山西省天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤重金屬污染評價及其源解析*

湛潤生 胡冬梅 甄莉娜 戎婷婷

(山西大同大學生命科學學院，山西 大同 037009)

由人為因素導致的重金屬元素在土壤中過量沉積是農(nóng)田土壤重金屬污染的主要原因。隨著人類對自然資源開發(fā)利用強度的逐漸增強，通過不同途徑進入土壤造成的重金屬污染也日益嚴重。近年來農(nóng)村耕地土壤重金屬污染屢有報道[1-3]。土壤重金屬被植物吸收后可通過食物鏈進入人體，當進入機體的重金屬含量超出人體最大承受量時會引發(fā)各種疾病，導致人體肝、腎、腸、胃、神經(jīng)組織等損傷，嚴重的還會致畸、致癌和致突變[4-5]。

設(shè)施菜地是一種利用強度大、投入和產(chǎn)出高、受人類活動影響大的土地利用方式，它常年處于封閉狀態(tài)，施肥量大、溫度濕度高、蒸發(fā)量大、無雨水淋洗、復種指數(shù)高。設(shè)施蔬菜在我們?nèi)粘Ｉ攀持邪缪葜絹碓街匾慕巧?，如果其土壤重金屬超標，通過食物鏈傳遞，勢必會嚴重威脅到人類健康。

天鎮(zhèn)縣地處山西省東北邊緣，是一個典型的農(nóng)業(yè)縣，當?shù)卦O(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度較快，且仍在不斷擴大，截止2020年底全縣設(shè)施菜地面積約為1 000 hm2，而有關(guān)當?shù)卦O(shè)施菜地土壤重金屬含量變化現(xiàn)狀還未見研究報道。本研究通過實地走訪調(diào)查和土樣采集，測定了天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤中8種常見重金屬元素，評價和分析了該縣設(shè)施菜地土壤重金屬污染情況及來源途徑，從而為該縣設(shè)施菜地高效健康發(fā)展的管理和技術(shù)措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

在天鎮(zhèn)縣設(shè)施蔬菜發(fā)展有代表性的玉泉鎮(zhèn)、南河堡鄉(xiāng)和卅里鋪鄉(xiāng)設(shè)置采樣菜地80塊，于2020年3月在每塊菜地以“S”型五點采樣法采集一個混合土樣，采樣深度0～20 cm，共采集80個土樣(采樣點分布見圖1)。樣品帶回實驗室風干，過100目篩備用。土壤類型屬栗鈣土。

圖1 采樣點分布

1.2 測試項目與方法

Cd、Pb采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，以石墨爐原子吸收分光光度法測定；Cu、Zn、Ni、Cr采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，以火焰原子吸收分光光度法測定；Hg采用H2SO4-HNO3-KMnO4消解，以冷原子吸收分光光度法測定；As采用H2SO4-HNO3-HClO4消解，以二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測定，8種元素具體測試方法均參考文獻[6]執(zhí)行，測定過程中通過添加標準樣品(購買自國家標準物質(zhì)中心的各重金屬標準品)和加標實際樣品來進行質(zhì)量控制。

1.3 土壤重金屬污染評價和源解析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬元素的污染特征值

從表1可以看出，土壤Pb、Cr、Cd、Ni、Hg平均值接近或高于背景值，Cu、Zn、As平均值低于背景值。背景值反映土壤不受或者很少受人類活動影響的情況下土壤原來固有的元素含量水平。Cu、Zn屬于植物必需營養(yǎng)元素，植物從土壤中帶走的量超過補充量，導致Cu、Zn含量低于背景值；As含量低于背景值在其他文獻中也有報道[9-10]。80塊采樣菜地中，有40塊菜地Cd超過限值，超標率為50%，最高Cd達到0.96 mg/kg；有4塊菜地Ni超過限值，超標率為5%；其余元素超標率均為0。所調(diào)查的8種重金屬元素變異系數(shù)差異較大，其中Cr變異系數(shù)小于0.20，屬于較低程度變異；Pb、Zn、Ni、As變異系數(shù)介于0.21～0.50，屬于中等程度變異；Cu、Cd、Hg變異系數(shù)介于0.51～1.00，屬于高度變異。除成土母質(zhì)差異之外，當?shù)卦O(shè)施菜地土壤中重金屬元素Cu、Cd、Hg受到外源因子干擾較大。

