陸良縣菜地土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)及來(lái)源解析*

董達(dá)誠(chéng) 胡夢(mèng)淩 羅 昱 王 錦 馮凱萍 曾和平

(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

土壤資源是人類賴以生存的重要基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量直接影響到土壤環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和人類健康[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)三廢的排放、肥料和農(nóng)藥的不合理使用以及生活垃圾的不合理處置導(dǎo)致土壤重金屬污染加劇，嚴(yán)重影響居民的生活健康[2-3]。近年來(lái)，云南省大力推進(jìn)高原特色農(nóng)業(yè)發(fā)展，陸良縣以其獨(dú)特的地理、氣候優(yōu)勢(shì)，在政策推動(dòng)下快速發(fā)展形成大規(guī)模蔬菜種植產(chǎn)業(yè)基地。因此，對(duì)陸良縣菜地土壤重金屬環(huán)境狀況調(diào)查十分必要。

當(dāng)前，全國(guó)各地針對(duì)蔬菜種植基地土壤重金屬污染情況的研究較多[4-7]，但針對(duì)云南省高原地區(qū)不同類型菜地土壤的采樣分析、土壤環(huán)境質(zhì)量科學(xué)評(píng)估的研究仍少有報(bào)道。本研究以陸良縣蔬菜種植基地為研究對(duì)象，分析露地菜地和設(shè)施菜地土壤重金屬污染情況，采用不同評(píng)價(jià)方法對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)土壤重金屬的主要來(lái)源進(jìn)行分析，以期為開(kāi)展蔬菜安全種植和土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陸良縣位于云南省東部，全縣總面積1 989.47 km2，壩區(qū)面積771.99 km2，占總面積的38.8%，是云南省第一大高原平壩。陸良縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年平均降雨量798.1 mm，年平均氣溫15.7 ℃，日照時(shí)長(zhǎng)2 151.1 h，無(wú)霜期270 d。近年來(lái)，陸良縣蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全縣蔬菜種植面積達(dá)2.3×104hm2，年蔬菜產(chǎn)量達(dá)6×105t。

對(duì)研究區(qū)菜地調(diào)查結(jié)果顯示，菜地種植年限為1～20 a，表層土壤pH在4.63～7.42，平均值為6.89。露地菜地年種植4～5茬，設(shè)施菜地年種植8～10茬，由于露地菜地和設(shè)施菜地年種植茬數(shù)的差異，導(dǎo)致設(shè)施菜地年施肥量較大。蔬菜種植過(guò)程中主要以有機(jī)肥作為底肥，蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程通過(guò)噴灌澆水額外施加水溶化肥和葉面肥。陸良縣蔬菜種植基地常用有機(jī)肥為豬糞和雞糞，水溶化肥主要包括氮磷鉀復(fù)合肥、氨基酸水溶肥以及腐殖酸類肥料，葉面肥主要包括甲殼素、海藻肥、氨基酸葉面肥、氮磷鉀葉面肥以及微量元素肥料。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，露地菜地、設(shè)施菜地的有機(jī)肥施用量分別為15.5～24.5、30.0～44.5 t/(hm2·a)，水溶化肥施用量分別為7.5～8.5、10.5～11.0 t/(hm2·a)，葉面肥施用量分別為0.1、0.2 t/(hm2·a)。

1.2 樣品采集與分析

依據(jù)《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 395—2012)，在距離道路200 m以外的地方采集土壤樣品。采樣于2018年12月進(jìn)行，共選擇40個(gè)采樣點(diǎn)，其中露地菜地12個(gè)，設(shè)施菜地28個(gè)。結(jié)合研究區(qū)蔬菜種植區(qū)的實(shí)際狀況，采用梅花點(diǎn)法采集表層(0～20 cm)土壤樣品，四分法取樣1.5 kg混合均勻后裝入聚乙烯塑料袋中。蔬菜種植使用的肥料直接從種植戶家里收集或到農(nóng)資銷售點(diǎn)購(gòu)買，每份肥料樣品1.5 kg。

