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    山區(qū)谷地鉛鋅礦區(qū)稻田土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

    2018-06-22 12:38:36付天嶺李相楹何騰兵
    關(guān)鍵詞:田塊重金屬污染

    牟 力 ,張 弛 ,滕 浪 ,付天嶺 ,李相楹 ,何騰兵,*

    (1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州省氣象局,貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;4.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

    土壤既是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,也是人類賴以生存的主要自然資源之一。農(nóng)田土壤污染因素很多,在自然條件下土壤中重金屬含量高低受到成土母質(zhì)以及生物殘落物的影響,隨著城市人口劇增和工業(yè)的迅速發(fā)展,汽車尾氣大量排放和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的施用等人類活動(dòng),更是加劇了土壤重金屬的污染[1-3]。農(nóng)田土壤中重金屬含量的高低會(huì)直接影響到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全,有專家估計(jì),全國(guó)大約有20%的糧食、30%的農(nóng)畜產(chǎn)品和56%的蔬菜存在質(zhì)量安全問題[4]。而且土壤重金屬污染周期長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)和不可逆的特性,通過日常飲食的攝入[5]還會(huì)影響到人類的健康,重金屬污染事件頻發(fā)已成最受關(guān)注的公共事件之一[6-7]。周妍姿等[8]采取了內(nèi)蒙古三種草原類型的土壤剖面樣品,對(duì)內(nèi)蒙古土壤中重金屬污染特征進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明:三個(gè)研究區(qū)均屬于重度污染,草甸草原對(duì)Cu、Pb有富集作用,荒漠草原Ni、Cr、Zn污染較高,典型草原As較高。張繼來(lái)等[9]采用沉積物富集系數(shù)法與地質(zhì)積累指數(shù)法對(duì)瀾滄江干流西藏和云南境內(nèi)22個(gè)河段的河床沉積物重金屬進(jìn)行分析,結(jié)果表明:瀾滄江干流大部分河段污染情況并不明顯,中游出現(xiàn)了輕度到較強(qiáng)度污染,人類活動(dòng)對(duì)附近河段沉積物重金屬污染狀況的影響較大。胡淼等[10]結(jié)合GIS對(duì)耕地土壤重金屬空間分布、重金屬富集特征及綜合污染情況進(jìn)行分析,表明了研究區(qū)污染程度比較嚴(yán)重,且重金屬(Cd、Zn、Pb和Cu)的來(lái)源具有一定相似性,含量及綜合污染的空間分布特征呈明顯富集。袁藝寧等[11]調(diào)查分析了湖南某鉛鋅冶煉廠附近土壤重金屬污染情況,結(jié)果表明,鉛鋅冶煉廠渣堆場(chǎng)附近一公里內(nèi)受到了重金屬污染,且距離越遠(yuǎn),污染越小。祖旭宇等[12]利用綜合污染指數(shù)法和聚類分析對(duì)云南省昆明市土壤進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià),結(jié)果表明,土壤中重金屬均屬于超標(biāo)范圍,且污染程度大小排序?yàn)椋篊d> Cu> Zn> Pb。目前,關(guān)于鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的研究不在少數(shù),但研究范圍主要集中在平原地區(qū),而貴州喀斯特地區(qū)鉛鋅礦區(qū)稻田土壤重金屬污染調(diào)查和評(píng)價(jià)的研究甚少。因此,本研究選擇貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)山區(qū)谷地周圍典型稻田,對(duì)其進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和來(lái)源分析,為貴州山區(qū)重金屬污染調(diào)查和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ)研究。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣地處貴州省的東部,隸屬黔東南州,總面積約為1878 km2,距離州府凱里市190 km,位于貴州省東部武陵山區(qū)。地貌上屬貴州高原以及逐漸向東遞降的斜坡地帶,有巨厚的白云巖、石灰?guī)r分布,為典型的巖溶地區(qū)。金堡鄉(xiāng)研究區(qū)位于鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城南部(圖1),海拔約830 m,東徑108°27′54′′~108°28′01′′,北緯26°52′57′′~27°53′00′′,年平均氣溫18.19℃,年降雨量1182.45 mm,無(wú)霜期245 d, 土壤類型為潴育型水稻土,田塊總面積約5000 m2,研究區(qū)是一山間谷地,地勢(shì)起伏,田塊間穿插有山間溪流,西北方向約2 km處有廢棄的鉛鋅礦產(chǎn)區(qū),已關(guān)停11年左右。

