巴中市農(nóng)田土壤重金屬分布及生態(tài)風(fēng)險評價*

石 磊

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，西安 710015； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710015； 3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，西安 710015； 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075)

0 引言

工業(yè)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快加重了區(qū)域土壤重金屬污染程度。污染物通過食物鏈和大氣沉降間接積累于人體，已經(jīng)成為人類健康安全敏感問題[1-4]。調(diào)查與評價區(qū)域土壤重金屬污染程度是開展污染地塊土壤修復(fù)、合理規(guī)劃土地利用方式、科學(xué)調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的首要前提和必需工作。

目前針對土壤重金屬的風(fēng)險研究，多利用潛在風(fēng)險指數(shù)法、地累積法、綜合污染指數(shù)法等重金屬污染評價法與環(huán)境容量法等評價土壤重金屬含量的污染狀況[5-6]。文章以四川省秦巴山區(qū)巴中市農(nóng)田土壤的重金屬鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)為研究對象，測定這3種重金屬的污染程度，利用內(nèi)梅羅指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來評價該研究區(qū)農(nóng)田土壤3種主要重金屬的污染水平，從而劃分污染等級[7-8]，為農(nóng)田土壤污染防治和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴中市位于四川盆地東北部、大巴山系米倉山南麓，介于東經(jīng)106°20′～107°49′，北緯31°15′～32°45′之間，是秦巴山片區(qū)中心城市之一。研究區(qū)以中低山地貌為主，同時伴有流水侵蝕、沉積、扇形地貌和重力堆積、殘積地貌等，成土母巖以紅色泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，土壤類型為四川典型紫色土和水稻土。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫16.9℃，年均降雨量1 150mm，平均光照時數(shù)1 462.1h。

圖1 巴中市土壤采樣點分布

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與預(yù)處理

采樣時間為2013年6月1日至2013年8月1日。采樣方法按照中國地質(zhì)調(diào)查局《多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1： 25萬)》(DD2005-1)的要求，以采樣中心為圓心、選擇20m為采樣半徑放射狀采樣(避開施肥點、肥料殘塊等)，對每土地利用類型下相同土壤類型采樣集4～5重復(fù)樣為一組樣，每重復(fù)樣為20cm以上表層土的混合樣，每采樣點均利用GPS定位(圖1)。去除每組樣品中雜草、礫石等雜物，將按四分法縮分后將每組樣品等量混合成1件樣品，每組混合樣重量不低于1.5kg。共采集土壤樣品344個，其中，巴州區(qū)48個、南江縣81個、通江縣122、平昌縣91個。將樣品風(fēng)干后，用木槌敲打使土壤恢復(fù)至自然粒級，然后用20目尼龍篩過篩，用四分法選取重量不低于300g的樣品(需測試有效態(tài)的樣品篩分后重量不低于600g)，將處理好樣品裝入聚乙烯塑料瓶。

1.2.2 樣品分析

樣品測試元素為鎘、鉛和鋅，由成都綜合巖礦測試中心分析完成。其中，鋅采用原子熒光法分析，鎘采用無焰原子吸收法分析，鉛采用等離子體光量計法分析。

1.3 土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)

按照農(nóng)業(yè)部《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范NYT 395-2012》進行統(tǒng)計分析和評價。土壤重金屬污染評價采用單項污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法。

(1)單項污染指數(shù)法

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中，Pi為土壤環(huán)境中污染物i的單項污染指數(shù)；Ci為土壤環(huán)境中污染物i的實測值；Si為污染物i的背景值，背景值采用四川盆地丘陵區(qū)背景值作為評價參考值：Cd(0.28)、Pb(25.10)、Zn(70.80)[9-10]。

(2)綜合污染指數(shù)法(Nemerow 指數(shù)法)[11-12]

(2)

式(2)中，P綜為綜合污染指數(shù)(綜合反映各污染物對土壤的不同作用)，P綜≤0.7污染等級為安全(清潔)， 0.73.0污染等級為重污染[13]； (Pimax)2為土壤污染物中最大的單項污染指數(shù)平方； (Piave)2為土壤所有單項污染物的平均值平方。

(3)潛在風(fēng)險指數(shù)(Hakanson 指數(shù)法)[14]

