常瑛 李彥榮 施志國
摘要 為重金屬污染防治提供科學(xué)依據(jù),以石羊河流域武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤為研究對(duì)象,采集和測(cè)定了67個(gè)樣點(diǎn)中重金屬Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的含量,在農(nóng)田土壤重金屬元素總量分布特征分析的基礎(chǔ)上,分別以國標(biāo)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和甘肅省土壤背景值為參評(píng)標(biāo)準(zhǔn),采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,石羊河流域武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤中重金屬Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni的含量,參比國標(biāo)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,單因子污染指數(shù)均小于1,超標(biāo)率為0,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.36,所有樣點(diǎn)均處于安全無污染水平。參比甘肅省土壤背景值,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.16,輕度污染、中度污染和重度污染分別占56.7%、28.4%和14.9%;Cd、Hg污染最嚴(yán)重,平均含量分別達(dá)0.19、0.04 mg/kg,分別是甘肅省土壤背景值的2.24倍和2.34倍,超標(biāo)率分別達(dá)100.0%和92.54%,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分別達(dá)4.12和5.94,為重度污染;其余的Pb、Cr、Cu、As、Ni為輕度污染,超標(biāo)率分別為56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。
關(guān)鍵詞 武威平原區(qū);農(nóng)田;重金屬;污染;評(píng)價(jià);內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法
中圖分類號(hào) X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
文章編號(hào) 0517-6611(2019)19-0063-05doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.020
Abstract To provide scientific basis for prevention and control of heavy metal pollution, taking farmland plough soil in Wuwei plain of Shiyang River as the research object, the contents of heavy metals such as Cr, Ni, Cu, Cd, Pb, As and Hg in 67 samples were collected and determined.Based on analysis of distribution characteristics of heavy metals in farmland soils,risk screening values for soil contamination of agricultural land and soil background value of Gansu Province were used as the reference standards,the pollution degree of heavy metals was evaluated by single factor pollution index method and Nemerow comprehensive index method. The result showed that the contents of heavy metal Cd,Hg,Pb,Cr,Cu,As and Ni in cultivated soil of Wuwei plain of Shiyang River Basin were all at the safe and nonpollution ,compared with the national standard soil pollution risk screening value,the single factor pollution index was less than 1, the exceeding standard rate was 0, and the comprehensive pollution index of Nemero was 0.36.However,compared with the? soil background values in Gansu Province,the Nemero comprehensive pollution index was 2.16. Slight pollution, moderate pollution and severe pollution accounted for 56.7%, 28.4% and 14.9%, respectively.The most serious contaminants were Cd and Hg and the average contents were 0.19,0.04 mg/kg, respectively.It was 2.24 times and 2.34 times than the soil background value of Gansu Province,the rate of exceeding standard reached 100.0% and 92.54%,respectively.The comprehensive pollution index of Nemero reached 4.12 and 5.94 , which belonged to serious pollution.Pb,Cr,Cu,As and Ni were slightly polluted, with exceeding standard rates of 56.72%, 56.72%, 53.73%, 52.24% and 40.30%, respectively.
Key words Wuwei plain area;Farmland;Heavy metal;Pollution;Evaluation;Nemero comprehensive pollution index method
