葛元英，崔 旭，張小紅，馮兩蕊

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

重金屬是土壤環(huán)境中主要的污染物，其進(jìn)入土壤后具有隱蔽性或潛伏性、不可逆性和長(zhǎng)期性以及后果的嚴(yán)重性等[1]。隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，重金屬元素以各種不同的渠道進(jìn)入土壤，造成其在土壤中的累積，并通過食物鏈進(jìn)入人體，引發(fā)各種疾病，為害人體健康[2-8]。

靈丘縣東河南鎮(zhèn)是該縣主要無公害蔬菜生產(chǎn)基地，本試驗(yàn)對(duì)該生產(chǎn)基地進(jìn)行了取樣和重金屬污染狀況的監(jiān)測(cè)與調(diào)查，以了解和掌握蔬菜產(chǎn)地環(huán)境土壤重金屬污染狀況與發(fā)展變化規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)該地區(qū)蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量安全生產(chǎn)和生產(chǎn)基地的可持續(xù)發(fā)展、防止蔬菜被污染，保障消費(fèi)者健康有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

靈丘縣位于晉東北邊緣，大同市東南端，東、南與河北淶源、蔚縣、阜平接壤，西、北與山西省繁峙、渾源、廣靈毗鄰。全縣總面積2 732 km2，轄3鎮(zhèn)9鄉(xiāng)254個(gè)行政村，總?cè)丝?4萬，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。

1.2 土壤樣點(diǎn)的采集

在保證土壤樣品代表性的前提下，共選擇了6塊有代表性的農(nóng)田（ S1，S2，S3，S4，S5，S6）。 每塊農(nóng)田各布設(shè)一個(gè)土壤樣點(diǎn)，在該樣點(diǎn)上隨機(jī)取5～7個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm土壤樣品，充分混合后用四分法留取1 kg左右土壤樣品。采樣結(jié)束后，將樣品及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室，存放在陰涼、避光、通風(fēng)、無污染處，經(jīng)自然風(fēng)干和研磨后，通過孔徑0.149 mm分樣篩，裝瓶備用。

1.3 分析測(cè)試

Cu，Pb，Zn，Ni，Cr，F(xiàn)e采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定；Hg，As采用原子熒光法測(cè)定。以國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07401）進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度的控制，儀器分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)給定值的誤差在允許范圍內(nèi)，樣品測(cè)試最大相對(duì)偏差小于5%。數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行分析。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法 地積累指數(shù)（Igeo）[9-10]是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Muller提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)，在歐洲被廣泛采用。在不同的分析條件和分析目的下，必須采用合適的研究和評(píng)價(jià)方法。從環(huán)境地球化學(xué)的角度出發(fā)，評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的污染，除了必須考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還應(yīng)考慮到由于自然成巖作用可能引起背景值變動(dòng)的因素（常數(shù)）[11-12]。結(jié)合靈丘縣的研究工作，選用地積累指數(shù)法對(duì)沉積物的重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其不僅考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值等，特別是注意到自然成巖作用可能引起背景值變動(dòng)的因素（常數(shù)）。

式中，Cn表示元素n在沉積物中的含量（指質(zhì)量比，實(shí)測(cè)值），mg/kg；BEn表示沉積巖（普通頁巖）中該元素的地球化學(xué)背景值（表1）；成巖作用可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)，修正系數(shù)一般取值為1.5。

表1 山西省土壤元素背景值[13]mg/kg

根據(jù)地積累指數(shù)大小將污染等級(jí)分為7級(jí)，即0～6級(jí)，表示污染程度由無污染至極強(qiáng)污染。地積累指數(shù)與重金屬污染程度的關(guān)系列于表2。

表2 沉積物重金屬地積累指數(shù)分級(jí)與污染程度之間的相互關(guān)系[14]

1.4.2 富集因子法 富集因子[15-16]是基于一種能反映不同地質(zhì)環(huán)境化學(xué)元素的比率方法，用參考元素平抑元素的自然差異，從而鑒別和量化人類活動(dòng)對(duì)元素含量的影響。其目的是重金屬元素的污染評(píng)價(jià)，關(guān)鍵是要區(qū)分自然源和人為源。由于人類活動(dòng)對(duì)源于地殼的參考元素含量不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，表層介質(zhì)中的重金屬元素含量與參考元素含量之間的比率以通過自然背景含量比率標(biāo)準(zhǔn)化后出現(xiàn)的高EF值代表人類活動(dòng)影響，具有一定合理性[17]，Sutherland根據(jù)富集因子（EF）值，將重金屬污染分為5個(gè)級(jí)別（表3）。

式中，Cx為元素x的濃度；CFe為標(biāo)準(zhǔn)化元素Fe的濃度；（Cx/CFe）s為土壤樣品中元素x質(zhì)量濃度與標(biāo)準(zhǔn)化元素Fe質(zhì)量濃度的比；（Cx/CFe）b為土壤背景值中元素x質(zhì)量濃度與標(biāo)準(zhǔn)化元素Fe背景質(zhì)量濃度的比。

