，嚴(yán)重超過精河縣土壤重金屬二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率達(dá)6倍多，屬于重度污染。Mn和Zn屬于質(zhì)量等級(jí)三級(jí)，造成土壤輕度污染。其余重金屬元素為無污染。土壤綜合質(zhì)量指數(shù)為2.354 7，表明該縣綜合污染指數(shù)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，屬于中度污染。表4

表4 精河縣土壤重金屬含量及土壤環(huán)境質(zhì)量Table 4 The content of soil heavy metals in Jinghe county and its environmental quality(n=124)

2.4 重金屬土壤環(huán)境容量計(jì)算

根據(jù)土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的背景值和臨界值，運(yùn)用公式(2-1)和(2-2)分別以20、50、80和100 a為控制年限[5]，計(jì)算得到精河縣土壤重金屬元素的靜態(tài)容量。結(jié)果表明，精河縣每種土壤類型的各種重金屬元素靜態(tài)容量排序結(jié)果，草甸土、林灌草甸土、風(fēng)沙土和鹽土均表現(xiàn)為：Pb>Cr>Zn>Cu>Co。各種土壤重金屬元素在不同土壤類型中含量大小的排序?yàn)椋篊o與Pb規(guī)律一致，鹽土>林灌草甸土>草甸土>風(fēng)沙土；Cr、Cu、Zn規(guī)律一致，鹽土>林灌草甸土>風(fēng)沙土>草甸土。說明鹽土和林灌草甸土對(duì)重金屬的容量均比風(fēng)沙土和草甸土大。隨年限的變化，每種土壤的重金屬含量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且20～50 a變化趨勢(shì)更快，之后呈緩慢減少，每種重金屬在各土壤的含量值差異不大。表5

表5 精河縣土壤重金屬元素的靜容量Table 5 The static capacity of soil heavy metals in Jinghe county(kg/(hm2·a))

同樣根據(jù)土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的背景值、臨界值以及殘留率K值，分別以20、50、80和100 a為控制年限，計(jì)算出精河縣該4種類型土壤中上述元素的動(dòng)態(tài)環(huán)境容量。

結(jié)果表明，每種土壤不同年限下的平均年動(dòng)態(tài)容量表現(xiàn)為20 a>50 a>80 a>100 a。同一種重金屬在不同土壤類型中的動(dòng)態(tài)容量排序?yàn)椋篊o和Pb在控制年限20、50、80 a時(shí)為：鹽土>林灌草甸土>草甸土>風(fēng)沙土；Cr、Cu和Zn在控制年限20、50、80 a時(shí)為：鹽土>林灌草甸土>風(fēng)沙土>草甸土；上述元素在控制年限100 a時(shí)不論土壤類型如何，元素的平均年動(dòng)態(tài)容量均基本保持一致。同一種重金屬在不同土壤類型中的動(dòng)態(tài)容量排序與靜態(tài)容量排序相同。表6

表6 精河縣土壤重金屬平均年動(dòng)容量Table 6 The dynamic capacity of soil heavy metals in Jinghe county(kg/(hm2·a))

2.5 不同土壤類型間動(dòng)靜態(tài)重金屬容量的差別

分析不同土壤類型間動(dòng)態(tài)、靜態(tài)重金屬容量的差異性，對(duì)于4種典型的土壤來說，每種土壤的平均動(dòng)態(tài)年容量均比靜態(tài)年容量大，說明土壤不僅在土壤環(huán)境臨界值或者標(biāo)準(zhǔn)值范圍之內(nèi)具有一定的容納量，由于其自身的自凈作用和污染物的輸入、輸出也占了一定比例，土壤環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化過程對(duì)污染物也具有一定的容納能力。隨著年限的增長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)容量均越來越小，但是靜態(tài)年容量的減少速度快于動(dòng)態(tài)容量，因此人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)必須控制在合理的范圍值之內(nèi)，充分利用土壤動(dòng)態(tài)的自凈變化過程，才不至于對(duì)土壤環(huán)境造成污染。

土壤靜態(tài)年容量和動(dòng)態(tài)年容量與土壤的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和背景值有關(guān)。其中，動(dòng)態(tài)年容量還與控制年限有關(guān)，年限越長(zhǎng)，平均動(dòng)態(tài)年容量越小，動(dòng)態(tài)總?cè)萘吭酱?。?duì)于每種重金屬元素，在不同的土壤中，不同年限下的平均動(dòng)態(tài)容量差別甚微。說明土壤動(dòng)態(tài)凈化重金屬過程中，其主要影響因素和該重金屬本身的物理化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切，土壤類型并不是決定性的因素。

