簡陽市土壤重金屬含量分析及污染評價(jià)

雷建容,王 謝,陳春秀,陽路芳,楊玉敏,陳慶瑞

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

【研究意義】重金屬元素由外界進(jìn)入土壤后，持續(xù)累積達(dá)到一定量時(shí)會對生態(tài)環(huán)境[1]及人體健康[2]構(gòu)成威脅。重金屬污染具有長期性、隱蔽性、不可逆性、頑固性、形態(tài)多樣性等特點(diǎn)[3]，且該類污染修復(fù)難度大[4]。重金屬污染現(xiàn)已成為我國土壤環(huán)境污染的主要問題[5]。李克強(qiáng)總理在2017年政府工作報(bào)告中，提出開展土壤污染詳查，整理土壤污染“家底”，才能采取針對性措施進(jìn)行治理[6]。據(jù)《四川省土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[7]顯示,全省土壤Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr 6種污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為20.8 %、0.76 %、1.98 %、3.77 %、1.44 %、1.79 %，Cd為主要特征污染物。【前人研究進(jìn)展】簡陽市耕地占農(nóng)業(yè)用地比例大，劉永祺等[8]采用隨機(jī)布點(diǎn)的方法在簡陽市東溪鎮(zhèn)采集了29個(gè)土壤樣品進(jìn)行重金屬含量分析，發(fā)現(xiàn)平均值為：Cd 0.295 mg·kg-1、Cu 23.25 mg·kg-1、Pb 17.47 mg·kg-1，且區(qū)域分化明顯，有少量污染現(xiàn)象。但目前對簡陽市其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤重金屬含量研究甚少。【本研究切入點(diǎn)】因此，通過在簡陽市調(diào)查采集土壤樣品，以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB15618-2018)[9]為參考值，選用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法并結(jié)合ArcGIS技術(shù)，體現(xiàn)多種污染物對土壤的綜合污染效應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在摸清6種重金屬復(fù)合污染的發(fā)展趨勢，重點(diǎn)污染區(qū)及污染面積，為土壤的合理使用及保護(hù)奠定基礎(chǔ)，以期防患于未然，清潔的土壤進(jìn)行保護(hù)，污染的土壤進(jìn)行監(jiān)管治理。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)地處四川盆地腹地，位于盆地中部偏西邊緣，龍泉山東麓，踞沱江中游；地貌以淺丘為主，土壤類型以紫色土為主。根據(jù)土地利用類型圖、地形圖、環(huán)境因子[10]，遵循樣點(diǎn)具有代表性、集中性、典型性的原則，進(jìn)行網(wǎng)格布設(shè)706個(gè)采樣單元(圖1)。采取0～20 cm耕作層土壤，不接觸金屬采樣器[11]，按隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合的原則[12]，每個(gè)采樣單元下各點(diǎn)所采土樣混合均勻，四分法濃縮到1 kg[13]。

1.2 樣品測定

土壤pH測定采用電極法，As、Hg經(jīng)王水消解后采用原子熒光光譜法測定，Cr、Cu、Pb、Cd經(jīng)高氯酸、硝酸、氫氟酸消解后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀法測定。As、Hg、Cr、Cu、Pb、Cd的檢測限分別為0.005、0.004、0.0002、0.00006、0.005、0.00007 mg·kg-1，質(zhì)控樣采用GBW07428和GBW07453，平行相對誤差范圍±5 %，樣品重復(fù)數(shù)占10 %。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、DPS 7.65、ArcGIS 10.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用3倍標(biāo)準(zhǔn)差原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與平均值的偏差超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差的測定值被認(rèn)為是異常值[14]，對異常值進(jìn)行驗(yàn)證并實(shí)地考察后剔除部分異常值，保留有效異常值[15]。

1.4 評價(jià)方法

1.4.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 體現(xiàn)各污染物對土壤的綜合作用，當(dāng)樣品量大時(shí)，能給出綜合性結(jié)論，可描述土壤質(zhì)量的總體水平，是目前應(yīng)用較為廣泛的評價(jià)方法[16]。計(jì)算公式為：

Pi最大值為各重金屬元素單因子污染指數(shù)最大值，Pi平均為各重金屬元素單因子污染指數(shù)平均值，I為土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。單因子污染指數(shù)計(jì)算公式：Pi=Ci/Cb，Pi為土壤中重金屬元素i的污染指數(shù)，Ci為重金屬元素i的實(shí)測含量，Cb為重金屬元素i的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB15618-2018)[9]。

