松嫩平原農(nóng)田土壤污染現(xiàn)狀分析與評價——以黑龍江省綏化地區(qū)為例

王 粟，史風(fēng)梅，裴占江，高亞冰，劉曉燁，左 辛，劉 杰*

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

松嫩平原農(nóng)田土壤污染現(xiàn)狀分析與評價——以黑龍江省綏化地區(qū)為例

王 粟1，史風(fēng)梅1，裴占江1，高亞冰1，劉曉燁2，左 辛1，劉 杰1*

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

文章針對黑龍江省綏化地區(qū)，以農(nóng)田土壤重金屬及有機(jī)污染物為研究對象，通過布點(diǎn)采樣，檢測分析研究污染現(xiàn)狀，利用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)方法進(jìn)行評價。結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤七種重金屬As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb，以及三種持久性有機(jī)污染物HCH、DDT、PAHs平均含量均較低，但其空間分布具有一定差異，并出現(xiàn)明顯高值區(qū)域，受到污染的潛在風(fēng)險較大；研究區(qū)域各元素單因子污染指數(shù)評價超標(biāo)樣點(diǎn)共18個，其中15個為輕度污染，另有3個樣點(diǎn)為中度污染；Nemerow綜合污染評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)超標(biāo)樣點(diǎn)21個，各樣點(diǎn)主要受Cr、HCH、DDT、PAHs四種物質(zhì)影響，其中受Cr影響的污染樣點(diǎn)3個，其中2個樣點(diǎn)為警戒限，另有1個為輕度污染，主要集中于地處小興安嶺西南邊緣過渡地帶；受三種有機(jī)物影響的污染樣點(diǎn)共18個，不規(guī)則分布于研究區(qū)域內(nèi)多個地點(diǎn)，主要農(nóng)田作物為玉米及大豆，農(nóng)藥殘留及作物秸稈的任意焚燒是影響其土壤質(zhì)量的主要因素，其中受HCH和DDT農(nóng)藥殘留所致土壤污染樣點(diǎn)共5個，均屬于警戒限；多環(huán)芳烴類有機(jī)物污染樣點(diǎn)達(dá)13個，其中警戒限污染樣點(diǎn)共10個，輕度污染樣點(diǎn)2個，另有1個樣點(diǎn)為中度污染。

綏化地區(qū)；農(nóng)田土壤；重金屬；有機(jī)污染；評價

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-4-30 14:29:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1429.002.html

王粟,史風(fēng)梅,裴占江,等.松嫩平原農(nóng)田土壤污染現(xiàn)狀分析與評價——以黑龍江省綏化地區(qū)為例[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015, 46(5):75-83.

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受采礦活動頻繁及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥殘留增加等影響，土壤環(huán)境污染日益嚴(yán)重[1-2]。農(nóng)田土壤污染不僅會直接影響作物生長、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，還會通過食物鏈富集、放大威脅人類健康[3-4]，也可通過徑流和淋溶等作用進(jìn)入地表水和地下水[5-7]，通過作物秸稈焚燒過程進(jìn)入大氣，引起水和大氣環(huán)境質(zhì)量的二次污染。

農(nóng)田土壤環(huán)境污染按污染物種類，可分為有機(jī)物污染和無機(jī)物污染[8]。其中，農(nóng)田土壤有機(jī)污染主要由農(nóng)藥化肥及秸稈燃燒引起，具有持久性、親脂性和高毒性等特點(diǎn)[9]；無機(jī)污染主要為重金屬污染物，具有多源性、隱蔽性、長期性和不可逆性[10-12]。Taylor研究表明，向農(nóng)田施用磷肥，多年后導(dǎo)致當(dāng)?shù)谻d含量提高0.46 mg·kg-1[13]；Oborn等對瑞典城市土壤研究，表明其殘渣態(tài)Pb含量是農(nóng)田土壤的2～8倍[14]；Cornelissen等研究發(fā)現(xiàn)，污染土壤中多環(huán)芳烴污染來源復(fù)雜，其總量達(dá)到1 000 mg·kg-1[15]。在國內(nèi)，陳玉東等對海倫市農(nóng)田土壤重金屬污染及分布特征進(jìn)行評價[16]；張勇、郭平等研究發(fā)現(xiàn)，沈陽、長春土壤中Cd、Hg和Pb、Ni污染較嚴(yán)重[17-18]；韋秀文等利用樹木對土壤中有機(jī)污染物去除與修復(fù)[19]；宋守鑫，李莉?qū)y定和分析土壤中持久性有機(jī)污染物形態(tài)及含量進(jìn)行研究[20-21]；黃藝等研究真菌通過直接分解和共代謝方式對土壤有機(jī)污染生物的降解[22]。

