沐川某農(nóng)田土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉俊秀，蒙金偉

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

土壤作為生物圈中最活躍的部分，是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也易受到人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染所破壞[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化工冶煉、采礦活動(dòng)、煤炭燃燒、汽車尾氣排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用大量化肥農(nóng)藥和污水灌溉等人類活動(dòng)使得諸多有害物質(zhì)進(jìn)入土壤系統(tǒng)，土壤重金屬污染狀況日益嚴(yán)重[2-4]。重金屬污染具有隱蔽性、不可逆性、破壞性大等特點(diǎn)，重金屬進(jìn)入土壤環(huán)境后逐年積累且難以被微生物降解，導(dǎo)致農(nóng)田土壤肥力退化，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量下降，最終通過食物鏈方式進(jìn)入人體，進(jìn)而對(duì)人類健康產(chǎn)生危害[5-7]。

本文運(yùn)用地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)該地土壤重金屬總量進(jìn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)用次生相與原生相分布比值法評(píng)價(jià)對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期評(píng)價(jià)該地土壤中重金屬元素的污染狀況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川沐川縣，如圖1所示。沐川縣位于四川盆地西南地區(qū)，東接宜賓，南連山縣，北靠沙灣區(qū)、犍為縣，西與峨邊縣接壤，西南與馬邊縣毗鄰。該區(qū)地勢(shì)呈東北高，西南低。研究區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。土地利用類型主要以水田、旱地和林地為主，地塊破碎，山間梯田多，平地少，以種植水稻、玉米和茶葉等農(nóng)作物為主。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.2 采樣與分析

按照梅花布點(diǎn)法采集深度為0～20 cm表層土壤樣品，將樣品集中混勻后裝入樣品袋。樣品經(jīng)自然風(fēng)干，將石礫和植物根系去除，研磨過100目尼龍篩備用。Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni通過電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定；As通過原子熒光光譜(AFS)測(cè)定。土壤pH由水土比1∶2.5比例混勻后使用酸度計(jì)(PHS-320)測(cè)定。土壤重金屬賦存形態(tài)的提取方法采用改進(jìn)的BCR連續(xù)提取法[8]。

1.3 土壤重金屬元素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

地累積指數(shù)法是由Müller提出[9]，而后被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[10-12]。其計(jì)算方式為：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(1)

式中：Igeo為地累積指數(shù)；Cn為土壤樣品重金屬實(shí)測(cè)值，mg/kg；Bn是重金屬元素背景值(本研究采用四川省土壤背景值)，mg/kg；K為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值變動(dòng)設(shè)置的系數(shù)，一般取值為1.5[13]。地累積指數(shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 地累積指數(shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典研究人員Hakanson[14]提出的一種評(píng)價(jià)方法，而后也成為國(guó)內(nèi)外土壤重金屬污染評(píng)價(jià)所使用的方法。本文將采用潛在生態(tài)危害指數(shù)來評(píng)價(jià)研究區(qū)重金屬綜合污染。其計(jì)算方式為：

(2)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

次生相與原生相分布比值法(RSP)可根據(jù)重金屬形態(tài)評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境污染的潛在污染程度[17]。該方法中原生相是指土壤重金屬中的殘?jiān)鼞B(tài)，次生相是指土壤重金屬中除殘?jiān)鼞B(tài)以外的其他形態(tài)，其計(jì)算公式為：

KRSP=MSEC/MPRIM

(3)

式中，KRSP為次生相與原生相比值；MSEC為土壤中次生相重金屬元素含量；MPRIM為土壤中原生相重金屬元素含量。RSP評(píng)價(jià)污染等級(jí)：KRSP≤1為無污染；13為重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，重金屬含量變化范圍分別為As(7.00～13.40 mg/kg)、Cd(0.26～0.46 mg/kg)、Cr(58.00～83.00 mg/kg)、Cu(16.40～49.40 mg/kg)、Ni(22.10～38.10 mg/kg)、Pb(29.30～39.00 mg/kg)、Zn(76.00～131.00 mg/kg)。其中Cd、Pb重金屬元素平均值超過四川省土壤背景值，分別是四川省土壤背景值的4.13、1.07倍。與《土壤環(huán)境質(zhì)量—農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(試行)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，7種重金屬中僅Cd超過國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，是標(biāo)準(zhǔn)值的1.10倍，表明研究區(qū)Cd存在污染風(fēng)險(xiǎn)。

