宿遷市農(nóng)業(yè)用地土壤中重金屬含量的時(shí)空異質(zhì)性分布

沈?qū)帉帲瑒?寧，徐蘇紅

(1 江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 徐州 221000；2 徐州市危險(xiǎn)廢物集中處置中心有限公司，江蘇 徐州 221000)

土壤與人類的生存、生活息息相關(guān)，農(nóng)業(yè)用地更是關(guān)乎著人類的食品安全[1-2]。在過去的幾十年里，人類經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、科技快速發(fā)展，人類的物質(zhì)需求也得到了極大地滿足，然而我國(guó)的土壤污染問題卻呈現(xiàn)出加劇的趨勢(shì)[3-4]。首次全國(guó)土壤環(huán)境狀況調(diào)查報(bào)告(2005-2013年)顯示，土壤樣本中超過國(guó)家二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的占比為16.1%，其中主要的污染源是重金屬(鎘、汞、鉛等)和類金屬(砷)[5-6]。同時(shí)，我國(guó)農(nóng)業(yè)部門的調(diào)查也顯示，在我國(guó)廣袤的農(nóng)田土壤污水灌溉面積中，受到重金屬影響的面積占比高達(dá)64.8%，這也導(dǎo)致了糧食大量的減產(chǎn)以及大面積的污染[7-8]。土壤中重金屬存在的毒性、持續(xù)性會(huì)影響土壤的肥力以及植物的生長(zhǎng)，甚至通過食物進(jìn)入人體，危害人體健康。土壤修復(fù)工作以及土壤污染防治工作已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域當(dāng)前的工作重點(diǎn)，依據(jù)重金屬含量呈現(xiàn)的時(shí)空異質(zhì)性分布，可以有效為土壤修復(fù)工作以及土壤污染防治工作提供良好的前期指導(dǎo)，優(yōu)先開展污染較嚴(yán)重地區(qū)的相關(guān)重金屬治理與防治工作，在污染較輕的地區(qū)采用防治為主的工作方針。因此，在我國(guó)遼闊的國(guó)土上按照區(qū)域性研究土壤重金屬的時(shí)空異質(zhì)性分布，有利于對(duì)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控提出合理的建議和以及為土壤修復(fù)提供合宜的基礎(chǔ)資料。

宿遷是江蘇省沿海地區(qū)向中西部輻射的重要門戶城市，是徐州都市圈、江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)核心城市、一帶一路節(jié)點(diǎn)城市[9-10]。截至2020年6月，宿遷下轄2區(qū)3縣。宿遷是優(yōu)質(zhì)農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)，也是著名的“楊樹之鄉(xiāng)”，盛產(chǎn)糧食、棉花、油料、蠶繭、木材、花卉、食用菌等，所轄三縣均為全國(guó)商品糧基地縣和全國(guó)平原綠化先進(jìn)縣[11]。本文以宿遷市為研究區(qū)，為了充分了解宿遷市農(nóng)業(yè)用地土壤環(huán)境中重金屬的含量分布情況，分別選取宿遷市宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣五個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)用地，分析農(nóng)業(yè)用地土壤中As、Hg、Cd等3種元素的含量，以期為宿遷市農(nóng)業(yè)用地土地資源管理提供依據(jù)[12]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處淮河、沂沭泗流域中下游，南臨洪澤湖，北接駱馬湖，承接上游21萬平方千米面積的來水，素有“洪水走廊”之稱。研究區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.2 ℃，年均降水量910 mm，年均日照總時(shí)數(shù)2291 h[11-12]。光熱資源比較優(yōu)越，四季分明，無霜期較長(zhǎng)，全年作物生長(zhǎng)期為310.5天。年均降水量為892.3 mm，由于受季風(fēng)影響，年際間變化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干天氣[13]。研究區(qū)主要土壤類型為潮土、沙姜黑土、黃褐土[14]。

