陶金江， 趙銘欽， 李 慧， 許躍奇， 姜慧娟

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著工業(yè)、城市污染的日益加劇，農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類(lèi)和數(shù)量的不斷增加，土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重.重金屬在土壤中的遷移性較差，降解性較低，半衰期長(zhǎng)，殘留性高，不易被微生物分解，易被植物吸收和在生物體內(nèi)富集，在土壤中的高富集直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量并使其品質(zhì)下降，可經(jīng)水、植物等介質(zhì)最終影響人類(lèi)健康[1～4].重金屬污染具有多源性、隱蔽性、污染后果嚴(yán)重以及污染后難以治理等特點(diǎn)[5,6].為保證農(nóng)作物安全，土壤重金屬污染研究受到人們廣泛關(guān)注[7,8].在農(nóng)業(yè)上，為了提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，過(guò)多地施用化肥、農(nóng)藥及污水灌溉，施用污泥和垃圾等，都使土壤環(huán)境不同程度地遭受到了污染.據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980 年全國(guó)工業(yè)“三廢”污染農(nóng)田266.7萬(wàn)hm2，1988年增加到666.7萬(wàn)hm2.而1992 年全國(guó)遭受不同程度污染的農(nóng)田面積已達(dá)1 000萬(wàn)hm2，每年損失糧食120億kg.山西是中國(guó)的能源重化工基地，超重型的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及其空間分布的過(guò)度集中，使山西省環(huán)境問(wèn)題尤為嚴(yán)重，就土壤污染而言，重金屬污染比較突出[9]，晉東南污水灌區(qū)和太原市郊土壤中As，Hg，Cr，Cd的含量比清水灌區(qū)高幾倍到20多倍，糧食中Cd的殘留量檢出率達(dá)84.2%，Pb的檢出率為75%；汾河灌區(qū)糧食中Hg的檢出率為41%，蔬菜中為45%，污水灌區(qū)比非污水灌區(qū)糧食中苯并(a)蓖(強(qiáng)致癌物質(zhì))的平均量約高4倍[10].目前，國(guó)際上還沒(méi)有成熟的重金屬污染治理辦法，因此，重金屬污染的預(yù)防和監(jiān)測(cè)對(duì)作物的生產(chǎn)顯得尤為重要[11].平陸縣種植有一定規(guī)模的煙草，該區(qū)土壤重金屬含量的研究未見(jiàn)報(bào)道，本研究通過(guò)對(duì)山西省運(yùn)城市平陸縣不同植煙區(qū)土壤中的重金屬Pb，Cd，Cr，Hg和As的積累狀況進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查及分析，用污染指數(shù)法做出重金屬污染評(píng)價(jià)，揭示其在各地的分布特征，旨在探明平陸植煙區(qū)土壤重金屬的分布格局，為當(dāng)?shù)責(zé)焻^(qū)規(guī)劃和環(huán)境治理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1采樣區(qū)概況

平陸縣位于山西省南端，北高南低，在全國(guó)氣候區(qū)劃上是北溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)中的渭河氣候區(qū)，屬暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為14 ℃，雨季和暖季同期，水熱利用率高，雨熱表現(xiàn)出明顯的同步性.平陸縣最高海拔800 m，無(wú)霜期260 d，年降雨量600～700 mm.煙區(qū)分布在三門(mén)鎮(zhèn)、坡底鄉(xiāng)、杜馬鄉(xiāng)、洪池鄉(xiāng)、張店鎮(zhèn)、常樂(lè)鎮(zhèn)、圣人澗鎮(zhèn)、曹川鎮(zhèn).

1.2樣品的采集

樣品于2012-06采集，采用GPS技術(shù)定位，采樣點(diǎn)位根據(jù)該縣主要植煙區(qū)的土壤區(qū)域分布，遵循均勻性、代表性的原則，全區(qū)共設(shè)采樣點(diǎn)68個(gè)(圖1).每一樣點(diǎn)在直徑100 m范圍內(nèi)選擇5個(gè)0～20 cm耕層土樣混合，在混勻之前，先剔除土內(nèi)的雜質(zhì)、植物活根等.混勻之后用4分法保留約1 kg，裝入密封袋以備相關(guān)項(xiàng)目的檢測(cè).

圖1 平陸縣土壤取樣點(diǎn)分布圖

1.3分析測(cè)試方法

樣品風(fēng)干后過(guò)100目尼龍篩，Cd，Pb，Cr前處理采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，用石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定；Hg，As前處理采用熱分解浸提法，用原子熒光法測(cè)定含量.所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，各測(cè)定均用加標(biāo)回收樣和空白樣來(lái)進(jìn)行質(zhì)量控制，5種重金屬的回收率均在國(guó)標(biāo)參比物的允許范圍內(nèi).

土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和山西省土壤元素背景值[12]，采用單項(xiàng)/綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬Cd，Pb，Cr，Hg，As進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析，采用方差分析對(duì)不同植煙區(qū)土壤的重金屬含量進(jìn)行比較.

