農(nóng)用地土壤中重金屬水平及潛在生態(tài)風(fēng)險評價
——以寧夏石嘴山地區(qū)為例

石天池, 王志強, 曹園園, 楊建鋒, 馬貴林, 楊保國

(寧夏回族自治區(qū) 地球物理地球化學(xué)勘查院,寧夏 銀川 750004)

土壤重金屬污染是世界性環(huán)境問題之一,它對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]．土壤重金屬污染主要是受自然背景值和人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等多重因素疊加影響而致[2]．金屬礦山的開采,工業(yè)廢棄物,冶煉和工礦企業(yè)排放的煙塵、廢氣、廢水中含有的重金屬元素進入水體和土壤,會導(dǎo)致周邊地區(qū)土壤中重金屬含量超標(biāo);化肥農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入品的過量使用,也會導(dǎo)致土壤重金屬污染,其中,部分農(nóng)藥含有 Cd,Pb,Hg,As 等,化肥中重金屬含量最多的過磷酸鹽中含有Cd,Pb,As等[3];污水灌溉也是導(dǎo)致土壤重金屬超標(biāo)的原因之一．

1 研究區(qū)

研究區(qū)位于寧夏北部的石嘴山市境內(nèi),面積約1 050 km2,地貌呈西高東低、相對平坦,從西向東依次為賀蘭山山地、賀蘭山東麓洪積扇洪積平原、黃河沖積平原和鄂爾多斯臺地．研究區(qū)屬典型的中溫帶大陸性干旱氣候,干旱少雨,年平均降水量為167.5～188.8 mm,年蒸發(fā)量為1 708.7～2 512.6 mm．成土母質(zhì)類型以灌水淤積母質(zhì)為主,土壤類型有灌淤土、潮土、鹽土、堿土、灰鈣土、風(fēng)沙土和新積土,其中灌淤土分布面積最大(422 km2),占研究區(qū)總面積的40.2%;其次為鹽土,面積為265 km2,占比25.2%．土地利用類型以耕地為主．

1.1 樣品的采集

按照DZ/T 0295—2016要求進行樣點布設(shè)采集,共采集表層土壤樣品8 832件．采樣按“十字型”方法采集5個子樣,各子樣等份組合成一個混合樣,采集0～20 cm耕作層土樣．樣品采集使用鐵鍬,但要將土壤與鐵鍬接觸的部分去除,避免樣品被污染.將采集的各子樣點的土壤掰碎,挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物,充分混合，用“四分法”留取1.0～1.5 kg裝入寫有采樣編號、干凈、結(jié)實的棉布袋(如為潮濕樣品,則內(nèi)襯塑料袋)．對從野外采回的土壤樣品進行及時清理、登記，在陰涼處懸掛于樣品架上自然風(fēng)干.風(fēng)干后壓碎全部過20目尼龍篩,取篩下物約400 g,裝聚乙烯塑料瓶送實驗室測試分析．

1.2 樣品分析

樣品分析測試由國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心(湖北省地質(zhì)實驗測試中心)承擔(dān)．Cr分析采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES):稱取0.100 0 g樣品于30 mL聚四氟乙烯坩堝中,用水濕潤,再依次加入HF溶液,HCl溶液,HNO3溶液,HClO4溶液.然后加熱預(yù)溶,升溫分解后驅(qū)氟.用HCl溶液提取,定容至10 mL．Cd,Pb采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS):取上述溶液 1 mL于比色管中,定容至10 mL.通過混合標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制工作曲線,于1%HCl溶液中用ICP-MS法測定Cd,Pb,Cu,Zn,Mo,Co,Ge,Li等8種元素．As,Hg采用原子熒光光譜法(AFS):取0.500 0 g樣品于50 mL燒杯中,加入20 mL體積比為1∶1的濃硝酸和濃鹽酸混合液,置于電熱板上加熱分解.用50%鹽酸提取,定容至50 mL,放置過夜.取25 mL上述溶液加入5%的硫脲-抗壞血酸做預(yù)還原劑,定容至50 mL,放置澄清.以氬氣為載氣,高強度空心陰極燈為激發(fā)源,硼氫化鉀為氫化物發(fā)生劑．

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬含量的分布特征

對采集的8 832個石嘴山地區(qū)土壤樣品原始測試數(shù)據(jù)(質(zhì)量含量)進行整理,統(tǒng)計最大值、最小值、算數(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及變異系數(shù),統(tǒng)計結(jié)果見表 1．