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后自然陰干，去除植物殘?bào)w和石塊后研磨過(guò)100目篩。采用王水-HClO4對(duì)土壤樣品進(jìn)行消解，采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定Cd、Pb含量，采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定Cr、Cu、Zn含量，采用原子熒光光譜法測(cè)定As含量。每個(gè)樣品均設(shè)置3個(gè)重復(fù)與標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品同時(shí)測(cè)定以保證數(shù)據(jù)的可靠性。肥料中重金屬元素的測(cè)定參考《肥料 汞、砷、鎘、鉛、鉻含量的測(cè)定》(NY/T 1978—2010)進(jìn)行消解，Cd、Pb、Cr、Cu和Zn采用原子吸收分光光度法測(cè)定，As采用原子熒光光譜法測(cè)定。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)可用于反映自然變化與人類活動(dòng)對(duì)重金屬分布的影響，是評(píng)價(jià)區(qū)域重金屬污染的一個(gè)重要指數(shù)[8]。地累積指數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(1)：

Igeo=log2[Ci/(kBi)]

(1)

式中：Igeo為重金屬的地累積指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)值，mg/kg；Bi為重金屬i的背景值，mg/kg，本研究采用云南省土壤背景值；k為修正系數(shù)，一般取值為1.5[9]。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)是一種常用于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的方法，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)、式(3)[10]：

Pi=Ci/Si

(2)

(3)

地累積指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

根據(jù)羅曼·英伽登的觀點(diǎn)，文學(xué)作品分為四個(gè)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的層次，在文本的這四個(gè)層次里，有大量的“未定點(diǎn)”或“空白”。也就是說(shuō)《綜合英語(yǔ)》系列教材文本作為一種“意向性客體”的文學(xué)作品形式之一，本身存在著大量的“未定點(diǎn)”或“空白”，這些“空白”存在于文本以下四個(gè)相對(duì)獨(dú)立且相互關(guān)聯(lián)的層次中。

表1 地累積指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)的等級(jí)劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量特征

陸良縣菜地土壤重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，研究區(qū)采樣點(diǎn)Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As的平均值均高于云南省土壤背景值，分別為土壤背景值的1.54、1.63、1.03、1.64、1.25、1.60倍，說(shuō)明研究區(qū)菜地土壤6種重金屬存不同程度的富集現(xiàn)象。根據(jù)土壤樣品平均pH所對(duì)應(yīng)的重金屬風(fēng)險(xiǎn)篩選值，除Cd的平均值超過(guò)了GB 15618—2018中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值外，其他5種重金屬的平均值均低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值。40個(gè)采樣點(diǎn)中，Cd的超標(biāo)率最高(67.5%)，其余依次為As、Cu、Pb、Zn，超標(biāo)率分別為20.0%、15.0%、7.5%、2.5%，Cr未超標(biāo)。由于云南省土壤中重金屬的背景值整體偏高，為區(qū)分土壤原生污染和次生污染的問(wèn)題，對(duì)研究區(qū)土壤重金屬的變異系數(shù)進(jìn)行分析，Cr、Cu的變異系數(shù)為21.3%、20.2%，介于15%～36%[11]，屬于中等變異，其他4種重金屬變異系數(shù)均大于36%，屬于高度變異，其中Pb變異系數(shù)最大，受外界影響最大。

表2 陸良縣菜地土壤重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)露地菜地和設(shè)施菜地土壤重金屬質(zhì)量濃度箱線圖見(jiàn)圖1。顯著性分析結(jié)果表明，露地菜地和設(shè)施菜地Cd、Pb、Cr、Cu、As含量無(wú)顯著差異，而Zn含量有顯著差異。露地菜地Cd、Pb存在極端點(diǎn)，設(shè)施菜地Pb、Cr、Zn、As均有極端點(diǎn)，可以推測(cè)研究區(qū)設(shè)施菜地重金屬至少受兩種不同因素影響[12]。

圖1 菜地土壤重金屬質(zhì)量濃度箱線圖Fig.1 Box plot of heavy metals mass concentration in vegetable soil

