佛山高明區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染調(diào)查與來源識別*

錢 歡，蘇輝躍，黃德銀，韋高玲，田婷婷，劉秀英，鄒淑君，陶 琳

(1 廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642)

快速城市化進(jìn)程為人類帶來了豐富的社會資源，同時也不可避免地產(chǎn)生各類環(huán)境問題。高強(qiáng)度的人類活動導(dǎo)致重金屬等污染物質(zhì)通過大氣沉降、污水灌溉等途徑富集于農(nóng)田土壤。當(dāng)土壤中重金屬濃度過高時，不僅會降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，還會通過生物富集和放大，嚴(yán)重威脅生態(tài)系統(tǒng)和人類安全[1]。因此，合理評價土壤中重金屬的污染程度和風(fēng)險，并判斷可能的污染來源對重金屬污染治理極其重要[2-3]。

本研究以廣東省佛山市高明區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，通過合理的樣點布設(shè)，采集分析土壤中銅、鋅、鎳和鉻的含量，運(yùn)用地質(zhì)累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價其污染風(fēng)險，并結(jié)合地統(tǒng)計分析方法，對重金屬的空間分異特征進(jìn)行可視化分析并識別可能的污染來源。本研究為農(nóng)田土壤污染防控、農(nóng)田土壤治理修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，同時也為快速城市化區(qū)污染控制和生態(tài)保護(hù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省佛山市高明區(qū)，地處112°22′34″—112°55′06″E，22°38′46″—23°01′05″N。該地區(qū)處于廣東省中部，珠江三角洲西翼，素有“魚米之鄉(xiāng)”之美譽(yù)。地勢自西南向東北傾斜，大部分地區(qū)屬沖積平原，其次是低山丘陵臺地區(qū)。屬亞熱帶氣候區(qū)，日照充足，雨量充沛，氣候溫和而濕潤，無霜期長，受季風(fēng)影響，境內(nèi)有滄江河及其15條支流橫貫全區(qū)東西。

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(HJ/T166-2004)》的標(biāo)準(zhǔn)采樣程序，共采集了60個土壤表層樣品(0～20 cm)，研究區(qū)位置及采樣點分布如圖1所示。每個樣品由5個子樣混合組成，采樣時記錄采樣點經(jīng)緯度坐標(biāo)。將土壤樣品風(fēng)干，去除雜草、根系等雜物，采用2 mm篩過濾石粒。經(jīng)過研磨至全部通過孔徑100目尼龍篩，保存在聚氯乙烯袋中備用。土壤Cu、Cr、Ni、Zn含量采用火焰原子吸收光譜儀(Analytik Jena novAA 350)測定。重金屬全量分析過程中以環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)土壤GBW07430(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘測研究所)為質(zhì)量控制樣品，得到質(zhì)控樣品的各項重金屬元素含量回收率均在93%～105%范圍內(nèi)，同時在一定樣品數(shù)之間加入平行樣，平行樣標(biāo)準(zhǔn)偏差均在8%以內(nèi)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖Fig.1 Position in the study area and the sampling point distribution

1.3 土壤重金屬污染狀況評價

土壤重金屬污染評價方法采樣地質(zhì)累積指數(shù)法(Index of geoaccumulation，Igeo)和污染負(fù)荷指數(shù)(Pollution Load Index，PLI)。地質(zhì)累積指數(shù)法通過比較土壤中的測試濃度和自然地球化學(xué)背景值進(jìn)行分級，計算公式為[4]：

(1)

污染負(fù)荷指數(shù)用于直觀反映每種重金屬對采樣點綜合污染的貢獻(xiàn)程度，計算公式為[5]：

(2)

1.4 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價

(3)

(4)

表1 (a)地累積指數(shù)法Igeo值及評估標(biāo)準(zhǔn)；(b)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)PLI及評估標(biāo)準(zhǔn)；(c)潛在風(fēng)險指數(shù)及其評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 (a)Igeo value and the assessment standards; (b) Potential ecological risk index and the assessment standards; (c) Ecological risk factor and the assessment standards

1.5 統(tǒng)計和地統(tǒng)計分析

描述性統(tǒng)計采用SPSS20.0對土壤重金屬含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析(最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等)，地統(tǒng)計分析在ArcGis 10.2采用普通克里格方法Ordinary Kriging(OK)來繪制土壤重金屬空間分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬的描述性統(tǒng)計分析

