大寨海綿田土壤重金屬污染評價

張靜靜， 張永清， 張 華， 張文娟

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾 041004)

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大寨海綿田土壤重金屬污染評價

張靜靜， 張永清*， 張 華， 張文娟

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾 041004)

為全面了解大寨海綿田土壤重金屬污染狀況，對該區(qū)土壤Zn、Cr、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg含量進行了檢測，并分別以山西土壤環(huán)境背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)為參照，選用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對土壤進行污染評估。結(jié)果表明：大寨海綿田土壤中8種重金屬的平均值和最大值均沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)，但As、Hg、Ni、Pb元素超過了山西土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；以山西土壤環(huán)境背景值為參照，研究區(qū)土壤受到As、Hg、Pb的輕度污染，Cu、Ni、Zn、Cd的污染指數(shù)也在警戒線上。各重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)表現(xiàn)為Hg﹥Cd﹥As﹥Pb﹥Ni﹥Cu﹥Zn﹥Cr。土壤環(huán)境總體存在輕度危害風(fēng)險。相關(guān)分析結(jié)果表明，Cr、Ni、Zn、Cu、Cd和As可能是同源或伴生關(guān)系，Hg與其他重金屬元素不相關(guān)。大寨海綿田中污染較重的重金屬元素與農(nóng)業(yè)施肥、旅游交通、建筑施工、日常生活和生產(chǎn)活動密切相關(guān)。

大寨海綿田； 土壤； 重金屬污染； 生態(tài)風(fēng)險

土壤是地理環(huán)境的重要組成要素，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。土壤承受著來自環(huán)境中大約90%的生活廢水、固體廢棄物、農(nóng)藥、化肥及大氣降塵等中的污染物，這勢必會影響土壤質(zhì)量進而影響到人類生存的質(zhì)量[1]。土壤污染己經(jīng)成為全球化的環(huán)境問題，而土壤重金屬污染又是其中最嚴重的問題之一[2]。重金屬作為一種持久性有毒污染物，進入土壤環(huán)境后不能被微生物分解；相反，其可以通過吮食、吸入和皮膚接觸等途徑進入人體而后累積，直接對人體特別是兒童的健康造成危害[3]。對生物毒性較大的Pb、Cd、Cr、As、Hg等重金屬，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[4-12]。

大寨海綿田是上世紀60～70年代大寨人民建造的梯田式基本農(nóng)田，具有活土層厚、結(jié)構(gòu)良好、養(yǎng)分豐富、蓄水保墑、微生物活躍、旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等特點，也是當(dāng)年農(nóng)業(yè)學(xué)大寨最重要的內(nèi)容，但在經(jīng)歷了40多年之后，長期大量施用化學(xué)肥料，尤其是周邊工廠產(chǎn)生的三廢和近年興起的大寨旅游業(yè)是否會造成海綿田土壤污染目前尚未見相關(guān)研究。為此，筆者擬采用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對大寨海綿田土壤重金屬污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險評價，以期為海綿田土壤污染控制和農(nóng)業(yè)區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大寨村位于山西省昔陽縣城東5 km的太行山脈的虎頭山下，總面積約2 km2，海拔1 000 m左右，全年無霜期約150 d，年均溫9.1℃，年降水量500～700 mm，大部分集中在7—9月。春季干旱多風(fēng)，夏季多暴雨和冰雹。原來是“山高石頭多，出門就爬坡，地?zé)o三畝平，年年災(zāi)情多”的土石山區(qū)[13]。1953年實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)合作化后，大寨開始治山治水，修田整地，經(jīng)過幾十年的努力，從以前一到雨季就跑水、跑土、跑肥的“三跑田”改造為現(xiàn)在的保水、保土、保肥的“三保田”。筆者以大寨村典型海綿田狼窩掌梯田為研究區(qū)域，目前主要種植玉米、大豆、核桃等農(nóng)作物。

1.2 樣品采集與分析

在對大寨村進行實際調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取典型海綿田狼窩掌梯田為采樣區(qū)，每塊梯田按其面積大小均勻布點，用GPS準(zhǔn)確定位，采用蛇形采樣方法在采樣區(qū)采集0～20 cm的耕層土壤作為試驗樣品，每個土樣由5個樣點混合組成，采用四分法留取約1kg土樣為1個樣品。土樣采回后置于室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除大石塊、植物根系等雜質(zhì)，分別過20目、60目和100目尼龍篩，裝袋密封貼標(biāo)簽，分別用于測定土壤理化性質(zhì)和重金屬含量。

Hg、As采用HNO3-HCIO3消解，利用AFS-820型雙道原子熒光光譜儀測定其含量[14]；Cd、Cr、Zn、Ni、Cu、Pb采用HNO3-HCIO3消解，利用nov-AA400火焰-石墨爐原子吸收光譜儀測定其含量[15]，重復(fù)3次，取平均值。