我國黑龍江省綏化地區(qū)地處松嫩平原腹地，地勢平坦，土壤肥沃，是重要糧食產(chǎn)區(qū)之一[23]。

本文以黑龍江省綏化地區(qū)為研究對象，分析農(nóng)田土壤中多項重要重金屬元素和持久性有機(jī)物含量，評價農(nóng)田土壤污染現(xiàn)狀，以期為該區(qū)域糧食安全生產(chǎn)及土壤修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

綏化地區(qū)位于黑龍江省中南部（124°13'～128° 30'E，45°03'～48°02'N），全區(qū)總面積34 063 km2，東西寬305 km，南北長308 km，共轄10個縣市行政區(qū)劃。屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，全年平均氣溫1～4℃，有效積溫達(dá)2 400～2 700℃，年平均降水量約為400～600 mm。其地勢呈現(xiàn)東北高，西南低，由小興安嶺山地丘陵地帶（海拔300～600 m）向松嫩平原過渡延伸（海拔160～240 m），平原面積占全區(qū)72%[24]。

1.2 樣品采集及制備

在地圖上選定典型采樣區(qū)域，野外實地考察后，采用分塊隨機(jī)和系統(tǒng)隨機(jī)相結(jié)合方法在研究區(qū)域的農(nóng)田布點(diǎn)，每個樣點(diǎn)用GPS定位，試驗共設(shè)點(diǎn)位200個（見圖1）。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

采集樣點(diǎn)耕層土壤（0～20 cm），采樣時利用多點(diǎn)混合法，在其周邊采集多個子樣品混合稱裝，盡量避免在路邊和溝邊等特殊地形上取樣，去除土壤中較大的沙粒及夾帶的作物根系，放入通氣塑料袋中，于0～4℃下保存，進(jìn)行樣品和周圍環(huán)境等信息記錄。

在風(fēng)干室內(nèi)將土樣壓碎、翻動，揀出雜質(zhì)，隨后混勻，用四分法分別取壓碎樣100、50、10 g，過孔徑20、60、200目尼龍篩，裝入密封袋待測。

1.3 分析方法

根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995方法對土壤樣品中七種重金屬元素砷（As）、鎘（Cd）、鈷（Co）、鉻（Cr）、汞（Hg）、鎳（Ni）、鉛（Pb）以及三種有機(jī)污染物：666總量（HCH）、滴滴涕總量（DDT）、多環(huán)芳烴總量（PAHs），進(jìn)行檢測分析[25]。配制不同比例標(biāo)準(zhǔn)溶液組，每批樣品至少制備兩個以上空白溶液。分析方法及儀器見表1。試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0、Excel 2007和ArcGIS 10.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

表1 土壤樣品檢測分析方法Table 1 Test methods of the soil samples

1.4 評價方法與標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查評價技術(shù)規(guī)定》（試行），采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅（Nem?erow）綜合污染指數(shù)法，以土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618-1995中二級標(biāo)準(zhǔn)對該地區(qū)農(nóng)田耕層土壤進(jìn)行評價[25]。

土壤環(huán)境質(zhì)量單項污染指數(shù)計算公式：

Pij=Cij/Si

式中，Pij為土壤樣品j中污染物i的單項污染指數(shù)；Cij為樣點(diǎn)土壤樣品j中污染物i的濃度測值；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)單項污染指數(shù)大小，對土壤中污染物的污染程度進(jìn)行分級，共分為四級（見表2）。

土壤污染并非單一污染元素所致，而是多種污染物共同作用結(jié)果，Nemerow綜合污染指數(shù)法反映污染程度，突出污染指數(shù)最大污染物對環(huán)境質(zhì)量影響和作用。

Nemerow綜合污染指數(shù)法計算公式為：

Nemerow綜合污染指數(shù)污染評價分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤污染指數(shù)評價分級Table 2 Soil quality grading standard based on pollution indices

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性狀分析

研究區(qū)域農(nóng)田土壤類型及作物種類見圖2。

研究區(qū)域內(nèi)土壤類型主要為黑土、黑鈣土及草甸土，其理化性狀好，有機(jī)質(zhì)含量高，顆粒結(jié)構(gòu)好，養(yǎng)分含量豐富，自然肥力高[26]；種植的作物以玉米為主，研究區(qū)北部有部分大豆種植區(qū)，南部有部分水稻種植。