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

綜合利用地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)蔬菜種植區(qū)土壤重金屬污染狀況。地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。露地菜地6種重金屬的Igeo平均值都小于0，表明露地菜地土壤處于無(wú)污染水平；但設(shè)施菜地Cu、As處于輕度污染水平，其余4種重金屬處于無(wú)污染水平；此外，設(shè)施菜地和露地菜地相比Igeo更高，說(shuō)明設(shè)施菜地6種重金屬的污染程度較露地菜地嚴(yán)重。張懷志等[13]對(duì)濰坊市菜地土壤重金屬污染情況調(diào)查結(jié)果也顯示設(shè)施菜地重金屬污染程度比露地菜地嚴(yán)重。YI等[14]對(duì)湖南農(nóng)田土壤重金屬污染源調(diào)查表明農(nóng)田土壤污染與牲畜糞便重金屬輸入量較大有關(guān)，而李發(fā)等[15]對(duì)有機(jī)肥中重金屬的研究也表明牲畜糞便有機(jī)肥中Cu、As存在超標(biāo)現(xiàn)象。

表3 菜地土壤重金屬地累積指數(shù)及污染等級(jí)

研究區(qū)菜地土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，土壤樣品有15.00%處于安全水平，40.00%處于警戒線水平，處于輕度污染、中度污染的土壤樣品分別占40.00%、5.00%，說(shuō)明研究區(qū)菜地土壤受污染比例達(dá)45.00%。其中，露地菜地受輕度污染和中度污染的比例分別為25.00%、8.33%，而設(shè)施菜地受輕度污染和中度污染的比例分別為46.43%、3.57%，總體來(lái)看設(shè)施菜地受污染程度更高，需要得到重點(diǎn)關(guān)注。

2.3 施肥過(guò)程對(duì)土壤重金屬的輸入

通常來(lái)說(shuō)，大氣沉降和牲畜糞便是重金屬進(jìn)入農(nóng)田土壤的主要途徑[16]，但重金屬的大氣沉降主要發(fā)生在人口集中和工礦業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)[17-19]，云南省地處我國(guó)西南地區(qū)，工業(yè)發(fā)展較為落后，陸良縣作為農(nóng)業(yè)大縣受工礦業(yè)影響較小，因此重點(diǎn)關(guān)注施肥對(duì)菜地重金屬的輸入情況。研究區(qū)菜地所施肥料中的重金屬質(zhì)量濃度見(jiàn)表5?？傮w看來(lái)，有機(jī)肥中6種重金屬含量均較高，其中雞糞有機(jī)肥中Pb、Cu、Zn、As質(zhì)量濃度分別高達(dá)335.15、285.03、82.21、75.15 mg/kg，這可能與雞飼料存在不同程度的重金屬超標(biāo)有關(guān)[20]。不同類型肥料中，氨基酸葉面肥中Cd質(zhì)量濃度最高(9.00 mg/kg)，可能與氨基酸葉面肥制作原料中Cd含量偏高有關(guān)[21]。

表5 肥料中重金屬的質(zhì)量濃度

結(jié)合采樣過(guò)程中對(duì)研究區(qū)蔬菜施肥狀況的調(diào)查，可推算出施肥過(guò)程對(duì)菜地重金屬的輸入情況，結(jié)果見(jiàn)表6。兩種種植模式下，土壤重金屬均主要來(lái)源于有機(jī)肥， Pb、Cu、Zn和As的輸入量均較大，Cd、Cr輸入量相對(duì)較小。由于設(shè)施菜地的復(fù)種率高，有機(jī)肥施用量大，所以對(duì)設(shè)施菜地土壤中重金屬的輸入量更大。

表6 肥料對(duì)土壤重金屬年輸入量

2.4 土壤重金屬同源性分析

2.4.1 土壤重金屬相關(guān)性分析

表7 研究區(qū)菜地土壤重金屬相關(guān)性分析1)

2.4.2 土壤重金屬主成分分析

為進(jìn)一步研究菜地土壤6種重金屬的污染來(lái)源，利用SPSS 22軟件對(duì)重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表8。根據(jù)特征值大于1的原則，露地菜地篩選出兩個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率為79.8%，設(shè)施菜地篩選出3個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率為78.3%，都可以解釋6種重金屬含量數(shù)據(jù)的大部分信息。

由表8可知，露地菜地第1主成分中Cd、Cr、Cu、Zn和As具有較高載荷，而第2主成分中Pb和Zn具有較高載荷，其中Zn在兩個(gè)主成分中均有較高的富集信息，說(shuō)明Zn可能存在兩種不同來(lái)源[24]。設(shè)施菜地第1主成分中Cd、Pb和Zn具有較高載荷，第2主成分中Cr、As具有較高載荷，第3主成分中僅Cu載荷較高，說(shuō)明研究區(qū)種植模式的不同導(dǎo)致重金屬污染來(lái)源的差異性。