2 結(jié)果與分析

2.1平陸縣植煙土壤的重金屬含量分析

重金屬在土壤中的含量具有非均勻性特點(diǎn)，所以在研究中采用平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)3個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.在本研究中，土壤樣品中的重金屬Cd，Pb，Cr，Hg，As的檢出率為100%.

如表1所示，Cd，Pb，Cr，Hg，As含量分別為0.01～0.36，12.4～25.51，61.54～61.73，0.07～0.15，7.88～16.13，均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量2級(jí)標(biāo)準(zhǔn).5種重金屬含量均值由大到小依次為Cr>Pb>As>Hg>Cd.變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度[13]，變異系數(shù)數(shù)值越大，土壤中重金屬含量差異越大，反之，重金屬含量差異就小.平陸植煙區(qū)Cd的變異系數(shù)最大，為90.15%，Cr的變異系數(shù)最小，為0.06%，5種重金屬的平均變異系數(shù)由大到小依次為Cd>Hg>Pb>As>Cr.從土壤重金屬含量的變異系數(shù)來(lái)看，Cd變異系數(shù)較大，其他幾種均較小，表明植煙區(qū)采樣點(diǎn)重金屬含量的平均變異程度較小.

表1 平陸縣植煙區(qū)土壤重金屬含量分析

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的基本依據(jù)之一是以元素背景值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià).以山西省土壤重金屬背景值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比(表2)，植煙區(qū)土壤樣點(diǎn)的Pb，Hg和 As含量高于土壤背景值；Cd和Cr的平均值低于土壤背景值.重金屬含量高于平均值的樣品比例由大到小依次為As>Pb>Cd>Hg>Cr，其中As和Pb分別達(dá)到94.12%和70.59%，該區(qū)域大部分土壤的As和Pb含量高于山西土壤的背景值.

表2 平陸縣植煙土壤重金屬與山西省土壤重金屬背景值比較

2.2平陸縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤重金屬含量差異性分析

由表3可以看出，就各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤的Cd含量而言，三門(mén)鎮(zhèn)最高，且與較低的圣人澗鎮(zhèn)和曹川鎮(zhèn)之間的差異達(dá)到極顯著水平，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)間差異不明顯；就各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤的Pb含量而言，杜馬鄉(xiāng)、洪池鄉(xiāng)和常樂(lè)鎮(zhèn)含量較高，圣人澗鎮(zhèn)、張店鎮(zhèn)和三門(mén)鎮(zhèn)含量次之，坡底鄉(xiāng)含量較低，3組之間的差異性均達(dá)到了極顯著水平，組內(nèi)差異不明顯，曹川鎮(zhèn)與杜馬鄉(xiāng)、洪池鄉(xiāng)和常樂(lè)鎮(zhèn)含量差異達(dá)到極顯著水平，與坡底鄉(xiāng)含量差異達(dá)到顯著水平；就各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤的Cr含量而言，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間含量差異不明顯；就各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤的Hg含量而言，三門(mén)鎮(zhèn)、圣人澗鎮(zhèn)含量較高，坡底鄉(xiāng)、常樂(lè)鎮(zhèn)、曹川鎮(zhèn)次之，杜馬鄉(xiāng)、洪池鄉(xiāng)、張店鎮(zhèn)含量較低，杜馬鄉(xiāng)、張店鎮(zhèn)和坡底鄉(xiāng)、常樂(lè)鎮(zhèn)、曹川鎮(zhèn)含量之間的差異達(dá)到極顯著水平；就各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤的As含量而言，曹川鎮(zhèn)、坡底鄉(xiāng)>圣人澗鎮(zhèn)、張店鎮(zhèn)>三門(mén)鎮(zhèn)、杜馬鄉(xiāng)>洪池鄉(xiāng)、常樂(lè)鎮(zhèn)，除三門(mén)鎮(zhèn)、杜馬鄉(xiāng)和曹川鎮(zhèn)、坡底鄉(xiāng)之間差異不明顯外，其他組間差異均達(dá)到極顯著水平，但組內(nèi)差異不明顯.

2.3土壤背景值條件下平陸植煙土壤污染狀況評(píng)價(jià)

以相關(guān)元素背景值為參照標(biāo)準(zhǔn)，參考土壤污染評(píng)價(jià)分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表4)，對(duì)土壤重金屬的單項(xiàng)/綜合污染指數(shù)值的計(jì)算與評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)表明，平陸縣植煙土壤已有不同程度的重金屬富集.對(duì)于Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)說(shuō)，張店鎮(zhèn)、常樂(lè)鎮(zhèn)、圣人澗鎮(zhèn)、曹川鎮(zhèn)處在無(wú)富集區(qū)；對(duì)于Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)說(shuō)，除了坡底鄉(xiāng)處在無(wú)富集區(qū)外，其余采樣區(qū)域均處在輕度富集區(qū)；對(duì)于Cr的單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)說(shuō)，采樣區(qū)域均處在無(wú)富集區(qū)域；對(duì)于Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)說(shuō)，三門(mén)鎮(zhèn)、圣人澗鎮(zhèn)處于采樣區(qū)域的中度富集區(qū)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均處于輕度富集區(qū)，Hg的單因子污染指數(shù)相對(duì)最高，在環(huán)境中的富集也相對(duì)最多；對(duì)于A(yíng)s的單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)說(shuō)，除了常樂(lè)鎮(zhèn)處在無(wú)富集區(qū)域外，其余采樣區(qū)域均處在輕度富集區(qū)域.

