遼寧沈撫污灌區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

綦巍，王恩德，曾婧

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.遼寧省國(guó)土資源廳，遼寧沈陽110032）

遼寧沈撫污灌區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

綦巍1,2，王恩德1，曾婧1

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.遼寧省國(guó)土資源廳，遼寧沈陽110032）

遼寧省沈撫污灌區(qū)自上世紀(jì)60年代以來開始接受污水灌溉，直到2000年左右才停止.由于長(zhǎng)期接受污水灌溉，土壤污染比較嚴(yán)重.通過分析污灌區(qū)的土壤中4種重金屬元素Zn、Cu、Pb、Cd含量，采用地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)方法，對(duì)其地球化學(xué)特征及空間分布進(jìn)行了探討.結(jié)果表明：元素Cu和Zn的污染范圍最廣，元素Cd的污染程度最高，4種重金屬元素污染程度排序?yàn)镃u＞Zn＞Cd＞Pb.各元素在空間上造成的污染排序如下：李石寨（樣點(diǎn)7）＞三寶屯（樣點(diǎn)1）＞劉爾屯（樣點(diǎn)5）＞四方臺(tái)（樣點(diǎn)8）＞小瓦村（樣點(diǎn)15）.

沈撫污灌區(qū)；重金屬地球化學(xué)；環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)；地質(zhì)累積指數(shù)；遼寧省

Abstract：The Shenyang-Fushun area had been irrigated by industrial and life sewage since 1960s until 2000.The soil pollution is serious for the long-term of sewage irrigation.The contents of heavy metal elements of Zn,Cu,Pb and Cd in the soil of the irrigation area are analyzed to probe their geochemical characteristics and spatial distribution.The results show that,Cu and Zn have the widest range of pollution,while Cd has the highest pollution level.Generally,the pollution degree of the four elements is in the order:Cu＞Zn＞Cd＞Pb.The extent of pollution caused by these elements in space is as follows:Lishizhai（S07）＞Sanbaotun（S01）＞Liuertun（S05）＞Sifangtai（S08）＞Xiaowacuny（S15）.

Key words：Shenyang-Fushun sewage irrigation area;heavy metal geochemistry;l environmental quality assessment;geoaccumulation index;Liaoning Province

0 引言

污水灌溉是迄今為止最主要的廢水利用方式，其目的是利用污水中含有的氮、磷等的營(yíng)養(yǎng)元素.自20世紀(jì)50年代以來在全世界范圍內(nèi)（尤其在干旱－半干旱地區(qū)）得到了廣泛應(yīng)用，污水灌溉有效解決了農(nóng)田缺水、補(bǔ)充土壤養(yǎng)分和污水凈化等問題.我國(guó)也于20世紀(jì)50年代末至60年代初開始有組織的大規(guī)模污灌，在20世紀(jì)70～90年代得到迅速的發(fā)展.據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)污灌面積在1998年達(dá)361.8×104hm2，是1963年的88倍之多，占全國(guó)灌溉總面積的7.3%［1］.污水灌溉在帶來作物高產(chǎn)，緩解污水處理壓力的同時(shí)，也導(dǎo)致農(nóng)田的嚴(yán)重污染.污水中含有的微量重金屬Cd、Cu、Zn、Pb等，在污灌區(qū)內(nèi)長(zhǎng)期積累并通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)居民的健康造成嚴(yán)重影響［2］.本文通過野外采樣、實(shí)驗(yàn)分析等方法研究灌區(qū)的重金屬元素地球化學(xué)性質(zhì)和遷移過程，對(duì)遼寧沈撫灌區(qū)進(jìn)行污染評(píng)價(jià).

1 研究區(qū)概況

沈撫灌區(qū)位于沈陽市和撫順市之間，地理位置為東經(jīng)123°21′～123°45′，北緯41°39′～41°51′，屬于季風(fēng)影響的濕潤(rùn)—半濕暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫6～8℃，年均降雨量為650～800 mm，年蒸發(fā)強(qiáng)度為1440 mm，冬季最低氣溫可達(dá)－32℃.

沈撫灌渠自1960年開始修建，干渠全長(zhǎng)約70 km，始自撫順市石油二廠，沿途接納撫順市數(shù)十家企業(yè)排放的工業(yè)廢水和生活污水，總計(jì)約25×104t，于沈陽市東陵區(qū)深井子鎮(zhèn)進(jìn)入沈陽，最后匯入太子河.1973年又修建了東陵支渠，污灌面積進(jìn)一步擴(kuò)大到1.3×104hm2.它是我國(guó)污水灌溉年限較長(zhǎng)、面積最大的石油污水灌區(qū)［3］.

