烏蘭察布市農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

朱國(guó)華，劉 芳

(烏蘭察布市農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心，內(nèi)蒙古 集寧 012000)

土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生物賴以生存的自然資源。人類的生產(chǎn)要素及生產(chǎn)關(guān)系都以土壤為最基本的載體[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進(jìn)，土壤中重金屬(密度在4.5 g/cm3以上的金屬)污染越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。土壤重金屬污染是指由自然因素或人為因素引起的重金屬元素含量高于地球土壤化學(xué)背景值，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞性影響，影響到生物種群的發(fā)展[3]。土壤重金屬來(lái)源于化石燃料的燃燒、工業(yè)廢氣廢水廢渣的排放、礦產(chǎn)資源的開(kāi)采和金屬冶煉，大量金屬細(xì)小顆粒物隨著煙塵進(jìn)入到大氣，通過(guò)降雨下沉進(jìn)入到土壤中[4-5]。重金屬沉積在土壤中破壞土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)，阻礙微生物對(duì)有機(jī)物的降解，破壞有機(jī)質(zhì)循環(huán)，影響植物根系對(duì)氮元素吸收[6]。重金屬通過(guò)土壤—植物或微生物不斷累積遷移,最終進(jìn)入人體中。重金屬與生物大分子易形成穩(wěn)定的配合物，破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)人體造成損害，引起神經(jīng)系統(tǒng)損傷、各種器官的不可逆損害，甚至誘發(fā)癌癥[7-11]。

近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)部分區(qū)域土壤重金屬的分布、來(lái)源與污染評(píng)價(jià)做了細(xì)致研究[12-16]。但目前國(guó)內(nèi)土壤重金屬相關(guān)研究主要集中在中東部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，而對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究相對(duì)較少。郭祥義等[17]研究了內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗巴彥高勒蘇木和大興安嶺南段西坡某鉛鋅礦區(qū)土壤性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)41%和35%土壤受到嚴(yán)重的Pb、Zn污染，礦區(qū)土壤重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為29.40，屬于輕微生態(tài)危害。周妍姿等[18]研究了內(nèi)蒙古草原重金屬的空間異質(zhì)性及污染特征，發(fā)現(xiàn)草甸草原、典型草原和荒漠草原3種典型草原綜合污染指數(shù)均屬于嚴(yán)重污染，荒漠草原Ni、Cr、Zn污染較高，草甸草原對(duì)Cu、Pb有富集作用，典型草原As較高。孫鵬等[19]研究了包頭市包鋼公園、賽罕塔拉城中草原、南海濕地公園和八一公園等4種綠地土壤重金屬污染情況，發(fā)現(xiàn)除包鋼公園外，其他3個(gè)區(qū)域內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果均為重污染；地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法都顯示Cd污染最嚴(yán)重；除包鋼公園處于輕微潛在生態(tài)危害外，其他3個(gè)區(qū)域處于中等潛在生態(tài)危害。目前，烏蘭察布市農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬污染研究鮮有報(bào)道。因此開(kāi)展烏蘭察布市農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以彌補(bǔ)該區(qū)域重金屬污染研究空白。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

烏蘭察布市地處祖國(guó)正北方、內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，位于北緯39°37′～43°28′，東經(jīng)109°16′～114°49′。全市轄11個(gè)旗縣市區(qū)，東西長(zhǎng)458 km，南北寬442 km，總面積5.45萬(wàn)km2，耕地面積0.667萬(wàn)km2，占總面積的12.4%，草原面積360萬(wàn)hm2，占總土地面積的62%。烏蘭察布市地貌類型多樣，自北向南主要由內(nèi)蒙古高原、烏蘭察布丘陵、陰山山地和丘陵臺(tái)地4個(gè)部分組成。烏蘭察布市是我國(guó)重要的馬鈴薯和燕麥種植基地。馬鈴薯種植面積近26.7萬(wàn)hm2,約占全國(guó)的6%；燕麥種植面積穩(wěn)定在10萬(wàn)hm2左右。馬鈴薯和燕麥種植面積均位居全國(guó)地級(jí)市首位。本文研究了烏蘭察布市耕地土壤，通過(guò)采集土壤樣品、測(cè)得土壤重金屬含量，以烏蘭察布市土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用土壤中重金屬的地積累指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)作為污染評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)烏蘭察布市10個(gè)旗(縣、市)農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬累積特征進(jìn)行探討，并對(duì)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響，為持續(xù)保護(hù)改善本地區(qū)農(nóng)業(yè)用地土壤質(zhì)量提供重要依據(jù)。