土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是人類賴以生存的場所,更是人類發(fā)展的自然資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,特別是城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)農(nóng)藥、化肥、地膜等的大量施用,土壤污染日益加劇,不僅土壤污染物種類繁多(包括重金屬污染、有機(jī)物污染、生物污染及放射性污染等),而且各類污染物復(fù)合并存,土壤污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻[1] 。環(huán)境保護(hù)部和國土資源部于2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,我國土壤污染總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%,其中輕微、輕度、中度和重度污染率分別為11.2%、2.3%、1.5%、1.1%[2]。重金屬是土壤環(huán)境中一類極具危害的污染物,當(dāng)前我國受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面積約2 000萬hm2,約占總耕地面積的1/5[3],每年因重金屬污染而損失的糧食約1 000萬t,經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)200 億元[4-6]。由于土壤中的重金屬具有隱蔽性、難降解、移動(dòng)性差和易被富集等特點(diǎn),故土壤重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性和不可逆等特點(diǎn),這對(duì)土壤、地下水、微生物、植物等生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量改善面臨的重要問題,重金屬超標(biāo)不僅影響植物的生長發(fā)育,而且會(huì)間接影響人體和其他動(dòng)物的健康[7]。隨著我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)》[8] (以下簡稱國標(biāo))、《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(NY/T 395—2000)》和《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的頒布實(shí)施,土壤重金屬污染越來越引起重視。依據(jù)重金屬總量,采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度,被廣泛用于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中[9-12]。筆者選取武威平原區(qū)為研究區(qū)域,通過測(cè)定土壤中鉻(Cr)、鎘(Cd) 、鉛(Pb)、鎳(Ni)、銅(Cu)、汞(Hg)、砷(As)這7種重金屬總量,在研究重金屬元素總量分布特征的基礎(chǔ)上,基于單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)農(nóng)田土壤中的重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià),旨在綜合全面地反映出土壤中重金屬綜合污染程度,為提升農(nóng)田耕地質(zhì)量以及重金屬污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于甘肅省中部、河西走廊東端,烏鞘嶺以西,祁連山北麓,36°29′~39°27′N,101°49′~104°16′E,地處黃土、青藏、蒙新三大高原交匯地帶,海拔1 020~4 874 m,平均海拔為2 083 m,屬典型的大陸性干旱氣候,年降水量60~610 mm ,主要降雨量在7—9月(占全年60%) ,蒸發(fā)量1 400~3 040 mm ,干旱指數(shù)5~12,溫差較大(-26.2~35.7 ℃),年平均氣溫7.8 ℃,日照時(shí)數(shù)2 200~3 030 h,無霜期85~165 d。區(qū)內(nèi)種植類型主要有玉米、春小麥等糧食作物,以及其他經(jīng)濟(jì)作物如葵花、棉花、洋蔥等。
1.2 土壤樣品采集與處理
供試土樣采自武威中部走廊平原區(qū)和北部荒漠區(qū)的武威市涼州區(qū)和民勤縣的農(nóng)田耕層土壤(圖1),除民勤縣個(gè)別樣點(diǎn)為風(fēng)積風(fēng)沙土外,其余各樣點(diǎn)均為沖積灌漠灰鈣土。采樣于秋收后(2017年11月)進(jìn)行,采樣同時(shí),對(duì)樣點(diǎn)的環(huán)境狀況進(jìn)行記錄,如水源類型、工礦分布、作物類型、化肥與農(nóng)藥施用、土地利用強(qiáng)度及年限等,并用GPS定位儀記錄各采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔。
根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求,在研究區(qū)內(nèi)取耕層(0~20 cm)土樣,每個(gè)樣點(diǎn)用梅花布點(diǎn)法設(shè)置5個(gè)采集點(diǎn),等量取土混合后四分法留樣約2 kg。將采集的土樣剔除草根、玻璃、石塊等異物,晾攤在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)避光處自然風(fēng)干,按照四分法取樣約500 g置于木盤中,用木棒碾碎,過2 mm尼龍篩,棄去沙子、石塊等,用于有效態(tài)重金屬量測(cè)定。將過2 mm篩的土樣研磨后過1.00 mm和0. 149 mm的尼龍篩,裝瓶貼簽,分別用于pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、重金屬總量的分析。
1.3 樣品分析
主要測(cè)定土壤pH、電導(dǎo)率(EC)、有機(jī)質(zhì)(OM)、水溶性鹽、鉻(Cr)、鎘(Cd) 、鉛(Pb)、鎳(Ni)、銅(Cu)、汞(Hg)、砷(As)等指標(biāo)。
1.3.1
土壤理化性質(zhì)測(cè)定[13]。OM:采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法;pH水土比2.5∶1的土壤懸濁液振蕩后通過電位法用pH儀進(jìn)行測(cè)定;EC:使用電導(dǎo)法用電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)定,水土比5∶1;全氮:采用在加速劑參與下濃硫酸消煮,凱氏定氮儀測(cè)定。
1.3.2 土壤重金屬總量測(cè)定[14-15]。準(zhǔn)確稱取0.1~0.3 g(精確至0. 2 mg)經(jīng)風(fēng)干、研磨至粒徑小于0.149 mm(100目)的土壤樣品,用HCl-HNO3-HF-HClO4消解, 消解液中Cd、Pb、Ni采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定,Cr、Cu采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定;重金屬Hg、As用王水水浴法消解,As采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測(cè)定,Hg采用蒸氣發(fā)生-冷原子熒光光譜法測(cè)定。
