謝萍娟, 郭掌珍

(1.寶雞市環(huán)境影響評(píng)價(jià)所，陜西 寶雞 721000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

寶雞市近郊農(nóng)田土壤重金屬含量及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

謝萍娟1, 郭掌珍2

(1.寶雞市環(huán)境影響評(píng)價(jià)所，陜西 寶雞 721000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

為調(diào)查寶雞市城區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)定了寶雞市30個(gè)農(nóng)田土壤樣品Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn 7種重金屬含量，并采用累積性指數(shù)、地累積指數(shù)和商值法對(duì)其評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，30個(gè)土壤樣點(diǎn)Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu和Zn含量分別為0.035±0.028、0.102±0.020、26.06±3.35、5.27±1.95、91.75±6.16、29.95±1.95和60.26±8.77 mg·kg-1。30個(gè)樣點(diǎn)Hg、Cd、Pb、Cr、Cu含量高于陜西省土壤環(huán)境背景值，但所有元素的污染等級(jí)均為無(wú)污染。與加拿大保護(hù)生態(tài)和人體健康的農(nóng)田土壤質(zhì)量指導(dǎo)值相比，鉻對(duì)所有樣點(diǎn)均有造成一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的可能，其余元素均為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

農(nóng)田土壤；重金屬；寶雞市

重金屬是一類(lèi)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并可對(duì)生物體產(chǎn)生明顯毒害的金屬或類(lèi)金屬。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)和城市化的發(fā)展，工業(yè)三廢和生活垃圾的排放逐漸增加，農(nóng)田土壤受重金屬污染的問(wèn)題越來(lái)越突出[1]。寶雞市是陜西省第二大城市，是陜西省重要的工業(yè)城市，有冶金、采礦、機(jī)械加工、化工、電力、紡織等多個(gè)工業(yè)門(mén)類(lèi)，且三面環(huán)山，大氣污染物不容易擴(kuò)散[2,3]，由此引起的重金屬污染問(wèn)題不容忽視。為評(píng)估經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中可能帶來(lái)的農(nóng)田土壤重金屬污染，本文對(duì)寶雞市城區(qū)周邊農(nóng)田土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀進(jìn)行初步研究，旨在為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和食品安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

寶雞市是陜西省第二大城市，東連咸陽(yáng)市，南接漢中市，西北與甘肅省天水市和平?jīng)鍪信?，境?nèi)交通便利。該市屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，全年氣候變化受東亞季風(fēng)控制。冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤旰脱谉岣稍锾鞖饨惶娉霈F(xiàn)；春季氣溫多變少雨，秋季降溫迅速陰雨連綿，平均降水量590～900 mm。寶雞市目前主要以裝備制造業(yè)、有色金屬冶煉及加工、電子信息、化工、食品、建材等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

1.2 土壤樣品采集

2013年5-6月，從寶雞市長(zhǎng)坡塬村、永利村等30個(gè)農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)區(qū)采集30個(gè)土壤樣品。為了保證樣品的代表性，樣品由采樣中心點(diǎn)及周邊的4～5個(gè)子樣混合組成，置于布袋中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，去除較大的植物根系、石塊等雜物，自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩，測(cè)定汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、砷(As)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)7種金屬元素含量。具體樣點(diǎn)名稱(chēng)列于表1。

表1 樣點(diǎn)編號(hào)及名稱(chēng)

1.3 土壤樣品測(cè)定方法

Cd、Pb采用石墨爐原子吸收法，Cr、Cu、Zn采用火焰原子吸收法測(cè)定，儀器型號(hào)：Thermo ICE 3300。As、Hg采用原子熒光法測(cè)定，儀器型號(hào)：NanoDrop 3300。試驗(yàn)中加入土壤GSS-1標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW-07401)為參考物質(zhì)，各元素的分析誤差均在允許范圍內(nèi)。

1.4 土壤累積性指數(shù)

土壤累積性指數(shù)常用于評(píng)價(jià)土壤重金屬累積性污染程度[4]。其計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Cbi

式中，Pi為環(huán)境中污染物i的累積性指數(shù)；Ci為環(huán)境中污染物i的實(shí)測(cè)濃度/mg·kg-1；Cbi為環(huán)境背景值/mg·kg-1。