表3 富集因子判斷標(biāo)準(zhǔn)[18]

選擇不同的參考元素可能會(huì)出現(xiàn)不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，究竟選擇沉積物中的何種成分作為參考元素，目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本研究選用Fe作為參考元素，以此計(jì)算其富集因子[19-20]。

不同參考元素下的土壤重金屬富集因子數(shù)值不同，理論上，EF＞1，說明元素出現(xiàn)富集；EF≈1，則說明該元素來源于地殼風(fēng)化，由此可以評(píng)價(jià)某種污染來源的貢獻(xiàn)率，并獲得某地區(qū)該元素的富集程度與污染狀況[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)情況

將大同市靈丘縣東河南鎮(zhèn)農(nóng)田土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)值列于表4。

從表4可以看出，靈丘縣農(nóng)田土壤重金屬含量中除鎘、汞、鋅元素含量稍高于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，其他元素（除鐵元素外）含量均低于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 靈丘縣東河南鎮(zhèn)土壤重金屬含量分析結(jié)果 mg/kg

2.2 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)靈丘縣東河南鎮(zhèn)的6個(gè)采樣點(diǎn)的土壤表層樣品重金屬的質(zhì)量濃度進(jìn)行了地積累指數(shù)和級(jí)別統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果列于表5。

表5 各采樣點(diǎn)重金屬地積累指數(shù)統(tǒng)計(jì)

從表5可以看出，靈丘縣東河南鎮(zhèn)蔬菜地，As，Cr，Cu和 Ni的 Igeo值均小于 0，地積累指數(shù)分級(jí)均為0級(jí)，表明當(dāng)?shù)赝寥乐羞@幾種元素質(zhì)量濃度處在正常范圍內(nèi)，沒有受到污染；5個(gè)土壤樣品的Pb，3個(gè)土壤樣品中的Cd，2個(gè)土壤樣品中的Zn的Igeo值在0～1之間，地積累指數(shù)分級(jí)為1級(jí)，污染程度為無污染—輕微污染，其余樣品的這幾種元素的Igeo值小于0，地積累指數(shù)分級(jí)為0級(jí)，表明有部分土壤受到了Pb，Cd，Zn元素的污染；4個(gè)土壤樣品中Hg的Igeo值在1～2之間，地積累指數(shù)分級(jí)為2級(jí)，污染程度為中污染，2個(gè)土壤樣品中Hg的Igeo值在2～3之間，地積累指數(shù)分級(jí)為3級(jí)，污染程度為中污染—重污染，表明該地區(qū)土壤受到了Hg元素的污染。

2.3 富集因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)靈丘縣東河南鎮(zhèn)的6個(gè)采樣點(diǎn)的土壤表層樣品重金屬的質(zhì)量濃度進(jìn)行了富集因子統(tǒng)計(jì)，結(jié)果列于表6。

表6 各采樣點(diǎn)土壤重金屬富集因子統(tǒng)計(jì)

從表6可以看出，6個(gè)樣品中 As，Cr，Cu，Zn和Ni元素的富集因子均小于2，表明其在土壤中為無富集—弱富集，其中，Ni的富集因子小于1，表明這幾種元素在該地區(qū)都不存在富集現(xiàn)象；有3個(gè)點(diǎn)位的Pb，1個(gè)點(diǎn)位的Cd元素的富集因子大于2小于5，表明Pb，Cd在土壤中為中度富集，說明該地區(qū)正在受到Cd和Pb元素的污染；6個(gè)樣品中Hg元素的富集因子都大于5小于20，表明其在土壤中顯著富集，說明該地區(qū)土壤受到了Hg元素的污染。

2.4 EF與I geo的異同

比較地積累指數(shù)與富集因子這2種評(píng)價(jià)方法可以發(fā)現(xiàn)，地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法中有2個(gè)點(diǎn)位的Zn元素處于無污染—輕微污染狀態(tài)，富集因子評(píng)價(jià)法中所有點(diǎn)位的Zn元素都不存在富集現(xiàn)象，而對(duì)于其他元素而言，這2種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果基本相同。其主要原因是這2種方法都以相同的土壤元素背景值作為參照，對(duì)測(cè)試區(qū)環(huán)境元素的濃度進(jìn)行歸一化，消除了評(píng)價(jià)過程中自然異常引起的影響[17]。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）本研究利用地積累指數(shù)法和富集因子法評(píng)價(jià)靈丘縣主要蔬菜產(chǎn)地中重金屬含量，結(jié)果表明，該產(chǎn)地中Hg元素表現(xiàn)為顯著富集，人類活動(dòng)的影響較為明顯，主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的農(nóng)藥和化肥使Hg元素大量輸入土壤并在地表發(fā)生了強(qiáng)烈富集；Cd，Pb，Zn元素在不同地點(diǎn)表現(xiàn)出一定的富集現(xiàn)象，說明這些元素也在逐漸受到人為活動(dòng)的影響；其他元素沒有表現(xiàn)出富集現(xiàn)象，說明其還未受到人為活動(dòng)的顯著影響。