2 方法

2.1 樣品采集

本次樣品采集采用網(wǎng)格化布點(diǎn)，以1 km×1 km為一小格在研究區(qū)面積約15 km2的范圍內(nèi)選取15個(gè)樣點(diǎn)，采集其0～20 cm深度的土壤，共采集土壤樣品15件.

2.2 測(cè)試方法

土壤樣品自然風(fēng)干后過100目尼龍篩.樣品經(jīng)過HCl－HNO3－HClO4消化處理后，用AA240FS型原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定土壤樣品中Zn、Cu、Pb、Cd的含量.

2.3 地質(zhì)累積指數(shù)法

根據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用地質(zhì)累積指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)土壤污染程度評(píng)價(jià).地質(zhì)累積指數(shù)（geoaccumulation index）是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的廣泛用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，尤其用于研究現(xiàn)代沉積物中重金屬污染的評(píng)價(jià)［4-7］.地質(zhì)累積指數(shù)的計(jì)算式為：

式中Cn是元素n在沉積物中的濃度；Bn是沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值；k是考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)（一般取值為1.5）.

地質(zhì)累積指數(shù)共分為0～6級(jí)，表示污染程度由無至極強(qiáng).最高一級(jí)（6級(jí)）的元素含量可能是背景值的幾百倍.Igeo值與重金屬污染程度的關(guān)系見表1.

表1 地質(zhì)累積指數(shù)與污染程度分級(jí)Table1 Contamination degree corresponding to geoaccumulation index

在應(yīng)用地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)沉積物重金屬污染時(shí)，應(yīng)選擇與沉積物有顯著聯(lián)系的地球化學(xué)背景值.由此而進(jìn)行的污染狀況分析才能更真實(shí)地反映實(shí)時(shí)污染程度.為此，本文所分析的4種重金屬元素的背景值參考了遼寧省土壤環(huán)境重金屬背景值［8］（見表2）.

表2 各樣點(diǎn)土壤中重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)特征Table2 Statistic eigenvalue of heavy metal elements in the soil samples

3 結(jié)果分析

3.1 土壤中重金屬元素基本統(tǒng)計(jì)特征

土壤中重金屬元素總量主要與成土母質(zhì)有關(guān)，同時(shí)還受到成土過程中的淋洗、風(fēng)化及植物吸收富集、歸還以及人類活動(dòng)等因素影響.研究區(qū)土壤重金屬總量見表2、圖1.

圖1 土壤中4種重金屬元素等值線圖Fig.1 Contour maps of four heavy metal elements in the soil

由測(cè)試結(jié)果可知（表2、3），研究區(qū)土壤中Zn含量的變化范圍為32.93×10－6～197.85×10－6，平均值82.47×10－6，變異系數(shù)0.47.所有樣點(diǎn)的Zn含量都超過了背景值，13個(gè)樣點(diǎn)的Zn含量超過了背景值的100%以上，其中樣點(diǎn)7（李石寨）超過背景值的602%，樣點(diǎn)8（四方臺(tái)）超過背景值的328%，樣點(diǎn)5（劉爾屯）超過背景值的298%.

表3 研究區(qū)土壤中重金屬元素超出背景值的百分比含量Table3 The percentage of heavy metal element contents in contrast to the background value

Cu含量的變化范圍為17.14×10－6～49.89×10－6，平均值32.79×10－6，變異系數(shù)0.26.所有樣點(diǎn)的Cu含量都超過了背景值，14個(gè)樣點(diǎn)的Cu含量超過了背景值的100%，其中樣點(diǎn)7（李石寨）超過背景值的405%，樣點(diǎn)8（四方臺(tái)）超過背景值的359%，樣點(diǎn)15（小瓦村）超過背景值的341%，此外還有7個(gè)樣點(diǎn)超過背景值的200%.

Pb含量的變化范圍為4.13×10－6～49.25×10－6，平均值20.27×10－6，變異系數(shù)0.62.11個(gè)樣點(diǎn)的Pb含量超過了背景值，5個(gè)樣點(diǎn)的Pb含量超過了背景值的100%以上，其中，樣點(diǎn)8（四方臺(tái)）超過背景值的382%，樣點(diǎn)7（李石寨）超過背景值的357%.

Cd含量的變化范圍為0.005×10-6～0.88×10-6，平均值0.18×10-6，變異系數(shù)1.38.7個(gè)樣點(diǎn)的Cd含量超過了背景值200%以上，其中樣點(diǎn)9超過背景值的1696%，樣點(diǎn)1（三寶屯）超過背景值的757%，樣點(diǎn)7（李石寨）超過背景值的635%，樣點(diǎn)5（劉爾屯）超過背景值的595%，樣點(diǎn)15（小瓦村）超過背景值的573%.