1.2 樣品采集

利用宿遷市地圖進(jìn)行土壤采樣點(diǎn)的選取，分別在宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣五個(gè)地區(qū)各選取5個(gè)農(nóng)業(yè)用地為采樣單元，每個(gè)采樣單元采集大約15個(gè)土壤樣品，采集土壤樣品的大小為500 m×500 m，采樣深度為0～20 cm，并在中心點(diǎn)200 m范圍內(nèi)采集4個(gè)土壤柱混合而成一個(gè)樣品，放入樣品袋中保存并標(biāo)記好編號(hào)，同時(shí)用GPS記錄采樣點(diǎn)中心位置的坐標(biāo)。

1.3 樣品處理與重金屬含量測(cè)定

將所有的土壤樣品進(jìn)行自然晾干處理，剔除其中的枯樹枝、石子等雜質(zhì)，將成塊的樣品碾碎后過100目篩子，裝袋編號(hào)后送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

用萬分之一的天平稱取0.5000 g左右土壤樣品，加入10 mL 1:1的王水(濃鹽酸與濃硝酸體積比為3:1)，沸水浴2 h,自然冷卻后，將其移至50 mL容量瓶中，并用去離子水定容、搖勻，取上清液待測(cè)。采用原子熒光光度法測(cè)定Hg、As含量。每個(gè)樣品均平行測(cè)定3次。

用萬分之一的天平稱取0.2500 g左右土壤樣品于消解罐中，分別加入1 mL硝酸、2 mL氫氟酸、1 mL鹽酸于120 ℃石墨消解儀上加熱回流90 min，取下冷卻用純水定容至50 mL容量瓶中并搖勻，取上清液待測(cè)。采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定Cd含量。每個(gè)樣品均平行測(cè)定3次[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，One-way ANOVA方差分析檢驗(yàn)各地區(qū)間的差異，顯著因子設(shè)置為0.05，圖形均采用Origin8.1繪制，本文中所有的數(shù)據(jù)均是均值±SE。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

表1 描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表Table 1 Results of descriptive statistical analysis

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ為《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T332-2006)中從嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?yàn)椤锻寥拉h(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)(5.5

宿遷市宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣等五個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1可知，宿遷市五個(gè)地區(qū)的Hg含量平均值分別為0.001 mg/kg、0.003 mg/kg、0.001 mg/kg、0.002 mg/kg、0.001 mg/kg，Cd含量平均值分別為0.011 mg/kg、0.014 mg/kg、0.016 mg/kg、0.015 mg/kg、0.026 mg/kg，As含量平均值分別為0.943 mg/kg、1.030 mg/kg、1.825 mg/kg、2.444 mg/kg、1.099 mg/kg，Hg、Cd、As含量平均值沒有超過《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T332-2006)中從嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)以及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)(5.5

變異系數(shù)在一定程度上能夠表明區(qū)域重金屬變異程度，也表明了該區(qū)域內(nèi)重金屬元素的分布和受人類活動(dòng)影響情況，一般可將變異劃分為3類，當(dāng)變異系數(shù)超過30%時(shí)為強(qiáng)變異，當(dāng)變異系數(shù)介于10%～30%之間，為中等強(qiáng)度的變異，當(dāng)變異系數(shù)小于10%時(shí)，為較弱變異。由表1可知，宿遷市宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣等五個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬Hg、Cd、As變異系數(shù)大小為3.00%～25%，變異程度小。其大小排列的順序?yàn)镠g

