陶美娟，高尚贊，湯海波，曹魯軍

菏澤市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 山東 菏澤 274000

由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的粗放式發(fā)展，農(nóng)村土壤重金屬污染問(wèn)題日益突出，成為國(guó)內(nèi)外十分關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一[1-3]。一般情況下，農(nóng)村土壤是各種重金屬的“匯”，但因植物收割和雨水的沖刷等，這些重金屬又會(huì)被轉(zhuǎn)移到其他載體中，使土壤成為重金屬的“源”。因此研究土壤中重金屬的含量分布和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)防控農(nóng)村土壤環(huán)境污染有重要指導(dǎo)意義，對(duì)此相關(guān)人員已做了大量研究[4-6]。然而關(guān)于土壤重金屬在不同類(lèi)型村莊中的含量差異特點(diǎn)研究較少[7-11]。本文以菏澤市養(yǎng)殖型、蔬菜型、糧食型、工業(yè)型4種典型村莊為研究對(duì)象，分析不同類(lèi)型村莊土壤重金屬等主要無(wú)機(jī)元素含量及其差異特征，以了解人類(lèi)活動(dòng)對(duì)農(nóng)村土壤重金屬等無(wú)機(jī)污染產(chǎn)生的影響，為農(nóng)村土壤環(huán)境治理以及合理制定保護(hù)對(duì)策提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

菏澤市位于山東省西南部，東經(jīng)114°45′～116°25′，北緯34°39′～35°52′。光熱充足，四季分明，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候。菏澤地處黃河下游，大部分耕地為黃河沖積平原，地勢(shì)平坦，土層深厚，發(fā)展農(nóng)業(yè)有得天獨(dú)厚的條件，是山東省重要糧食產(chǎn)地。

1.2 分類(lèi)原則

根據(jù)主要生產(chǎn)方式和主要污染來(lái)源，將研究區(qū)村莊分為4種類(lèi)型：養(yǎng)殖型，指生產(chǎn)生活方式以畜禽、水產(chǎn)等養(yǎng)殖業(yè)為主，環(huán)境污染主要來(lái)源于此的村莊；蔬菜型，指以蔬菜種植為主，使用農(nóng)膜、化肥、農(nóng)藥量較大的村莊；糧食型，采用傳統(tǒng)種植方式，以小麥玉米輪作為主，無(wú)主要污染源的村莊；工業(yè)型，指村域內(nèi)及周邊工業(yè)企業(yè)分布密集，或村莊位于礦區(qū)周邊，受工礦業(yè)廢水、廢氣、廢渣排放影響較大的村莊。

1.3 樣品采集與處理

如圖1所示，在菏澤市共設(shè)置11個(gè)村莊作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)：養(yǎng)殖型村莊3個(gè)，村莊代碼分別為S1、S2、S3；蔬菜型村莊3個(gè)，村莊代碼分別為S4、S5、S6；糧食型村莊3個(gè)，村莊代碼分別為S7、S8、S9；工業(yè)型村莊2個(gè)，村莊代碼分別為S10、 S11。在有代表性的農(nóng)田設(shè)置采樣點(diǎn)，每個(gè)村莊設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，共55個(gè)土壤樣本。按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)，采用對(duì)角線法(5個(gè)分點(diǎn))混合取樣，采樣深度為 0～20 cm。每份混合樣約2 kg左右，置于聚乙烯塑料袋，外套布袋。

圖1 土壤主要無(wú)機(jī)元素監(jiān)測(cè)分布圖Fig.1 Soil inorganic elements monitoring distribution map

將樣品置于風(fēng)干室搪瓷盤(pán)中，自然風(fēng)干，適時(shí)壓碎、翻動(dòng)，揀出碎石、砂礫、植物殘?bào)w。在磨樣室將風(fēng)干的樣品用木棒碾壓，過(guò)0.841 mm尼龍篩，備用；取四分之一進(jìn)一步用瑪瑙研缽等研磨處理，過(guò)0.147 mm尼龍篩，分裝于塑料袋中待測(cè)。

1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

以《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)》(GB 15618—2018)為基礎(chǔ)，選擇土壤pH以及農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的基本項(xiàng)目，包括鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅。

1.5 樣品測(cè)試分析

土壤pH采用玻璃電極法測(cè)定，鎘、鉛采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，汞采用冷原子吸收分光光度法測(cè)定，砷采用原子熒光法測(cè)定，銅、鋅、鉻、鎳采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定。

1.6 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

采用SPSS18.0和excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤pH及主要無(wú)機(jī)元素含量特征

本次共監(jiān)測(cè)了菏澤市11個(gè)村莊55個(gè)表層土壤，其pH和主要無(wú)機(jī)元素監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各采樣點(diǎn)土壤pH和主要無(wú)機(jī)元素監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of soil ph and inorganic elements monitoring results at each sampling point

