污灌對周邊農(nóng)田土壤砷垂直分布特征及評價研究

趙悅彤 魏張東

（河南大學(xué)邁阿密學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

由于我國城市化進(jìn)程的加快以及工業(yè)的快速發(fā)展，我國土壤正在承受著來自多方面的壓力［1］。隨著砷在冶金業(yè)、醫(yī)療、電子等方面的廣泛應(yīng)用，大量的砷進(jìn)入土壤中，造成嚴(yán)重的土壤污染。由于土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性、累積性等特點［2］，因此進(jìn)入土壤的砷容易在作物體內(nèi)富集，導(dǎo)致砷濃度越來越高，影響作物的生長發(fā)育狀況，之后通過食物鏈的傳遞最終危害人體健康［3］。進(jìn)入土壤的砷多以三價砷和五價砷的形態(tài)存在，兩種形態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)化，且三價砷的毒性遠(yuǎn)高于五價砷，其毒性約為五價砷毒性的60倍［4］。據(jù)統(tǒng)計，我國土壤砷濃度的平均含量為11.2 mg/kg［5］，而我國省會城市重金屬砷濃度的均值為12.44 mg/kg［6］，這一數(shù)值已超過砷的土壤環(huán)境背景值，這表明我國大部分地區(qū)的土壤已經(jīng)出現(xiàn)土壤砷污染的現(xiàn)象，一定程度上造成了生態(tài)環(huán)境的惡化，對人類健康構(gòu)成潛在威脅。土壤重金屬污染來源廣泛，除了土壤母質(zhì)來源，還包括大氣沉降、工業(yè)固體廢棄物的不當(dāng)處置、礦業(yè)活動、農(nóng)藥和化肥等，污水灌溉也是導(dǎo)致土壤出現(xiàn)重金屬污染的重要原因之一［7］。我國作為農(nóng)業(yè)大國，糧食種植面積1.2×108hm2，農(nóng)業(yè)用水量在全國用水總量中所占的比例已經(jīng)達(dá)到70%以上，每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水量達(dá)到3×1010m3［8］。早期由于水資源較缺乏，我國自1957年開始引用化肥河中的污水，將其用于澆灌農(nóng)田，化肥河沿途接納來自化肥廠、化工廠等各工礦企業(yè)所排放的污水，而工業(yè)污水中含有不利于作物生長發(fā)育的重金屬砷等。目前，我國許多地區(qū)的糧食、蔬果等食物中已經(jīng)出現(xiàn)砷、鉛重金屬含量超標(biāo)的現(xiàn)象［9］。本研究以開封市東郊惠濟(jì)河一帶的污灌區(qū)作為研究對象，沿污灌河從南到北設(shè)置三條采樣輻射線，然后對農(nóng)田土壤分層采樣，測定土壤中重金屬砷的含量，分析距污灌河不同距離的土壤剖面的污染狀況，利用單因子污染指數(shù)法以及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)域進(jìn)行污染風(fēng)險評價，從而為重金屬砷污染土壤修復(fù)治理、科學(xué)合理地利用土壤資源提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于河南省開封市東郊惠濟(jì)河一帶，該污灌區(qū)總面積約400 hm2，土壤類型主要以潮土為主，化肥河由北向南貫穿該研究區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在14℃左右。東郊溝是惠濟(jì)河上游支流之一，整體呈南北走向，發(fā)源于開封市東北的防洪大堤，流經(jīng)順河回族區(qū)、禹王臺區(qū)和祥符區(qū)，最終匯入惠濟(jì)河，全長約15 km，沿途接納化肥廠、化工廠、煉鋅廠、藥業(yè)公司等工礦企業(yè)所排放的工業(yè)廢水，目前年均接納工業(yè)廢水量約2.2×107t［10］。

1.2 樣品的采集與測定

沿東郊溝自南向北依次選取三個樣區(qū)（P1、P2、P3），在每個樣區(qū)中，每間隔100 m設(shè)置一個土壤剖面，三個樣區(qū)共設(shè)置9個土壤剖面，具體的剖面設(shè)置情況見表1。在各土壤剖面進(jìn)行分層采樣，在0~110 cm段每隔5 cm采集一份土壤樣品，將同層土樣混合均勻后，各取1 kg土樣，分別裝入樣品袋。由于P3區(qū)域的P3-B樣點在采集過程中出現(xiàn)地下水滲出的現(xiàn)象，故P3-B樣點剖面樣品采集到80 cm處。三個土壤剖面共采集192份土壤樣品。將土壤樣品放置于通風(fēng)整潔、無揚塵的室內(nèi)，使其自然風(fēng)干，進(jìn)行磨碎處理后過100目篩，分裝保存，用于后續(xù)試驗操作。

