長春市郊區(qū)基本農(nóng)田防護區(qū)土壤重金屬污染調(diào)查1)

曹秀春 孟慶繁 高紅兵 高文韜 紀大勇

(北華大學，吉林，132013) (吉林省長春市警備區(qū))

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。隨著工業(yè)、城市污染的加劇和農(nóng)用化學物質(zhì)種類、數(shù)量的增加，土壤重金屬污染日益嚴重［1］。土壤又是環(huán)境要素的重要組成部分，它處于自然環(huán)境的中心位置，承擔著環(huán)境中大約90%的來自各方面的污染物。而我國土壤—植物系統(tǒng)污染研究的主要污染物是重金屬，因為重金屬具有污染物的多源性、隱蔽性、一定程度上的長距離傳輸性和污染后果的嚴重性［2］。隨著社會經(jīng)濟的不斷繁榮，人們對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高。城市郊區(qū)農(nóng)田土壤是一類比較特殊的自然地域，具有較強的開放性［3］。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)衛(wèi)生與安全提出了更高的要求，無公害農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)已成為普遍關(guān)注的熱點［4］。同時由于市區(qū)工業(yè)污染物和生活垃圾的大量輸入以及長期使用農(nóng)藥、化肥、污水灌溉等，有可能導致金屬元素的蓄積。因此，開展城郊土壤重金屬污染的研究具有重要的現(xiàn)實意義。對長春市農(nóng)田中土壤和作物進行評價，旨在為長春市綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供科學的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

長春市位于東北平原中部(124°18' ～127°02'E，43°05' ～45°15'N)是吉林省的省會城市。長春市轄6 區(qū)4 市，市區(qū)面積3 577 hm2，建成區(qū)面積137.35 km2，幅員面積20 571 km2。市區(qū)人口274 萬人，常住人口713.5 萬人。長春市介于東部山地濕潤與西部平原半干旱區(qū)之間的過渡帶，氣候?qū)贉貛Т箨懶园霛駶櫦撅L氣候類型，四季分明，年平均氣溫4.6℃，降水量為567 mm，蒸發(fā)量為1 000 mm。試驗點位于長春市西北郊，寬城區(qū)蘭家鄉(xiāng)的蔡家村的農(nóng)田防護區(qū)內(nèi)。防護林為20 世紀七八十年代營造的楊樹林，樹高13 ～20 m。區(qū)內(nèi)防護林網(wǎng)保存完整，林帶間的距離為400 ～500 m，主要作物為玉米。

2 研究方法

2.1 采樣點的布設(shè)

在農(nóng)田防護區(qū)內(nèi)，選擇東西走向的防護林帶作為試驗林帶，分別在防護林帶的南北兩側(cè)0、50、100、150 m 處設(shè)置采樣點，取樣深度為0 ～20 cm，重復3 次。共獲得24 個樣品。取樣時間為2003年3月。

2.2 樣品的采集

用芯形采樣器在設(shè)置好的采樣點采集表層土壤。采樣深度0 ～20 cm，取樣量約1 kg。經(jīng)處理后測定重金屬Pb、Cd、Cu、Zn、Ni 和Cr 的含量，同時測定土壤pH。

2.3 樣品的分析

采集的土壤樣品按常規(guī)方法在室內(nèi)自然風干。剔除植物殘體及大小礫石，用木棒壓碎，樣品過100目尼龍篩。過篩后分裝入自封口的塑料袋中，再放入干燥器中，以備使用。制備好的土壤樣品經(jīng)王水—高氯酸消解［5］，同時做一份空白試驗。用WFX－1F2B2 型原子吸收分光光度計測定Pb、Cd、Cu、Zn、Ni 和Cr 含量。

按照中華人民共和國國家標準進行重金屬元素的測定，同時依照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準測定土壤的pH 值。具體的標準見表1。

表1 農(nóng)田土壤檢測項目及分析方法

2.4 土壤環(huán)境質(zhì)量評價

目前，對農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的評價多采用質(zhì)量指數(shù)模型，其中最簡單的一種質(zhì)量指數(shù)模型為單因子指數(shù)質(zhì)量模型。它是用污染指數(shù)表示土壤環(huán)境質(zhì)量，用來對土壤環(huán)境作初步評價［4］。

