王浩森,趙麗婭

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430062)

0 引言

農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一,在我國(guó)農(nóng)田土壤污染的情況也屢有發(fā)生,如2013年的“鎘大米”事件就引發(fā)了社會(huì)對(duì)于農(nóng)田土壤重金屬污染問題的擔(dān)憂。農(nóng)田土壤重金屬污染因隱蔽性強(qiáng)、毒性高、容易富集且難以去除,引起了人們廣泛關(guān)注[1-2]。過量重金屬在土壤中會(huì)改變土壤的理化性質(zhì),破壞微生物群落,降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[3]。土壤中的農(nóng)作物吸收重金屬并通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人體,甚至土壤顆粒直接通過空氣被肺部吸入,從而影響人體健康[4]。我國(guó)作為人口大國(guó),人均農(nóng)用地資源緊張,為了糧食安全和人體健康,需重視農(nóng)田土壤重金屬污染的問題以保障農(nóng)用地的安全[5]。

農(nóng)田土壤重金屬指的是Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn,也是我國(guó)農(nóng)用地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)檢測(cè)的基本項(xiàng)目。生態(tài)環(huán)境部在《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)中發(fā)布了風(fēng)險(xiǎn)篩選值和風(fēng)險(xiǎn)管制的標(biāo)準(zhǔn),農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)管控從此有了更明確的參照,便于科學(xué)評(píng)價(jià)農(nóng)用地使用安全,對(duì)于保護(hù)和指導(dǎo)農(nóng)田土壤具有十分積極的意義。有研究顯示,中國(guó)受到重金屬污染的農(nóng)田土壤面積不斷擴(kuò)大,重金屬含量不斷增加[6]。重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率呈現(xiàn)出Cd >As >Ni >Hg >Zn >Pb >Cu >Cr[7],且我國(guó)重金屬空間分布具有明顯的區(qū)域特征,西南、中南地區(qū)重金屬超標(biāo)區(qū)域較大[8-9]。以長(zhǎng)江流域來(lái)看,土壤質(zhì)量總體良好,受污染嚴(yán)重的土壤成星點(diǎn)狀分布在流域內(nèi),重金屬污染主要來(lái)自于礦業(yè)開發(fā)和工業(yè)“三廢”排放[10]。以長(zhǎng)江流域內(nèi)的黃石市來(lái)看,農(nóng)田土壤整體上屬于輕度污染水平,Cu超標(biāo)率達(dá)到了40%,綜合污染指數(shù)為中度污染水平,且超標(biāo)點(diǎn)位主要分布在工礦業(yè)附近[11]。

本研究根據(jù)農(nóng)田土壤8項(xiàng)重金屬含量和分布,綜合采用多種評(píng)價(jià)方法研究陽(yáng)新縣浮屠鎮(zhèn)的農(nóng)田土壤重金屬污染情況,旨在為當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘傥廴镜目刂坪凸芾硖峁┮罁?jù)。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況研究區(qū)位于黃石市陽(yáng)新縣浮屠鎮(zhèn),地處幕阜山向長(zhǎng)江沖積平原的過渡地帶,地形多為低山丘陵,面積187.46 km2。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫16.8 ℃,無(wú)霜期263 d,降雨量1 390 mm。鎮(zhèn)內(nèi)金屬礦藏豐富,其中銅的貯量最大。

1.2 研究方法利用國(guó)家監(jiān)控的10個(gè)點(diǎn)位取樣,采樣點(diǎn)分布情況見圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)通過五點(diǎn)采樣法采取表層0～20 cm的農(nóng)田土壤混合為一個(gè)樣品。所采集土樣在室溫下風(fēng)干,挑揀出植物根系、石塊等雜物,使用四分法選取出定量的土壤,研磨過10目、100目的尼龍篩,裝入自封袋中標(biāo)記、保存待測(cè)。

圖1 研究區(qū)范圍及點(diǎn)位

使用國(guó)標(biāo)法測(cè)定8項(xiàng)重金屬(Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn)的全量。土壤pH值按照2.5∶1土水比,使用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定土壤的pH值。重金屬檢測(cè)分析方法詳見下表1。土壤重金屬檢測(cè)分析中所使用的試劑均為優(yōu)級(jí)純,同時(shí)設(shè)立平行樣品和空白樣品進(jìn)行全程質(zhì)量控制。