表1 土壤剖面的基本情況

使用微波消解/原子熒光法（原子熒光分光光度計，AFS-3100，北京海光儀器有限公司）測定土壤中重金屬砷含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、計算與分析，并采用Origin軟件進(jìn)行繪圖操作。

1.4 評價方法

本研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法［11］對該研究區(qū)域土壤剖面的重金屬污染程度進(jìn)行評價，單因子與多因子相結(jié)合的評價方式可以更準(zhǔn)確客觀地判斷該地區(qū)的污染狀況。

1.4.1 單因子污染指數(shù)法。單因子污染指數(shù)法是一種利用實測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)對比分類的方法，其計算公式如式（1）。

式中：P i為重金屬i的污染指數(shù)；C i為重金屬i的實測濃度值，mg/kg；S i為重金屬i的背景值，mg/kg。

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是當(dāng)前國內(nèi)外計算綜合污染指數(shù)最常用的計算方式之一，其計算公式如式（2）。

式中：P綜為綜合污染指數(shù)；Pˉ為單因子污染指數(shù)的平均值；P imax為單因子污染指數(shù)的最大值。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)土壤剖面砷含量的垂直分布

研究區(qū)域P1的三個樣點處土壤剖面不同深度砷含量見圖1。

圖1 P1樣區(qū)各土壤剖面不同深度砷含量

P1樣區(qū)整體砷含量在3.77~46.20 mg/kg，砷濃度平均值為21.16 mg/kg，表層0~30 cm的土壤受到重金屬砷污染的程度最高。P1-A土壤剖面砷濃度平均值為14.45 mg/kg，最大值為46.20 mg/kg，最小值為3.77 mg/kg；P1-B土壤剖面砷濃度平均值為12.61 mg/kg，最大值為31.98 mg/kg，最小值為5.64 mg/kg；P1-C土壤剖面砷濃度平均值為4.67 mg/kg，最大值為6.02 mg/kg，最小值為3.83 mg/kg。因此，在P1樣區(qū)中，距化肥河最近的樣點P1-A受到污染的程度最嚴(yán)重，樣點P1-B次之，并且這兩處樣點的0~30 cm段土壤砷含量均已超過我國土壤砷濃度的背景值，距離污灌河最遠(yuǎn)的樣點P1-C受到重金屬砷的影響最小。

研究區(qū)域P2的三個樣點處土壤剖面不同深度砷含量見圖2。

圖2 P2樣區(qū)各土壤剖面不同深度砷含量

P2樣區(qū)整體砷含量在2.81～32.13 mg/kg，砷濃度平均值為10.47 mg/kg。P2-A土壤剖面砷濃度平均值為12.82 mg/kg，最大值為27.31 mg/kg，最小值為3.41 mg/kg；P2-B土壤剖面砷濃度平均值為13.66 mg/kg，最大值為32.13 mg/kg，最小值為6.25 mg/kg；P2-C土壤剖面砷濃度平均值為4.94 mg/kg，最大值為12.21 mg/kg，最小值為2.81 mg/kg。由于P2樣區(qū)周邊存在化肥廠等工礦企業(yè)，加之受到化肥河污灌的影響，因此也受到了較嚴(yán)重的土壤污染，且污染主要集中在土壤表層。

研究區(qū)域P3的三個樣點處土壤剖面不同深度砷含量見圖3。

圖3 P3樣區(qū)各土壤剖面不同深度砷含量

P3樣區(qū)整體砷含量在2.72~9.00 mg/kg，砷濃度平均值為6.15 mg/kg。P3-A土壤剖面砷濃度平均值為6.07 mg/kg，最大值為8.05 mg/kg，最小值為3.87 mg/kg；P3-B土壤剖面砷濃度平均值為8.03 mg/kg，最大值為9.00 mg/kg，最小值為6.49 mg/kg；P3-C土壤剖面砷濃度平均值為4.35 mg/kg，最大值為6.39 mg/kg，最小值為2.72 mg/kg。P3樣區(qū)由于整體距離污染源較遠(yuǎn)，且周邊無工礦企業(yè)等的影響，因此整體污染程度較輕，且重金屬砷的含量均低于我國土壤砷環(huán)境背景值。