從表1可以看出，監(jiān)測(cè)土壤pH為7.56～8.77，平均值8.18，可見(jiàn)研究區(qū)土壤總體上呈弱堿性，這主要由于本研究區(qū)土壤成土母質(zhì)主要是第四系沉積物及黃河沖積物，土壤類(lèi)型以潮土為主，全剖面有石灰反應(yīng)。主要無(wú)機(jī)元素監(jiān)測(cè)結(jié)果：鎘為0.01～0.53 mg/kg，平均值為0.16 mg/kg；汞為0.002～0.145 mg/kg，平均值為0.041 mg/kg；砷為5.51～15.20 mg/kg，平均值為8.59 mg/kg；鉛為17.6～75.8 mg/kg，平均值為28.0 mg/kg；鉻為14.5～69.9 mg/kg，平均值為49.0 mg/kg；銅為13.3～33.8 mg/kg，平均值為22.5 mg/kg；鎳為18.8～46.9 mg/kg，平均值為30.3 mg/kg；鋅為41.5～96.4 mg/kg，平均值為61.4 mg/kg。不同金屬在樣點(diǎn)間的變異程度不同，鎘的變異系數(shù)最大(為91.0%)，汞、鉛、鉻、鎳、鋅次之，砷、銅較小(分別為20.1%、18.7%)。

據(jù)研究，土壤pH是影響主要無(wú)機(jī)元素吸附與解析、決定其遷移和有效態(tài)的重要因子[12-13],因此，本文分析了土壤pH與對(duì)應(yīng)主要無(wú)機(jī)元素含量的關(guān)系，如圖2。相關(guān)性分析結(jié)果顯示：鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅元素與pH的相關(guān)系數(shù)分別為-0.12、-0.33、0.25、0.56、0.49、0.18、-0.16和0.60。由此看出，土壤pH與主要無(wú)機(jī)元素含量之間并無(wú)相關(guān)性。

2.2 不同類(lèi)型村莊土壤主要無(wú)機(jī)元素分布規(guī)律

自然條件下，土壤重金屬等主要來(lái)源于成土母質(zhì)及殘落的生物物質(zhì)，其含量和分布規(guī)律相對(duì)穩(wěn)定，但在人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾下，土壤中某些元素含量和分布特征將產(chǎn)生較大影響[14-17]。由圖2可以看出，鎘元素最大值出現(xiàn)在S4(蔬菜型)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類(lèi)型村莊中的平均值大小表現(xiàn)為蔬菜型>養(yǎng)殖型>糧食型>工業(yè)型；汞元素最大值出現(xiàn)在S4(蔬菜型)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類(lèi)型村莊中的平均值大小表現(xiàn)為蔬菜型>糧食型>工業(yè)型>養(yǎng)殖型；鉛元素最大值出現(xiàn)在S6(蔬菜型)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類(lèi)型村莊中的平均值大小表現(xiàn)為蔬菜型>糧食型>養(yǎng)殖型>工業(yè)型；砷、鋅元素最大值分別出現(xiàn)在S3(養(yǎng)殖型)、S4(蔬菜型)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類(lèi)型村莊中的平均值大小均表現(xiàn)為養(yǎng)殖型>蔬菜型>糧食型>工業(yè)型；鉻、銅、鎳元素最大值分別出現(xiàn)在S9(糧食型)、S8(糧食型)、S7(糧食型)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各類(lèi)型村莊中的平均值大小均表現(xiàn)為：糧食型>工業(yè)型>養(yǎng)殖型>蔬菜型。對(duì)元素在11個(gè)村莊的含量變化進(jìn)行差異性分析結(jié)果表明，鎘、砷、鉛、鉻、銅、鋅和鎳元素的含量均呈極顯著性差異(P<0.01)；汞元素的含量差異性不顯著(P>0.05)。

可見(jiàn)，蔬菜型村莊鎘、汞、鉛元素含量最高(平均值在4類(lèi)村莊中均排名第1)；糧食型村莊鉻、銅、鎳含量最高(平均值在4類(lèi)村莊中均排名第1)；養(yǎng)殖型村莊砷、鋅元素含量最高(平均濃度在4類(lèi)村莊中均排名第1)；工業(yè)型村莊鉻、銅、鎳元素含量較高(平均濃度在4類(lèi)村莊中均排名第2)，其余元素的含量都較低(汞平均濃度在4類(lèi)村莊中均排名第3，砷、鋅、鎘和鉛平均濃度在4類(lèi)村莊中均排名第4)。