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤重金屬含量趨勢

由巴中市4個區(qū)農(nóng)田土壤3種重金屬含量分析結(jié)果可以看出(表1)，巴中市全區(qū)農(nóng)田土壤中，鋅的含量高于背景值，尤以南江縣最為明顯，采集的83個土壤樣本中有67個鋅含量高于背景值，超標(biāo)樣本的平均含量為92.55，超過背景值30.7%； 局部農(nóng)田土壤鎘含量超標(biāo)(高達1.6 mg/kg)，超出背景值471.4%，尤以通江縣最為明顯，超標(biāo)的50個樣品中鎘平均含量為0.39mg/kg，超出背景值37.5%； 采集土壤樣本中鉛不超標(biāo)。

從巴中市4個區(qū)縣農(nóng)田土壤兩種重金屬超標(biāo)程度來看，鎘超標(biāo)水平為：通江縣>巴州區(qū)>平昌縣>南江縣； 鋅超標(biāo)水平為：南江縣>巴州區(qū)>通江縣>平昌縣。

表1 巴中市土壤重金屬含量

mg/kg

2.2 農(nóng)田土壤重金屬污染水平

(1)3種重金屬污染水平

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價巴中市農(nóng)田土壤3種重金屬污染水平(圖2)。全區(qū)平均綜合污染指數(shù)為1.095 1(3級)，基本接近尚清潔狀態(tài)(警戒線)； 綜合平均污染指數(shù)也都為3級(但均接近1)，基本都處于尚清潔級別。就單項污染指數(shù)來看，鋅污染水平在警戒線之上，但屬尚清潔程度； 鎘和鉛元素的單項污染指數(shù)為2級，屬尚清潔水平。對4個區(qū)農(nóng)田土壤3種重金屬含量比較可以看出，巴州區(qū)和平昌縣鋅元素的單項污染指數(shù)大多都接近于警戒線，鎘和鉛元素的單項污染指數(shù)屬于2級，屬尚清潔水平； 南江縣農(nóng)田土壤3種重金屬屬均屬尚清潔狀態(tài)； 通江縣的鎘和鋅元素屬3級(輕度污染)，但其污染指數(shù)均靠近警戒線； 鉛的單項污染指數(shù)屬于2級，屬尚清潔狀態(tài)?？傮w而言，巴中市土壤基本處于尚清潔的狀態(tài)，但部分地區(qū)已超過警戒線。

圖2 巴中市土壤重金屬單項、綜合污染指數(shù)注：n為樣本數(shù)量

全市344個監(jiān)測樣品中綜合污染指數(shù)大于1的有213個，其中巴州區(qū)32個，南江縣64個，通江縣65個，平昌縣49個。其中，中污染占1.2%，重污染0.29%，大部分農(nóng)田土壤處于清潔和尚清潔狀態(tài)。巴州區(qū)和平昌縣沒有出現(xiàn)中污染和重污染； 南江縣83個監(jiān)測點只有2個屬于中污染，占2.4%，沒有出現(xiàn)重污染； 通江縣總共監(jiān)測122個點，出現(xiàn)中污染2個，占1.6%，重污染1個，占0.82%； 共監(jiān)測91個，出現(xiàn)輕污染的有49個，占53.8%，總體而言，巴中市土壤大部分處于清潔和尚清潔狀態(tài)(警戒線)，但也存在個別樣本處于重污染級別，這可能是由于采樣點位于工廠或排污管道附近。

(2)不同土壤類型重金屬含量

根據(jù)土壤污染物分擔(dān)率(土壤中的某一污染指數(shù)占各項污染指數(shù)之和的比例)分析結(jié)果顯示，全市農(nóng)田土壤3種重金屬分擔(dān)率的排序為：鋅(35.4%)>鎘(32.5%)>鉛(32.1%)。巴州區(qū)的排序為：鋅(35.8%)>鎘(32.3%)>鉛(31.9%)； 南江縣的排序為：鋅(38.2%)>鉛(31.9%)>鎘(29.9%)； 通江縣的排序為：鎘(34.4%)>鋅(34.1%)>鉛(31.5%)。平昌縣的排序為：鋅(34.1%)>鉛(33.3%)>鎘(32.6%)。綜合表明整個巴中市的土壤污染物分擔(dān)率比較接近，但鋅的污染情況要比鎘稍微嚴(yán)重一些。

2.3 農(nóng)田土壤生態(tài)風(fēng)險評價

Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)包括單個污染的風(fēng)險程度(表2)和整體的潛在生態(tài)風(fēng)險(表3)。比較3種重金屬危害指數(shù)可以看出，各個元素危害風(fēng)險程度為：鎘>鉛>鋅，但均處于低風(fēng)險級別，對全區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)污染危害貢獻較低。其中，由于鎘元素的毒性系數(shù)較大，潛在危害的可能也較大，有5個處于中度風(fēng)險級別，占總數(shù)的1.45%； 2個處于較重風(fēng)險級別，占0.58%； 1個處于重風(fēng)險級，占0.29%。可見，相對其他兩種元素，鎘潛在生態(tài)風(fēng)險相對要突出一些。