2.4.1 單項污染指數(shù)法

(1)單項污染指數(shù)的公式:Pi=Ci/Si。式中:Pi為土壤單項污染指數(shù);Ci為土壤污染物i 的實測濃度;Si為土壤污染物i 的評價標準。

(2)單項污染指數(shù)法分級標準:Pi≤1 為非污染，1 ＜Pi≤2 為輕污染，2 ＜Pi≤3 為中污染，Pi＞3為重污染。

(3)評價標準:土壤重金屬污染評價采用國家頒布的GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅱ類土壤評價標準，主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染［11］。根據(jù)pH 值的測定值，按照GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》的二級標準進行評價，土壤環(huán)境質(zhì)量指標見表2。

2.4.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)是在單項污染指數(shù)評價的基礎(chǔ)上進行的土壤污染指數(shù)評價方法。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標準

(1)綜合污染指數(shù)法公式:P = ［(Pijmax2+Pijave2)/2］1/2。式中:P 為第j 個監(jiān)測點的質(zhì)量綜合指數(shù);Pijmax為第j 個監(jiān)測點i 污染物所有單項污染指數(shù)中的最大值;Pijave為第j 個監(jiān)測點i 污染物所有單項污染指數(shù)的平均值。

(2)土壤質(zhì)量分級標準:土壤質(zhì)量分級標準見表3。

表3 土壤綜合污染指數(shù)污染評價標準［12］

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬含量監(jiān)測結(jié)果

對長春市郊區(qū)基本農(nóng)田防護區(qū)土壤中的重金屬元素Pb、Cd、Cu、Zn、Ni 和Cr 等的污染進行了調(diào)查分析與評價。通過分析測試，得到的土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表4。

3.2 長春市城郊農(nóng)田防護區(qū)土壤重金屬污染評價結(jié)果

城郊土壤環(huán)境質(zhì)量對城區(qū)人們的健康有重要影響。土壤重金屬污染是當今社會關(guān)注的熱點之一。調(diào)查與評價土壤環(huán)境中重金屬污染狀況，對提高土壤環(huán)境質(zhì)量，保障人們的健康具有重要意義［4］。根據(jù)單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的計算，長春市城郊農(nóng)田中土壤重金屬污染指數(shù)見表5。

從表4、表5可以看出:長春城郊基本農(nóng)田防護區(qū)內(nèi)的幾種重金屬的檢出率均為100%，Pb 的平均值14.920 8 ～26.314 7 mg·kg－1，均未超過長春土壤背景值的平均值(49.97 mg·kg－1)，變異系數(shù)14.18% ～20.04%，變異不強。預示農(nóng)田土壤可能未受到Pb 的點源污染。各試驗點Pb 的單項污染指數(shù)為0.051 ～0.118，可見農(nóng)田土壤未受到Pb 的污染。Cd 的平均值0.001 3 ～0.191 5 mg·kg－1，Cd 未查到長春土壤的背景值，但未超過長春市黑土和草甸土的背景值的范圍［14］。Cd 的單項污染指數(shù)為0.288 ～0.893，說明農(nóng)田土壤未受到Cd 的污染。Cu 的平均值為46.037 6 ～56.397 9 mg·kg－1，超過了長春的土壤背景值中Cu 的均值，但未超過最大值，說明土壤中Cu 的含量需引起注意。Cu 的單項污染指數(shù)為0.517 ～1.214，農(nóng)田土壤在一定程度上受到Cu 的污染。Zn 的均值為101.887 4 ～139.281 2 mg·kg－1，部分已經(jīng)超過了背景值的均值，但未超最大值。Zn的單項污染指數(shù)為0.433 ～0.803，雖有部分已經(jīng)接近1，但均未超過1，說明農(nóng)田土壤未受到Zn 的污染。Ni 的均值為30.892 7 ～38.736 2 mg·kg－1，均未超過背景值的均值。Ni 的單項污染指數(shù)為0.685 ～1.057，農(nóng)田土壤受Ni 污染不明顯。Cr 的均值為31.413 0 ～46.547 mg·kg－1。Cr 的含量未查到長春土壤的背景值，但未超過長春市黑土和草甸土的背景值的范圍。Cr 的單項污染指數(shù)為0.177 ～0.338，表示農(nóng)田土壤未受到Cr 的污染。

