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    海南島熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬含量特征及地積累污染評價(jià)

    2017-11-03 19:18:38林運(yùn)萍黃世清吉家健陳云虹
    廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年7期
    關(guān)鍵詞:海南島土壤環(huán)境重金屬

    劉 月,林運(yùn)萍,黃世清,吉家健,劉 慧,陳云虹

    (1.海南省天然橡膠質(zhì)量檢驗(yàn)站,海南 ???570206;2.海南省農(nóng)墾科學(xué)院,海南 ???570206)

    海南島熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬含量特征及地積累污染評價(jià)

    劉 月1,2,林運(yùn)萍1,2,黃世清1,2,吉家健1,2,劉 慧1,2,陳云虹1,2

    (1.海南省天然橡膠質(zhì)量檢驗(yàn)站,海南 ???570206;2.海南省農(nóng)墾科學(xué)院,海南 海口 570206)

    以海南島熱帶作物產(chǎn)地土壤為研究對象,對土壤中As、Hg 、Pb、Cd、Cr等5種重金屬進(jìn)行含量特征分析,并利用地積累污染指數(shù)法對土壤重金屬污染程度進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明,以海南省表層土壤背景值為參照標(biāo)準(zhǔn),As、Hg、Cr的比值分別為4.90、2.00、7.73,污染率分別為92.45%、85.53%、71.70%,表明人類活動已造成一定程度的As、Hg、Cr污染累積;部分土壤樣品重金屬As、Cr含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn),其中As污染率0.63 %,Cr污染率43.40 %;地積累污染指數(shù)法表明研究區(qū)局部土壤受到重金屬污染,主要表現(xiàn)為紅明、東昌、南海、東路和南陽農(nóng)場的Cr污染,其地積累污染指數(shù)分別為0.83、1.03、0.99、0.72和 0.62。

    海南島;熱帶作物;土壤重金屬;地積累污染評價(jià)

    隨著人類社會大規(guī)模現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷提高,人類生產(chǎn)活動產(chǎn)生的“三廢”物質(zhì)和農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)輸入土壤圈的數(shù)量和種類日益增多,土壤環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。重金屬污染不僅能夠引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能的變化,還能夠抑制作物根系生長和光合作用,致使作物減產(chǎn)甚至絕收。更為嚴(yán)重的是,重金屬還可能通過食物鏈遷移到動物、人體內(nèi)危害健康[1-3]。有關(guān)鎘米、砷毒、血鉛等重金屬污染危害近年來常見諸報(bào)端,土壤重金屬污染已經(jīng)成為土壤污染中倍受關(guān)注的公共問題之一[4-5]。據(jù)估測,我國重金屬污染農(nóng)田面積已達(dá)2 000萬hm2,約占耕地總面積的1/5,每年因重金屬污染造成糧食的直接經(jīng)濟(jì)損失超過 200 億元[6]。

    海南島由于良好的氣候條件和土地資源,具有發(fā)展熱帶作物得天獨(dú)厚的條件,盛產(chǎn)多種熱帶作物,是我國主要的熱帶作物產(chǎn)地。近年來,由于工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的快速提高,工業(yè)廢水和城市生活污水排放增多,加之農(nóng)業(yè)投入品的不合理使用等原因,海南島局部地區(qū)已經(jīng)受到土壤重金屬污染[7-8]。目前,世界上許多國家十分關(guān)注土壤重金屬污染,對土壤重金屬的污染進(jìn)行深入廣泛的研究[9-10],我國關(guān)于土壤重金屬污染的調(diào)查研究報(bào)道也較多[11-14],但針對熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬含量特征及污染評價(jià)方面的研究較少,尤其是運(yùn)用地積累污染指數(shù)法進(jìn)行熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬污染評價(jià)研究鮮見報(bào)道。本研究以海南島熱帶作物產(chǎn)地土壤為研究對象,進(jìn)行重金屬污染特征分析,并利用地積累污染指數(shù)法對土壤重金屬污染程度進(jìn)行評價(jià),彌補(bǔ)熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬污染研究方面的不足,以期為海南島環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理及進(jìn)一步土壤重金屬污染研究提供科學(xué)依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    海南島位于我國大陸最南端,是我國最大的“熱帶寶地”,土地總面積344.2萬hm2,占全國熱帶土地面積的約42.5%,下轄4個(gè)地級市、5個(gè)縣級市、4個(gè)縣、6個(gè)自治縣,2016年末常住人口917.13萬人。海南島地處熱帶北緣,屬熱帶季風(fēng)氣候,素來有“天然大溫室”的美稱。海南島長夏無冬,年平均氣溫22~27℃,年均光照1 750~2 650 h,光照率50%~60%,光溫充足,磚紅壤、赤紅壤、山地黃壤等是主要的土壤類型。海南島入春早,升溫快,日溫差大,全年無霜凍,冬季溫暖,適合多種熱帶作物的生長,主要的熱帶作物有天然橡膠、椰子、胡椒、菠蘿蜜、芒果、荔枝、咖啡、腰果、劍麻、檳榔等。