1.4.2 ArcGIS技術(shù) 本研究采用ArcGIS技術(shù)中的反距離加權(quán)插值法[17]，采樣點(diǎn)越多越均勻，對局部區(qū)域的污染情況反應(yīng)越準(zhǔn)確。

圖1 采樣單元分布Fig.1 The sampling sites

表1 土壤重金屬含量

注：“-”表示pH不求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

變異系數(shù)反應(yīng)數(shù)據(jù)的離散程度，6種重金屬全量均呈現(xiàn)一定程度的變異性(表1)，變異程度Pb>Hg>Cd>As>Cu>Cr，其中Cd、Hg、Pb屬于強(qiáng)變異，極差大，分布極不均勻，存在高含量區(qū)域。從峰度和偏度來看，6種重金屬及pH呈現(xiàn)偏態(tài)分布，As、Cd、Cu、Hg、Pb呈現(xiàn)右偏態(tài)，pH、Cr呈現(xiàn)左偏態(tài)。研究區(qū)91 %的土壤為堿性，中性和弱酸性土壤僅占9 %。Cd、Pb有明顯高值點(diǎn)出現(xiàn)，As、Hg、Cr、Cu沒有明顯高值，說明簡陽市農(nóng)用土壤Cd、Pb應(yīng)引起關(guān)注和重視，進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

2.2 各重金屬元素間相關(guān)性分析

由表2 可以看出，重金屬元素之間存在著相關(guān)性，間接反應(yīng)重金屬的來源可能一致，受同種污染源的影響較大[18]。Pb和Cd的相關(guān)系數(shù)為0.83，呈現(xiàn)0.01水平上的高度相關(guān)，說明這2種元素污染源相同； Cr和As、Cu和As、Cu和Cr的相關(guān)系數(shù)分別為0.54、0.49、0.60，呈現(xiàn)0.01水平上的中度相關(guān)，說明以上兩兩元素之間污染來源分別相同。Cr與Cd、Cr與Hg、As與Cd不相關(guān)，來源差異大?？梢奝b和Cd、 Cr和As、Cu和As、Cu和Cr兩兩元素間存在復(fù)合污染，根據(jù)土地利用類型并結(jié)合農(nóng)業(yè)、工業(yè)等人為活動造成的污染[19]，需要進(jìn)一步分析污染累積情況，在源頭進(jìn)行控制。

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

2.3.1 綜合污染指數(shù)分級情況 由表3 可知，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為0.42，范圍為0.17～2.38。706個(gè)樣點(diǎn)中，674個(gè)樣點(diǎn)清潔；26個(gè)樣點(diǎn)尚清潔，雖處于警戒線但沒有超標(biāo)，占樣點(diǎn)總數(shù)的3.68 %；5個(gè)樣點(diǎn)輕度污染，占樣點(diǎn)總數(shù)的0.71 %，1個(gè)樣點(diǎn)中度污染，占樣點(diǎn)總數(shù)的0.14 %?？梢?，簡陽市農(nóng)用地污染點(diǎn)位少，土壤環(huán)境質(zhì)量總體良好。

2.3.2 綜合污染指數(shù)結(jié)合ArsGIS技術(shù)聯(lián)合評價(jià) 將綜合污染指數(shù)用ArsGIS技術(shù)進(jìn)行QQPlot正態(tài)分布、趨勢、污染分布統(tǒng)計(jì)分析。通過圖 2可以看出，綜合污染指數(shù)的數(shù)據(jù)集落在參考線上，沒有發(fā)生偏離，呈正態(tài)分布。由圖3可知，地域上X、Z面綠線代表污染由西向東呈現(xiàn)很平緩的拋物線，表明中部相對東西污染略嚴(yán)重，Y、Z面藍(lán)線兩端高中間凹陷，表明南北部較中部污染略重。由圖4可知，黃色區(qū)域處于尚清潔(警戒線)，分布在東溪鎮(zhèn)、平泉鎮(zhèn)、賈家鎮(zhèn)、石橋鎮(zhèn)、養(yǎng)馬鎮(zhèn)、壯溪鄉(xiāng)、三岔鎮(zhèn)、老君井鄉(xiāng)、新星鄉(xiāng)、平息鄉(xiāng)、同合鄉(xiāng)等；紅色區(qū)域?yàn)檩p度污染，主要分布在宏緣鄉(xiāng)、老君井鄉(xiāng)等；中度污染由于面積小，插值后圖上不能顯示。綜上，簡陽市有少量點(diǎn)狀污染，呈現(xiàn)斑塊狀分布于北部，但斑塊面積小。