2.2 土壤重金屬時(shí)空異質(zhì)性分析

表2 單因素方差分析結(jié)果表Table 2 Results of one-way ANOVA

圖1 宿遷市五地區(qū)農(nóng)業(yè)用地中土壤Hg、Cd、As含量Fig.1

由表2可知，宿遷市所轄五個(gè)地區(qū)間農(nóng)業(yè)用地重金屬Hg、Cd和As單因素方差分析結(jié)果P值均<0.01，含量差異顯著，造成土壤重金屬污染差異顯著的原因包括所研究地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、工業(yè)企業(yè)污染源數(shù)量以及對(duì)污染地塊的治理程度。通過分析筆者認(rèn)為宿遷市所轄宿豫區(qū)以及宿城區(qū)為主要城區(qū)，而泗洪縣、沭陽縣和泗陽縣為縣城，在居住人口、以及工業(yè)源數(shù)量上存在差異，導(dǎo)致該五個(gè)地區(qū)土壤中重金屬Hg、Cd、As含量差異顯著；圖1通過對(duì)比五個(gè)地區(qū)Hg、Cd和As三種元素的含量差異可知，泗陽縣農(nóng)業(yè)用地土壤中Hg含量顯著大于其他四個(gè)地區(qū)，一般認(rèn)為，Hg 來源于生產(chǎn)、生活過程中煤炭等化石燃料燃燒排放，主要通過大氣沉降方式進(jìn)入土壤，可能原因是該地區(qū)工業(yè)發(fā)展以能耗型為主導(dǎo)致的，宿豫區(qū)和沭陽縣的農(nóng)業(yè)用地土壤中Hg含量顯著大于宿城區(qū)和泗洪縣，宿豫區(qū)和沭陽縣、宿城區(qū)和泗洪縣之間沒有顯著性差異。泗洪縣農(nóng)業(yè)用地土壤中Cd含量顯著大于其他四個(gè)地區(qū)，有研究顯示，污水灌溉、化肥和農(nóng)藥的施用是土壤Cd 元素富集的重要原因[1,5]，泗洪縣最為宿遷最大的商品糧基地，有較大的農(nóng)場(chǎng)，在耕作過程中現(xiàn)代程度不好，很多作物產(chǎn)量的增加很多依靠農(nóng)藥化肥的大量使用，導(dǎo)致該地農(nóng)用地土壤中Cd元素含量的增加；此外，Cd元素還來源于汽車尾氣排放、油料泄漏、橡膠輪胎磨損等[1,5]，宿城區(qū)作為宿遷的主城區(qū)，人口密集程度高，機(jī)動(dòng)車較多，導(dǎo)致了宿城區(qū)的Cd含量也較高；宿豫區(qū)、沭陽縣和泗陽縣之間沒有顯著性差異。沭陽縣和泗洪縣農(nóng)業(yè)用地土壤中As含量顯著大于宿城區(qū)、宿豫區(qū)和泗陽縣，沭陽縣以及泗洪縣土壤中重金屬As含量較高的原因可能是其為主要的商品糧基地，而As則被大量用作殺蟲劑以及除草劑，人們通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)將重金屬輸入土壤，使土壤中重金屬含量不斷累積。沭陽縣和泗洪縣之間沒有顯著性差異，宿城區(qū)、宿豫區(qū)和泗陽縣之間沒有顯著性差異。

3 結(jié) 論

(1)宿遷市所轄宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣和泗洪縣的農(nóng)業(yè)用地土壤中重金屬Hg、Cd、As含量均能滿足《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T332-2006)以及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且變異系數(shù)較小。宿遷市作為江蘇省沿海地區(qū)向中西部輻射的重要門戶城市，若土壤環(huán)境中重金屬含量過高會(huì)嚴(yán)重危害水域環(huán)境安全，影響人類健康，本研究結(jié)果在一定程度上為江蘇沿海水域安全提供了理論保障。研究該區(qū)域的農(nóng)業(yè)用地重金屬含量與人類食品安全息息相關(guān)，本研究結(jié)果也在一定程度上為人們獲取安全、健康的食品提供了理論保障。

(2)宿遷市農(nóng)業(yè)用地土壤中重金屬Hg、Cd、As含量在宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣和泗洪縣存在顯著性差異，重金屬Hg、Cd、As含量呈現(xiàn)明顯的時(shí)空異質(zhì)性分布。

(3)研究區(qū)域內(nèi)Hg、Cd和As三種元素的含量情況為，泗陽縣農(nóng)業(yè)用地土壤中Hg含量顯著大于其他四個(gè)地區(qū)，泗洪縣和宿城區(qū)農(nóng)業(yè)用地土壤中Cd含量顯著大于其他四個(gè)地區(qū)，而沭陽縣和泗洪縣農(nóng)業(yè)用地土壤中As含量顯著大于其它區(qū)域。