表8 菜地土壤重金屬主成分分析

2.5 土壤重金屬來(lái)源解析

根據(jù)研究區(qū)菜地種植情況，結(jié)合重金屬間的相關(guān)性和主成分分析，對(duì)菜地土壤重金屬的來(lái)源進(jìn)行解析[25-26]。露地菜地第1主成分的貢獻(xiàn)率為55.1%，并且Cd、Cr、Cu、Zn和As的載荷均大于0.6，說(shuō)明5種重金屬間存在較高的同源性。土壤重金屬污染主要受人類活動(dòng)和自然因素影響，研究區(qū)域內(nèi)沒(méi)有大型工礦企業(yè)，主要從事農(nóng)業(yè)種植，農(nóng)業(yè)種植的過(guò)程中大量肥料的施用造成土壤中重金屬的輸入，因此露地菜地第1主成分可認(rèn)定為肥料施用。Pb和Zn在露地菜地第2主成分中有較大載荷，大氣環(huán)境中Pb、Zn通常具有相似的來(lái)源[27]，均是機(jī)動(dòng)車污染的標(biāo)志性元素[28]，因此第2主成分可認(rèn)定為交通污染。Zn在第1主成分和第2主成分上載荷都比較高，認(rèn)為具有兩種來(lái)源，說(shuō)明露地菜地土壤中Zn受肥料施用和交通污染兩種來(lái)源的影響。

研究區(qū)設(shè)施菜地土壤重金屬主成分分析結(jié)果顯示，第1主成分中Cd、Pb、Zn載荷較高，分別為0.736、0.783、0.786，主要反映了Cd、Pb和Zn的富集特征。設(shè)施菜地高復(fù)種率和高肥的種植模式將雞糞和豬糞等有機(jī)肥中的Pb和Zn大量帶入農(nóng)田土壤中，因此設(shè)施菜地第1主成分是肥料施用。第2主成分的貢獻(xiàn)率為21.1%，主要貢獻(xiàn)元素為Cr和As，這兩種重金屬含量平均值明顯低于篩選值，表明污染風(fēng)險(xiǎn)比較低，可認(rèn)為主要受自然因素(成土母質(zhì))影響[29]。由于設(shè)施菜地中Pb和As存在顯著相關(guān)性(見(jiàn)表7)，并且雞糞和豬糞等有機(jī)肥對(duì)Pb和As的輸入量都比較大，說(shuō)明設(shè)施菜地土壤中As還可能來(lái)源于肥料施用。第3主成分的貢獻(xiàn)率為17.3%，其中Cu具有較高載荷，設(shè)施菜地Cu與其他重金屬的相關(guān)性不明顯，但在土壤中存在輕度污染的累積效應(yīng)，有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。含銅農(nóng)藥是蔬菜病害防治中的常用殺菌劑，是農(nóng)業(yè)土壤銅污染的主要來(lái)源[30]，因此第3主成分可以代表農(nóng)藥使用。

3 結(jié) 論

(1) 陸良縣菜地土壤中僅Cd的平均值超過(guò)GB 15618—2018中土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，且Cd超標(biāo)率高達(dá)67.5%，其余5種重金屬平均值都低于篩選值；地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，露地菜地土壤中6種重金屬均未出現(xiàn)污染，設(shè)施菜地Cu、As處于輕度污染水平；菜地土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)菜地土壤整體處于輕度污染和中度污染，設(shè)施菜地受污染采樣點(diǎn)占50.00%，高于露地菜地的33.33%。

(2) 由于設(shè)施菜地的復(fù)種率高，有機(jī)肥施用量大，因此對(duì)設(shè)施菜地土壤中重金屬的輸入量更大。

(3) 菜地土壤重金屬來(lái)源解析結(jié)果表明，露地菜地中Cd、Cu、Cr和As主要與肥料施用有關(guān)，Pb主要來(lái)源于交通污染，Zn受肥料施用和交通污染兩種來(lái)源的影響；設(shè)施菜地中Cd、Pb、Zn主要來(lái)源于肥料施用，Cr主要受成土母質(zhì)影響，As受成土母質(zhì)和肥料施用兩種因素影響，Cu主要來(lái)源于農(nóng)藥使用。