中寧枸杞地農(nóng)田土壤重金屬污染特征分析

江海紅 賈 濤

（吳忠市科信環(huán)境檢測(cè)有限公司 寧夏吳忠 751100）

引言

土壤是維持人類(lèi)生存和發(fā)展的基本自然資源之一。隨著工農(nóng)業(yè)和城市化的快速發(fā)展，工業(yè)“三廢”排放和農(nóng)藥、化肥的使用以及城市生活垃圾的產(chǎn)生均有所增加，導(dǎo)致土壤受到不同程度的重金屬污染。根據(jù)前人的研究，發(fā)現(xiàn)重金屬污染具有難以控制、易于積累、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)[1][2]。而截至目前，我國(guó)約有17%的耕地遭受重金屬污染，且污染程度不同[3～5]。又有研究發(fā)現(xiàn)，重金屬污染既會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，又會(huì)在糧食、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中積累，最終進(jìn)入食物鏈，對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[6][7]。土壤中重金屬主要來(lái)自2 方面，一方面是自然母質(zhì)，即土壤形成過(guò)程中的原始物質(zhì)以及地質(zhì)活動(dòng)把重金屬?gòu)牡貧ぶ袔С觯涣硪环矫媸鞘侨藶橐蛩?，即人為活?dòng)干擾土壤產(chǎn)生的重金屬。其中人為活動(dòng)的干擾是導(dǎo)致土壤重金屬污染的主要原因。

近年來(lái)，在國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”“一帶一路”戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，我國(guó)中西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，但隨之而來(lái)的是生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題日益突出，特別是土壤重金屬污染的問(wèn)題。因此，本文以寧夏中寧縣舟塔鄉(xiāng)萬(wàn)畝無(wú)公害枸杞示范園為研究對(duì)象，對(duì)其土壤中的不同重金屬特征進(jìn)行檢測(cè)分析，并利用單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)估其土壤重金屬污染水平，以期為中寧縣以及相關(guān)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的研究提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中寧縣位于寧夏回族自治區(qū)中部、寧夏平原南端，地處黃河兩岸，是枸杞的發(fā)源地，有“中國(guó)枸杞之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。中寧縣地形以平原為主，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，具有晝夜溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日照充足的特點(diǎn)；該區(qū)域黃土土層深厚，土壤類(lèi)型主要為灰鈣土，局部地區(qū)為黃綿土，受氣候和植被的影響，土壤分化不明顯，腐殖質(zhì)含量低。目前，中寧縣以種植枸杞為主，春小麥、谷子、糜子、紅棗和馬鈴薯等也有少量種植，枸杞因品質(zhì)好、經(jīng)濟(jì)效益高，成為寧夏優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)之一，種植面積迅速擴(kuò)大。

1.2 樣品采集、處理與檢測(cè)

本研究共采集了32 個(gè)土壤樣品；采樣時(shí)間為2022 年10 月；采樣點(diǎn)均為枸杞地，采用平均分布布點(diǎn)法，每個(gè)采樣點(diǎn)在1m 的半徑內(nèi)利用不銹鋼鏟采集0～20cm 的表層土壤樣品4 個(gè)，混合后采用四分法留約0.5kg。采樣完成后裝入自封袋中，貼上標(biāo)簽運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室；在實(shí)驗(yàn)室將釆集的樣品自然晾干，先去除植物殘屑和砂礫等，后研磨過(guò)100 目尼龍篩備用。土壤樣品經(jīng)HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）檢測(cè)分析6 種重金屬Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、Mn 的含量，測(cè)定時(shí)每個(gè)樣品均采用3 組平行試驗(yàn)，取均值為樣品重金屬濃度[8～10]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤重金屬元素進(jìn)行空間變異分析，變異特征主要以變異函數(shù)Cv表示，見(jiàn)式（1）。

式中s—標(biāo)準(zhǔn)差；X—變量平均值；Cv—變異程度（通常將變異程度分為3 級(jí)，即Cv≤0.1 弱變異性；0.1＜Cv＜1 中等變異性；Cv≥1 強(qiáng)變異性）。

6 種重金屬Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Mn 的國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值見(jiàn)表1。

表1 國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值

（單位：mg/kg）

1.3.2 地統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤重金屬元素進(jìn)行空間變異特征分析，見(jiàn)式（2）。

1.3.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以全面反映出各污染物的污染狀況，同時(shí)突出較高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，計(jì)算分別見(jiàn)式（3）和式（4）。

式中Pi—土壤中重金屬元素i污染指數(shù)；Ci—重金屬元素i的含量(mg/kg)；Si—重金屬元素i的土壤元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11][12]。

單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別見(jiàn)表2 和表3。

表2 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 中寧枸杞地土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)特征

中寧枸杞地土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。從數(shù)值看，中寧枸杞地土壤6 種重金屬中，Zn、Cu、Pb、Cd、Cr 與Mn 的均值（單位：mg/kg）分別為65.82、36.98、49.2、0.58、132.24 與459.8，均低于國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值；其含量（單位：mg/kg）分別介于20.58～114.52、6.81～97.66、19.2～168.69、0.02～1.76、38.02～235.39、137.06～697.27，Cd 的極大值明顯超過(guò)了國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，Cu、Pb 的極大值較為接近國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。這說(shuō)明，中寧枸杞地的部分區(qū)域出現(xiàn)了相應(yīng)重金屬的累積。從變異系數(shù)看，中寧枸杞地土壤重金屬含量存在一定的空間分布差異。具體表現(xiàn)為6 種重金屬中，Cd 的變異系數(shù)大于1，屬于強(qiáng)變異；其余5 種重金屬的變異系數(shù)均介于0.1～1 之間，屬于中等變異。這說(shuō)明中寧枸杞地土壤中Cd 含量具有較大的空間變異，而其余重金屬含量的空間變異較小。