表1 農(nóng)田土壤重金屬分析方法及引用標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 環(huán)境評(píng)價(jià)方法

1)地積累指數(shù)法。

地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)又稱為Muller指數(shù),在注重了自然地質(zhì)活動(dòng)造成的背景值的影響的同時(shí),也充分考慮到了人類活動(dòng)所造成的重金屬污染[12-13]。所以,該指數(shù)在反映了重金屬分布的自然變化特征的同時(shí),還能解析人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境所造成的影響,可以以此指數(shù)為依據(jù)來(lái)區(qū)分人類活動(dòng)的影響。計(jì)算公式如下:

式中Igeo為地積累指數(shù),代表土壤的污染狀況,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表2;Ci為重金屬i的實(shí)際檢測(cè)含量;Bi為重金屬i的當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?1.5為成巖作用對(duì)背景值的影響所取系數(shù)值。

表2 Igeo污染等級(jí)劃分

2)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法統(tǒng)籌考慮了重金屬的毒性和生態(tài)效應(yīng),注重重金屬的獨(dú)立評(píng)價(jià)。計(jì)算公式如下:

Ei=Ti×Pi,RI=∑Ei,

式中:Ei為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Ti為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù),Hg、Cd、As、Ni、Pb、Cu、Cr、Zn的Ti值依次為40、30、10、5、5、5、2、1[14];Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù);RI為全部重金屬對(duì)所研究區(qū)域整體造成的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Ei和RI值代表潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表3。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 主成分分析 使用主成分分析(principal component analysis,PCA),通過降維的思想,用少數(shù)的因子去描述多因素之間的聯(lián)系,從而用少數(shù)的綜合指標(biāo)反映整體的特點(diǎn)[15-16]。首先需要KMO檢驗(yàn),來(lái)展現(xiàn)主成分提取的數(shù)據(jù)情況,在KMO系數(shù)值大于0.6時(shí),認(rèn)為樣本符合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理的要求,可以使用主成分分析。

本研究使用軟件SPSS19對(duì)各點(diǎn)位的8項(xiàng)重金屬含量進(jìn)行主成分分析檢驗(yàn),得出不同重金屬之間的關(guān)聯(lián)性,并結(jié)合當(dāng)?shù)匚廴驹吹姆植记闆r分析重金屬污染的來(lái)源。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤重金屬含量陽(yáng)新縣浮屠鎮(zhèn)的10個(gè)農(nóng)田土壤點(diǎn)位的pH平均值為6.25,可見當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤以酸性土為主。大多數(shù)區(qū)域pH值處于6～7之間,西北方向土壤酸性較強(qiáng),農(nóng)田土壤pH值分布詳見圖2。

圖2 農(nóng)田土壤pH值分布圖

土壤中Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn的含量均值依次為0.12、57.30、47.01、0.30、106.83、17.82、36.53、116.59 mg/kg,利用ArcGIS通過克里金插值得到農(nóng)田土壤重金屬含量分布圖,詳見圖3。對(duì)比《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)可知,除Cu外,均未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低。

圖3 農(nóng)田土壤重金屬含量分布圖

2.2 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)根據(jù)湖北省土壤重金屬背景值計(jì)算地積累指數(shù)Igeo(表4和圖4)。重金屬的Igeo平均值依次為:Cu(0.97) >Cd(0.17) >Hg(-0.05) >As(-0.14) >Zn(-0.15) >Pb(-0.21) >Ni(-0.28) >Cr (-1.18)。除Cu和Cd屬于輕微污染水平以外,其他重金屬的Igeo平均值均低于0,屬無(wú)污染狀態(tài)。根據(jù)Igeo污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),被重金屬污染的點(diǎn)位比例依次是:Cu(80%) >Cd(60%) >Zn(40%) =As(40%) >Hg(30%) >Pb(20%) =Ni (20%) >Cr(0%)。研究區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)位均沒有出現(xiàn)Cr污染,Cu和Cd出現(xiàn)了一定程度的積累。