    1.2 研究方法

    1.2.1 樣品布點(diǎn)與采集 本研究以海南島主要熱帶作物產(chǎn)地海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)基地為研究區(qū),參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T 395-2012)[15],同時(shí)結(jié)合作物種植面積大小、土壤分布情況及土地利用類型等因素,確定布點(diǎn)數(shù)量和樣品采集方法(表1)。各采樣點(diǎn)均經(jīng)GPS準(zhǔn)確定位,同時(shí)對采樣點(diǎn)灌溉水源、工廠分布、作物類型、化肥與農(nóng)藥使用、土地利用情況等環(huán)境狀況進(jìn)行記錄。土壤采樣用梅花布點(diǎn)法,于每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置5個(gè)采集點(diǎn),在各個(gè)采集點(diǎn)等量取土,取每個(gè)采集點(diǎn)0~40 cm表層土壤混合均勻后四分法取1 kg土壤混合樣品。樣品裝入聚乙烯密封塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)風(fēng)干后揀出石塊等雜物,研磨,根據(jù)檢測指標(biāo)相應(yīng)過篩,裝瓶貼標(biāo)簽備用。

    表1 研究區(qū)基本情況

    1.2.2 樣品檢測及數(shù)據(jù)分析 檢測指標(biāo)主要是對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全影響大、持續(xù)時(shí)間長的As、Hg、Pb、Cd、Cr等5種重金屬污染物,同時(shí)檢測土壤pH值和陽離子交換量,檢測依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16-21]進(jìn)行。

    土壤重金屬含量的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等描述性統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS和Excel等基本統(tǒng)計(jì)分析方法。土壤重金屬污染情況分析參照標(biāo)準(zhǔn)采用海南省表層土壤重金屬背景值(以2009年全國第二次土壤普查海南省生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查之《海南島1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告》為背景值)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[22]中規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)值(表2)。

    表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值及背景值(mg/kg)

    1.2.3 土壤重金屬污染評價(jià) 評價(jià)方法采用地積累污染指數(shù)法。地積累污染指數(shù)法最初廣泛用于研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo),近年來被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于土壤重金屬污染的評價(jià)。該方法不僅考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值,還考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素,計(jì)算結(jié)果按照地積累指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分污染等級(表3)[23]。計(jì)算公式為:

    式中,Cn為重金屬指標(biāo)的實(shí)測含量(mg/kg);Bn為重金屬元素的地球化學(xué)背景值(mg/kg),一般選擇普通頁巖的平均值作為重金屬元素的地球化學(xué)背景值,分別為砷13 mg/kg、汞0.35 mg/kg、鉛 20 mg/kg、鎘 0.3 mg/kg、鉻 90 mg/kg;K為考慮各巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)(一般取值為1.5)。

    表3 重金屬地積累指數(shù)分級及污染程度之間的相互關(guān)系

    2 結(jié)果與分析

    2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征

    從海南島主要熱帶作物產(chǎn)地海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)基地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表4)可以看出,所取表層土壤樣品重金屬Pb、Cd含量低于海南省表層土壤背景值,而As、Hg、Cr含量高于海南省表層土壤背景值,土壤呈酸性,pH值為4.7,陽離子交換量(CEC)為 10.94 cmol(+)/kg。