    圖1 土壤采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic map of soil sampling sties

    1.2 樣品采集及制備

    2016年3月,利用GPS定位,充分考慮研究區(qū)地形地貌、土壤類型和田塊的面積大小,對(duì)青溪鎮(zhèn)雞鳴村27個(gè)田塊進(jìn)行采樣,各田塊按照五點(diǎn)采樣法,用竹削刀取0~20 cm土壤,充分混合后用四分法取舍,保留1 kg土壤裝入布袋并標(biāo)記,將土壤樣品攤放在潔凈牛皮紙上在室內(nèi)自然風(fēng)干,挑出石礫和根系等異物,研磨,分別過2 mm和0.149 mm尼龍篩備用,密封干燥保存待測(cè)。

    1.3 樣品測(cè)定分析

    土壤pH采用1:2.5土液比浸提法,pH計(jì)測(cè)定;土壤重金屬Cd、Cr、Pb、Cu和Zn采用HNO3-HF微波消解,然后再采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS-700X)測(cè)定[13]。分析過程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-22)進(jìn)行分析質(zhì)量控制,分析樣品重復(fù)數(shù)30%,試劑均采用優(yōu)級(jí)純。

    1.4 評(píng)價(jià)方法

    1.4.1土壤重金屬污染評(píng)價(jià) 本研究主要采用單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和地積累指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤重環(huán)境質(zhì)量。

    Pi=Ci/Si

    (公式一)

    式中:Pi為污染物i的單因子污染指數(shù),Ci為污染物i的實(shí)測(cè)值(mg/kg),Si為第i個(gè)污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。采用中國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)中土壤重金屬污染物的環(huán)境質(zhì)量第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值作為研究區(qū)土壤的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14]。

    (公式二)

    式中:PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);(Pi)ave為單項(xiàng)污染指數(shù)平均值;(Pi)max為最大單項(xiàng)污染指數(shù)。

    表1 土壤污染指數(shù)分級(jí)Tab.1 The grade standards of soil pollution index

    地累積指數(shù)法(Index of geoaccumulation, Igeo)是由德國(guó)科學(xué)家 Muller提出,評(píng)價(jià)土壤及沉淀物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[15]。

    Igeo=log2[Ci/(1.5Bi)]

    (公式三)

    式中,Ci為重金屬i在土壤中的實(shí)測(cè)含量(mg/kg);Bi為重金屬i在土壤中的背景值(mg/kg)。

    表2 地積累指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Criteria for index of geo-accumulation

    1.4.2土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家 Hakanson提出,該方法從重金屬的生物毒性角度出發(fā),反映多種污染物的綜合影響,衡量重金屬污染物對(duì)生物體的潛在危害[16]。

    (公式四)

    (公式五)

    表3 Hakanson潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 Potential ecological hazard assessment indices by Hakanson

    利用 Microsoft Office Excel 2010、DPSv7.5和ArcGIS對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和描述性統(tǒng)計(jì)分析。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 土壤pH和重金屬含量