1.2 樣品采集和分析測(cè)試

本文以烏蘭察布市耕地為研究對(duì)象，依次對(duì)全市11個(gè)旗(縣、區(qū)、市)耕地土壤采樣，每個(gè)樣點(diǎn)在直徑10 m范圍內(nèi)選擇3～5個(gè)0～20 cm耕層土壤混合，按四分法取土壤樣品1.0 kg，裝入自封袋。土壤在室內(nèi)風(fēng)干，磨碎后過(guò)100目尼龍網(wǎng)篩(孔徑0.149 mm)用來(lái)測(cè)定各重金屬元素含量。其中集寧區(qū)15批次樣品、察右前旗100批次樣品、察右中旗145批次樣品、察右后旗95批次樣品、四子王旗206批次樣品、商都縣240批次樣品、化德縣112批次樣品、涼城縣110批次樣品、卓資縣85批次樣品、興和縣188批次樣品、豐鎮(zhèn)市109批次樣品，共計(jì)1405批次樣品(圖1)。

☆表示采樣點(diǎn)。

土壤樣品中Cr、Cd、Pb、Hg、As分別依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.12─2006土壤檢測(cè) 第12部分：土壤總鉻的測(cè)定；GB/T 17141─1997土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法；GB/T 22105.1─2008 土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法 第1部分：土壤中總汞的測(cè)定；GB/T 22105.2─2008 土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法 第2部分：土壤中總砷的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)所用儀器：原子吸收分光光度計(jì)(AA-6880，島津儀器)，原子熒光光度計(jì)(AFS-230E，海光儀器)，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-1780，島津儀器)。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 地積累指數(shù)法 地積累指數(shù)法是由德國(guó)科學(xué)家Müller提出[20]，其計(jì)算公式如下：

(1)

1.3.2 潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 該方法由瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出，該方法充分考慮到重金屬在表層土壤中沉積、遷移和富集，將重金屬的含量、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和毒理水平聯(lián)系在一起對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[21]。潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)計(jì)算公式為：

(2)

(3)

表1 烏蘭察布市土壤重金屬的背景值及其毒性系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量分析

烏蘭察布市農(nóng)用地土壤呈弱堿性，pH>7.5。全市土壤中重金屬含量分析，見(jiàn)表4。土壤中Cr、Cd、Pb、Hg、As含量的平均值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值[24]中上述幾種重金屬含量，表明烏蘭察布市土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低，一般污染可以忽略。Cr和Pb土壤中含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為10.32和10.64，表明這2種重金屬含量離散度較大，區(qū)域含量不平衡。而Cd，Hg和As土壤中含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小，說(shuō)明這3種重金屬區(qū)域含量相差不大，分布較均勻。

表2 地積累指數(shù)(Igeo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 烏蘭察布市土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì) mg/kg

