張掖綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊仲瑋，朱曉霞，尤全剛

(1.張掖市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，甘肅 張掖　734000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州　730000)

張掖綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊仲瑋1，朱曉霞1，尤全剛2

(1.張掖市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，甘肅 張掖734000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州730000)

摘要：以張掖市境內(nèi)典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)的部分農(nóng)田為研究對(duì)象，分析了土壤中Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Ni和Cr 8種重金屬元素的含量特征，并采用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果顯示，研究區(qū)域農(nóng)田土壤中8種重金屬元素的平均含量均低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該區(qū)域內(nèi)Cd的地質(zhì)累積指數(shù)在0～1之間，屬于無污染-中度污染，其余7種元素地質(zhì)累積指數(shù)均小于0，污染程度為無污染.潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域的農(nóng)田土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但是Cd元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該引起充分關(guān)注.

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；重金屬；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；張掖綠洲

第一作者：楊仲瑋(1984- )，男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)與環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)．E-mail：yangzw1115@126.com

Evaluation on potential risks of heavy metal pollution

in farmland soil in Zhangye Oasis

YANG Zhong-wei1，ZHU Xiao-xia1，YOU Quan-gang2

(1.Zhangye Environmental Monitoring Station,Zhangye 734000,China;2.Cold and Arid Regions Environmental

and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

Abstract：Taking farmland soil in typical oasis agricultural area in Zhangye City as the research object,this paper used geo-accumulation index and potential ecological risk index to analyze the content characteristics of eight heavy metal elements,Cr,Ni,Pb,As,Hg,Cd,Cu and Zn,in farmland soil,and evaluate their pollution in soil and potential ecological risks.Monitoring results showed that average contents of the eight heavy metal elements in soil of the study area were all lower than that in the secondary standard in China soil environmental quality standard.Evaluation results based on the geo-accumulation index indicated that geo-accumulation index of Cd in the study area was ranging from 0 to 1,namely non-pollution to medium pollution,and those of other elements were all below 0,namely no pollution at all.Evaluation results based on the potential ecological risk index indicated that soil heavy metal pollution could cause slight ecological risks in the study area,but ecological risk coefficient of Cd reached the medium degree,to which adequate attention should be paid.

Key words：farmland soil;heavy metals;ecological risk assessment；Zhangye Oasis

隨著我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村土壤環(huán)境問題也變得日益突出，耕地土壤正在承受越來越多的污染，致使各地的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件屢現(xiàn)[1-3].環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》指出，我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，耕地土壤點(diǎn)位污染物超標(biāo)率達(dá)到19.4%[4].據(jù)有關(guān)方面調(diào)查，雖然我國2013年的糧食總產(chǎn)達(dá)60 193.5萬t，同比增長2.1%，已連續(xù)10 a取得豐收，但是農(nóng)藥高殘留、重金屬超標(biāo)等問題頻頻出現(xiàn)，農(nóng)村土壤污染問題已然成為影響人類身體健康和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要因素[5-10].因此摸清農(nóng)村土壤重金屬污染狀況，加強(qiáng)土壤污染防治是構(gòu)建生態(tài)安全體系，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要保障，對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[11].

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

張掖市是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)城市，位于甘肅省西部，河西走廊中段，處于我國西北地區(qū)第2大內(nèi)陸河黑河流域中游地區(qū)，是我國重要的商品糧、蔬菜和制種基地，同時(shí)也是西北地區(qū)的天然生態(tài)屏障.張掖市農(nóng)業(yè)自然條件良好，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施齊備，具有我國北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的典型特征.憑借得天獨(dú)厚的生態(tài)資源和農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)，張掖市近年來先后被列入西部生態(tài)文明示范區(qū)、第一批國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)和高效設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)區(qū)，以及全省唯一的國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū).本研究所選擇的西街村等區(qū)域，均處于河西走廊平原區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，境內(nèi)地勢(shì)平坦、土地肥沃、水源豐富、日照充足、氣候溫和，農(nóng)業(yè)自然條件優(yōu)越，是典型的半干旱綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和大型灌溉農(nóng)業(yè)區(qū).

1.2樣品采集與分析方法

在研究區(qū)內(nèi)選取9個(gè)自然村，采樣區(qū)域位置見圖1.按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求隨機(jī)選擇75個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，采用對(duì)角線布點(diǎn)法采集0～20 cm的表層土壤，去除土壤中的礫石和根系等雜物后，混合均勻，采用四分法取1 kg裝入樣品袋，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析.

土壤樣品自然風(fēng)干后碾碎，先過20目尼龍篩，再過100目尼龍篩，經(jīng)王水(1+1)消解后測(cè)定Hg、As元素含量；經(jīng)HCl-HNO3-HClO4-HF消解后測(cè)定土壤Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni含量.Cu、Zn、Cr、Ni元素的含量用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，Pb、Cd元素的含量用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，Hg、As元素的含量用原子熒光法測(cè)定.

圖1　采樣點(diǎn)位置分布圖

1.3土壤污染評(píng)價(jià)方法

在土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，常采用地質(zhì)累積指數(shù)法對(duì)區(qū)域土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià).該指數(shù)不僅能夠反映土壤中元素分布的自然變化特征，還可以判別人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響[12-15].該方法的計(jì)算公式為：

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；Ci為元素i在土壤中的實(shí)測(cè)含量值，mg/kg；BEi為土壤中的地球化學(xué)背景值，mg/kg；1.5為修正指數(shù)，是考慮到由于成巖作用可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)，通常用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)等其他影響.