1.3 重金屬污染評價

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行重金屬污染評價，土壤污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)參照GB15618—1995進行。采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對大寨海綿田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價，具體參照[18-21]的方法進行，重金屬污染生態(tài)危害系數(shù)和生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 山西省重金屬污染潛在生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量分布

由表2可知，大寨海綿田土壤中重金屬Cr、Cu、Zn、Cd均未超過山西土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其余元素As、Hg、Ni、Pb均超過山西土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。所有土樣中，各重金屬超標(biāo)率表現(xiàn)為As(76%)>Hg(69%)>Pb(67%)>Cd(53%)>Ni(52%)>Cu(44%)>Zn(35%)>Cr(0)。表明，Hg、As、Pb存在比較嚴重的積累，Cd、Ni、Cu、Zn在部分采樣點存在一定程度的富集。但以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)為參照，大寨海綿田土壤中8種重金屬平均含量和最大值均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)。

變異系數(shù)可衡量研究區(qū)各樣品間的變異程度，變異系數(shù)大則說明土壤受外界干擾顯著，空間分異明顯，也說明土壤的污染是以復(fù)合污染的形式存在[22]。表2結(jié)果表明，大寨海綿田土壤中8種重金屬的變異均為中等變異，Cu的變異系數(shù)最高，說明不同采樣點Cu的分布差異性很大，大寨海綿田土壤中各重金屬的變異系數(shù)從高到低依次為Cu>Ni>Cd>Pb>Zn>Hg>Cr>As。

表2 大寨海綿田土壤的重金屬含量

2.2 大寨海綿田土壤重金屬元素間的相關(guān)性

元素間相關(guān)性顯著和極顯著，說明元素間一般具有同源關(guān)系或是復(fù)合污染[23]，由表3可知，As與Cr、Ni、Zn顯著相關(guān)，Cr與As、Zn顯著相關(guān)，Cu與Ni、Cd顯著相關(guān)，Ni與Cd、As、Cu顯著相關(guān)，Zn與Cr、As、Pb顯著相關(guān)，Cd與Ni、Cu顯著相關(guān)，說明這些重金屬之間關(guān)系緊密，推測這些重金屬元素應(yīng)該來自同一污染源或是伴生關(guān)系。Hg與其他7種金屬元素?zé)o顯著相關(guān)，說明Hg與其他金屬元素是異源關(guān)系。

表3 大寨海綿田土壤重金屬含量的相關(guān)系數(shù)

注：**在0.01水平上顯著相關(guān)；*在0.05水平上顯著相關(guān)。

Note： ** and * indicated 0.01 and 0.05 significant levels respectively.

2.3 大寨海綿田土壤重金屬污染狀況評價

由表4可知，Cr污染指數(shù)在安全域內(nèi)，Cu、Ni、Zn、Cd的污染指數(shù)在警戒線上，As、Hg、Pb處于輕度污染級別。8種重金屬的污染程度從高到低依次是As=Pb=Hg>Ni=Zn>Cd>Cu>Cr。綜合污染指數(shù)評價結(jié)果表明，大寨海綿田的綜合污染指數(shù)為1.4，處于輕度污染級別。

表4 大寨海綿田土壤重金屬污染指數(shù)

2.4 大寨海綿田土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)

由表5可知，潛在生態(tài)危害趨勢為Hg(49.39)>Cd(28.26)>As(12.21)>Pb(6.02)>Ni(5.09)>Cu(4.05)>Zn(0.95)>Cr(0.89)。Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)處于中等水平，其余重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均比較低。

由土壤重金屬潛在危害系數(shù)對應(yīng)的潛在危害程度頻數(shù)，As、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb元素的潛在生態(tài)風(fēng)險均處于低危害水平，暫時不會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成危害，Hg有1%存在較強危害風(fēng)險，68%存在中等危害風(fēng)險，只有31%存在輕度危害風(fēng)險，Cd有16%存在中等危害風(fēng)險，84%存在輕度危害風(fēng)險。可見，Hg和Cd的生態(tài)危害最嚴重，其對總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)貢獻率也最大。大寨海綿田土壤重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)為106.88，表明大寨海綿田總體上存在輕度危害風(fēng)險。

表5 大寨海綿田土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù) 及其各級別分布

Table 5 Potential ecological risk coefficients and their distribution in Dazhai sponge fields

元素ElementEi比例/%Proportion輕度中等較強很強極強As12.211000000Cr0.891000000Cu4.051000000Hg49.393168100Ni5.091000000Zn0.951000000Cd28.268416000Pb6.021000000