1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法
1.4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
在重金屬評(píng)價(jià)的研究中,研究區(qū)土壤背景值或者國家《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)( GB15618—2018)》的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值均可以作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。另外,不同類型的土壤中某種元素的背景值可能存在很大差異,因此應(yīng)該選擇同一地區(qū)同一或者相近類型的土壤中元素的平均含量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]。在該研究中,土地被利用為耕地,因此對(duì)土地的質(zhì)量要求較高。該研究分別選擇研究區(qū)所在地的甘肅省土壤背景值[17]和國標(biāo)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) (表1)。
1.4.2 評(píng)價(jià)方法。
該研究采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)武威平原區(qū)農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià),內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度,并可以計(jì)算得到各單個(gè)污染物的污染指數(shù),適合對(duì)土壤重金屬這類聯(lián)合污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
1.4.2.1 單因子污染指數(shù)。
單因子污染指數(shù)(the single factor pollution index,Pi)是目前國內(nèi)普遍采用的一種重金屬污染評(píng)價(jià)的方法,其計(jì)算公式為:
式中,Pi表示土壤重金屬元素i的單因子污染指數(shù);Ci表示元素i的實(shí)測(cè)值(mg/kg);Si表示為元素i計(jì)算時(shí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值,文中Si分別選取國標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)篩選值和甘肅省土壤背景值(mg/kg)。當(dāng)Pi≤1時(shí),表示未污染;當(dāng)1
47卷19期常 瑛等 基于內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的農(nóng)田耕層土壤重金屬污染評(píng)價(jià)
1.4.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(comprehensive pollution index)是由單因子污染指數(shù)法發(fā)展而來的,是當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一,是一種兼顧平均值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù),可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度[18],具體的計(jì)算公式為:
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤常規(guī)指標(biāo)評(píng)價(jià)
研究區(qū)域土壤類型為灰鈣土,pH 7.90~8.93,均大于7.50,平均為8.39,變異程度為弱變異強(qiáng)度(變異系數(shù)<10%)[20];有機(jī)質(zhì)7.36~30.57 g/kg,平均為16.54 g/kg;電導(dǎo)率128.50~1 237.00 μs/cm,平均為276.22 μs/cm(表3)。各樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率及水溶性鹽變異程度較大,屬中等變異強(qiáng)度(10%<變異系數(shù)<100%)[20]。
2.2 重金屬元素總量特征
武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤重金屬含量具體的統(tǒng)計(jì)性描述結(jié)果見表4,并將各樣點(diǎn)土壤重金屬含量與土壤背景值和國際風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)。由表4和圖2可知,在研究區(qū)域0~20 cm 土層中,7種重
金屬的測(cè)定值分別為Cr 33.63~80.59 mg/kg;Ni 16.67~4621 mg/kg;Cu 11.79~33.34 mg/kg;Cd 0.11~0.47 mg/kg;Pb 15.08~37.40 mg/kg; As 6.73~17.78 mg/kg;Hg 0.014~0.137 mg/kg。Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的平均值分別為6317、30.64、23.56、0.19、22.56、11.34和 0.040 mg/kg,變異系數(shù)均小于100%,屬中等變異程度[20],從大到小依次為Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr。
參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—2018)》,經(jīng)對(duì)比國標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)篩選值,該區(qū)農(nóng)田土壤Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg 這7種重金屬的含量均未超過國標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)篩選值,超標(biāo)率均為0%;以甘肅省土壤背景值為基準(zhǔn),該區(qū)耕層土壤重金屬的超標(biāo)率大小依次為Cd>Hg>Pb=Cr>Cu>As>Ni,分別為100.00%、92.54%、56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%??梢?,武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni含量雖然沒有超過國家農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn),但與甘肅省土壤背景值相比,重金屬量有所提高,存在一定程度的累積污染趨勢(shì)。其中Cd和Hg的污染最嚴(yán)重,Cd含量全部超過背景值,僅有7.46%的Hg含量低于背景值。