為進(jìn)一步分析不同地區(qū)土壤中重金屬含量變化，將各旗(縣、區(qū)、市)土壤中重金屬含量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表5)。由表5可知,Cr平均含量最高的是集寧區(qū)，為75.67 mg/kg，最高值出現(xiàn)在涼城縣，為156.62 mg/kg；Cd平均含量最高的是豐鎮(zhèn)市，為0.31 mg/kg，最高值出現(xiàn)在化德縣，為1.66 mg/kg；Pb平均含量最高的是化德縣，為34.49 mg/kg，最高值出現(xiàn)在察右中旗，為71.25 mg/kg；Hg平均含量最高的是集寧區(qū)0.053 mg/kg，最高值出現(xiàn)在卓資縣，為0.35 mg/kg；As平均含量最高的是察右后旗，為13.09 mg/kg；最高值出現(xiàn)在涼城縣，為30.77 mg/kg。各重金屬最大值和最小值相差較大，其中，Cd差距最大，達(dá)3～1000倍，Cr相差最小，為1～3倍。各旗(縣、區(qū)、市)5種重金屬含量平均值與土壤背景值和農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值比較見(jiàn)圖2。所有地區(qū)的Cr、Cd和As含量均超過(guò)土壤背景值，部分地區(qū)Pb和Hg含量超過(guò)土壤背景值，但超過(guò)的幅度不大。絕大部分地區(qū)5種重金屬含量均比烏蘭察布市土壤背景值高，說(shuō)明人為因素造成土壤中重金屬含量升高。集寧區(qū)Cr和Hg平均含量在全市中最高，可能是集寧區(qū)工業(yè)體系相對(duì)于其他旗縣較為發(fā)達(dá)，工業(yè)化程度相對(duì)較高，造成土壤中重金屬含量偏高。所有地區(qū)的Cr、Pb和As含量標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，離散程度較小，說(shuō)明不同采樣點(diǎn)重金屬含量相差不大。Cd和Hg含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差各個(gè)地區(qū)差異較大，離散程度大，說(shuō)明人為因素造成了這2種重金屬含量區(qū)域分布不均衡。所有地區(qū)的5種重金屬含量均低于用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說(shuō)明土壤污染風(fēng)險(xiǎn)較低。

表5 不同地區(qū)土壤重金屬含量變化范圍 mg/kg

2.2 土壤重金屬地積累指數(shù)

烏蘭察布市各旗(縣、區(qū)、市)土壤重金屬地累積指數(shù)見(jiàn)表6。由表6可知，各地區(qū)地累積指數(shù)存在較大差異，Cr的Igeo中，集寧區(qū)、察右前旗、察右中旗、察右后旗、四子王旗、商都縣和興縣的Igeo在0.02～0.27之間，污染級(jí)別為輕度污染；化德縣、涼城縣、卓資縣和豐鎮(zhèn)市的Igeo<0,無(wú)污染。Cd的Igeo中，商都縣和豐鎮(zhèn)市的Igeo在1～2之間，土壤偏中度污染，四子王旗和化德縣的Igeo<0，無(wú)污染，其他地區(qū)Igeo在0～1之間，土壤輕度污染。Pb的Igeo中，商都縣、化德縣、涼城縣和興和縣Igeo在0～1之間，土壤輕度污染，其他地區(qū)Igeo<0，土壤無(wú)污染。Hg的Igeo中，所有地區(qū)的Igeo均小于0，土壤無(wú)污染。As的Igeo中，察右中旗、察右后旗、商都縣和卓資縣Igeo在0～1之間，土壤輕度污染，其他地區(qū)土壤Igeo均小于0，無(wú)污染。5種重金屬Igeo總和除集寧區(qū)Igeo在0～1之間，土壤輕度污染外，其他地區(qū)Igeo均小于0，土壤無(wú)污染。集寧區(qū)Igeo和土壤中重金屬含量相對(duì)應(yīng)，更好地說(shuō)明其土壤污染程度高于其他地區(qū)，但仍屬于輕度污染程度。商都縣5種重金屬污染比例最高，為80%，除無(wú)Hg污染外，其他重金屬均有污染，其中Cd為偏中度污染。四子王旗和化德縣污染比例最低，為20%。豐鎮(zhèn)市雖然只有Cd污染，污染比例也為20%，但污染級(jí)別為偏中度污染。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

表6 烏蘭察布市各旗(縣、區(qū)、市)表層沉積物重金屬元素地積累指數(shù)(Igeo)和劃分等級(jí)

Hg無(wú)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值線，表明各地區(qū)重金屬元素含量均未超出農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，圖中字母A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K分別表示集寧區(qū)、察右前旗、察右中旗、察右后旗、四子王旗、商都縣、化德縣、涼城縣、卓資縣、興和縣、豐鎮(zhèn)市。