2.5 中度污染元素的空間分布及來源分析

由圖示可知，大寨海綿田土壤重金屬元素As、Hg、Pb、Cd在空間分布上有一定的相似性，主要集中在中部，這可能主要是因為這些采樣點距離公路較近，受機動車尾氣影響較大；北部也零星分布著幾個高值點，主要是由于距離大寨村居民區(qū)較近，人流量大，而且附近有建筑工地正在施工，對土壤的影響程度大，采樣區(qū)北部相對來講屬于低洼地區(qū)，其他地方的污染物會在此聚集，影響土壤質(zhì)量，尤其是Cd在此富集較多。Pb在西北部和西南部的含量也很高，在采樣區(qū)西北部方向以前有煤礦存在，這應(yīng)該與西北部含量高有關(guān)，西南部背靠公路，受機動車輛影響較大。西南部以往是種植玉米，一年施肥次數(shù)達到3～4次，長期使用牲畜糞肥及復(fù)合肥可能是導(dǎo)致該區(qū)域Pb含量高的原因。

圖示 大寨海綿田As、Hg、Cd、Pb空間分布

Fig. As, Hg, Cd, Pb spatial distribution in Dazhai sponge fields

3 結(jié)論與討論

關(guān)于土壤污染狀況的評價是目前研究的熱點問題之一，其中評價的方法，尤其是評價的標(biāo)準(zhǔn)是影響評價至關(guān)重要的因素，筆者分別采用了單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法等3種方法對大寨海綿田土壤重金屬污染狀況進行了評價，結(jié)果表明，3種方法均體現(xiàn)大寨海綿田土壤整體處于輕度污染級別，表現(xiàn)出了3種方法的一致性，但由于評價方法不同，主要污染元素卻表現(xiàn)為有所不同，其主要原因可能是，單因子污染指數(shù)法使各評價參數(shù)之間互不聯(lián)系，只能反映土壤污染狀況；內(nèi)梅羅指數(shù)法在評價土壤質(zhì)量時，對大量土壤樣品給出綜合性的評價；潛在生態(tài)危害系數(shù)綜合考慮到各種重金屬元素的毒性差異、重金屬區(qū)域背景的差異，能全面反映重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響。這與董苗、鄭海龍、閆姣等人的研究結(jié)果一致[14,24-26]，這充分說明在今后的土壤重金屬評價中，應(yīng)結(jié)合多種評價方法對土壤重金屬進行評價，可以更全面的了解該地區(qū)的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀，為土壤的預(yù)防和治理提供科學(xué)依據(jù)。

大寨海綿田土壤中8種重金屬的平均值和最大值均沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)，As、Hg、Ni、Pb元素均超過山西土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。從變異系數(shù)來看，8種重金屬的變異都為中等變異，總體而言，各金屬元素在土壤中的含量還是比較穩(wěn)定的。從相關(guān)性看出，As、Cr、Ni、Zn、Cu、Cd之間都具有很高的相關(guān)性，Hg與其它重金屬元素不相關(guān)。

以山西土壤環(huán)境為背景值，Cr的污染指數(shù)在安全域內(nèi)，Cu、Ni、Zn、Cd的污染指數(shù)在警戒線上，As、Hg、Pb處于輕度污染級別；綜合污染指數(shù)處于輕度污染級別。根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)法，大寨海綿田總體上存在輕度危害風(fēng)險。重金屬元素Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)處于中等水平，其余重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均比較低，Hg的生態(tài)危害最嚴重。

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(責(zé)任編輯： 劉 海)

Pollution Assessment of Heavy Metal in Dazhai Sponge Fields

ZHANG Jingjing, ZHANG Yongqing*, ZHANG Hua, ZHANG Wenjuan

(CollegeofGeographicalScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041004,China)

In order to comprehensively know the pollution condition of heavy metal in Dazhai sponge fields, the contents of Zn, Cr, Cu, Ni, Pb, As, Cd and Hg in this area were analyzed, Shanxi Soil Environment Quality Standard and Secondary Soil Environment Quality Standard were used as evaluation standard, the soil pollution status was evaluated based on the single factor index method and Nemoro integrated pollution index.Results:Contents of the eight heavy metals in soil did not exceed the Secondary Soil Environment Quality Standard, contents of As, Hg, Ni and Pb exceeded the Shanxi Soil Environment Quality Standard. The soil in the coverage areas reached high pollution of As, Hg and Pb. And the pollution index of Cu, Ni, Zn and Cd reached alter line. The potential ecological risk index order was Hg﹥Cd﹥As﹥Pb﹥Ni﹥Cu﹥Zn﹥Cr. The pollution level risk intensity was mild. The correlation analysis indicated that Cr, Ni, Zn, Cu, Cd and As were likely from the same source. Hg and other heavy metals were not related. Heavy metals with high levels of pollution and agricultural fertilization, tourist transportation, construction, daily life and production activities were closely related.

Dazhai sponge fields; soil; heavy metal pollution; ecological risk

2015-02-06； 2015-06-30修回

國家自然科學(xué)基金面上項目(30871483)

張靜靜(1989-)，女，在讀碩士，研究方向：自然地理。E-mail: 812871585@qq.com

*通訊作者：張永清(1964-)，男，教授，博士，從事土壤地理及生態(tài)學(xué)研究。E-mail: yqzhang208@163.com

1001-3601(2015)07-0393-0186-04

S15

A