表2 土壤重金屬相關(guān)性分析

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級

注：樣點(diǎn)分布頻次中括號內(nèi)表示占樣點(diǎn)總數(shù)的百分比。

圖2 污染指數(shù)QQPlot正態(tài)分布Fig.2 Pollution index QQPlot normal distribution

圖3 污染指數(shù)趨勢Fig.3 Pollution index trend

2.3.3 綜合污染面積統(tǒng)計(jì) 通過ArsGIS技術(shù)進(jìn)行柵格面積統(tǒng)計(jì)(表4)，結(jié)果顯示簡陽市土壤中清潔面積2160.98 km2，占總面積的99.21 %；尚清潔(警戒線)面積16.41 km2，占總面積的0.75 %；輕度污染0.70 km2，占總面積的0.03 %,沒有中度和重度污染?？梢?，簡陽市土壤重金屬污染面積小。

3 討 論

通過內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)法可以看出，簡陽市土壤清潔度高，少量地區(qū)處于警戒線，極少量地區(qū)存在輕度和中度污染。通過推測，簡陽市土壤中重金屬污染主要來源于以下幾個(gè)方面。

圖4 污染指數(shù)分布Fig.4 Pollution index

表4 綜合污染面積統(tǒng)計(jì)

注：面積計(jì)算排除三岔湖。

(1)輕度污染的區(qū)域周圍存在著中小型的工礦業(yè)。Pb的高值點(diǎn)在簡陽市金橋熱穩(wěn)定劑廠附近，該廠1999年成立，以自產(chǎn)自銷氧化Pb、塑料助劑(含Pb)、熱穩(wěn)定劑(含Pb)為主，工業(yè)“三廢”成為該區(qū)域Pb的主要污染來源；鄉(xiāng)鎮(zhèn)上散布的家庭式、作坊式的生產(chǎn)小廠，如預(yù)制廠、家具廠、塑料薄膜廠以及垃圾焚燒廠，在“三廢”上難以控制，廢水、廢渣、廢氣對周圍區(qū)域的土壤環(huán)境均有一定影響，目前范圍較小。

(2)農(nóng)村地區(qū)大力發(fā)展現(xiàn)代種植業(yè)也貢獻(xiàn)了一定污染。據(jù)成都土壤肥料測試中心茍曦等[20]對四川常用肥料的調(diào)查結(jié)果顯示，有機(jī)肥料樣品中出現(xiàn)超標(biāo)的重金屬有：As(0.034～46.68 mg·kg-1，超標(biāo)率5.9 %)、Pb(0.013～124.15 mg·kg-1，超標(biāo)率0.9 %)、Cd(0～21.63 mg·kg-1，超標(biāo)率4.1 %)、Hg(0.011～137 mg·kg-1，超標(biāo)率7.8 %)，這是因生產(chǎn)有機(jī)肥料時(shí)將富含大量重金屬元素的污泥、生活垃圾等有機(jī)廢棄物作為原料，使肥料中重金屬處于高值。我國農(nóng)業(yè)為了追求經(jīng)濟(jì)效益用肥量大，在土壤中不斷累積造成污染。據(jù)調(diào)查簡陽市以種植水果、蔬菜等為主，均是對肥料要求高的種植模式，果樹每年667 m2施約1000 kg有機(jī)肥料，蔬菜每年667 m2施約600 kg有機(jī)肥料，導(dǎo)致土壤中重金屬不斷累積。

(3)現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的大力推崇。為提高養(yǎng)殖效率會在飼料中添加一些必需的微量元素，如Cu、Ni等，過量的添加容易造成土壤污染。柏雪等[21]對四川常用飼料中重金屬的分布研究發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、Cd、Cr超標(biāo)率較高，但畜禽對這些元素的吸收率低，使畜禽糞便中含高值重金屬；且薄錄吉等[22]研究證實(shí)長期施用豬糞等畜禽糞便可導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬含量過量累積。簡陽市大力發(fā)展生豬、山羊、肉雞、奶牛等養(yǎng)殖業(yè)，農(nóng)田成為處理巨大畜禽糞便的重要途徑。大量畜禽糞便被種植戶收購，經(jīng)過簡單發(fā)酵后直接施用，使土壤中重金屬呈逐漸累積的趨勢，是土壤中重金屬的重要來源之一。

4 結(jié) 論

本研究以簡陽市706個(gè)土壤樣品為材料，通過對6個(gè)重金屬的含量分析評價(jià)得出，簡陽市土壤有極少量斑塊狀輕度、中度污染，沒有重度污染，目前清潔面積達(dá)99.21 %，清潔度高。對處于尚清潔(警戒線)的土壤所在區(qū)域應(yīng)注意減少人為活動等帶入的污染，降低向輕度污染發(fā)展的概率。