鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中重金屬分布特征與污染狀況研究

張珂 厲萌萌 劉德權(quán) 張寅棟 史家慶 楊進(jìn)川 馬闖

關(guān)鍵詞：小麥農(nóng)田土壤;重金屬污染;分布特征

摘要：測(cè)定了2018年6月采集的鄭州市周邊6個(gè)區(qū)域21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田105個(gè)土壤樣品中的重金屬Pb，Cd，Cu，Zn的含量，并對(duì)其分布特征和污染狀況進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中的Pb，Cu和Zn含量的平均值分別為12.22 mg·kg-1，11.20 mg·kg-1和53.57 mg·kg-1，均低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和河南潮土背景值，并且隨著土壤深度的增加，這3種重金屬含量逐漸減少，Cd含量過(guò)低，未達(dá)到儀器檢出限.不同區(qū)域小麥農(nóng)田土壤中重金屬含量存在明顯差異，其中，鞏義市的小麥農(nóng)田土壤中Pb，Cu和Zn含量相對(duì)較高.小麥農(nóng)田土壤中，7個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的Pb含量和5個(gè)鎮(zhèn)的Zn含量超過(guò)河南潮土背景值，21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的Cu含量和Cd含量均小于河南潮土背景值;小麥農(nóng)田土壤中的Cu與Pb，Zn與Pb可能存在同源性，Cu與Zn可能受多個(gè)不同污染源的影響.鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤質(zhì)量整體良好，但仍需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)重金屬含量超過(guò)河南潮土背景值的農(nóng)田土壤，可采取加強(qiáng)土地耕種等農(nóng)業(yè)知識(shí)宣傳、多用有機(jī)肥少用化肥等措施來(lái)改善土壤的基本理化性質(zhì).

Abstract：A total of 105 soil samples was collected from 21 villages/towns wheat farmland in 6 regions around Zhengzhou in June 2018， and the contents of heavy metals Pb， Cd， Cu and Zn in the soil samples were determined.Their distribution pattern and pollution status were analyzed.The results showed that the average values of Pb， Cu and Zn in the wheat farmland soil around Zhengzhou city were 12.22 mg·kg-1， 11.20 mg·kg-1 and 53.57 mg·kg-1 respectively， all lower than the soil environment quality standard and He′nan fluvo-aquic soil background value;with the increase of soil depth， the contents of these three kinds of heavy metals gradually decreased， and the content of Cd was not reduced;the contents of heavy metals in the wheat farmland soil in different regions was significantly different;among them， the contents of Pb， Cu and Zn in the wheat farmland soil in Gongyi city were relatively high;in the wheat farmland soil， the Pb content in 7 villages/towns and the Zn content in 5 towns exceeded He′nan fluvo-aquic soil background value;and the Cu content and Cd content in 21 villages/towns were lower than the He′nan fluvo-aquic soil background value;Cu and Pb might have homology， and Cu and Zn might be affected by multiple different pollution sources.The soil quality of wheat farmland around Zhengzhou was generally good， but the farmland soil with heavy metal content exceeding He′nan fluvo-aquic soil background value still needs to be monitored.Measures such as strengthening the publicization of agricultural knowledge such as land cultivation and using organic fertilizers instead of chemical fertilizers can improve the basic physical and chemical properties of the soil nature.

0 引言

農(nóng)業(yè)土壤的質(zhì)量是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品安全和人類(lèi)健康的土壤的重要基質(zhì)[1].近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，進(jìn)入土壤系統(tǒng)中的重金屬造成的土壤污染越來(lái)越嚴(yán)重[2-3].由于土壤中的重金屬具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆性，容易通過(guò)食物鏈在動(dòng)植物體內(nèi)、人體內(nèi)積累，對(duì)食品安全進(jìn)而對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4-6].