鑒于各種土壤的環(huán)境容量數(shù)據(jù)具有相似性，以Co為例，對(duì)其土壤靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量進(jìn)行比較，觀察二者之間的差別。結(jié)果表明，雖然在不同的土壤環(huán)境中，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)境容量也不同，但是動(dòng)態(tài)總?cè)萘颗c靜態(tài)總?cè)萘康牟钪当憩F(xiàn)為相同的變化規(guī)律。隨著年限的增加，差值越來越大，并且增長(zhǎng)速度也更快，說明土壤在保持目前不受污染現(xiàn)狀值的情況下，隨著土壤自凈作用，環(huán)境容量會(huì)趨于好轉(zhuǎn)，最為關(guān)鍵的是，不同土壤中相同年限情況下動(dòng)態(tài)總?cè)萘颗c靜態(tài)總?cè)萘康牟钪狄膊淮?。?-11

表7 草甸土中重金屬含量的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量的比較Table 7 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in meadow soil

表8 林灌草甸土中重金屬含量的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量的比較Table 8 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in shrub meadow soil

表9 風(fēng)沙土中重金屬含量的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量的比較Table 9 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in aeolian sandy soil

表10 鹽土中重金屬含量的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量的比較Table 10 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in saline soil

表11 4種典型土壤中Co的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量比較Table 11 The compares between static capacity and dynamic capacity about Cobalt in four typical types of soils

3 討 論

通過以上對(duì)精河縣重金屬土壤環(huán)境容量的計(jì)算以及對(duì)多年限的總靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量及其差值的計(jì)算分析可以看出，對(duì)于重金屬靜容量大的鹽土和林灌草甸土來說，可以在今后當(dāng)?shù)氐耐恋亟?jīng)濟(jì)中加大合理使用力度，而對(duì)于靜容量較小的風(fēng)沙土和草甸土則應(yīng)嚴(yán)格限制使用，以盡量延長(zhǎng)到達(dá)環(huán)境容量的使用時(shí)間。不同重金屬的動(dòng)容量在不同土壤類型中排序也有差異，鑒于土壤本身獨(dú)特的功能和對(duì)環(huán)境的特殊作用，保護(hù)土壤環(huán)境，必須采取全面強(qiáng)化管理，多源嚴(yán)格控制，預(yù)防為主，綜合防治的方針[19]，并根據(jù)不同土壤類型對(duì)重金屬容納能力的差異，選擇適宜的土壤類型進(jìn)行土地利用。前人也提到了土壤動(dòng)態(tài)凈化重金屬過程中，其主要影響因素與該重金屬本身的物理化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切，土壤類型并不是決定性的因素。因而在發(fā)展精河縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)事業(yè)的同時(shí)，控制每年允許輸入土壤環(huán)境中的重金屬的量，即要求各部門各行業(yè)，共同踐行嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，把重金屬土壤環(huán)境容量的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，更好地造福當(dāng)?shù)馗髯迦嗣瘛Ｓ捎跁r(shí)間條件的限制，沒有對(duì)造成總的靜態(tài)容量和動(dòng)態(tài)容量及其差值差異原因和該地區(qū)土壤類型對(duì)重金屬容量影響較小的原因進(jìn)行進(jìn)一步深入分析。另外，對(duì)土壤環(huán)境容量研究的實(shí)質(zhì)在于明確污染物與土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間直接的關(guān)系以及土壤系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力行為模型，這方面模擬還不夠，尚待日后工作的進(jìn)一步展開。

4 結(jié) 論

精河縣各種土壤各重金屬元素的靜容量排序均為Pb>Cr>Zn>Cu>Co。其中鹽土和林灌草甸土對(duì)于重金屬的容量均比風(fēng)沙土和草甸土大。每種土壤在不同控制年限下的平均年動(dòng)容量表現(xiàn)為20 a>50 a>80 a>100 a。同一種重金屬在不同土壤類型中的動(dòng)態(tài)容量排序?yàn)椋篊o和Pb在控制年限20、50、80 a時(shí)為鹽土>林灌草甸土>草甸土>風(fēng)沙土；Cr、Cu和Zn在控制年限20、50、80 a時(shí)為鹽土>林灌草甸土>風(fēng)沙土>草甸土；上述元素在控制年限100 a時(shí)不論土壤類型如何，元素的平均年動(dòng)態(tài)容量均基本保持一致。

精河縣土壤綜合質(zhì)量指數(shù)為2.354 7，污染級(jí)別為Ⅳ級(jí)，達(dá)中度污染。Cd過量的地區(qū)從國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2008修訂版來看，不適宜用作農(nóng)業(yè)用地，但可作為居住、商業(yè)及工業(yè)用地；精河縣土壤中的其他重金屬元素在保持目前不受污染現(xiàn)狀值的情況下，隨著土壤自凈作用，環(huán)境污染現(xiàn)狀會(huì)趨于好轉(zhuǎn)。土壤環(huán)境容量是以某污染物總量表示的。而土壤重金屬污染往往是復(fù)合污染，伴生元素的存在會(huì)對(duì)某一種金屬的遷移轉(zhuǎn)化行為、生物生態(tài)效應(yīng)等產(chǎn)生影響，而目前土壤環(huán)境容量模型，不能反映復(fù)合污染的情況。

References)

[1]王嘉.銅陵礦區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2010.