研究區(qū)域農(nóng)田耕層土壤理化性質(zhì)如表3所示。pH為5.03～8.94，標(biāo)準(zhǔn)差為0.91，樣點(diǎn)間有一定差異，涵蓋酸性、中性和堿性土壤。土壤機(jī)械組成中，砂粒所占比例達(dá)91.82%，粉粒和黏粒分別占6.11%和2.07%。農(nóng)田耕層土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，所占比例為3.56%，最高達(dá)8.20%；全氮、全鉀分別占0.20%和2.06%；全磷平均含量相對較低，僅為0.08%，這可能是由于土壤中磷的含量相對較低，而該區(qū)域磷肥施用時間較短，且該區(qū)域多以玉米種植為主，磷肥需用量較小，并未造成磷在土壤中大量殘留；長期大量施用磷肥會造成土壤酸化，從該區(qū)域平均pH可證明。早春低溫也會導(dǎo)致磷有效性降低[27]。

2.2 土壤重金屬元素含量分析土壤樣品中各重金屬元素平均含量見表4。

圖2 采樣點(diǎn)土壤類型及作物種類Fig.2 Soil types and typical crops of the sampling sites

表3 土壤基本理化性質(zhì)Table 3 Basic properties of the soil samples

表4 土壤樣品中重金屬含量Table 4 Contents of heavy metals in soil samples

由表4可知，土壤中各重金屬元素平均含量分別為：As 9.52 mg·kg-1，Cd 0.11 mg·kg-1，Co 12.71 mg·kg-1，Cr 66.11 mg·kg-1，Hg 0.59 mg·kg-1，Ni 28.67 mg·kg-1，Pb 22.27 mg·kg-1。與國內(nèi)現(xiàn)遵循第一次全國土壤普查背景值結(jié)果相比，重金屬含量相對較低[28-30]，但與松嫩平原背景值比較，Cr和Hg明顯高于背景值[30]，其他各重金屬元素含量也均略高于背景值。

變異系數(shù)可反映各樣點(diǎn)元素含量平均變異程度，變異系數(shù)越大，受到外界影響越大。本研究中各重金屬元素變異系數(shù)大小依次為：Hg＞Cd＞Co＞Ni＞As＞Pb＞Cr，其中 Hg變異系數(shù)最大為0.95，其次為Cd，達(dá)0.55，Cr最小為0.09。另外，Cd和Hg峰態(tài)系數(shù)較大，分別為34.40和12.75，說明Hg、Cd兩種元素含量在各樣點(diǎn)間差異性較大。

本研究通過ArcGIS 10.0軟件，采用克里金插值方法研究各無機(jī)污染物元素空間分布情況，是對離散變量進(jìn)行連續(xù)無偏插值的可靠方法，插值結(jié)果見圖3，可直觀地呈現(xiàn)重金屬元素空間分布特征[31]。

由圖3可知，各重金屬元素在研究區(qū)域內(nèi)分布具有一定差異，其中，Cd在研究區(qū)域中部含量較高；Cr于南部含量較高，東南部為其相對低值區(qū)；而As、Co、Ni、Pb四種元素含量相對高值區(qū)均分布于研究區(qū)域西北部；Hg其相對高值區(qū)較為分散，在研究區(qū)域中部、西北部、東南部均有分布。

另外，對研究區(qū)域不同土壤類型中重金屬含量進(jìn)行比較，結(jié)果表明，各重金屬元素含量在不同土壤類型中較均勻，含量范圍變化不大。

2.3 土壤持久性有機(jī)物含量分析

土壤持久性有機(jī)物HCH，DDT，PAHs含量分析見表5。

圖3 區(qū)域土壤各重金屬元素空間分布Fig.3 Spatial distributions of soil heavy metal in the test areas

表5 土壤有機(jī)物含量Table 5 Contents of organic compound in soil samples

由表5可知，土壤有機(jī)污染物HCH含量為1.61～105.91 μg·kg-1；DDT含量為 0.94～109.23 μg·kg-1；PAHs含量為2.53～354.98 μg·kg-1，三種有機(jī)污染物含量范圍差異很大，變異系數(shù)也分別達(dá)到HCH 1.84，DDT 2.34，PAHs 2.80。

三種有機(jī)污染物平均含量分別為：HCH 5.60 μg·kg-1，DDT 4.32 μg·kg-1，PAHs 13.75 μg·kg-1，偏度系數(shù)分別為6.23、8.23和5.35，反映出有機(jī)污染物含量由于個別數(shù)值較大樣品，造成總體正態(tài)分布密度曲線對稱性呈分布式右偏，而其他樣點(diǎn)含量低值相對較多；峰態(tài)系數(shù)分別達(dá)到45.86、74.72和35.96，反映三種有機(jī)污染物分布密度曲線呈窄狹峰，峰值附近陡峭程度較大，說明各樣點(diǎn)含量均相對較低，僅有個別樣點(diǎn)含量出現(xiàn)高值。