就我國(guó)農(nóng)田土壤而言，重金屬污染狀況不容樂(lè)觀.2014年，環(huán)境保護(hù)部與國(guó)土資源部在《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中指出，全國(guó)土壤總超標(biāo)率為16.10%，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.40%，其中Pb，Cd，Cu和Zn? 4 種重金屬的點(diǎn)位超標(biāo)率分別為1.50%，7.00%，2.10%和0.90%[7].2015年，我國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《中國(guó)耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告（2015年）》中顯示，我國(guó)已有2.3×1010 m2耕地被重金屬污染.環(huán)保部門(mén)估算，我國(guó)每年受重金屬污染的糧食高達(dá)1.2×107 t，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元.目前，針對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀的相關(guān)報(bào)道[8-16]已有很多.李志濤等[11]對(duì)四川省江安縣某硫鐵礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤中Cd污染超標(biāo)率高達(dá) 99.03%，Cu污染超標(biāo)率為37.20%，整體以中度污染為主.尹國(guó)慶等[12]對(duì)安徽省某典型區(qū)農(nóng)用地土壤中重金屬污染狀況的研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)農(nóng)用地土壤中Cd，Hg，As，Pb和Cr的超標(biāo)率分別為26.93%，3.81%，23.47%，3.35%和 2.23%.鄭州市作為中原地區(qū)的核心城市，常住人口超千萬(wàn)，周邊農(nóng)田是供給市民蔬菜和糧食的重要生產(chǎn)基地，因而對(duì)其土壤重金屬污染情況進(jìn)行調(diào)查研究，具有重要意義.

王亮等[13]于2003年對(duì)鄭州市郊區(qū)蔬菜基地土壤中的重金屬含量所作的研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd和Pb表現(xiàn)出明顯的空間分布特征，且污水灌溉是造成鄭州市郊區(qū)土壤中重金屬含量增加的重要原因之一.余廣學(xué)等[14]和高軍俠等[15]分別對(duì)鄭州市及周邊和鄭州市東郊G107國(guó)道附近的小麥地、蔬菜地的土壤進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示土壤質(zhì)量總體良好.但是，鄭州市周邊土壤多零星分布，隨著城市的不斷擴(kuò)張，且受到大氣污染物沉降、固體廢棄物堆放、不合理的施肥和灌溉等影響，土壤環(huán)境容量下降[16].因此，有必要進(jìn)一步研究鄭州市周邊農(nóng)田土壤中重金屬的污染狀況.

基于此，本研究擬以鄭州市周邊新鄭市、新密市、滎陽(yáng)市、鞏義市、中牟縣和惠濟(jì)區(qū)6個(gè)區(qū)域的21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的小麥農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，對(duì)土壤中Pb，Cd，Cu和Zn的含量及其空間分布特征進(jìn)行分析研究，以期為鄭州市周邊農(nóng)田土壤管理及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況

鄭州市（34°16′～34°58′N(xiāo)，112°42′～114°14′E）地處黃河中下游的沖積扇平原，海拔110.4 m，地勢(shì)西高東低，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均溫度13 ℃，年降水量500～600 mm，降水多集中在7，8月份，無(wú)霜期在200 d 以上，年平均日照時(shí)間2300～2500 h[17].鄭州市及周邊屬華北平原南部，整體氣候較好，晝夜溫差較大，夏秋降雨集中，冬春干旱多風(fēng)，四季氣候分明，很適宜農(nóng)作物種植，更是多種糧食、蔬菜、水果等農(nóng)作物生長(zhǎng)的寶地.潮土和褐土為鄭州市的主要土壤類(lèi)型[18].

2 研究方法

2.1 樣品采集

在調(diào)查研究區(qū)農(nóng)田分布的基礎(chǔ)上，參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）[19]相關(guān)規(guī)定，于2018年6月，對(duì)鄭州市周邊6個(gè)區(qū)域（新鄭市、新密市、滎陽(yáng)市、鞏義市、中牟縣、惠濟(jì)區(qū)）21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的小麥農(nóng)田進(jìn)行土壤樣品采集，其中，中牟縣位于鄭州市東部，滎陽(yáng)市和鞏義市位于西部，新密市位于西南，新鄭市位于南部，惠濟(jì)區(qū)位于北部.共設(shè)置35個(gè)采樣點(diǎn)，其分布見(jiàn)圖1.