綜合污染指數(shù)為0.575 ～0.962。綜合污染指數(shù)均低于1，說明農(nóng)田的土壤環(huán)境未受到重金屬的污染，屬于尚清潔的級別，比較適合糧食和蔬菜的種植。Cu 的單項污染指數(shù)均較高，蔡北和孟北各取樣點的土壤重金屬Cu 含量都達到輕污染的標準，達到輕污染水平50%。Ni 的單項污染指數(shù)也相對較高，個別的已達到輕污染的水平，有較大部分已經(jīng)接近1，其中大于0.8 的比例達60%，近輕污染水平。單項污染指數(shù)的平均值的順序為:Cu(0.906)＞Ni(0.836)＞Zn(0.604)＞Cd(0.538 ＞Cr(0.237)＞Pb(0.084)。從綜合污染指數(shù)來看雖然都未超過警戒級，但也瀕臨污染的邊緣，其中警戒級達80%。土壤中重金屬Cu 和Ni 的來源可能是由人為因素(過量施用銅肥和含銅農(nóng)藥以及城市廢物)引起的。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，特別是農(nóng)業(yè)化學化水平的提高，大量化學肥料及農(nóng)藥撒落到環(huán)境中，土壤—植物系統(tǒng)遭受非點源污染的機會越來越多［15］。大氣中的重金屬主要來源于交通運輸、冶金和建筑材料生產(chǎn)產(chǎn)生的粉塵。交通運輸特別是汽車運輸對大氣和土壤造成嚴重污染。主要以Pb、Zn、Cd、Cr、Cu 等重金屬污染為主，基本以氣溶膠的形態(tài)進入大氣，經(jīng)過自然沉降和降水進入土壤［16］。普遍認為，Pb 主要來自汽車燃料的燃燒，Zn、Ni 源于汽車輪胎的老化和車體的磨損及冶金工業(yè)等［17］。同時研究表明:Pb 污染受冶煉廠、化工廠工業(yè)廢氣影響較為突出，尤其是冶煉廠排出的廢氣中Pb 的含量較高，工業(yè)廢氣中的Pb 隨降塵沉降到地表進人土壤，使土壤中的Pb 含量異常升高［18］。因為土壤重金屬污染具有難去除性，所以，在今后的生產(chǎn)和生活中，要注意生活垃圾的處理以及改用無鉛汽油等措施，來預防土壤中重金屬的污染。

表4 土壤重金屬含量的統(tǒng)計值

3.3 重金屬元素間及元素與距離、pH 值之間的相關(guān)分析

研究土壤重金屬之間的含量相關(guān)性，可以推測重金屬的來源是否相同。通常若元素間顯著相關(guān)，說明它們出自同一來源可能性較大，這一來源既有可能出自天然，即地球化學來源，也有可能是人為活動造成的復合污染所致。長春市城郊路東蔬菜生產(chǎn)基地土壤重金屬元素之間的相關(guān)關(guān)系見表6。從表6可以看出，在路東農(nóng)田土壤中的重金屬元素大多數(shù)含量與距離呈明顯的負相關(guān)，說明隨距離的增加重金屬元素在土壤中的含量減少，而且Pb、Cd、Cu的負相關(guān)性大，說明隨距公路距離的增加這3 種元素在農(nóng)田土壤中的含量明顯減少。Cr 元素與距離的相關(guān)性例外，這與各種重金屬元素的來源有關(guān)。同時可以看出，pH 值與農(nóng)田中各種重金屬元素含量呈負相關(guān)。表中還顯示Pb 與Cd、Cu、Zn、Ni 呈明顯的正相關(guān)，說明隨Pb 在土壤中的增加，Cd、Cu、Zn、Ni 等元素在土壤中也增加。Cd 元素與Cu、Zn、Ni也呈正相關(guān);Cu 與Zn 也呈正相關(guān)，但相關(guān)程度相對較小。Cu 和Ni、Cr 呈負相關(guān)，但相關(guān)程度不大。Zn與Ni 的正相關(guān)程度較大。

表5 土壤重金屬污染指數(shù)

表6 重金屬元素間及與距離和pH 值的相關(guān)關(guān)系

有的學者將元素的聯(lián)合作用分為協(xié)同、競爭、加和、屏蔽和獨立等作用［18］。在重金屬復合污染中，土壤理化性質(zhì)、重金屬濃度等因素不同，各元素的復合效應(yīng)亦不同。Cd 與Zn 復合污染對水稻的生態(tài)效應(yīng)的試驗結(jié)果表明，土壤中Zn 的濃度不同，Cd、Zn 的聯(lián)合作用亦不同，當土壤中Zn 含量為100 mg/kg 時，生物量因Cd 增加而增加，Cd 與Zn 之間存在協(xié)同效應(yīng);當鋅含量為200 mg/kg 和400 mg/kg 時，生物量隨鎘增加而減少，鎘與鋅之間存在拮抗效應(yīng)［19］。

