農(nóng)田土壤重金屬污染的安全性以及重金屬在剖面中的有效性

摘 要：以閩西某銀多金屬礦區(qū)附近農(nóng)田土壤為研究對象，采集了10個(gè)土壤剖面樣品，分析了土壤剖面重金屬Cu、Cd、Zn、Pb、Ni有效量，并基于此進(jìn)行了安全性評價(jià)，并探討了重金屬在剖面中的有效性。結(jié)果表明：調(diào)查的10個(gè)土壤剖面中，剖面1號（P1）和剖面10號（P10）表層（0～20cm）土壤分別遭受到重金屬Cd、Cu的污染，屬于限制級，其余8個(gè)剖面表層土壤屬于警戒級;10個(gè)剖面心土層（40～60cm）和底土層（80～100cm）土壤均屬于安全級;土壤重金屬Cu、Cd、Pb、Zn、Ni有效量隨著剖面深度增加呈逐漸減小的趨勢;表層土壤重金屬的有效度均顯著高于心土層和底土層，Cd在剖面不同層次的生物活性十分強(qiáng)，在該區(qū)域農(nóng)田開展安全利用技術(shù)選擇上，應(yīng)重點(diǎn)考慮Cd污染土壤對農(nóng)產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：銀多金屬;剖面;安全利用;有效量;有效性

中圖分類號：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115012

收稿日期：2020-10-16

作者簡介：李融（1988-），男，碩士，農(nóng)藝師。研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

引言

土壤環(huán)境質(zhì)量狀況直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，關(guān)系到人民群眾的身體健康、生命安全。近年來，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化步伐的加快，大量的重金屬被輸入到土壤環(huán)境中積累，并長期危害土壤及農(nóng)作物，再通過食物鏈作用進(jìn)入人體，最終危害人體健康[1]。土壤重金屬污染及其對食品安全性造成的影響已成為當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。2014年4月17日，國家環(huán)境保護(hù)部和國土資源部聯(lián)合發(fā)放的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[2]顯示，全國土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，耕地點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，總體形式不容樂觀，其中采礦區(qū)點(diǎn)位超標(biāo)率為33.4%，遠(yuǎn)高于其它典型地塊及其周邊土壤超標(biāo)率。礦區(qū)作業(yè)產(chǎn)生的廢水、廢渣不規(guī)范處理，易使周邊土壤重金屬不斷富集，造成土壤重金屬污染[3]。因此，對于礦區(qū)的土壤，特別是礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬污染問題應(yīng)予以高度關(guān)注[4-6]。

近年來，黨中央國務(wù)院高度重視土壤重金屬污染和糧食生產(chǎn)安全工作，2016年5月28日，國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱“土十條”），對我國土壤污染防治工作進(jìn)行了全面戰(zhàn)略部署;2018年國家又出臺《土壤污染防治法》，為土壤重金屬污染防治各項(xiàng)任務(wù)的開展提供法制保障?！巴潦畻l”明確提出受污染土壤安全利用和修復(fù)治理兩項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)，總目標(biāo)就是為了防控土壤中重金屬進(jìn)入食物鏈，以確保作物安全、糧食安全、健康安全?；谀壳凹夹g(shù)、裝備、資金等因素考慮，在當(dāng)前我國人多地少這一現(xiàn)狀下，對于受污染的農(nóng)田土壤進(jìn)行安全利用則是首選方案[7]，而農(nóng)作物可食用部位的重金屬含量達(dá)標(biāo)自然成為了重金屬污染農(nóng)田安全利用技術(shù)成敗的最終標(biāo)準(zhǔn)[8]。重金屬與土壤環(huán)境因子存在復(fù)雜動(dòng)態(tài)相互作用，只有部分土壤重金屬能被作物吸收利用[9]。大量研究表明[10，11]，土壤中重金屬有效量越高，農(nóng)作物可食部分超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)越高。因此，土壤重金屬有效量直接關(guān)系到受污染土壤安全利用技術(shù)的選擇，關(guān)系到農(nóng)作物可食用部位的重金屬含量達(dá)標(biāo)。為此，基于土壤重金屬有效量的污染程度分級，這項(xiàng)作為開展安全利用的前提性、基礎(chǔ)性工作，顯得十分重要。本研究以福建省某銀多金屬礦區(qū)附近農(nóng)田土壤為研究對象，對該區(qū)域農(nóng)田土壤進(jìn)行安全性評價(jià)，并分析了重金屬在剖面中的有效性，旨在為礦區(qū)土壤重金屬污染的修復(fù)和安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)域概況