每個(gè)采樣點(diǎn)按梅花布點(diǎn)法進(jìn)行樣品采集，分別采集深度為0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm的農(nóng)田土壤，混合均勻后用四分法取約1 kg土壤作為實(shí)驗(yàn)所需樣品.將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后清除植物根系、砂礫等雜物，經(jīng)自然風(fēng)干、壓碎、研磨后，過(guò)18目篩，然后裝入密封袋中，置于陰涼處保存，備用.

2.2 樣品測(cè)定

采用原子吸收光譜儀（ZEEnit700P，德國(guó)）測(cè)定土壤樣品中Pb，Cd，Cu和Zn的含量.其中，Pb和Cd的含量參照《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）[20]進(jìn)行測(cè)定，Cu和Zn的含量參照《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T 17138—1997）[21]進(jìn)行測(cè)定.

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用ArcGis 10.1繪制采樣圖，使用Excel和Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪圖.

3 結(jié)果與分析

3.1 鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中重金屬含量分布特征分析土壤易受不合理施肥、污水灌溉、大氣污染物沉降等因素的影響所致[15].

本研究未對(duì)重金屬Cd的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，主要原因是在利用火焰原子吸收法檢測(cè)土壤中的Cd含量時(shí)，檢測(cè)出的數(shù)值為負(fù)值，初步判斷是：鄭州市周邊農(nóng)田土壤樣品中Cd含量過(guò)小，未達(dá)到儀器檢出限.

3.2 鄭州市周邊不同區(qū)域小麥農(nóng)田土壤中重金屬含量特征

3.3 鄭州市周邊不同鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中重金屬含量特征

表2為鄭州市周邊不同鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤（0～20 cm）中重金屬含量特征.由表2可知，鄭州市周邊不同鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中Pb的含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量背景值，但對(duì)比不同鄉(xiāng)/鎮(zhèn)農(nóng)田土壤中Pb含量發(fā)現(xiàn)，金寨回族鄉(xiāng)、高山鎮(zhèn)、廣武鎮(zhèn)、古滎鎮(zhèn)、米河鎮(zhèn)、崔廟鎮(zhèn)和曲梁鎮(zhèn)7個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中的Pb含量相對(duì)于其他14個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的Pb含量較高，且大于河南潮土背景值，分別超出河南潮土背景值53.47%，16.67%，15.28%，16.67%，48.61%，15.28%和 9.03%.其中，金寨回族鄉(xiāng)和米河鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤的超出百分率相對(duì)較高，可以推測(cè)，這兩個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤受重金屬Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)比其他鄉(xiāng)/鎮(zhèn)更高些.

鄭州市周邊觀音寺鎮(zhèn)楊河村、辛店鎮(zhèn)、曲梁鎮(zhèn)的小麥農(nóng)田土壤中Cu含量相對(duì)于其他18個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的Cu含量較高，其中，金寨回族鄉(xiāng)的小麥農(nóng)田土壤中Cu含量最小，為6.87 mg·kg-1，但鄭州市周邊不同鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中的Cu含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和河南潮土背景值.

鄭州市周邊21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中的Zn含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于其他16個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)，古滎鎮(zhèn)、汜水鎮(zhèn)、米河鎮(zhèn)、崔廟鎮(zhèn)和米村鎮(zhèn)5個(gè)鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中的Zn含量較高，且大于河南潮土背景值，分別超出河南潮土背景值28.88%，0.77%，18.43%，18.13%和 22.27%.由于部分采樣點(diǎn)小麥農(nóng)田數(shù)量較少，多數(shù)以當(dāng)季蔬菜為主，因此采樣點(diǎn)的數(shù)量少，無(wú)法都做標(biāo)準(zhǔn)誤的計(jì)算.