（2）利用地積累指數(shù)法和富集因子法評(píng)價(jià)靈丘縣主要蔬菜產(chǎn)地中重金屬含量所得到的結(jié)果基本相同，說明不同的評(píng)價(jià)方法可以獲得相似的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 建議

由于Hg元素存在重度富集現(xiàn)象，Cd，Pb，Zn這3種元素存在輕微富集現(xiàn)象，建議：

（1）科學(xué)合理施用化肥和農(nóng)藥。使用高效、低毒、低殘留農(nóng)藥，發(fā)展生物防治措施；根據(jù)農(nóng)藥特性，按照安全規(guī)定合理施用，嚴(yán)格按照農(nóng)藥的安全間隔期使用；采用綜合防治措施，既要防治病蟲害對(duì)農(nóng)作物的威脅，又要把農(nóng)藥對(duì)環(huán)境和人體健康的危害限制在最低程度。

（2）增加土壤容量和提高土壤凈化能力。大力推廣使用有機(jī)肥，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加和改良土壤中不同膠體的種類和數(shù)量，利用土壤膠體增加土壤對(duì)重金屬特別是Hg，Cd，Pb，Zn元素的吸附能力，固定重金屬，從而減少外源重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的活性。

（3）建立定期監(jiān)測(cè)機(jī)制，有條件的對(duì)該生產(chǎn)基地土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定期檢查，逐步建立完整、系統(tǒng)的生產(chǎn)基地的基本資料庫。對(duì)于本研究中發(fā)現(xiàn)的富集作用比較明顯的元素應(yīng)該定期檢測(cè)、調(diào)查和研究，為當(dāng)?shù)厥卟松a(chǎn)基地的安全建設(shè)提供技術(shù)保障。

［1］陳懷滿.環(huán)境土壤學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］韓愛民，蔡繼紅，屠錦河，等.水稻重金屬含量與土壤質(zhì)量的關(guān)系[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2002，14（ 5）：27-28.

［ 3］ Shamar B H，Müller G，Yahya A.Geochemical features of topsoils in the Gaza Strip：Natural occurrence and anthropgenic inputs[J].Environmental Research，2005，98（ 3）：372-382.

［4］李興平.白銀郊區(qū)蔬菜基地土壤重金屬含量及其污染評(píng)價(jià)[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41（ 6）：80-83.

［5］崔旭，葛元英.陽高縣蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬含量調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（ 1）：55-57.

［6］張福金，尤美云，劉建平，等.內(nèi)蒙古城郊菜地土壤重金屬污染狀況分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2008（ 5）：74-75.

［7］盧樹昌，高悅.天津市郊區(qū)果園土壤重金屬銅積累狀況調(diào)查分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，15（ 1）：41-44.

［8］張福金，姚一萍，崔燕，等.內(nèi)蒙古城市土壤—蔬菜系統(tǒng)重金屬的富集與評(píng)價(jià)[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41（ 6）：80-83.

［ 9］ McCauley Dennis J，DeGraeve GM，Linton TK.Sediment quality guidelines and assessment：overview and research needs[J].Environmental Science&Policy，2000（ 3）：133-144.

［10］金相燦.沉積物污染化學(xué)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

［11］魏復(fù)盛.中國土壤元素背景值基本統(tǒng)計(jì)及其特征值 [J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，1991，7（ 1）：1-5.

［12］ Loska K.Metal contamination of garming doils sffected by industry[J].Environment International，2004，30：159-165.

［13］史崇文，趙玲芝，郭新波.山西省土壤元素背景值的分布規(guī)律及其影響因素[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1996，15（ 1）：24-28.

［14］鄧才富，申明亮，章文偉，等.墊江牡丹主產(chǎn)區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)[J].時(shí)珍國醫(yī)國藥，2008，19（ 5）：1097-1098.

［15］張秀芝，鮑征宇，唐俊紅.富集因子在環(huán)境地球化學(xué)重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2006，25（ 1）：65-72.

［16］滕彥國.攀枝花工礦區(qū)土壤重金屬人為污染的富集因子分析[J].土壤與環(huán)境，2002，11（ 1）：13-16.

［17］胡恭任，于瑞蓮.應(yīng)用地積累指數(shù)法和富集因子法評(píng)價(jià)324國道塘頭段兩側(cè)土壤的重金屬污染[J].中國礦業(yè)，2008，17（ 4）：47-51.

［ 18］ Sutherland R A.Bed sediment-associated trace metals in an Urban Stream，Oahu，Hawaii[J].Environ Geol，2000，39：611-627.

［19］郝春明，陳由錳，李瑞敏，等.基于地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法的平湖市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià) [J].環(huán)境污染與防治，2009，32（ 2）：96-99.

［20］張秀芝，郭海全，李宏亮，等.河北省白洋淀洼地環(huán)境地球化學(xué)物源判斷[J].地學(xué)前緣，2008，15（ 5）：90-96.

［21］崔龍鵬.采礦活動(dòng)對(duì)煤礦區(qū)土壤中重金屬污染研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2004，41（ 6）：896-904.