采用克里金插值方法，通過ArcGIS 10.0制作各持久性有機(jī)物含量空間分布，由圖4可知，研究區(qū)域西部大部分地區(qū)為HCH含量相對低值區(qū)，東北部為其相對高值區(qū)；DDT、PAHs在區(qū)域內(nèi)含量分布較為均勻，但有個別樣點(diǎn)含量較高，零星分布于研究區(qū)域內(nèi)，其中PAHs于西南部有小范圍高值區(qū)分布。

圖4 區(qū)域土壤持久性有機(jī)物空間分布Fig.4 Spatial distributions of persistence organic compound in soil

2.4 土壤污染元素相關(guān)性分析

利用SPSS 19.0軟件對研究區(qū)域七種無機(jī)重金屬元素及三種有機(jī)污染物進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，As、Co、Cr、Ni、Pb，五種元素兩兩均在P＜0.01水平上呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，可見各元素之間在土壤中有密切關(guān)系。而Cd、Hg、HCH、DDT、PAHs 5項有機(jī)無機(jī)污染元素與其他元素相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，可能因其在土壤中含量較低，且受其污染的樣點(diǎn)較少，污染來源所含成分較為單一。

2.5 土壤污染評價

2.5.1 單因子污染評價

單因子評價是對土壤中某一污染物的污染程度進(jìn)行評價，如圖5所示。

圖5 土壤單因子污染評價Fig.5 Assessment of single factor pollution in soil

由圖5可知，研究區(qū)域重金屬及無機(jī)物各元素平均單因子污染指數(shù)從大到小依次為：Ni＞Cd＞Cr＞Co＞As＞Pb＞PAHs＞Hg＞HCH＞DDT，各元素單因子污染超標(biāo)樣點(diǎn)共18個，其中重金屬元素Cd超標(biāo)樣點(diǎn)3個，分別為1.21和1.05，屬于輕度污染，另有中度污染超標(biāo)樣點(diǎn)1個，污染指數(shù)達(dá)到2.02；三種有機(jī)污染元素平均單因子污染指數(shù)均較低，但共有15個超標(biāo)樣點(diǎn)，可見各樣點(diǎn)該元素差異性極大，但污染狀況不容忽視，其中HCH超標(biāo)樣點(diǎn)3個，均為輕度污染，分別為1.02、1.01和1.06；DDT超標(biāo)樣點(diǎn)2個，污染指數(shù)為1.09和1.08，屬于輕度污染；PAHs超標(biāo)樣點(diǎn)達(dá)10個，其中8個樣點(diǎn)污染指數(shù)1＜Pij≤2，屬于輕度污染，另有2個樣點(diǎn)，污染指數(shù)分別為2.04和3.54，屬于中度污染。

2.5.2 Nemerow綜合污染評價

利用Nemerow綜合污染評價方法，對各樣點(diǎn)土壤污染進(jìn)行綜合評價，結(jié)果見圖6?？芍瑢儆诎踩燃壍臉狱c(diǎn)達(dá)179個；0.7＜PNj≤1處于警戒限的超標(biāo)樣點(diǎn)共17個；1＜PNj≤2的樣點(diǎn)共3個，屬于輕度污染；2＜PNj≤3屬于中度污染的樣點(diǎn)僅1個，樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)為2.54。

1-安全；2-警戒限；3-輕度污染；4-中度污染；5-重度污染1-Security;2-Warning;3-Light pollution;4-Moderate pollution;5-Heavy pollution

圖6 Nemerow綜合污染評價分級Fig.6 Assessment results of soil samples according to the Nemerow method

從綜合污染指數(shù)結(jié)果可知，各樣點(diǎn)受最大單因子指數(shù)污染物影響較大，主要是Cr、HCH、DDT、PAHs四種物質(zhì)。受Cr影響的污染樣點(diǎn)3個，其中2個超標(biāo)樣點(diǎn)為警戒限，另有1個為輕度污染。超標(biāo)樣點(diǎn)主要集中于研究區(qū)域東部，地處小興安嶺西南邊緣過渡地帶，土壤類型屬于草甸土，其農(nóng)田土壤污染可能是由于周圍地區(qū)含Cr廢棄物污染或其廢水灌溉造成。