WANG Jia.(2010).CurrentEvaluationandRiskAssessmentonHeavyMetalPollutiontotheSoilinTonglingMiningDistrict[D]. Master Dissertation. Hefei University of Technology，Hefei.(in Chinese)

[2]王瑞玲.農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量預(yù)警[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士論文，2005.

WANG Rui-ling.(2005).TheEarlyWarnnigofSoilEnvironmentofFarmland[D]. Master Dissertation. Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing.(in Chinese)

[3]夏增祿.土壤環(huán)境容量及其應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，1988.

XIA Zeng-lu.(1988).SoilEnvironmentCapacityandApplication[M]. Beijing：China Meteorological Press.(in Chinese)

[4]夏增祿.土壤環(huán)境容量研究[M].北京：氣象出版社，1986.

XIA Zeng-lu.(1986).StudiesonSoil-environmentalCapacity[M]. Beijing：China Meteorological Press.(in Chinese)

[5]于光金.山東省主要土壤類型重金屬環(huán)境容量研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)碩士論文，2009.

YU Guang-jin.(2009).StudyonSoil-EnvironmentalCapacityinMainSoil-typesofShandongProvince[D]. Master Dissertation. Shandong Normal University, Jinan(in Chinese)

[6]付傳城，王文勇，潘劍君，等.南京市溧水區(qū)土壤重金屬環(huán)境容量研究[J].土壤通報(bào)，2014，45(3)：734-742.

FU Chuan-cheng，WANG Wen-yong，PAN Jian-jun，et al.(2014). Research of Heavy Metal Environmental Capacity in Lishui District，Nanjing [J].ChineseJournalofSoilScience，45(3)：734-742.(in Chinese)

[7]夏增祿.中國(guó)土壤環(huán)境容量[M].北京：地震出版社，1992.

XIA Zeng-lu.(1992).SoilEnvironmentCapacityofChina[M]. Beijing：Seismological Press.(in Chinese)

[8]南忠仁.灰鈣土中Cd、Pb的環(huán)境基準(zhǔn)值及其應(yīng)用[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，31(2)：33-36.

NAN Zhong-ren.(1995). A Research on Environmental Criterion of Cd、Pb and its Application in Gray Calcareous Soil [J].JournalofNorthwestNormalUniversityNaturalScience，31(2)：33-36.(in Chinese)

[9] 廖金鳳.廣東省南海市農(nóng)業(yè)土壤中銅鋅鎳的環(huán)境容量[J].土壤與環(huán)境，1999，8(1)：15-18.

LIAO Jin-feng.(1999).The Environmental Capacity of Copper，Zine，Nickel in Agricultural soil in Nanhai，Guangdong [J].SoilandEnvironmentalSciences，8(1)：15-18.(in Chinese)

[10]葉嗣宗.土壤環(huán)境背景值在容量計(jì)算和環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，1993，(3)：52-54.

YE Si-zong.(1993).The Application of Soil Environmental Background Value in Capacity Calculation and environmental Quality Assessment [J].EnvironmentalMonitoringinChina，(3)：52-54.(in Chinese)

[11]杜金輝，王菁，王學(xué)珍，等.嶗山風(fēng)景區(qū)土壤重金屬元素環(huán)境容量的計(jì)算[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，17(1)：27-28.

DU Jin-hui，WANG Jing，WANG Xue-zhen，et al.(2007).Calculation on the Soil Environmental Capacity for Heavy Metal Elements in Laoshan Scenic Spot [J].JournalofEnvironmentalManagementCollegeofChina，17(1)：27-28.(in Chinese)

[12]馬宏瑞，馬煒寧，陳榮燦，等.新疆油田開發(fā)區(qū)石油類污染物土壤環(huán)境容量研究[J].油氣田地面工程，2010，(4)：33-35.

MA Hong-rui，MA Wei-ning，CHEN Rong-can，et al.(2010).The Soil Environmental Capacity research of Petroleum Pollutants in Xinjiang Oilfield Development Zone [J].Oil-GasfieldSurfaceEngineering，(4)：33-35.(in Chinese)

[13]段晴楓.新疆某石化污水庫周邊土壤對(duì)Co、Ni、V吸附行為研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)碩士論文，2014.