分析原因認(rèn)為：菏澤市屬于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)村地區(qū)長(zhǎng)期以種植業(yè)為主，即糧食型村莊居多，蔬菜型和養(yǎng)殖型村莊較少，工業(yè)型村莊起步較晚。糧食型村莊最主要的特征是頻繁的機(jī)械化耕作和大量使用化肥農(nóng)藥。傳統(tǒng)深耕可以增加土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量、增強(qiáng)土壤酶活性[18]，而有機(jī)碳與重金屬的含量呈顯著相關(guān)性。有研究表明，銅的含量隨有機(jī)碳含量升高而升高[19-20]，這一結(jié)論可以部分解釋糧食型村莊銅含量較高的現(xiàn)象。蔬菜型村莊以高投入、高產(chǎn)出為主要特征，包括有機(jī)肥、化肥的大量投入。化肥中通常攜帶微量鎘，有機(jī)肥、尤其是商品有機(jī)肥也呈現(xiàn)出重金屬含量升高、種類(lèi)增加的趨勢(shì)[21、22]，這些因素在集約化種植模式下使重金屬在土壤中存在一定積累[23-26]。養(yǎng)殖型村莊重金屬的積累主要來(lái)源于畜禽糞尿。一些新型飼料添加劑中含有砷、銅、汞、硒等元素，特別是近幾年來(lái)含有機(jī)砷制劑的飼料備受推崇[27、28]。這些飼料經(jīng)過(guò)畜禽的消化吸收，絕大部分無(wú)機(jī)元素隨糞便排放到環(huán)境中，造成土壤重金屬積累。而工業(yè)型村莊起步較晚，規(guī)模較小，且近幾年在環(huán)保政策高壓態(tài)勢(shì)下，三廢污染問(wèn)題得到有效控制，使工業(yè)型村莊重金屬積累較不明顯。

2.3 不同類(lèi)型村莊土壤主要無(wú)機(jī)元素的污染風(fēng)險(xiǎn)

菏澤市不同類(lèi)型村莊土壤主要無(wú)機(jī)元素的平均值見(jiàn)表2。由于菏澤市大部分屬于黃河主河道遷徙游動(dòng)而遺留下來(lái)的地理單元，因此土壤背景值取2008年劉江生等[29]研究的黃河故道區(qū)域土壤環(huán)境背景值，農(nóng)用地土壤污染篩選值來(lái)自《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)》(GB 15618—2018)。由表2可以看出，本次監(jiān)測(cè)的8種元素平均值均低于農(nóng)用地土壤污染篩選值，說(shuō)明該研究區(qū)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低，一般情況下可以忽略。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除各類(lèi)型村莊汞、工業(yè)型村莊鎘、蔬菜型村莊鉻外，其他元素在各類(lèi)型村莊土壤中的含量均超過(guò)黃河故道土壤背景值，其中蔬菜型村莊鎘含量達(dá)到了土壤背景值的5.23倍，其余元素含量為土壤背景值的1.16～2.70倍。由此可以看出，在人為活動(dòng)影響下，研究區(qū)農(nóng)田土壤主要無(wú)機(jī)元素產(chǎn)生了一定積累。其中鎘受人為影響積累程度相對(duì)最高，砷、鉛、鉻、鎳次之，銅、鋅積累程度較小，汞含量呈下降趨勢(shì)。研究表明，農(nóng)田土壤重金屬的積累人為源是主要因素，主要包括施肥、動(dòng)物糞便和生物固體應(yīng)用、污水灌溉、大氣沉降等[30-31]。汞的易揮發(fā)性導(dǎo)致其可以在大氣-土壤系統(tǒng)中循環(huán)，燃煤是大氣汞的主要來(lái)源之一[32]，由于近幾年節(jié)能減排、煤改氣等措施的實(shí)施，一定程度上減少了汞的排放，使土壤汞含量隨時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1)4類(lèi)典型村莊中土壤pH為7.56～8.77，平均值8.18，為堿性土壤。鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01～0.53、0.002～0.145、5.51～150.20、17.6～75.8、14.5～69.9、13.3～33.8、18.8～46.9、41.5～96.4 mg/kg。相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤pH與主要無(wú)機(jī)元素含量之間并無(wú)相關(guān)性。

2)不同類(lèi)型村莊主要無(wú)機(jī)元素含量不同。其中蔬菜型村莊鎘、汞、鉛元素含量最高；糧食型村莊鉻、銅、鎳含量最高；養(yǎng)殖型村莊砷、鋅元素含量最高；工業(yè)型村莊鉻、銅、鎳元素含量較高，其余元素的含量都較低。

3)研究區(qū)農(nóng)村土壤中各主要無(wú)機(jī)元素含量的平均值均未超過(guò)農(nóng)用地土壤污染篩選值，污染風(fēng)險(xiǎn)可忽略。但除汞外，均超過(guò)了黃河故道區(qū)域土壤環(huán)境背景值。表明在人為活動(dòng)影響下研究區(qū)農(nóng)田土壤主要無(wú)機(jī)元素產(chǎn)生了一定積累，但對(duì)主要無(wú)機(jī)元素污染仍有一定的環(huán)境容量。其中鎘受人為影響積累程度相對(duì)最高，砷、鉛、鉻、鎳次之，銅、鋅積累程度較小，汞含量呈下降趨勢(shì)。

4)通過(guò)細(xì)化農(nóng)村類(lèi)型開(kāi)展土壤主要無(wú)機(jī)元素監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，可有效評(píng)估各類(lèi)型村莊土壤主要無(wú)機(jī)元素污染風(fēng)險(xiǎn)，揭示主要無(wú)機(jī)元素累積成因，是深入進(jìn)行污染源分析、提出具有針對(duì)性污染防治對(duì)策的基礎(chǔ)。