本研究采用陜西省土壤背景值[5]計(jì)算土壤累積性指數(shù)。土壤累積性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 土壤累積性指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 地積累指數(shù)(Igeo)

地積累指數(shù)常用于評(píng)價(jià)沉積物(土壤)中重金屬的污染程度[6]，其計(jì)算公式為：

Igeo=log2(Cn/1.5Bn)

式中，Cn為元素實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1；Bn為元素背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1。

根據(jù)地積累指數(shù)，可對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行劃分，標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 Muller地積累指數(shù)分級(jí)

1.6 多因子分析

主成分分析法(principal component analysis PCA)是因子分析的一種，廣泛應(yīng)用于評(píng)估土壤中污染物的來(lái)源及變化[7]。PCA可用綜合指標(biāo)代替一類(lèi)相關(guān)性較高的數(shù)據(jù)，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，并反映數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，其分析結(jié)果有助于區(qū)分變量中相對(duì)同源的組分[8]。采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 17.0(SPSS Inc，USA)進(jìn)行PCA及相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量及其累積性評(píng)價(jià)結(jié)果

土壤重金屬含量及累積性評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 土壤重金屬含量及其累積性評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，30個(gè)樣點(diǎn)Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn的平均含量分別為0.035±0.028，0.102±0.020，26.06±3.35，5.27±1.95，91.75±6.16，29.95±1.95，60.26±8.77 mg·kg-1。同一重金屬在不同樣點(diǎn)間的變異程度不同，其中Hg在整個(gè)研究區(qū)域變異較大，As、Cd、Zn等次之，Cu最小。土壤重金屬不同樣點(diǎn)含量差異大，提示來(lái)源可能不同[9]；Hg、As變異系數(shù)較大，分布不均勻，受人為擾動(dòng)的可能性較大。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，Hg最大值出現(xiàn)在28#趙家臺(tái)村，最小值位于18#王家村；Cd最大值出現(xiàn)在5#寶陵村，最小值出現(xiàn)在2#永利村；Pb最大值出現(xiàn)在22#西秦村，最小值位于19#范家崖村；As含量最大值出現(xiàn)在6#斜坡村，最小值位于5#寶陵村；Cr含量最大值出現(xiàn)在2#永利村，最小值位于25#齊家村；Cu最大值出現(xiàn)在6#斜坡村，最小值出現(xiàn)在1#長(zhǎng)坡塬村； Zn最大值出現(xiàn)在11#莊子上村，最小值出現(xiàn)在27#張家?guī)X村。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各重金屬高值區(qū)均分布有機(jī)械、電子及金屬制品工業(yè)，因此其來(lái)源可能與工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸及大氣揚(yáng)塵有關(guān)。

從表4還可以看出，30個(gè)樣點(diǎn)As、Zn 2種元素的平均含量與陜西省土壤背景值相比無(wú)明顯變化，均屬于無(wú)累積，其余元素均為輕度累積。整體看累積程度表現(xiàn)為Hggt;Crgt;Cugt;Pbgt;Cdgt;Zngt;As。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)[10]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，各樣點(diǎn)金屬元素含量均未超標(biāo)。汞出現(xiàn)累積的點(diǎn)位數(shù)占樣點(diǎn)總數(shù)的63.0%，累積性指數(shù)最大為7.14，累積性程度為重度累積；Cd、Pb、Cr、Cu、Zn出現(xiàn)累積的點(diǎn)位數(shù)占樣點(diǎn)總數(shù)的百分?jǐn)?shù)分別為87.0%、100%、100%、100%、23.0%，最大累積程度均為輕度累積；所有樣點(diǎn)As均未見(jiàn)累積。綜上所述，陜西省近郊農(nóng)田土壤重金屬含量整體屬輕度累積，但個(gè)別點(diǎn)位汞污染較嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠重視。環(huán)境中的汞主要來(lái)源于燃煤、鋼鐵等工業(yè)排放[11]，考慮到寶雞市主要以機(jī)械、電子、金屬壓延加工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，且能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主，因此，農(nóng)田土壤汞的來(lái)源可能與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。