    由表4可知,谷地土壤pH平均值為4.94,范圍4.71~5.44,呈強(qiáng)酸性。土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu含量的平均值分別為0.91、26.92、30.45、298.69、16.8 mg/kg,與貴州省土壤背景值對(duì)比發(fā)現(xiàn),Cr和Cu的含量未超過背景值,Cd和Zn的含量超過了背景值,Pb的平均含量雖然在背景值之下,但最大含量超過了背景值,這說明該研究區(qū)存在局部Pb污染的情況,Cd、Pb、Zn的超標(biāo)率分別達(dá)到了100%、28.6%、100%。與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中農(nóng)田土壤重金屬污染的環(huán)境質(zhì)量第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值比較可知,Cr、Pb和Cu的含量均未超標(biāo),Cd和Zn的含量超標(biāo),超標(biāo)率分別為100%、76.2%。變異系數(shù)是用來(lái)描述采樣總體中各樣點(diǎn)之間的平均變異程度[19]。變異系數(shù)<10%表示輕度變異,10%~90%表示中度變異,>90%表示高度變異。研究區(qū)土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu波動(dòng)范圍較小,介于18.1%~52.32之間,屬于中度變異,其中Cd和Zn的變異系數(shù)較高,分別達(dá)到了52.32%、50.94%。表明土壤中Cd和Zn受人類活動(dòng)的影響較大。

    表4 土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)分析(mg/kg)Tab.4 Descriptive statistics of the soil heavy metal contents (mg/kg)

    2.2 重金屬間相關(guān)性及來(lái)源分析

    土壤重金屬污染物的污染情況來(lái)源途徑較多,存在相關(guān)性的重金屬元素一般具有同源關(guān)系或存在復(fù)合污染關(guān)系[20]。由表5可知,谷地土壤中Cd、Pb、Zn和Cu兩兩之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明Cd、Pb、Zn、Cu具有一定的同源關(guān)系,Cr與其它重金屬元素的相關(guān)性不顯著,說明Cr有單獨(dú)的污染來(lái)源。

    結(jié)合研究區(qū)交通狀況、地形地勢(shì)和人類活動(dòng)等影響,對(duì)研究區(qū)土壤中的5種重金屬作主成分分析(PCA),根據(jù)因子載荷大小反映其主要組成元素。如表6所示,谷地PC1、PC2、PC3的方差貢獻(xiàn)率分別為59.51%、18.46%和15.06%。PC1主要由Cd、Pb、Zn和Cu元素組成,相關(guān)研究表明,Cd與畜禽糞便和磷肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)[20-22],Zn、Cu與交通行業(yè)汽車零件及汽車輪胎的損耗有關(guān)[21-23],由于該研究區(qū)農(nóng)田常年種植水稻,且臨近水泥道路,故PC1代表農(nóng)業(yè)污染源和交通污染源,受人為活動(dòng)影響較大。PC2主要由Cr元素組成,Cr主要來(lái)源于機(jī)械制造、運(yùn)作和消耗等工業(yè)活動(dòng)[24],可以推測(cè),該研究區(qū)之前的礦業(yè)開采活動(dòng)所帶來(lái)的污染仍然有部分殘留,PC2可代表工業(yè)污染源。PC3主要組成元素有Pb,研究區(qū)附近屬于鉛鋅礦區(qū),且土壤中Pb接近貴州土壤背景值,說明其受母質(zhì)影響較大,故PC3自然污染然。

    表5 谷地土壤重金屬間的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation coefficients of the five heavy metals in soil of valley

    注:“*”代表在0.05水平(雙側(cè))下顯著相關(guān);“**”代表在0.01水平(雙側(cè))下極顯著相關(guān)。

    2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

    選取《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中農(nóng)田土壤重金屬第二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為閾值,利用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法,對(duì)研究區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見表7。谷地稻田土壤Cr、Pb、Cu的單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1,說明土壤未受到重金屬Cr、Pb、Cu的污染。土壤Cd、Zn的單項(xiàng)污染指數(shù)分別介于1.41~7.03、0.65~3.96之間,Cd輕度、中度和重度污染田塊所占比例分別為23.8%、14.3%和61.9%;Zn清潔、輕度、中度和重度污染田塊所占比例分別為23.8%、19.1%、38.1%和19%;土壤綜合污染指數(shù)上均值為2.94,警戒線、輕度污染、中度污染和重度污染等級(jí)所占比例分別為4.8%、33.3%、14.3%和47.6%,說明該研究區(qū)重金屬污染情況比較嚴(yán)重,屬于中度污染水平,且重金屬污染程度Cd>Zn。