    變異系數(shù)在一定程度上可用于表征各元素的累積狀況,變異系數(shù)越大,說明元素在空間上分布不均勻,土壤差異越大。從表4可以看出,As、Hg、Pb、Cd、Cr的變異系數(shù)均在 40% 以上,說明研究區(qū)土壤差異較大。其中,Cr的變異系數(shù)達(dá)97.78%,As達(dá)85.70%,Pb達(dá)83.97%,說明這幾種重金屬元素受外界干擾較大,在空間上的分布有較大差異,存在明顯的局部聚集和點(diǎn)源污染現(xiàn)象。土壤pH值、陽離子交換量的變異系數(shù)分別為 11.30%和31.95%,均小于40%,說明該地區(qū)土壤理化性質(zhì)穩(wěn)定。

    表4 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

    以海南省表層土壤背景值為參照標(biāo)準(zhǔn),反映的是土壤重金屬污染的累積情況,表明人類活動對土壤重金屬含量的影響;以國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[22]中規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)值為參照標(biāo)準(zhǔn),反映的是土壤重金屬含量是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的情況。不同參照標(biāo)準(zhǔn)下土壤重金屬污染情況分析結(jié)果見表5,結(jié)果表明,以海南省表層土壤背景值為參照標(biāo)準(zhǔn),As、Hg、Cr的比值分別為4.90、2.00和7.73,污染率分別為92.45%、85.53%和71.70%,表明人類活動已造成一定程度的As、Hg、Cr污染累積;Pb、Cd的比值均小于1.00,表明人類活動未造成Pb、Cd的累積,5種重金屬污染累積程度依次為Cr>As>Hg>Pb>Cd。以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)為參照標(biāo)準(zhǔn),As、Hg、Pb、Cd、Cr的比值均小于1,表明研究區(qū)土壤質(zhì)量大體上符合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)要求,但部分土壤樣品重金屬As和Cr含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn),其中As污染率0.63%,Cr污染率較高、為43.40%,說明研究區(qū)土壤重金屬污染程度不一,部分土壤樣品質(zhì)量已不符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,主要集中在As和Cr含量超標(biāo)。

    表5 不同參照標(biāo)準(zhǔn)下土壤重金屬污染情況

    2.2 土壤重金屬污染評價(jià)

    對海南島主要熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬污染程度評價(jià)結(jié)果見表6,結(jié)果表明,土壤中 As、Hg、Pb、Cd、Cr地積累污染指數(shù)的平均值均小于0,說明研究區(qū)土壤大體上處于無污染狀態(tài),5種重金屬地積累污染指數(shù)依次為Cr>Pb>As>Hg>Cd。11 個(gè)農(nóng)場農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)基地土壤樣品As、Hg、Cd的地積累污染指數(shù)均小于0,處于清潔無污染狀態(tài);南濱、樂光農(nóng)場Pb的地積累污染指數(shù)分別為0.45和0.06,處于無污染至中污染水平;紅明、南海、東路和南陽農(nóng)場土壤Cr的地積累污染指數(shù)平均值分別為0.83、0.99、0.72和0.62,處于無污染至中污染水平;東昌農(nóng)場Cr的地積累污染指數(shù)最高,達(dá)1.03,達(dá)中污染水平。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),紅明、東昌、南海、東路和南陽農(nóng)場采集的所有土壤樣品Cr的地積累污染指數(shù)均大于0。各農(nóng)場地積累污染指數(shù)依次為東昌>南海>紅明>東路>南陽>中建>南田>烏石>金江>南濱>樂光。評價(jià)結(jié)果表明,研究區(qū)局部土壤受到重金屬污染,且污染程度不均勻,特別是位于海南島北部地區(qū)的紅明、東昌、南海、東路和南陽農(nóng)場的Cr污染問題應(yīng)引起相關(guān)部門的關(guān)注。

    表6 土壤重金屬地積累污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

    3 結(jié)論與討論

    本研究結(jié)果表明,海南島主要熱帶作物產(chǎn)地土壤存在一定程度的重金屬污染累積,主要表現(xiàn)為As和Cr污染的累積,且重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr在空間分布上均有較大差異,存在明顯的局部聚集和點(diǎn)源污染現(xiàn)象;地積累污染指數(shù)法表明,研究區(qū)局部土壤受到重金屬污染,主要來自于海南島北部的紅明、東昌、南海、東路和南陽農(nóng)場Cr的輕度污染。