按受污染程度強(qiáng)弱，地質(zhì)累積指數(shù)法可分為7個(gè)級(jí)別，0～6級(jí)表示污染程度由無污染到極強(qiáng)污染.

表1　地質(zhì)累積指數(shù)與污染程度分級(jí)

1.4土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是國際上對(duì)土壤、沉積物重金屬研究方法之一[16-20]，該方法不僅將土壤重金屬的含量考慮在內(nèi)，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，定量地劃分出重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，其公式為：

重金屬單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2[22].

2結(jié)果與討論

2.1農(nóng)田土壤重金屬的含量特征

研究區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬含量的分析結(jié)果見表

3，其土壤中Cr、Ni、Pb、As、Hg、Cd、Cu和Zn經(jīng)單樣本的正態(tài)分布檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，8種重金屬元素的含量均符合正態(tài)分布，因此用算術(shù)平均值來描述8種重金屬含量的大小.

表3　農(nóng)田土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)值

*:pH>7.5

由表3可知，評(píng)價(jià)區(qū)域的農(nóng)田土壤Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cr的平均含量低于我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而Cd和Ni的平均含量略高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).8種重金屬元素的變異系數(shù)由大到小的順序是Hg>Cd>As>Cu>Zn>Ni>Pb>Cr，但都在很小的范圍內(nèi)變化，這就表明評(píng)價(jià)區(qū)域的農(nóng)田土壤重金屬污染受外界影響比較一致，反映出幾種元素在該區(qū)域的來源可能具有同源性.

2.2農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤環(huán)境重金屬含量及地質(zhì)累積指數(shù)公式計(jì)算出來的地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)和分級(jí)結(jié)果見表4.

評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤Hg的地質(zhì)累積指數(shù)變化范圍為-1.818～-1.610，污染級(jí)別為0級(jí).As的地質(zhì)累積指數(shù)變化范圍為-1.178～-0.776，污染級(jí)別為0級(jí).Cu的地質(zhì)累積指數(shù)為-0.501～-0.183，污染級(jí)別為0級(jí).Pb的地質(zhì)累積指數(shù)為-0.428～-0.305，污染級(jí)別為0級(jí).Zn的地質(zhì)累積指數(shù)為-1.109～-0.966，污染級(jí)別為0級(jí).Cd的地質(zhì)累積指數(shù)為0.243～0.531，污染級(jí)別為1級(jí)，即為無污染-中度污染.Ni的地質(zhì)累積指數(shù)為-0.682～-0.562，污染級(jí)別以0級(jí).Cr的地質(zhì)累積指數(shù)為-0.552～-0.465，污染級(jí)別以0級(jí).

表4　評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)分級(jí)結(jié)果

8種重金屬元素中，除Cd的地質(zhì)累積指數(shù)在0～1之間，屬于無污染-中度污染，其余Hg、As等元素地質(zhì)累積指數(shù)均小于0，污染程度為無污染.但是與張掖地區(qū)土壤背景值相比，研究區(qū)域的農(nóng)田土壤中Cu、Pb、Cd、Cr 4種重金屬元素的含量均超過背景值，其平均值分別超過背景值1.16倍、1.17倍、2.02倍和1.05倍，說明農(nóng)田土壤中重金屬有一定的累積趨勢(shì).

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

根據(jù)Hakanson的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算出研究區(qū)域的農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)果見表5.

表5　評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

從表5可以看出，以張掖土壤背景值作為參比，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)各采樣點(diǎn)農(nóng)田土壤8種重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)范圍分別為：Cr 2.05～2.17，Ni 4.73～5.07，Pb 5.58～6.07，As 6.63～8.76，Hg 17.02～19.66，Cd 53.25～65.00，Cu 5.30～6.61，Zn 0.70～0.77.由8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的均值來看，其潛在生態(tài)危害趨勢(shì)依次為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，其中Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As、Hg 7種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)在所有樣點(diǎn)都小于40，均屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為60.75，介于40與80之間，達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).各樣點(diǎn)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI均小于150，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).因此，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田土壤重金屬呈現(xiàn)輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主，需要引起重視.

3結(jié)論

1)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤中Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cr的平均含量低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB156181995)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而Cd和Ni的平均含量略高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

2)用地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)表明：8種重金屬元素中，除Cd的地質(zhì)累積指數(shù)在0～1之間，屬于無污染-中度污染，其余Hg、As等元素地質(zhì)累積指數(shù)均小于0，污染程度為無污染.但是與背景值相比，研究區(qū)域的農(nóng)田土壤中Cu、Pb、Cd、Cr 4種重金屬元素的含量均超過背景值，其平均值分別超過背景值1.16倍、1.17倍、2.02倍和1.05倍，說明土壤中重金屬有一定的累積趨勢(shì).

3)研究區(qū)域內(nèi)各樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI均小于150，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).但是由單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Er來看，Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到60.75，達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該引起充分關(guān)注.

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(責(zé)任編輯胡文忠)

收稿日期：2014-07-12；修回日期：2014-11-05

基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(1304FKCG075).

中圖分類號(hào)：X 53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2015)03-0138-05