    表6 主成分分析提取的載荷因子Tab.6 Loading factor extracted from principal components analysis (PCA)

    地累積指數(shù)用來(lái)表征沉積物和土壤中重金屬富集程度的常用指標(biāo),它既能反映重金屬的自然變化特征,也能判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[20]。由表8可知,5種重金屬Igeo的大小順序?yàn)镃d>Zn>Pb>Cu>Cr。所有田塊均屬于Pb和Cr無(wú)污染土壤;部分田塊屬于Zn污染土壤,無(wú)污染、輕度污染、中度污染和中強(qiáng)污染的比例分別是14.3%、33.3%、42.9%和9.5%;所有田塊均屬于Cd污染土壤,輕度污染、中度污染、中強(qiáng)污染和強(qiáng)度污染田塊的比例分別是4.8%、33.3%、33.3%和28.6%。表明該區(qū)域稻田土壤中Cd、Zn的含量可能受到了人為因素的影響較大;而Cr和Pb受到人類活動(dòng)影響較小,可能主要來(lái)源于成土過程。

    表7 土壤重金屬污染指數(shù)Tab.7 Pollution indices of heavy metal in contaminated soil

    表8 土壤重金屬地累積指數(shù)Tab.8 Index of geo-accumulation of heavy metal in soil

    2.4 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

    土壤重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)如表9所示,從高到低,Cd、Pb、Zn、Cu和Cr的潛在生態(tài)危害指數(shù)均值分別為129.56、4.85、3.43、3.13和0.67。Pb、Zn、Cu和Cr潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于40,說明在該研究區(qū)稻田土壤中這些元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,處于輕微水平。土壤中Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高,潛在生態(tài)危害指數(shù)處在中等、強(qiáng)、很強(qiáng)水平的比例分別是28.6%、42.9%、28.5%。研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的均值和范圍分別為152.65、65.31~286.78,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等水平,由表10可知,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕微和中等的田塊比例分別為52.4%和47.6%。通過計(jì)算各重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)與綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的比值,得到其對(duì)綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率,Cd對(duì)綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率為91.5%,說明Cd是該研究區(qū)稻田土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要來(lái)源。

    表9 土壤重金屬單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.9 Ecological risk index of different soil heavy metal

    表10 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.10 Potential ecological risk index of different soil heavy metal

    3 結(jié)論與討論

    土壤中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu含量的平均值分別為0.91、26.92、30.45、298.69、16.8 mg/kg,與貴州省土壤背景值對(duì)比發(fā)現(xiàn),Cd、Pb、Zn的超標(biāo)率分別達(dá)到了100%、28.6%、100%。與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值比較可知,Cr、Pb和Cu的含量均未超標(biāo),Cd和Zn的含量超標(biāo),超標(biāo)率分別為100%、76.2%。

    根據(jù)主成分分析法結(jié)果,結(jié)合研究區(qū)地理位置可知,Cd、Zn和Cu含量可能受到人為因素影響較大,Cd可能來(lái)源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),如種植水稻期間長(zhǎng)期施肥;Zn和Cu可能受附近交通工具影響較多;Cr可能與之前研究區(qū)礦業(yè)開采活動(dòng)有關(guān),工業(yè)活動(dòng)期間機(jī)械運(yùn)作和損耗的過程都有可能對(duì)其造成影響;Pb則可能來(lái)源于成土過程等自然因素。

    土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)法表明,土壤未受到重金屬Cr、Pb、Cu的污染,受到Cd、Zn污染比較嚴(yán)重。各田塊綜合污染指數(shù)均值為2.94,說明該研究區(qū)重金屬污染情況不容樂觀,屬于中度污染。土壤單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)從高到低分別是Cd、Pb、Zn、Cu和Cr。其中Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高,達(dá)到了129.56。綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的均值和范圍為152.65、65.31~286.78,說明生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等水平。

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