    研究區(qū)As、Hg、Cr平均含量高于海南省表層土壤背景值,特別是部分土壤樣品As和Cr含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)。所選研究區(qū)均為傳統(tǒng)農(nóng)作區(qū),周邊多為農(nóng)業(yè)種植區(qū)或橡膠林段,天然隔離條件良好,遠(yuǎn)離居民區(qū)、場鎮(zhèn)、學(xué)校等人口聚集地,無大型的工業(yè)企業(yè),采集研究區(qū)灌溉水檢測結(jié)果表明As、Hg、Pb、Cd、Cr等5種重金屬含量均未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求限值,重金屬來源于工業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污染或污水灌溉的可能性較小。土壤重金屬來源非常廣泛,農(nóng)業(yè)行為本身也會帶入一定量的重金屬進(jìn)入土壤。通過對研究區(qū)作物種植情況調(diào)查發(fā)現(xiàn),在作物生長過程中均使用一定劑量的農(nóng)藥、化肥等投入品,而農(nóng)藥、化肥中含有一定量的As[6]。對研究區(qū)種植戶常用肥料重金屬檢測,結(jié)果也表明所施用肥料中均含有一定量的As,最高達(dá)36.5 mg/kg。因此,化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品的不合理使用可能是導(dǎo)致重金屬As累積的主要原因。重金屬Cr廣泛分布于地殼中,是土壤中豐度較高的微量元素之一,其背景含量與成土母質(zhì)有密切關(guān)系[6]。海南島的地帶性土壤為磚紅壤,位于北部地區(qū)的紅明、東昌、南海、東路、南陽等農(nóng)場土壤主要是由玄武巖母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤,呈暗紅色,土層深厚,質(zhì)地粘重。王景華等[24]、郭宇等[25]、廖香俊等[26]研究認(rèn)為,海南島玄武巖母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤中Cr超標(biāo)。因此,海南島北部地區(qū)紅明、東昌、南海、東路和南陽農(nóng)場土壤中Cr的高含量主要是玄武巖母質(zhì)發(fā)育的土壤中元素高背景值所致。

    地積累污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果表明,研究區(qū)局部土壤受到重金屬污染,主要表現(xiàn)為紅明、東昌、南海、東路和南陽農(nóng)場重金屬的Cr污染問題。這與使用單因子及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果基本一致[27]。地積累污染指數(shù)法是一種綜合評價(jià)土壤重金屬污染的方法,同時(shí)考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值以及由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素,彌補(bǔ)了其他評價(jià)方法的不足。

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    Concentration characteristics and geoaccumulation index assessment of soil heavy metals in tropical crops producing areas of Hainan Island

    LIU Yue1,2,LIN Yun-ping1,2,HUANG Shi-qing1,2,JI Jia-jian1,2,LIU Hui1,2,CHEN Yun-hong1,2
    (1.Hainan Natural Rubber Quality Inspection Station,Haikou 570206,China;2.Academy of Hainan State Farms,Haikou 570206,China)

    Investigation and assessment of pollution in heavy metals such as As,Hg,Pb,Cd and Cr in tropical crops producing areas of Hainan Island were carried out. The concentration characteristics of heavy metals were evaluated,and the degree of heavy metals pollution was evaluated by means of Geoaccumulation Index. The results showed that the background value of surface soil in Hainan was taken as the reference standard,and the ratio of As,Hg and Cr was 4.90,2.00 and 7.73 respectively. The pollution rate was 92.45%,85.53% and 71.70% respectively,which showed that human activities had caused a certain degree of pollution accumulation of As,Hg and Cr. The concentration of heavy metals such as As and Cr in some soil samples exceeded the secondary standard of national soil environmental quality standard. The pollution rate of As and Cr was 0.63% and 43.40% respectively. The Geoaccumulation Index indicated that some of the soils in the study areas were polluted by heavy metals. The main manifestation was the Cr pollution in Hongming,Dongchang,Nanhai,Donglu and Nanyang. The Geoaccumulation Index was 0.83,1.03,0.99,0.72 and 0.62 respectively.

    Hainan Island;tropical crops;soil heavy metal;Geoaccumulation index assessment

    X53

    A

    1004-874X(2017)07-0059-06

    劉月,林運(yùn)萍,黃世清,等. 海南島熱帶作物產(chǎn)地土壤重金屬含量特征及地積累污染評價(jià)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,44(7):59-64.

    2017-05-15

    海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(ZDYF2016061)

    劉月(1985-),女,碩士,工程師,E-mail:114006628@qq.com

    (責(zé)任編輯 鄒移光)

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