烏蘭察布市土壤重金屬生態(tài)危害指數(shù)(RI)見(jiàn)表9。集寧區(qū)、商都縣、化德縣、卓資縣及豐鎮(zhèn)市土壤RI平均值在150～300之間，土壤屬于中等生態(tài)危害，其他地區(qū)土壤RI<150屬于輕微生態(tài)危害。各個(gè)地區(qū)潛在生態(tài)危害污染程度中，察右中旗、涼城縣及興和縣潛在輕微生態(tài)危害污染程度占比均高于90%，土壤生態(tài)危害較輕。商都縣和豐鎮(zhèn)市潛在輕微生態(tài)危害污染程度占比分別為35.5%和34.9%。其他潛在生態(tài)危害級(jí)別占比較高，土壤生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)較高。其他地區(qū)潛在輕微生態(tài)危害污染程度占比在60%～88%之間，土壤潛在生態(tài)危害不高。全市RI平均值為140.85，土壤屬于輕微生態(tài)危害。全市所有地區(qū)RI標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，說(shuō)明非自然因素(主要是人為因素)對(duì)土壤影響較大，人為活動(dòng)密集區(qū)土壤重金屬含量較高，最終導(dǎo)致RI值偏高。

表7 烏蘭察布市各旗(縣、區(qū)、市)表層沉積物潛在生態(tài)危害系數(shù)

表8 烏蘭察布市土壤重金屬生態(tài)危害系數(shù)

表9 烏蘭察布市土壤重金屬生態(tài)危害指數(shù)(RI)

2.4 土壤重金屬污染防治與管控建議

烏蘭察布市礦產(chǎn)資源豐富，目前已發(fā)現(xiàn)的礦種有80多種，其中銅、螢石、石墨、膨潤(rùn)土、硅藻土、石灰石、煤炭等儲(chǔ)量豐富。石墨資源儲(chǔ)量達(dá)246.4萬(wàn)t，普通螢石保有資源儲(chǔ)量為1848萬(wàn)t，四子王旗電氣石礦床，電氣石礦物量就達(dá)133萬(wàn)t，富集地段電氣石的礦物含量高達(dá)50%～80%[25]。近幾十年的大規(guī)模開(kāi)采，造成土壤中重金屬不同程度的污染。在今后礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中要更加注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，在開(kāi)采和加工過(guò)程中嚴(yán)格控制廢液、廢氣、廢渣的排放，“三廢”符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)后才能排放。由于全市境內(nèi)全年風(fēng)力較大，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加裝防塵設(shè)備，避免礦物微粒通過(guò)大氣流動(dòng)擴(kuò)散到其他地方。環(huán)保部門加大對(duì)相關(guān)企業(yè)的監(jiān)督檢查力度，嚴(yán)厲查處違法違規(guī)污染環(huán)境的違規(guī)操作，加大對(duì)企業(yè)周邊土壤尤其是農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中重金屬含量變化，切實(shí)保障土壤尤其是農(nóng)業(yè)用地土壤安全。

3 結(jié)論

(1)烏蘭察布市耕地土壤中Cr、Cd、Pb、Hg、As含量的平均值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，烏蘭察布市土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低，一般污染可以忽略。在全市各旗(縣、區(qū)、市)中，各旗(縣、區(qū)、市)5種重金屬含量平均值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。集寧區(qū)Cr和Hg平均含量在全市中最高。

(2)烏蘭察布市各地區(qū)土壤重金屬地累積指數(shù)中，除商都縣和豐鎮(zhèn)市的CdIgeo在1～2之間，土壤偏中度污染外，其他地區(qū)5種重金屬Igeo為0或1，土壤為無(wú)污染或輕度污染，5種重金屬Igeo總和除集寧區(qū)Igeo在0～1之間，土壤輕度污染外，其他地區(qū)Igeo均小于0，土壤無(wú)污染。

(3)烏蘭察布市土壤重金屬潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)中，集寧區(qū)、商都縣、化德縣、卓資縣及豐鎮(zhèn)市土壤RI平均值在150～300之間，土壤屬于中等生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)，其他地區(qū)土壤RI<150屬于輕微生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)。全市RI平均值為140.85，土壤屬于輕微生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)。

(4)通過(guò)土壤重金屬地累積指數(shù)和生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)研究了烏蘭察布市土壤生態(tài)污染狀況，為持續(xù)改善土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)、合理數(shù)據(jù)支撐。