表1 土樣污染參數(shù)特征

2.2 土壤重金屬元素的污染評價

天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤Pi、PN分別見表2和表3。從Pi可以看出，Cu、Pb、Zn、Cr、Hg、As的Pi均小于1.0，污染等級為清潔；Ni污染等級為清潔的土樣占95%，輕度污染占5%，總體污染等級為清潔；Cd污染等級為清潔的土樣占50%，輕度污染占30%，重度污染占20%，總體污染等級為輕度污染。從Pi平均值看，8種重金屬元素的污染程度表現(xiàn)為Cd>Ni>Pb>Cr=As>Zn>Hg>Cu。PN為0.48～2.32，其中65%的土樣受到不同程度污染，35%的土樣保持清潔，Cd是土壤污染的主要貢獻因子，Ni其次。

表2 設(shè)施菜地土壤Pi統(tǒng)計結(jié)果

表3 設(shè)施菜地土壤PN統(tǒng)計結(jié)果

2.3 土壤重金屬元素的潛在生態(tài)危害評價

表4 設(shè)施菜地土壤統(tǒng)計結(jié)果

表5 設(shè)施菜地土壤RI統(tǒng)計結(jié)果

2.4 土壤重金屬源解析

由重金屬元素相關(guān)分析結(jié)果可見，Cu、Pb、Ni三者之間均呈極顯著正相關(guān)，而Cr與Cd之間呈顯著正相關(guān)(見表6)。經(jīng)KMO和Bartlett球形度檢驗，KMO值為0.55，Bartlett球形度檢驗的相伴概率<0.01(極顯著水平)，進一步說明重金屬元素間存在相關(guān)性。因此，采用主成分分析解析土壤重金屬來源是可行的。

表6 各重金屬元素之間的相關(guān)性分析1)

由表7可知，前4個主成分的累計方差貢獻率達82.19%，表明前4個主成分在一定程度上能反映數(shù)據(jù)的大部分信息。重金屬元素Cu、Pb、Ni在主成分1上有較高載荷絕對值；Cr、Cd在主成分2上有較高載荷絕對值；Zn、Hg在主成分3上有較高載荷絕對值；As在主成分4上有較高載荷絕對值。

表7 重金屬元素主成分的特征值、方差貢獻率、累計貢獻率和成分矩陣1)

3 討 論

通過采樣分析對天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤重金屬進行了污染現(xiàn)狀評價和潛在生態(tài)危害評價，從單項污染評價結(jié)果來看，Cd屬于輕度污染，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Hg、As均屬于清潔；綜合污染評價結(jié)果為輕度污染，其中Cd是首要貢獻因子，Ni其次。在潛在生態(tài)危害評價中，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As屬于輕微生態(tài)危害，Hg屬于中等生態(tài)危害，Cd屬于強生態(tài)危害，多元素潛在生態(tài)危害結(jié)果為中等生態(tài)危害。研究中兩類評價方法結(jié)果不一致，造成這一結(jié)果的原因有以下兩方面：首先，Pi、PN采用指標限值較高的HJ 333—2006為評價標準，而潛在生態(tài)危害評價標準采用指標限值較低的背景值為評價標準；其次，潛在生態(tài)危害評價中引入數(shù)值各異的重金屬毒性響應系數(shù)，將重金屬的環(huán)境生態(tài)效應與毒理學聯(lián)系起來，反映出不同重金屬元素對環(huán)境的潛在生態(tài)危害。關(guān)于土壤重金屬污染評價研究眾多，羅松英等[11]和崔邢濤等[12]的研究結(jié)果也表明，PN和RI評價結(jié)果之間有一定差異。