3.2 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

應(yīng)用地質(zhì)累積指數(shù)公式，以遼寧省土壤背景值為地球化學(xué)背景值［8］，計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果如表4.

表4 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)地累積指數(shù)值Table4 Geoaccumulation indes and its grading for the soil in studied area

綜合分析可知，研究區(qū)重金屬元素Cu造成的污染范圍比較廣泛，8個(gè)樣點(diǎn)有中度污染，5個(gè)樣點(diǎn)有輕度污染；其次是元素Zn，1個(gè)樣點(diǎn)（樣點(diǎn)7-李石寨）有中—強(qiáng)污染，4個(gè)樣點(diǎn)有中度污染，6個(gè)樣點(diǎn)有輕度污染；元素Cd，在7個(gè)樣點(diǎn)有污染，其中1個(gè)樣點(diǎn)（樣點(diǎn)9）有強(qiáng)度污染，3個(gè)樣點(diǎn)有中—強(qiáng)度污染，2個(gè)樣點(diǎn)有中度污染；元素Pb在7個(gè)樣點(diǎn)有污染，其中2個(gè)有中度污染，其他為輕度污染.

整體來看，研究區(qū)4種重金屬元素污染程度排序?yàn)椋篊u＞Zn＞Cd＞Pb.就各重金屬元素的空間分布來看，各地區(qū)的污染程度自大至小為：李石寨（樣點(diǎn)7）＞三寶屯（樣點(diǎn)1）＞劉爾屯（樣點(diǎn)5）＞四方臺(tái)（樣點(diǎn)8）＞小瓦村（樣點(diǎn)15）.

4 結(jié)論

（1）通過基本統(tǒng)計(jì)分析得出：研究區(qū)內(nèi)4種重金屬元素Zn、Cu、Pb、Cd中，元素Cu和Zn造成的污染最為廣泛，所有采樣點(diǎn)的元素含量都超過其背景值；元素Cd所造成的污染最為嚴(yán)重，1個(gè)樣點(diǎn)有強(qiáng)度污染，3個(gè)樣點(diǎn)有中有中—強(qiáng)污染；Pb的污染程度相對(duì)較輕.

（2）通過地質(zhì)累積指數(shù)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，研究區(qū)4種重金屬元素污染程度排序?yàn)椋篊u＞Zn＞Cd＞Pb.就各重金屬元素的空間分布來看，各地區(qū)的污染程度自大至小為：李石寨（樣點(diǎn)7）＞三寶屯（樣點(diǎn)1）＞劉爾屯（樣點(diǎn)5）＞四方臺(tái)（樣點(diǎn)8）＞小瓦村（樣點(diǎn)15）.

［1］劉開坤，韓立巖.我國(guó)污水灌溉的發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007（22）:213—215.

［2］李曉軍，李培軍，藺昕.東北典型石油污灌區(qū)土壤中礦物油的時(shí)空分布特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（5）:183—186.

［3］王立捷，陳文閣.沈撫污水灌區(qū)總體改造［J］.水利規(guī)劃，1998（2）:32—34.

［4］李經(jīng)偉，楊路華，夏輝.白洋淀底泥重金屬污染地積累指數(shù)法評(píng)價(jià)［J］.人民黃河，2007，29（12）:59—60.

［5］滕彥國(guó)，庹先國(guó)，倪師軍.應(yīng)用地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染：選擇地球化學(xué)背景的影響［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25（2）:7—9.

［6］劉韜，郭淑滿.污水灌溉對(duì)沈陽市農(nóng)田土壤中重金屬含量的影響［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2003，29（3）:51—52.

［7］周秀艷，王恩德，朱恩靜.遼東灣河口底泥中重金屬的污染評(píng)價(jià)［J］.環(huán)境化學(xué)，2004，23（3）:321—325.

［8］李艷霞，徐理超，熊雄，等.典型礦業(yè)城市農(nóng)田土壤重金屬含量的空間結(jié)構(gòu)特征——以遼寧省阜新市為例［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（4）:679—687.

ENVIRONMENTAL QUALITY ASSESSMENT OF SOIL HEAVY METALS IN THE SHENYANG-FUSHUN SEWAGE IRRIGATION AREA,LIAONING PROVINCE

QI Wei1,2,WANG En-de1,ZENG Jing1
（1.School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110004,China;2.Liaoning Bureau of Land and Resources,Shenyang 110032,China）

1671－1947（2012）04－0410－04

P595；X144；X825

A

2012－05－21；

2012－05－29.編輯：張哲.

綦?。?968—），男，教授級(jí)高工，東北大學(xué)博士研究生，通信地址沈陽市北陵大街29號(hào)，E-mail//lnqiwei@163.com

王恩德（1957—），男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.