2.2 土壤剖面砷污染風(fēng)險評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)法。單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

將各研究區(qū)域土壤剖面不同深度下的砷濃度值代入式（1）計算，得到的單因子污染指數(shù)見圖4。

圖4 各研究區(qū)域土壤剖面單因子污染指數(shù)

由圖4可以看出，就研究區(qū)域P1土壤剖面而言，36~75 cm段以及96～110 cm質(zhì)量等級為清潔，31~35 cm段以及76~95 cm段質(zhì)量等級為尚清潔，0～30 cm段質(zhì)量等級為超標(biāo)；對于研究區(qū)域P2，56~60 cm段、81~90 cm段以及96~110 cm段質(zhì)量等級為清潔，41~55 cm段、61~80 cm段以及91~95 cm段質(zhì)量等級為尚清潔，0~40 cm段質(zhì)量等級為超標(biāo)；而研究區(qū)域P3的0~10 cm段、26~30 cm段以及46~110 cm段質(zhì)量等級為清潔，11~25 cm段以及31~45 cm段質(zhì)量等級為尚清潔，不存在質(zhì)量等級超標(biāo)的區(qū)域。因此，在污染程度方面，P3區(qū)域土壤受污染程度最輕，而P1及P2均存在質(zhì)量等級超標(biāo)的部分，出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的土壤砷污染現(xiàn)象。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)代入式（2）中，可分別求得三個研究區(qū)域土壤剖面的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，見圖5。

圖5 各研究區(qū)域土壤剖面內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

由圖5可知，研究區(qū)域P1的36~110 cm段均處于安全或警戒程度，31~35 cm段污染程度為輕度污染，16~30 cm段污染程度為中度污染，0~15 cm段污染程度為嚴(yán)重污染；研究區(qū)域P2的56~110 cm段污染程度為安全或警戒，31~55 cm段污染程度為輕度污染，0~30 cm段污染程度為中度污染，無重度污染區(qū)域；而研究區(qū)域P3則全部處于安全或警戒程度。由此可見，三個區(qū)域所受到的土壤污染程度不同，污染程度P1＞P2＞P3，與單因子污染指數(shù)法所得結(jié)果基本相符。

3 結(jié)論

①污灌區(qū)農(nóng)田常年引用東郊溝的污水直接對農(nóng)田進(jìn)行澆灌，各樣區(qū)分別出現(xiàn)了不同程度的土壤重金屬污染，但每個土壤剖面的砷含量存在差異?？傮w來看，總體土壤污染程度P1＞P2＞P3，且砷污染基本都集中在表層土壤，P1及P2樣區(qū)各有兩個樣點0~30 cm段的土壤砷含量已超過我國土壤砷的背景值，受污染程度較嚴(yán)重。

②隨著土壤深度的增加，三個樣區(qū)的土壤砷污染程度均呈下降趨勢。P1樣區(qū)土壤砷污染主要集中在0～30 cm段，31~40 cm段污染程度大幅下降，在41～110 cm段砷含量趨于穩(wěn)定；P2樣區(qū)0~50 cm段污染較嚴(yán)重，砷濃度遠(yuǎn)超過土壤背景值，51~110 cm段污染程度減緩且砷濃度逐漸趨于穩(wěn)定；P3樣區(qū)整體砷含量差異較小且不存在污染較嚴(yán)重的區(qū)域。隨著與東郊溝距離的增加，污灌區(qū)農(nóng)田土壤砷濃度呈下降趨勢，但由于P2樣區(qū)周圍存在工礦企業(yè)，所以部分樣點砷濃度較高。在P1樣區(qū)中，P1-A及P1-B兩個樣點由于距離東郊溝較近，受到重金屬砷的影響更大，污染更嚴(yán)重，而P1-C樣點距東郊溝較遠(yuǎn)，受污染程度較輕；在P2樣區(qū)中，由于樣區(qū)附近建設(shè)有化肥廠等工礦企業(yè)，因此該樣區(qū)也受到了一定程度的重金屬污染，P2-A及P2-B兩個樣點由于距離相對更近，受污染則相對較嚴(yán)重，而P2-C樣點由于遠(yuǎn)離化肥河及化肥廠，受影響較小，土壤砷濃度低于背景值；P3樣區(qū)整體距化肥河較遠(yuǎn)且無工礦企業(yè)等的影響，砷濃度較低，土壤污染程度較輕。