表3 平陸縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤重金屬含量分析

表4 土壤污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表5 平陸縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合污染指數(shù)分析結(jié)果表明，在以山西省土壤背景值為參照標(biāo)準(zhǔn)的情況下，三門(mén)鎮(zhèn)采樣區(qū)域綜合污染程度為中度富集，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)采樣區(qū)域綜合污染程度為輕度富集，綜合富集程度由大到小為三門(mén)鎮(zhèn)>圣人澗鎮(zhèn)>坡底鄉(xiāng)>常樂(lè)鎮(zhèn)>洪池鄉(xiāng)>曹川鎮(zhèn)>杜馬鄉(xiāng)>張店鎮(zhèn).平陸縣植煙區(qū)土壤已經(jīng)有相當(dāng)程度的重金屬富集.

3 結(jié)論與討論

1)研究結(jié)果表明，平陸縣煙區(qū)土壤中重金屬Cd，Pb，Cr，Hg和As含量均值分別為0.12，18.30，61.58，0.10，12.50 mg·kg-1.與董清雷[14]測(cè)試的全國(guó)表層土壤重金屬含量平均值相比，Hg，As含量高于全國(guó)均值，Cd，Pb和Cr含量低于全國(guó)均值；與張乃明等[9]1991年測(cè)試的運(yùn)城盆地農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量平均值相比，Cd含量低于運(yùn)城盆地均值，Pb，Cr，Hg和As的含量均高于運(yùn)城盆地均值；與土壤環(huán)境質(zhì)量2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)相比，5種重金屬含量均未超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)；與山西省土壤背景值相比，Pb，Hg和 As含量的平均值高于該背景值.該區(qū)土壤重金屬有一定程度的富集，但尚未超出土壤環(huán)境質(zhì)量2級(jí)標(biāo)準(zhǔn).雖然目前并未對(duì)土壤造成污染，但隨著時(shí)間的推移，重金屬含量有增高的趨勢(shì)，應(yīng)給予充分重視，盡快找出和控制污染源，防止外源污染物繼續(xù)進(jìn)入，從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人體健康.

2)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙區(qū)土壤重金屬含量比較而言，三門(mén)鎮(zhèn)土壤的Cd含量最高；杜馬鄉(xiāng)、洪池鄉(xiāng)和常樂(lè)鎮(zhèn)Pb含量最高；三門(mén)鎮(zhèn)、圣人澗鎮(zhèn)的Hg含量最高；曹川鎮(zhèn)、坡底鄉(xiāng)的As含量最高，不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間不同重金屬含量差異明顯.從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綜合污染指數(shù)看，全縣三門(mén)鎮(zhèn)采樣區(qū)域綜合污染指數(shù)大于2，富集程度為中度富集，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)采樣區(qū)域綜合污染指數(shù)大于1，小于2，富集程度為輕度富集，土壤和作物開(kāi)始受到影響.平陸植煙區(qū)內(nèi)土壤Hg的單因子污染指數(shù)較高，產(chǎn)生極高的貢獻(xiàn)率，使得各地綜合污染指數(shù)較高，平均值達(dá)1.60.

3)研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)值由大到小依次為Hg，As，Pb，Cd，Cr，其中采樣區(qū)域的土壤As，Pb，Cd為輕度富集，Cr無(wú)富集，Hg為中度富集.Hg是平陸縣植煙土壤中富集較為嚴(yán)重的重金屬元素，富集面積大，幾乎在平陸縣植煙區(qū)的大部分土壤中都存在著不同程度的富集.重金屬對(duì)土壤的主要污染途徑是工業(yè)廢渣、廢氣中重金屬的擴(kuò)散、沉降、累積，含重金屬?gòu)U水灌溉農(nóng)業(yè)，以及含重金屬農(nóng)藥或磷肥的大量施用[15].山西省是煤炭大省，礦質(zhì)資源豐富，大量工業(yè)用煤、冶金生產(chǎn)等是人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致局部土壤環(huán)境出現(xiàn)重金屬污染的直接原因[16]，造成Hg富集的原因可能是礦區(qū)燃煤造成的大氣Hg沉降而引起的地表土Hg的富集[17].但由于影響條件眾多，平陸縣土壤中重金屬的主要來(lái)源及其富集的深層次機(jī)理還需要進(jìn)一步研究.

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