主成分分析結(jié)果表明，Cu與Pb、Ni在主成分1上有較大的載荷絕對值，成土母質(zhì)釋放、礦山開采、交通運輸和農(nóng)業(yè)活動是土壤Cu、Pb和Ni的主要來源。其中Pb、Cu來源于礦山開采，天鎮(zhèn)縣金屬礦產(chǎn)資源豐富，礦床多為富含Pb和Cu的金屬礦石[13]，前些年當?shù)氐V山開采猖獗，重金屬顆粒以大氣沉降等方式進入土壤，導致設(shè)施菜地土壤重金屬含量升高。作為山西省東北出口，天鎮(zhèn)縣內(nèi)交通網(wǎng)絡密集，汽車尾氣排放及輪胎磨損會產(chǎn)生大量含Pb、Cu等的有害氣體和粉塵，通過大氣沉降進入土壤，增加土壤重金屬含量。含Pb的磷肥、復合肥施用也是天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤Pb積累的重要原因。除此之外，Cu和Zn作為豬飼料添加劑，能夠防治疾病，提高飼料利用率，促進豬生長和增加出欄率，故豬糞便中含有大量Cu和Zn，而養(yǎng)豬業(yè)又是當?shù)卮迕衩撠氈赂恢е援a(chǎn)業(yè)，豬糞尿作為有機肥施入設(shè)施菜地，也會導致土壤Cu、Zn含量升高。農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)中使用的熱穩(wěn)定劑含有Pb，當?shù)卦O(shè)施栽培中塑料大棚修建以及覆蓋地膜使用都會造成土壤重金屬污染。另有研究表明，土壤Ni來源于成土母質(zhì)釋放，采礦、冶金行業(yè)排放的廢氣，電鍍工藝產(chǎn)生的殘渣及廢液等[14]，結(jié)合當?shù)刂亟饘僭氐奈廴咎卣鳎烧J為天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤Ni受成土母質(zhì)釋放、礦冶行業(yè)排放大氣污染物的雙重影響。

Cr、Cd在主成分2上有較高的載荷絕對值，一般認為Cr代表自然來源，土壤Cr主要受成土母質(zhì)影響[15-16]，另外，化肥、有機肥施用也是土壤Cr污染的重要來源。化肥包括磷肥、復合肥，畜禽糞便有機肥施用也是天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤Cd積累的主要原因[17]，另外，農(nóng)用薄膜殘留也會導致土壤Cd含量升高。主成分2代表了成土母質(zhì)釋放以及農(nóng)業(yè)活動對土壤重金屬含量的影響。

Zn、Hg在主成分3上有較大的載荷絕對值，Zn來源于當?shù)氐V山開采中重金屬顆粒大氣沉降，以及畜禽糞便有機肥重金屬釋放。有研究表明，原煤燃燒是我國大氣Hg最主要的污染源之一[18]，天鎮(zhèn)縣冬季長、氣溫低，農(nóng)戶均以原煤作為能源取暖，煤炭燃燒過程中釋放的Hg經(jīng)過沉降后進入土壤，造成土壤Hg含量升高。含Hg化肥、有機肥施用也是天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地土壤Hg積累的重要原因。所以，因子3代表了礦山開采、農(nóng)業(yè)活動以及原煤燃燒對土壤重金屬含量的影響。

As在主成分4上有較大的載荷絕對值，代表了成土母質(zhì)釋放、大氣沉降、設(shè)施栽培中含As化肥施用對環(huán)境造成的影響[19]。

4 結(jié) 論

天鎮(zhèn)縣設(shè)施菜地部分土壤重金屬有累積趨勢，綜合污染評價結(jié)果為輕度污染，多元素潛在生態(tài)危害評價結(jié)果為中等生態(tài)危害，其中Cd屬于輕度污染、強生態(tài)危害，Hg屬于中等生態(tài)危害，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As均屬于輕微生態(tài)危害。源解析結(jié)果表明，當?shù)卦O(shè)施菜地Cu、Pb和Ni來源于成土母質(zhì)釋放、礦山開采、交通運輸和農(nóng)業(yè)活動；Cr、Cd含量主要受成土母質(zhì)和農(nóng)業(yè)活動影響；礦山開采、農(nóng)業(yè)活動以及原煤燃燒是土壤Zn、Hg累積的重要原因；As代表了成土母質(zhì)釋放、大氣沉降、化肥施用對土壤環(huán)境造成的影響。總體上，當?shù)卦O(shè)施菜地土壤污染較輕，但Cd和Hg存在生態(tài)環(huán)境風險，應該引起重視。