4 結(jié)論與討論

從土壤污染評價的單項污染指數(shù)來看，長春市西北郊蔡家村農(nóng)田防護區(qū)內(nèi)土壤中Cu 的單項污染指數(shù)較高，為0.516 91 ～1.214 37，部分已達到了輕污染水平，農(nóng)田土壤在一定程度上受到Cu 的污染。Ni 的單項污染指數(shù)為0.685 ～1.057，部分接近了輕污染水平，農(nóng)田土壤受Ni 污染不明顯。其他幾種元素未見污染。從綜合污染指數(shù)來看，防護區(qū)內(nèi)土壤的重金屬污染水平均在警戒級以下，土壤狀況屬尚清潔;但警戒級達80%，在今后的生產(chǎn)、生活中要注意重金屬的引入。單項污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)結(jié)合來看，基本農(nóng)田防護區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量良好，較適合糧食、蔬菜的種植。農(nóng)田土壤中重金屬各個元素之間、與距離之間的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)以下規(guī)律:除鉻外的其他元素均與距離呈明顯負相關(guān);各個元素之間，Pb 與Cd、Cu、Zn、Ni 呈明顯的正相關(guān)。Cd 元素與Cu、Zn、Ni 也呈正相關(guān);Cu 與Zn 也呈正相關(guān)，但相關(guān)程度相對較小。Cu 和Ni、Cr 呈負相關(guān)，但相關(guān)程度不大。Zn 與Ni 的正相關(guān)程度較大。

城市化過程中伴隨大量含有重金屬元素的工業(yè)“三廢”、機動車廢氣和生活垃圾等污染物的排放，這些污染物直接或間接進入城市土壤，造成城市土壤的重金屬污染［20］，而且重金屬很難被生物降解，通過吞食、吸入和皮膚吸收等主要途徑進入人體［21］，對人特別是兒童的健康造成危害［22－24］。汽車尾氣排放、輪胎以及車輛鍍金部分磨損或燃料及潤滑油的泄漏都能釋放出大量含Pb、Cd、Cu、Zn 等的有害氣體和粉塵會影響路側(cè)土壤重金屬的含量［25－27］。據(jù)資料表明，各種汽油中Pb 含量為0.4～1.0 mg/kg，汽車排放的尾氣中Pb 更多，達20 ～50 μg/L［28］，特別是在怠速狀態(tài)下，每分鐘隨汽車尾氣排向大氣的Pb 和Ni 分別為0.571 和0.533 mg［29］，這些隨汽車尾氣排出的重金屬顆粒物會飄散在空氣中、沉積在路面灰塵和路側(cè)土壤中。路東位于車流量較大地段，位于進入長春的主干道收費站的旁邊，車輛行駛緩慢，剎車現(xiàn)象頻發(fā)，廢氣排放加重，輪胎等磨損嚴重，勢必產(chǎn)生大量的含重金屬的廢氣和粉塵，加之汽車尾氣和輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵屬于非點源污染，不斷擴散會造成線狀甚至面狀污染。燃煤活動也會造成城市土壤重金屬累積。煤炭中含有多種微量元素，尤其是一些潛在毒害元素，如Hg、Se、Pb、Cd、As、Zn、Sb 和Ti 等［30］。煤炭燃燒過程中相當部分重金屬會隨飛灰顆粒排放并很快沉降在釋放源附近的土壤中，如不加以控制，土壤將難以自我凈化，會對城市生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境及人體健康產(chǎn)生長期危害效應(yīng)。由此可見，倡導使用綠色能源，例如大力提倡全面推行無鉛汽油能源、已勢在必行。目前，雖然有些學者與科學家提出了一些修復重金屬污染的技術(shù)與方法，但空氣中含有重金屬的粉塵隨空氣流動飄落在農(nóng)田土壤及作物上，同時由于重金屬污染具有隱蔽性、穩(wěn)定性等特點，土壤一旦受到污染，要清除污染物則是十分困難的。所以在今后的生產(chǎn)過程中，應(yīng)注意對土壤的重金屬的引入。采用適當?shù)纳a(chǎn)技術(shù)和合理的開發(fā)方案，使土壤污染及其危害降至最低限度。建全土壤的物質(zhì)循環(huán)、緩沖、凈化、能流功能和生物多樣性整體功能是預防土壤污染的重要原則。土壤重金屬污染的防治措施應(yīng)從控制污染源、生物修復、化學治理、工程治理幾個方面入手［1］，同時結(jié)合防護林的營造來改善生態(tài)環(huán)境，防護林在防風、溫度、濕度、水文、凈化空氣等方面均產(chǎn)生良好的環(huán)境效益［31］。

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