表層土壤重金屬含量描述統(tǒng)計分析見表1。從表中可以看出，土壤中不同重金屬的含量差異較大，土壤中Cr、Ni、Cu和Zn全量的變幅為31.80～134.61、10.07～61.64、24.12～105.88、6.05～16.02 mg·kg-1，平均值分別為40.81、10.61、25.76、6.90 mg·kg-1，均未超過珠三角的背景值，且未超出《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值。但部分采樣點嚴(yán)重超過該地區(qū)的背景值，土壤中Cr、Ni、Cu和Zn分別有90.00%、35.00%、15.00%和21.67%的樣本超過該地區(qū)的背景值，其中土壤Cr的最大值接近背景值的2倍。變異系數(shù)(CV)可以說明該地區(qū)內(nèi)重金屬的空間分布均勻程度[4]，土壤中Cr、Ni、Cu和Zn的變異系數(shù)分別為15.13%、25.09%、26.79%和19.95%，表明該地區(qū)土壤中重金屬空間分異較小，污染分布均勻，說明該地區(qū)農(nóng)田土壤外源污染方式單一[4, 7]。

表2 土壤特性及重金屬含量描述統(tǒng)計(n=60)Table 2 Statistical results of soil properties and heavy metal contents (n=60)

①：以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值為評價標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 土壤中重金屬的污染狀況及風(fēng)險評價

為了定量評估該地區(qū)內(nèi)的污染狀況及風(fēng)險程度，分別計算地累積指數(shù)Igeo和污染負(fù)荷指數(shù)PLI，根據(jù)Igeo和PLI劃分污染等級劃(表1)，結(jié)果如圖2所示。地質(zhì)累積指數(shù)平均值大小依次為Cr>Zn>Ni>Cu，采樣點的地質(zhì)累積指數(shù)均小于1(圖2a)。此外，有50%的土壤樣品處于中等污染(1

為進(jìn)一步確定土壤重金屬的潛在風(fēng)險，采用瑞典科學(xué)家Hankanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行風(fēng)險評價(圖2b)。土壤中重金屬的采樣點累積風(fēng)險變幅為5.97～15.68，表明土壤中累積的重金屬對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)尚未構(gòu)成風(fēng)險。根據(jù)不同重金屬單項污染風(fēng)險指數(shù)按照Ni >Cu>Cr>Zn的順序降低，且最大單項污染風(fēng)險指數(shù)均小于40。因此，說明該地區(qū)土壤重金屬尚未對當(dāng)?shù)丨h(huán)境構(gòu)成潛在生態(tài)風(fēng)險。

圖2 重金屬(a)地累積指數(shù)和(b)潛在風(fēng)險指數(shù)Fig.2 (a) Geo-accumulation index and (b) ecological risk index of heavy metals

2.3 土壤重金屬的空間分異特征

重金屬的空間變化可用于確定熱點區(qū)域并識別土壤重金屬的潛在來源。普通克里格插值平均誤差(ME)接近于0，均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSSE)值在0.985～1.002之間，證明預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確。由重金屬的空間分布圖(圖3)可以看出，Ni、Cu和Zn的空間分布較為相似，高值區(qū)集中在研究區(qū)的東北位置，而該地區(qū)為人口密集的城鎮(zhèn)區(qū)，受人類活動影響較強(qiáng)，因此推斷重金屬Ni、Cu和Zn的累積可能為人為源。而Cr的高值區(qū)集中在研究區(qū)的東部，空間分布較均勻，高值區(qū)呈現(xiàn)點源污染，且靠近生峰坳山腳，因此推斷Cr的可能來源為成土母質(zhì)。

圖3 土壤重金屬的空間分異特征Fig.3 Spatial differentiation characteristics of heavy metals in the study area

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)土壤重金屬全量平均值均未超過珠三角的背景值，且未超出《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值。采樣點中Cr、Ni、Cu和Zn分別有90.00%、35.00%、15.00%和21.67%的樣本超過該地區(qū)的背景值，個別地區(qū)受人類活動影響嚴(yán)重。

(2)對研究區(qū)污染狀況及風(fēng)險評價結(jié)果表明，研究區(qū)土壤累積程度較低，重金屬受人為活動影響較小，尚未對當(dāng)?shù)丨h(huán)境構(gòu)成潛在生態(tài)風(fēng)險。

(3)對研究區(qū)土壤重金屬的空間分異特征研究結(jié)果表明，造成重金屬Ni、Cu和Zn的累積可能為人為源，Cr的可能來源為成土母質(zhì)。