該銀多金屬礦區(qū)位于武夷山脈西南端，福建省龍巖市武平縣境內(nèi)，地貌屬于高丘、低山區(qū)，土壤類型以紅壤和水稻土為主。當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源豐富，品種多，儲量大，有石灰石、花崗石以及金、銀、銅等。該區(qū)地處中南亞熱帶過度地帶，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，陽光充足，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫19℃，年降雨量1900～2020mm。適宜種植多種亞熱帶作物，礦區(qū)周邊農(nóng)田主要為水田，以種植水稻為主。

1.2?采樣與分析

調(diào)查的農(nóng)田位于該礦區(qū)南側(cè)，呈長條形，地勢北高南低。自北向南共布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)。用荷蘭的不銹鋼AMS取土鉆在每個(gè)采樣點(diǎn)采集深度為表土（0～20cm）、心土（40～60cm）和底土（80～100cm）土樣各1個(gè)，共采集30個(gè)土樣。土樣采集后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后，用木棍研碎，過2mm尼龍篩，裝袋備用。

土壤有效Cu、Ni、Zn、Pb、Cd采用二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提法提取。有效態(tài)Cd、Pb、Ni采用石墨爐原子吸收法測定，有效態(tài)Cu、Zn采用火焰原子吸收法測定。

1.3?分級指標(biāo)與分級

采用《農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)》（DB35/T 859-2016）[12]有效量分級指標(biāo)（表1），即安全值、限制值和高危值，對調(diào)查區(qū)域土壤的安全性進(jìn)行評價(jià)和綜合分級（表2）。

1.4?土壤重金屬有效度

重金屬有效度（%）=有效量/全量×100%

1.5?統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2?結(jié)果與討論

2.1?農(nóng)田土壤剖面重金屬有效量和安全性評價(jià)

調(diào)查的10個(gè)農(nóng)田土壤剖面重金屬有效量如表3所示。從表層（0～20cm）土壤有效量看，有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量分別為3.85～37.38mg·kg-1、0.15～0.33mg·kg-1、6.83～11.86mg·kg-1、6.65～25.60mg·kg-1、0.20～0.46mg·kg-1。根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)》（DB35/T 859-2016）有效量分級指標(biāo)對表層土壤的安全性進(jìn)行評價(jià)：P1土壤中所有重金屬有效量均低于高危值，有效Cd含量0.33mg·kg-1，高于限制值，屬于限制級。P2、P3、P4、P5、P6、P7土壤中所有重金屬有效量均低于高危值，且低于限制值，有效Cd含量分別0.15mg·kg-1、0.15mg·kg-1、0.22mg·kg-1、0.18mg·kg-1、0.15mg·kg-1、0.18mg·kg-1，高于安全值，屬于警戒級。P8土壤中所有重金屬有效量均低于高危值，且低于限制值，有效Cu含量20.17mg·kg-1，有效Cd含量0.28mg·kg-1，高于安全值，屬于警戒級。P9土壤中所有重金屬有效量均低于高危值，且低于限制值，有效Cu含量15.72mg·kg-1，有效Cd含量0.18mg·kg-1，高于安全值，屬于警戒級。P10土壤中所有重金屬有效量均低于高危值，有效Cu含量37.38mg·kg-1，高于限制值，屬于限制級。從中層（40～60cm）土壤有效量看，有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量分別為0.36～1.45mg·kg-1、0.02～0.06mg·kg-1、2.39～6.24mg·kg-1、0.04～1.12mg·kg-1、0.06～0.26mg·kg-1，均低于《分級標(biāo)準(zhǔn)》（DB35/T 859-2016）有效量分級指標(biāo)的安全值，屬于安全級。從底層（80～100cm）土壤有效量看，有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量分別為0.29～0.86mg·kg-1、0.01～0.04mg·kg-1、1.17～3.10mg·kg-1、0.02～1.12mg·kg-1、0.04～0.36mg·kg-1，均低于《分級標(biāo)準(zhǔn)》（DB35/T 859-2016）有效量分級指標(biāo)的安全值，屬于安全級。說明調(diào)查區(qū)域表層土壤主要遭受到重金屬Cu、Cd的污染，污染程度以輕度為主，局部較為嚴(yán)重;中層和底層土壤未受到污染，這與重金屬全量的調(diào)查結(jié)果一致。Cu是植物生長的必要元素[13]，且只有P10表層土壤屬于限制級，總體對作物風(fēng)險(xiǎn)程度較低。因此，在調(diào)查區(qū)域在該區(qū)域農(nóng)田土壤開展安全利用時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮土壤Cd對農(nóng)作物安全風(fēng)險(xiǎn)，避免農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