表3 研究區(qū)土壤重金屬含量特征

2.2 土壤重金屬地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

根據(jù)公式計(jì)算出研究區(qū)土壤重金屬地累積指數(shù)Igeo，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。As的Igeo值變化區(qū)間為-1.16～0.56；Cd的Igeo值變化區(qū)間為1.12～1.94；Cr的Igeo值變化區(qū)間為-0.51～-1.03；Cu的Igeo值變化區(qū)間為-1.51～0.08；Ni的Igeo值變化區(qū)間為-1.15～-0.36；Pb的Igeo值變化區(qū)間為-0.25～-0.66；Zn的Igeo值變化區(qū)間為-0.76～0.03。所有采樣點(diǎn)中Cd的Igeo值均大于1，處于中度污染；As的GS09點(diǎn)位、Cu的GS02點(diǎn)位、Zn的GS05和GS11點(diǎn)位Igeo值大于0，處于輕微污染，其余樣點(diǎn)土壤重金屬均為無污染。因此，該區(qū)土壤中Cd污染風(fēng)險(xiǎn)程度較大，各重金屬元素污染程度大小以次為Cd>Zn>Pb>Cu>Ni>As>Cr。

圖2 土壤重金屬地累積指數(shù)箱形圖

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)公式計(jì)算出研究區(qū)農(nóng)田土壤中7種重金屬中As的Ei為6.73～12.88，Cd的Ei為98.73～174.68，Cr的Ei為1.47～2.10，Cu的Ei為2.64～7.94，Ni的Ei為3.39～5.84，Pb的Ei為4.74～6.31，Zn的Ei為0.89～1.53。研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示，平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，其中Cd的平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到了強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)程度，其余6種重金屬都屬于輕微風(fēng)險(xiǎn)程度。綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)值為122.87～199.50，平均值為152.44，風(fēng)險(xiǎn)程度屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，其中貢獻(xiàn)率最高的是Cd元素，占總貢獻(xiàn)率的82.43%，說明該地區(qū)土壤主要存在Cd污染。

表4 土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)結(jié)果

2.4 土壤重金屬賦存形態(tài)分布特征與評(píng)價(jià)

通過改進(jìn)的BCR連續(xù)提取法對(duì)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn六種重金屬進(jìn)行形態(tài)分析，結(jié)果如圖3所示。除Cd外，其余重金屬元素主要以殘?jiān)鼞B(tài)為主，其中As的酸可提取態(tài)和可氧化態(tài)占比為0.97%、3.42%，可還原態(tài)占比為12.97%，殘?jiān)鼞B(tài)為85.65%，穩(wěn)定性較高。土壤中Cd主要以酸可提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主，占比分別為37.77%和38.12%，可還原態(tài)占比為19.25%，可氧化態(tài)占比為4.86%。土壤中Cr以殘?jiān)鼞B(tài)為主，占比為81.57%，其次是可氧化態(tài)(16.79%)，可還原態(tài)(0.87%)和酸可提取態(tài)(0.78%)最少。土壤中Cu以殘?jiān)鼞B(tài)為主，占比76.70%，其次為可氧化態(tài)(16.36%)，酸可提取態(tài)(3.28%)和可氧化態(tài)(3.67%)占比最少。土壤中Ni主要以殘?jiān)鼞B(tài)為主，其占比為89.16%，其余酸可提取態(tài)、可還原態(tài)及可氧化態(tài)占比分別為2.69%、1.82%、6.32%。

圖3 土壤重金屬形態(tài)分布特征

RSP評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，土壤重金屬Cd的RSP值波動(dòng)范圍顯著高于其余重金屬，其范圍為0.99～3.10，而As、Cr、Cu、Ni和Zn的范圍為0.13～0.29、0.16～0.34、0.13～0.51、0.08～0.17、0.12～0.54。對(duì)于As、Cr、Cu、Ni和Zn而言，RSP值均不超過1，說明這五種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。根據(jù)RSP數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均值可以看出，該研究區(qū)土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度依次為：Cd(1.62)>Cu(0.30)>Cr(0.23)>As(0.21)=Zn(0.21)>Ni(0.12)，除Cd為輕度污染風(fēng)險(xiǎn)外，As、Cr、Cu、Ni和Zn均為無污染。

3 結(jié) 論

研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cd的平均含量超過國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，Pb平均含量超過四川省土壤背景值，而As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn均未超過國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)土壤重金屬Cd為中等污染程度，As、Cu、Zn個(gè)別點(diǎn)位存在輕微污染程度，其余重金屬均為無污染。研究區(qū)土壤Cd的平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到了強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)程度，其余6種重金屬為輕微風(fēng)險(xiǎn)程度。綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)處于中等風(fēng)險(xiǎn)，其中Cd元素貢獻(xiàn)率最高。

土壤中As、Cr、Cu、Ni和Zn以殘?jiān)鼞B(tài)為主，穩(wěn)定性較高。土壤中Cd主要以酸可提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主。次生相與原生相分布比值法(RSP)評(píng)價(jià)顯示，Cd為輕度污染風(fēng)險(xiǎn)，As、Cr、Cu、Ni和Zn均為無污染。