受三種有機(jī)物影響的污染樣點(diǎn)共18個，不規(guī)則分布于研究區(qū)域內(nèi)多個地點(diǎn)，主要農(nóng)田作物為玉米及大豆。HCH和DDT殘留造成土壤污染樣點(diǎn)共5個，均屬于警戒限，污染特點(diǎn)具有明顯持久性，多為農(nóng)藥大量長期施用。我國自1983年開始禁止施用有機(jī)氯農(nóng)藥，除個別樣點(diǎn)依然殘留部分有機(jī)污染物或違規(guī)施用，其他多數(shù)樣點(diǎn)含量均較低；而多環(huán)芳烴類有機(jī)物污染樣點(diǎn)達(dá)13個，其中屬于警戒限污染樣點(diǎn)共10個，輕度污染樣點(diǎn)2個，另有中度污染樣點(diǎn)1個，PAHs污染一般多為農(nóng)田秸稈大量就地燃燒及個別區(qū)域礦產(chǎn)開采所致。

3結(jié)論

研究表明，我國黑龍江省綏化地區(qū)重金屬元素及有機(jī)污染物平均含量均較低，空間分布具有差異性，出現(xiàn)明顯高值區(qū)域，受污染潛在風(fēng)險較大。研究區(qū)域各元素單因子污染指數(shù)評價超標(biāo)樣點(diǎn)共18個，重金屬元素Cd超標(biāo)樣點(diǎn)3個，其中2個為輕度污染，中度污染超標(biāo)樣點(diǎn)1個；三種有機(jī)污染元素共有15個超標(biāo)樣點(diǎn)，各樣點(diǎn)該元素差異性極大，污染狀況不容忽視，其中HCH超標(biāo)樣點(diǎn)3個，均為輕度污染；DDT超標(biāo)樣點(diǎn)2個，屬于輕度污染；PAHs超標(biāo)樣點(diǎn)達(dá)10個，其中8個為輕度污染，另有2個樣點(diǎn)屬于中度污染。

利用Nemerow綜合污染評價方法進(jìn)行評價，各樣點(diǎn)受最大污染物影響較大。受三種有機(jī)物影響的污染樣點(diǎn)共18個，不規(guī)則分布于多個地點(diǎn)，HCH和DDT殘留所造成土壤污染樣點(diǎn)共5個，均屬于警戒限；多環(huán)芳烴類有機(jī)物污染樣點(diǎn)達(dá)13個，其中屬于警戒限污染樣點(diǎn)共10個，輕度污染樣點(diǎn)2個，另有中度污染樣點(diǎn)1個。各污染樣地主要農(nóng)田作物為玉米及大豆，受農(nóng)藥殘留及作物秸稈焚燒的影響較大。

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Evaluation and analysis of farmland soils pollution status of Songnen Plain:For example Suihua area of Heilongjiang Province

WANG Su1,SHI Fengmei1,PEI Zhanjiang1,GAO Yabing1,LIU Xiaoye2,ZUO Xin1,LIU jie1(1.Rural Energy Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China;2.School of Agriculture, Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing Heilongjiang 163319,China)

Heavy metal and organic pollutants in farmland soil of Suihua area were investigated andevaluated.The results showed that the average concentration of As,Cd,Co,Cr,Hg,Ni,Pb,HCH,DDT and PAHs in farmland soil in the study area were all low.But the average concentration of pollutants showed some differences of the spatial distribution and samples with high average concentration which meant high potential risk of contamination appeared.The pollution indices of 18 soil samples exceeded the standard,in which 15 soil samples were lightly polluted and the other three soil samples were at the moderate level of pollution.Then Nemerow method was used to make a comprehensive pollution assessment and the results showed that the pollution index of 21 soil samples exceeded the standard,which was mainly polluted by Cr，HCH,DDT or PAHs.Three samples mainly from the southwest edge areas of Lesser Khingan Range were polluted by Cr.And 18 soil samples contaminated by three organic pollutants were distributioned irregularly in study areas where Corn and soybeans were the typical crops and the residue of pesticide and the uncontrolled burning of crop straw were the main factors affecting the soil quality.Among these 18 soil samples,5 soil samples were contaminated by HCH and DDT and were all at the alert level of pollution.The other 13 soil samples were contaminated by PAHs,in which the number of soil samples at alarming,lightly and moderate level of pollution were 10,2 and 1,respectively.

Suihua area;farmland soil;heavy metal;organic pollution;assessment

X53

A

1005-9369（2015）05-0075-09

2014-11-19

農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項（3-038）；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才項目（2014RFQYJ141）；黑龍江省青年科學(xué)基金項目（QC 2014C031）

王粟（1984-），男，助理研究員，碩士，研究方向為可再生能源、土壤肥料。E-mail:bgp88@126.com

劉杰，研究員，博士，研究方向為可再生能源、土壤肥料。E-mail:liujie1677@126.com