DUAN Qing-feng.(2014).SorptionBehaviorsofCobalt，NickelandVanadiumIonsinaPetrochemicalSewageofXinjiang[D]. Master Dissertation. Xinjiang University Urumqi.(in Chinese)

[14]劉鳳枝，劉瀟威.土壤和固體廢棄物監(jiān)測(cè)分析技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

LIU Feng-zhi，LIU Xiao-wei.(2007).AnalysisTechnologyonSoilandSolidWasteMonitoring[M]. Beijing：Chemical industry press.(in Chinese)

[15]陳江，畢京博，吳杰，等.湖州土壤重金屬污染趨勢(shì)預(yù)測(cè)及環(huán)境容量評(píng)價(jià)[J].地球與環(huán)境，2011，(4)：531-535.

CHEN Jiang，BI Jing-bo，WU Jie，et al.(2011).Prediction of the Trend for Soil Pollution of Heavy Metals in Soils at Huzhou and Evaluation of the Environmental Capacity [J].EarthandEnvironment，(4)：531-535.(in Chinese)

[16]馬輝英.艾比湖流域土壤背景值研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)碩士論文，2010.

MA Hui-ying.(2010).StudyontheEnvionmentalBackgroudValuesofSoilsinEbinurLakeBasin[D]. Master Dissertation. Xinjiang University Urumqi.(in Chinese)

[17]國(guó)家環(huán)保局開發(fā)監(jiān)督司.環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)原則與方法[M].北京：北京大學(xué)出版社，1992.

SEPA Development Oversight Division.(1992).EnvironmentalImpactAssessmentPrinciplesandMethods[M]. Beijing：Peijing University Press.(in Chinese)

[18]于光金，成杰民，王忠訓(xùn)，等.山東省不同植被類型土壤重金屬環(huán)境容量研究[J].土壤通報(bào)，2009，40(2)：366-368.

YU Guang-jin，CHENG Jie-min，WANG Zhong-xun，et al.(2009). Soil-Environmental Capacity in Different Vegetative Types in Shandong Province [J].ChineseJournalofSoilScience，40(2)：366-368.(in Chinese)

[19]項(xiàng)艷. 皖江城市帶土壤重金屬含量變化特征及其環(huán)境容量研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文,2011.

XIANG Yan.(2011).Thestudyonthedistributioncharacteristicsandenvironmentalcapacityofheavymetalsinsoilsontothecity-clusteralongtheYangtzeRiverinAnhuiProvince[D]. Master Dissertation. Anhui Agricultural University, Hefei. (in Chinese)

[20]任力民，賈登泉，王飛.新疆農(nóng)田土壤重金屬含量調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2014，51(9)：1 760-1 764.

REN Li-min, JIA Deng-quan, WANG Fei.(2014).Preliminary Survey and Evaluation of Heavy Metal Content in Farmland Soil[J].XinjiangAgriculturalSciences，51(9)：1,760-1,764.(in Chinese)

Fund project:Key program of NSFC (41130531)

Tendency Prediction about Soil Environmental Capacity of Heavy Metals in Jinghe County in Recent 100 Years

MA Hui-ying1，2, YANG Xiao-donge1，2, Lǖ Guang-hui2

(1. College of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,Urumqi830046,China)

【Objective】 To inquire the soil environmental capacity of heavy metals, to understand the carrying capacity of soil environment accurately, provide a scientific basis on the soil quality assessment and research the control over the regional heavy metal pollution.【Method】The static and dynamic environmental capacity of soil heavy metals in Jinghe county were estimated by the model of soil environmental capacity, and the development trend was predicted.【Result】Ranking of the static capacity of heavy metals in these 4 sorts of soil in Jinghe County were: meadow soil, shrub meadow soil, aeolian sandy soil and saline soil: Pb> Cr> Zn> Cu> Co; While the dynamic capacity of the same heavy metals in different types of soil were: when Co and Pb are in control terms 20, 50, 80 years: saline soil > shrub meadow soils > meadow soil > aeolian sandy soil; and when Cr, Cu, Zn are in control terms 20, 50, 80 years: saline soil > shrub meadow soils > aeolian sandy soil >meadow soil; all these elements got the same average annual capacity when the control term is 100 years despite the types of soil. The static capacity of heavy metals in saline soil, shrub meadow soil were both larger than that in aeolian sandy soil and meadow soil, so it is possible to take advantage of the larger soil capacity for the local economic development.【Conclusion】Soil comprehensive quality index in Jinghe County is 2.354，7, the pollution level belongs to Ⅳ, and the degree of pollution is medium. It will be a improved situation by its' self- purification if there were no more additional pollution by the other heavy metals in Jinghe County.

environmental capacity; soil heavy metals; static capacity; dynamic capacity; soil quality assessment

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.08.022

2016-03-24

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130531)

馬輝英(1980-)，女，新疆烏魯木齊人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)學(xué)，(E-mail)25443766@qq.com

呂光輝(1963-)，男，山東青島人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)生態(tài)學(xué)，(E-mail)ler@xju.edu.cn

S151.9

A

1001-4330(2016)08-1521-12