表1 石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤樣品中重金屬元素分布

由表1可知,各種重金屬在石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中的空間分布特征表現(xiàn)各異．石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中Cd,Cr,Hg,Pb 的平均質(zhì)量含量稍高于銀川平原土壤中的背景值[4]; Pb的平均質(zhì)量含量與銀川平原土壤中的背景值相當(dāng),說明20多年來5種重金屬元素的累積程度較低.李新虎等的研究顯示,銀川平原除部分城區(qū)附近有極明顯的污染外,其他地區(qū)均為輕微污染．依據(jù)GB 15618—2018,測定研究區(qū)所有土壤樣品,結(jié)果顯示樣品的pH值均大于7.5,因有水旱輪作地,故采用較嚴(yán)格的風(fēng)險篩選值(表2)．統(tǒng)計所有數(shù)據(jù)點,發(fā)現(xiàn)As超標(biāo)點7個,Cd超標(biāo)點5個,Hg超標(biāo)點1個,Cr,Pb均未超標(biāo),推測As,Cd,Hg點源污染主要與化肥農(nóng)藥的過量使用有關(guān)．As,Cd,Cr,Hg,Pb 5種重金屬的質(zhì)量含量平均值均未超過風(fēng)險篩選值[5]．

表2 石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值

2.2 地累積指數(shù)分析

德國學(xué)者 Muller首先提出地累積指數(shù)法[6],該方法不僅考慮了自然地質(zhì)過程相對于環(huán)境背景值的變化,而且考慮了人為活動對重金屬污染的貢獻[7]．具體計算方法:

Igeo=log2[Ci/(K×Bi)],

式中:Igeo為地累積指數(shù);Ci為實測重金屬i的平均質(zhì)量含量;K為變動轉(zhuǎn)換系數(shù)(考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動,一般取1.5);Bi為重金屬i的土壤背景值，文中，采用銀川平原土壤的背景值.參考文獻[8],地累積指數(shù)的土壤重金屬污染程度分級見表3．

表3 地累積指數(shù)的土壤重金屬污染程度分級

石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中重金屬的平均質(zhì)量含量地累積指數(shù)及污染程度分級見表4～5．

表4 石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中重金屬的地累積指數(shù)

表5 石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中重金屬的污染程度分級

由表4～5可知,石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中As,Cd,Cr,Hg,Pb 5種重金屬的地累積指數(shù)均小于零.由表3可知,該地區(qū)的污染程度為無污染．

2.3 生態(tài)風(fēng)險評價

目前,評價土壤中重金屬污染最常用的方法是潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法．該方法由瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出[6],它綜合考慮多元素的協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度以及環(huán)境對重金屬污染敏感性等因素,在環(huán)境風(fēng)險評價中得到廣泛應(yīng)用．

單個金屬污染系數(shù):

(1)

單個金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù):

(2)

多種金屬潛在生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù):

(3)

表6 石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中重金屬的毒性系數(shù)

土壤中重金屬污染系數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)見表7．石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中5種重金屬的污染系數(shù)均處于1～3(表8),表明污染程度為低污染．Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)E=49.23,表明潛在生態(tài)風(fēng)險程度為中等,其他元素潛在生態(tài)風(fēng)險程度為低微.多金屬潛在生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)IR=100.56,表明潛在生態(tài)風(fēng)險程度為輕微．

表7 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)與分級

表8 石嘴山地區(qū)土壤樣品重金屬污染系數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

3 結(jié)論

石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中As,Cd,Cr,Hg,Pb 5種重金屬的平均質(zhì)量含量未超過GB 15618—2018規(guī)定的風(fēng)險篩選值.石嘴山地區(qū)土壤中5種重金屬的平均質(zhì)量含量與銀川平原土壤的背景值相近,說明土壤中重金屬累積程度較低,受人為生產(chǎn)活動影響較?。畬τ趩我唤饘贊撛谏鷳B(tài)風(fēng)險指數(shù),Hg的為49.23,表明潛在生態(tài)風(fēng)險程度為中等,需引起重視．通過對土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價,發(fā)現(xiàn)石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險程度為輕微．參考該次測定結(jié)果并結(jié)合文獻可知,20多年來石嘴山地區(qū)農(nóng)用地土壤中As,Cd,Cr,Hg,Pb的質(zhì)量含量累積程度較低．