表2 巴中市重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)統(tǒng)計

單個污染生態(tài)風(fēng)險程度最小值最大值平均值樣點頻數(shù)分布Eri<40低40≤Eri<80中80≤Eri<160較重160≤Eri<320重Eri≥320嚴(yán)重鎘9217142953375210鉛19112663440000鋅0325143440000

表3 巴中市潛在生態(tài)危害指數(shù)頻數(shù)

潛在生態(tài)風(fēng)險等級RI<150150≤RI<300300≤RI<600RI≥600程度低度中度重度嚴(yán)重樣點數(shù)343100比例(%)97102900

根據(jù)計算結(jié)果，RI為每個樣點的3種重金屬污染的協(xié)同生態(tài)風(fēng)險： 344個土壤樣點的潛在生態(tài)危害指數(shù)最小值15.94，最大值達到177.74，平均值35.38，按風(fēng)險等級劃分屬于低度風(fēng)險級別。區(qū)域潛在生態(tài)危害指數(shù)分級和樣點數(shù)如表5，低度、中毒、重度和嚴(yán)重4個風(fēng)險等級。其中只有1個樣點為中度風(fēng)險級別，其余343個都為低度風(fēng)險級別，占總數(shù)的97.1%。說明巴中市土壤潛在風(fēng)險的危險級別較低，只有1個樣點處于中度風(fēng)險級別，由此可見巴中土壤潛在風(fēng)險基本處于安全狀態(tài)，但也不能放松對巴中市土壤污染的監(jiān)督和防治。

3 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)巴中市土壤中3種重金屬含量，鉛和鎘的平均含量大多數(shù)都低于背景值，但是部分樣點之間含量差異較大。雖然大部分樣點的鋅元素的含量都高于背景值，但其平均含量只超過背景值6.78%。由此可見，巴中市農(nóng)田土壤總體情況較好。

(2)基于內(nèi)梅羅指數(shù)評價，巴中市綜合污染指數(shù)雖在警戒線之上，但極為靠近警戒線，基本處于尚清潔狀態(tài)。各區(qū)、縣的總體情況與全市的基本情況相同，基本都處于尚清潔的狀態(tài)，部分樣點的內(nèi)梅羅指數(shù)達到重污染或中污染級別，這可能與采樣點的位置有關(guān)，位于工廠或者是排污管道附近。例如通江縣58～60號樣點，鎘的含量分別為1.6μg/g、0.80μg/g、10.78μg/g，鉛的含量分別為26.9μg/g、28.1μg/g、22.4μg/g，鋅的含量分別為67.7μg/g、90.4μg/g、64.7μg/g，各元素含量均較高，內(nèi)梅羅指數(shù)均在中污染級別之上。但整體來看，巴中市處于較為安全的狀況。

(3)根據(jù)巴中市土壤中主要污染因子分擔(dān)率來看，即鋅(35.4%)>鎘(32.5%)>鉛(32.1%)，各污染物分擔(dān)率比較相近，但鋅的污染情況要比鎘和鉛稍微嚴(yán)重一些。

(4)根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，巴中市土壤中鉛和鋅元素屬于低級別風(fēng)險，鎘由于毒性系數(shù)較大，有5個處于中風(fēng)險級別， 2個處于較重風(fēng)險級別，1個處于重風(fēng)險級別，因此鎘元素的潛在生態(tài)危害相對要突出一些，所以有關(guān)部門需要對鎘加強監(jiān)管?？傮w而言依據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，巴中市土壤處于低風(fēng)險級別。

(5)由于樣點之間元素含量差異較大，由此說明各地污染程度不一致，所以在治理土壤污染方面要因地制宜，采取合適的方法。特別是個別地區(qū)污染相較其他地區(qū)嚴(yán)重的應(yīng)重點治理。一方面，要對其工業(yè)污染源進行控制，防止其污染范圍擴大化，出現(xiàn)新的污染點。另一方面，對已經(jīng)污染地區(qū)進行有針對性的治理，特別防止治理時出現(xiàn)新的污染，較宜運用生物治理的方式比較妥當(dāng)。部分樣點的元素較高，現(xiàn)具體原因尚不清楚，需要對取樣點周圍情況進行重新調(diào)研和評估，才能得到較為精確的結(jié)果。

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