由圖2可知,武威平原區(qū)重金屬分布具有一定的地域性,50號(hào)樣點(diǎn)的各重金屬含量除Hg外是所有樣點(diǎn)中最低的;涼州區(qū)的重金屬含量高于民勤縣;各重金屬含量與樣點(diǎn)間呈現(xiàn)出“倒雙W”型,表現(xiàn)出各重金屬的變化趨勢(shì)一致,具有同步性。這也說明重金屬對(duì)土壤污染除人為因素外,可能與成土母質(zhì)(土壤質(zhì)地)和成土過程是土壤重金屬含量高低的主要影響因素有關(guān)。
2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)
2.3.1 土壤重金屬單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)。
以甘肅省土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),Cd、Hg的單因子污染指數(shù)較高,分別為2.24和2.34,即平均含量分別是甘肅省土壤背景值的2.24倍和2.34倍。超標(biāo)率大小依次為Cd>Hg>Cr=Pb>Cu>As>Ni,重金屬Cd污染最嚴(yán)重,污染率達(dá)100%,其中輕度污染(1<Pi≤2)、中度污染(2<Pi≤3)和重度污染(Pi>3)占比分別達(dá)40.3%、47.8%和11.9%;重金屬Hg污染率達(dá)92.5%,輕度污染、中度污染和重度污染占比分別達(dá)47.8%、20.9%和23.9%,僅有7.5%的區(qū)域Hg未污染(Pi<1);重金屬Cr、Ni、Cu、Pb、As這5種重金屬元素在該地區(qū)沒有中度污染和重度污染,輕度污染占比分別為56.7%、40.3%、53.7%、56.7%和52.2%,未污染占比分別為43.3%、59.7%、46.3%、43.3%和47.8%。
總體來說,運(yùn)用土壤重金屬單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí),石羊河流域武威平原區(qū)Cd污染較為嚴(yán)重,Hg次之,其他Cr、Ni、Cu、Pb、As 5種重金屬污染輕微。
2.3.2 土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)。
采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對(duì)研究區(qū)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià),從表6可以看出,不同樣點(diǎn)間,以國標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)篩選值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)值介于0.21~0.60,平均值為0.36,所有樣點(diǎn)均處于安全無污染的Ⅰ級(jí)水平,不存在污染風(fēng)險(xiǎn)。但以甘肅省土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)值介于103~5.91,平均值為2.16,在67個(gè)樣點(diǎn)中,Ⅲ級(jí)輕度污染、Ⅳ級(jí)中度污染和Ⅴ級(jí)重度污染樣點(diǎn)數(shù)分別為38、19和10個(gè),分別占56.7%、28.4%和14.9%。
3 討論與結(jié)論
土壤重金屬總量能夠給出重金屬的富集信息,是確定土壤重金屬污染水平和環(huán)境容量的基礎(chǔ)[21]。該研究表明重金屬分布具有一定的地域性,涼州區(qū)重金屬含量高于民勤縣。該研究表明,武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni的含量雖然沒有超過國標(biāo)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,但與甘肅省土壤背景值相比,重金屬量有所增加,Cd、Hg污染最嚴(yán)重,平均Cd含量達(dá)0.19 mg/kg,是甘肅省土壤背景值的224倍,超標(biāo)率達(dá)100.0%,其中輕度污染、中度污染和重度污染占比分別達(dá)40.3%、47.8%和11.9%;平均Hg含量達(dá)004 mg/kg,是甘肅省土壤背景值的2.34倍,超標(biāo)率達(dá)92.54%,其中輕度污染、中度污染和重度污染占比分別達(dá)47.8%、20.9%和23.9%;重金屬Pb、Cr、Cu、As、Ni的超標(biāo)率分別為56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。說明人類活動(dòng)已使該區(qū)域出現(xiàn)了明顯的重金屬Cd、Hg積累,而其他重金屬污染輕微。這與曾希柏等[22]對(duì)武威的研究結(jié)果相似,但與羅永清等[23]對(duì)蘭州的研究結(jié)果有一定的差異,這可能和成土母質(zhì)有很大關(guān)系。
內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種既兼顧平均值,又突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù),可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度。武威平原區(qū)農(nóng)田耕層土壤Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg 7種重金屬,參比國標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí),其內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.36,所有樣點(diǎn)均處于安全無污染的Ⅰ級(jí)水平。但以甘肅省土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.16,輕度污染(Ⅲ級(jí))、中度污染(Ⅳ級(jí))和重度污染(Ⅴ級(jí))分別占56.7%、28.4%和14.9%;Hg和Cd的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分別達(dá)5.94和4.12,為重度污染(Ⅴ級(jí)),其余的Cr、Ni、Cu、Pb、As為輕度污染(Ⅲ級(jí))。
變異系數(shù)可以反映總樣本中各采樣點(diǎn)位的平均變異程度,變異系數(shù)越大,說明重金屬元素的空間分布差異越大??赡苁鞘苋藶榛顒?dòng)干擾,特別是受施肥、噴藥以及工業(yè)污水等因素的影響 [22,24],研究區(qū)土壤重金屬的總量和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的變異系數(shù)大于10%,但均小于100%,屬中等變異程度。
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