2.2 土壤污染物地積累指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

由地積累指數(shù)計(jì)算結(jié)果可知(表5)，分析的7種元素在30個(gè)樣點(diǎn)中的污染程度均為無(wú)污染，但28#樣點(diǎn)趙家臺(tái)村Hg表現(xiàn)為中度污染，應(yīng)引起重視。

表5 土壤重金屬地積累指數(shù)及其污染分級(jí)

2.3 土壤主要污染物主成分分析

采用主成分分析法對(duì)寶雞市近郊農(nóng)田土壤全部樣點(diǎn)的金屬元素進(jìn)行載荷因子分析，為消除變量之間在數(shù)量級(jí)和量綱上的差異，以使各類(lèi)變量處于同等地位，采用Z分?jǐn)?shù)法(Z Score)對(duì)重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的歸一化，得到原始數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣，為使主成分變量更容易得到解釋?zhuān)捎梅讲顦O大正交旋轉(zhuǎn)法(varimax normalized rotation)對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并對(duì)相關(guān)矩陣特征向量進(jìn)行提取，取特征值gt;1，累積方差大于70%的前3個(gè)成分作為主成分，得到寶雞市近郊農(nóng)田土壤的主成分因子載荷(表6)。由表6可見(jiàn)，第一主成分占方差的34.159%，包括Cr、Cu、Zn。第二主成分則包括了元素Hg、Pb，其貢獻(xiàn)率占方差的20.789%，第三主成分包含As、Cd?？紤]到寶雞市近郊農(nóng)田土壤重金屬污染整體較輕，因此，主成分分析中不同因子主要反映了各重金屬高值區(qū)人為來(lái)源的差異[12]。

表6 主成分分析結(jié)果

2.4 重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有系統(tǒng)地針對(duì)土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。采用加拿大基于保護(hù)生態(tài)和人體健康的農(nóng)田土壤質(zhì)量指導(dǎo)值進(jìn)行潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 研究區(qū)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表7可見(jiàn)，總鉻100%超標(biāo)，最大超標(biāo)倍數(shù)為0.58倍。說(shuō)明研究區(qū)鉻具有造成一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的可能性。此外，其余元素均未見(jiàn)超標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)寶雞市近郊農(nóng)田土壤30個(gè)樣點(diǎn)Hg，Cd，Pb，As，Cr，Cu，Zn含量分別為0.035±0.028，0.102±0.020，26.06±3.35，5.27±1.95，91.75±6.16，29.95±1.95，60.26±8.77 mg·kg-1。

(2)土壤累積性指數(shù)和地積累指數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示，30個(gè)樣點(diǎn)Hg、Cd、Pb、Cr、Cu雖有一定的累積，但所有元素的污染等級(jí)均為無(wú)污染。

(3)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，鉻有造成一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的可能，其余元素均為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

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HeavyMetalContentsDetectionandRiskAssessmentinFarmlandSoilfromBaoji

Xie Pingjuan1，Guo Zhangzhen2

(1.BaojiResearchInstituteofEnvironmentalImpactAssessment,BaojiShaanxi721000,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

30 samples of surface farmland soils collected from suburbs of Baoji in Shaanxi Province were monitored for total contents of 7 heavy metals by a cumulative index, geo-accumulation index and quotient method, in order to investigate their concentration and risk. The results indicate that the concentrations of Hg, Cd, Pb, As, Cr, Cu and Zn in agriculture soils are 0.035±0.028，0.102±0.020，26.06±3.35，5.27±1.95，91.75±6.16，29.95±1.95，and 60.26±8.77 mg·kg-1, respectively. The mean concentrations of Hg, Cd, Pb, Cr, and Cu in soil of 30 sites are higher than the soil background contents in Shaanxi Province, but within a safe range. Compared with Soil Quality Guideline for the protection of Environmental and Human Health of Canada, Cr was a certain threat to the ecological system in all sites, while other heavy metals were not.

Soil；Heavy metals；Baoji City

2014-03-10

2014-05-05

謝萍娟(1977-)，女(漢)，陜西岐山人，工程師，碩士，研究方向：環(huán)境評(píng)價(jià)。

X53

A

1671-8151(2014)05-0442-05

(編輯：馬榮博)