2.2?土壤剖面重金屬有效量分異

外源重金屬進(jìn)入土壤后，大部分會(huì)因沉淀、絡(luò)合、吸附、固定等反應(yīng)而呈表層富集現(xiàn)象。由于重金屬總量對有效態(tài)具有最大的正向影響作用[14]，因此重金屬有效量往往也表現(xiàn)表層富集現(xiàn)象。由表4可知，土壤重金屬有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量隨著剖面深度增加呈逐漸減小的趨勢。表層（0～20cm）土壤有效量均顯著高于心土層（40～60cm）和底土層（80～100cm），而心土層和底土層重金屬有效量均無顯著差異，說明了表層土壤對有效態(tài)重金屬富集作用顯著。2個(gè)層次土壤重金屬有效量的比值可以直觀地反應(yīng)出重金屬元素在該層次富集的程度。通過計(jì)算可知，該地區(qū)土壤剖面重金屬有效量表層富集程度為Zn（19.71）>Cu（16.28）>Cd（6.25）>Pb（2.39）>Ni（1.84）。由于筆者已分析了該區(qū)剖面土壤重金屬全量，并得出該區(qū)農(nóng)田存在Cu、Cd等外源污染，基本不存在Zn、Pb、Ni等外源污染的結(jié)論[15]，因此可以認(rèn)為有效Cu、Cd的表層富集主要是外源Cu、Cd全量的影響，而有效態(tài)Zn、Pb、Ni的表層富集則是與土壤母質(zhì)有關(guān)[16]。土壤有效量在中層的富集程度為Pb（1.91）>Cu（1.52）>Cd（1.5）>Ni（1.46）>Zn（1.23），由于在中層以下各重金屬有效量十分低，且中層與底層差異并不明顯，可以認(rèn)為心土層以下土壤重金屬有效量基本處于環(huán)境背景值范圍。

2.3?土壤剖面重金屬有效度分析

重金屬有效度是重金屬有效量占重金屬總量比例，能較總量和有效量更清楚反映環(huán)境污染對土壤的影響[17]。由表5可知，表層（0～20cm）土壤各重金屬有效度均顯著高于心土層（40～60cm）和底土層（80～100cm）。表層土壤Cu、Cd、Pb、Zn、Ni的有效度分別是心土層以下土壤的4.4～6.2倍、1.5～1.6倍、2.1～3.5倍、12.5～16.1倍、1.9～2.7倍。這與礦區(qū)廢水進(jìn)入土壤環(huán)境后的酸化、淋溶作用，使土壤鹽基被大量H+交換，導(dǎo)致鐵錳結(jié)合態(tài)重金屬比例增加有關(guān)[18]。表層土壤Cd的有效度最高，達(dá)60.86%，其次是Cu、Pb、Zn，分別為18.47%、12.99%、12.71%，Ni的有效度最低，只有2.27%。心土層重金屬有效度與底土層差異不顯著，Cu、Pb、Zn、Ni有效度均處于較低水平，但Cd的有效度較高，達(dá)38.99%～40.25%，說明了Cd在剖面的不同層次都具有十分強(qiáng)生物活性，極易被植物吸收，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，這與鐘曉蘭[14]的研究結(jié)果相一致。

3?結(jié)論

閩西某銀多金屬礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤表層遭受到Cd、Cu污染，P1、P10表層（0～20cm）土壤有效Cd、Cu含量超過《分級標(biāo)準(zhǔn)》（DB35/T 859-2016）限制值，屬于限制級。心土層（40～60cm）和底土層（80～100cm）土壤屬于安全級。

重金屬有效量Cu、Cd、Pb、Zn、Ni隨著剖面深度增加呈逐漸減小的趨勢，表層土壤對重金屬有效態(tài)富集作用顯著，中層以下土壤重金屬有效量基本維持在環(huán)境背景值水平。

在剖面各層次Cd的有效度都很高，具有十分強(qiáng)的生物活性。建議在對該農(nóng)田進(jìn)行安全利用時(shí)，優(yōu)先選擇種植對Cd富集能力低的農(nóng)作物，同時(shí)配套水肥調(diào)控措施、土壤Cd鈍化措施等，降低重金屬Cd進(jìn)入“食物鏈”的風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯?李媛媛）