3.4 鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中重金屬含量相關(guān)性分析

有研究表明，土壤中的重金屬主要來(lái)源于成土母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)，根據(jù)重金屬之間的相關(guān)性，可以判斷土壤中的重金屬來(lái)源是否相同;若存在正相關(guān)，說(shuō)明其來(lái)源可能相同;否則，表明來(lái)源可能不同[25-26].對(duì)鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中重金屬Pb，Cu和Zn含量的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可以看出，小麥農(nóng)田土壤中Cu含量與Pb含量的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著（P<0.05），Zn含量與Pb含量的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上極顯著（P<0.001），而Cu含量與Zn含量的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上不顯著（P>0.05）.由此可見(jiàn)，鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中的Cu與Pb，Zn與Pb可能存在同源性，Cu與Zn之間可能受多個(gè)污染源的影響，這說(shuō)明應(yīng)注意控制農(nóng)業(yè)、工業(yè)污染對(duì)土壤的影響，以確保農(nóng)田土壤和作物的安全.

4 結(jié)論

本文以鄭州市周邊新鄭市、新密市、滎陽(yáng)市、鞏義市、中牟縣和惠濟(jì)區(qū)6個(gè)區(qū)域的21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的小麥農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，對(duì)鄭州市周邊不同鄉(xiāng)/鎮(zhèn)小麥農(nóng)田土壤中Pb，Cd，Cu和Zn的含量及其空間分布特征進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論.

1）鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤中重金屬Pb，Cu，Zn的含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和河南省潮土背景值，Cd含量低于檢測(cè)限，未檢測(cè)到，土壤整體質(zhì)量狀況良好;3種重金屬含量隨土層的加深有明顯的減小趨勢(shì).

2）鄭州市周邊不同區(qū)域小麥農(nóng)田土壤中重金屬含量存在明顯差異：Pb含量在鞏義市最大（22.43 mg·kg-1），中牟縣最?。?.91 mg·kg-1）;Cu含量在鞏義市最大（15.56 mg·kg-1），滎陽(yáng)市最小（9.40 mg·kg-1）;Zn含量在惠濟(jì)區(qū)最大（83.88 mg·kg-1），新鄭市最?。?4.20 mg·kg-1）.

3）金寨回族鄉(xiāng)、高山鎮(zhèn)、廣武鎮(zhèn)、古滎鎮(zhèn)、米河鎮(zhèn)、崔廟鎮(zhèn)和曲梁鎮(zhèn)7個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的小麥農(nóng)田土壤中Pb含量超過(guò)河南潮土背景值，古滎鎮(zhèn)、汜水鎮(zhèn)、米河鎮(zhèn)、崔廟鎮(zhèn)和米村鎮(zhèn)5個(gè)鎮(zhèn)的小麥農(nóng)田土壤中Zn含量超過(guò)河南潮土背景值，21個(gè)鄉(xiāng)/鎮(zhèn)的Cu含量和Cd含量均小于河南潮土背景值.

4）小麥農(nóng)田土壤中的Cu與Pb，Zn與Pb可能存在同源性，Cu與Zn可能受多個(gè)不同污染源的影響.

由以上結(jié)果可見(jiàn)，鄭州市周邊小麥農(nóng)田土壤質(zhì)量整體良好，但今后仍應(yīng)對(duì)鄭州市周邊存在重金屬含量超過(guò)河南潮土背景值的農(nóng)田土壤進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并在條件允許的情況下，定期對(duì)農(nóng)田土壤中的重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，以防止土壤中的重金屬含量超出土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).另外，在調(diào)查采樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分農(nóng)田有用污水灌溉的現(xiàn)象，長(zhǎng)此以往，不僅會(huì)導(dǎo)致輸入到農(nóng)田中的重金屬含量增加，而且會(huì)影響作物生長(zhǎng)和人體健康.因此，需加強(qiáng)土地耕種等農(nóng)業(yè)知識(shí)宣傳，以減少乃至杜絕重金屬進(jìn)入土壤的途徑.此外，多用有機(jī)肥少用化肥，可以降低土壤重金屬的有效性，阻礙其通過(guò)根系吸收進(jìn)入食物鏈，同時(shí)，可以促進(jìn)土壤微生物的繁殖，改善土壤的基本理化性質(zhì)[27-28].本文研究結(jié)果將為保障鄭州市周邊農(nóng)田土壤安全和預(yù)防潛在風(fēng)險(xiǎn)提供一定理論依據(jù).

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