表4 中寧枸杞地土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果（單位：mg/kg）

對(duì)中寧枸杞地土壤重金屬進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，雖然可以反映該區(qū)域重金屬含量變化的狀況，但描述性統(tǒng)計(jì)的分析方法無(wú)法反映其空間結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性。因此，還需利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)重金屬的空間分布做進(jìn)一步研究。

2.2 中寧枸杞地土壤重金屬的空間特征

利用地統(tǒng)計(jì)中的半方差函數(shù)對(duì)中寧枸杞地土壤重金屬含量空間分布進(jìn)行研究，得到的半方差函數(shù)模型與參數(shù)見(jiàn)表5。從所屬模型看，Zn 屬于指數(shù)模型，Cd、Cr 屬于球形模型，Pb、Mn、Cu屬于高斯模型。從決定系數(shù)看，Zn、Cd、Cr、Pb、Mn與Cu的決定系數(shù)（R2）均介于0.214～0.632之間，較好反映了6 種重金屬元素的空間變異結(jié)構(gòu)。從塊金系數(shù)看，Zn 與Cr 的塊金系數(shù)分別為93.78%與97.74%，這說(shuō)明中寧枸杞地土壤各樣點(diǎn)的Zn 與Cr 元素呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性和獨(dú)立性，受耕作措施、施肥、污染等隨機(jī)因素的影響大，其余4 種元素的塊金系數(shù)均大于25%，說(shuō)明其受隨機(jī)因素的影響較大，受氣候、土壤類(lèi)型和地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響較小。從變程看，Zn、Cd、Cr、Pb、Mn 與Cu 的變程（單位：m）分別為1223、173、282、780、615 與525，這說(shuō)明Zn、Cd、Cr、Pb、Mn 與Cu 分 別 在1223m、173m、282m、780m、615m 與525m 的范圍內(nèi)有空間自相關(guān)性。

表5 中寧枸杞地土壤重金屬含量地統(tǒng)計(jì)分析

2.3 中寧枸杞地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

利用單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)中寧枸杞地各采樣點(diǎn)土壤重金屬進(jìn)行分析，具體結(jié)果見(jiàn)表6。通過(guò)單因子指數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)在中寧枸杞地土壤中，Zn、Pb 的無(wú)污染比例為100%，而Cr、Cd 與Cu 的無(wú)污染比例分別為88.37%、96.87%與93.75%，輕度污染比例分別為11.63%、3.13%與6.25%，這說(shuō)明中寧枸杞地未發(fā)生Zn、Pb 的污染，Cr、Cd、Cu 呈現(xiàn)一定的輕度污染，無(wú)中度與重度污染。通過(guò)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)在中寧枸杞地土壤中，6 種重金屬的無(wú)污染比例為92.63%，輕度污染比例為7.37%，無(wú)中度與重度污染，這說(shuō)明中寧枸杞地出現(xiàn)了輕度重金屬污染。

表6 中寧枸杞地土壤重金屬污染指數(shù)

2.4 中寧枸杞地土壤重金屬來(lái)源分析

中寧枸杞地土壤重金屬來(lái)源廣泛，除受成土作用外，還包括工業(yè)和交通以及農(nóng)業(yè)行業(yè)本身的影響。研究區(qū)被道路分割，且周?chē)休^多民居，部分機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣以及居民冬季燒煤取暖所產(chǎn)生的污染物質(zhì)會(huì)通過(guò)大氣沉降的方式使土壤中的Zn含量增加。汽車(chē)輪胎為了增加耐磨性，會(huì)在橡膠中添加 Cd，因此交通比較頻繁的地方， Cd 的含量比較多。大量農(nóng)藥化肥的使用也是導(dǎo)致土壤重金屬含量增加的重要原因。雖然中寧枸杞的抗逆性比較強(qiáng)，但仍然很難避免發(fā)生病蟲(chóng)害（如黑果病和根腐?。枰ㄆ趪娛┺r(nóng)藥，而可濕性代森鋅會(huì)向環(huán)境中釋放Zn,長(zhǎng)期使用還會(huì)造成重金屬的富集；枸杞地土壤使用的肥料主要是氮肥、磷酸肥、硫銨、硝銨、農(nóng)家肥等，氮肥Pb 含量較高，磷酸肥含較多Cd，未經(jīng)科學(xué)處理的農(nóng)家肥會(huì)將重金屬帶入土壤；而農(nóng)膜的大量使用，也會(huì)導(dǎo)致土壤中Cd 和Pb 含量的增加。枸杞地的灌溉主要依靠黃河水，隨著黃河水水質(zhì)污染情況加劇，重金屬元素也會(huì)在灌溉過(guò)程中進(jìn)行富集。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)中寧枸杞地的6 種土壤重金屬進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)從描述性統(tǒng)計(jì)分析看， 6 種重金屬的均值均小于國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但部分區(qū)域可能出現(xiàn)了Cd、Cu、Pb 的累積；Cd 屬于強(qiáng)變異，其余5 種重金屬均屬中等變異。從地統(tǒng)計(jì)分析看，Zn、Cr 元素的塊金系數(shù)很大，說(shuō)明該區(qū)域土壤各樣點(diǎn)的Zn 與Cr 元素呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性和獨(dú)立性，受耕作措施、施肥、污染等隨機(jī)因素的影響大。從單因子指數(shù)看，Cd、Cu、Cr 呈現(xiàn)出輕度污染。從內(nèi)梅羅綜合指數(shù)看，土壤中出現(xiàn)了輕度重金屬污染。從來(lái)源分析發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬除受成土作用外，還會(huì)受到交通和大氣沉降以及農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥、化肥、灌溉等的影響。