表4 農(nóng)田土壤重金屬地積累指數(shù)Igeo

圖4 陽(yáng)新縣浮屠鎮(zhèn)農(nóng)田土壤重金屬地積累指數(shù)箱線圖

以地積累指數(shù)Igeo為基礎(chǔ),使用反距離加權(quán)法插值,詳見圖5。不難看出,浮屠鎮(zhèn)東北方向重金屬含量普遍偏高。

圖5 地積累指數(shù)Igeo插值

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)從表5看出,8種重金屬的Ei平均值分別為Hg (59.55) >Cd (55.10) >Cu (17.40) >As (14.49) >Pb (6.84) >Ni (6.30) >Zn (1.39) >Cr(1.33)?？梢娭挥蠬g與Cd的Ei平均值超過了40,呈現(xiàn)為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Hg的Ei值處于43.5～80.25之間,屬于中等風(fēng)險(xiǎn)和重度風(fēng)險(xiǎn)范圍。80%的點(diǎn)位中Cd屬于中等風(fēng)險(xiǎn)水平,其余重金屬屬輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表5 農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

所有樣品點(diǎn)位的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)位于0.93～80.25之間,RI均值為159.41,略高于輕微風(fēng)險(xiǎn)(< 150)的標(biāo)準(zhǔn),整體處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平。其中輕微、中等和重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的樣點(diǎn)占比依次為77.5%、21.25%、1.25%。由圖6可知,Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Ni、Hg對(duì)于RI的平均貢獻(xiàn)為別為32.68%、4.29%、9.09%、10.91%、0.87%、0.84%、3.95%、37.36%。受重金屬濃度含量和毒性響應(yīng)系數(shù)共同影響,RI的主要貢獻(xiàn)元素為Hg和Cd,總貢獻(xiàn)率高達(dá)70.04%。

圖6 農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)平均貢獻(xiàn)圖

2.4 主成分分析評(píng)價(jià)使用SPSS 19對(duì)各點(diǎn)位的8項(xiàng)重金屬含量進(jìn)行主成分分析檢驗(yàn),得到KMO統(tǒng)計(jì)量值為0.619,相伴概率為0.001,可做因子分析。提取2個(gè)特征值大于1的主成分,這2個(gè)主成分總體解釋了8個(gè)指標(biāo)所有方差的77.30%,可以解釋所研究區(qū)域的土壤重金屬的大部分信息,結(jié)果詳見表6。

表6 土壤重金屬主成分分析矩陣

第1主成分(PC1)解釋方差變量的55.492%,主要反映了Cd、Pb、As、Cu、Zn、Ni的組分信息,其載荷依次為0.932、0.856、0.800、0.678、0.963、0.838。Cd-Pb-As-Cu-Zn-Ni之間顯著正相關(guān),說明他們的來(lái)源相近。又因?yàn)榈?主成分的重金屬變異系數(shù)(均大于0.15)相對(duì)較高,受到了人為活動(dòng)一定的影響。

第2主成分(PC2)解釋方差變量的21.809%,主要反映了Cr和Hg的組分信息,其載荷分別是0.793和0.907。Cr-Hg之間顯著正相關(guān),說明兩者來(lái)源相近。第2主成分的重金屬變異系數(shù)低于0.15,受到人為影響很小。

3 討論

在陽(yáng)新縣浮屠鎮(zhèn)農(nóng)田土壤中,Cu的含量較高,是湖北省土壤背景值的3.5倍;Cr的含量很低,低于土壤背景值;其他重金屬含量均在土壤背景值1～2倍之間。根據(jù)《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),僅Cu含量超過了風(fēng)險(xiǎn)篩選值,當(dāng)?shù)剞r(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)低,但仍需加強(qiáng)土壤Cu含量和農(nóng)產(chǎn)品的協(xié)同監(jiān)測(cè)。

地積累指數(shù)法被廣泛應(yīng)用于重金屬污染評(píng)價(jià),如李龍利用該方法評(píng)價(jià)了金尾礦庫(kù)重金屬污染的情況[17],李楊利用該方法評(píng)價(jià)了某市土壤重金屬的污染情況[18]。本研究顯示,當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤中Cu和Cd達(dá)到了輕度污染水平,其他重金屬均處于輕微污染和無(wú)污染水平,當(dāng)?shù)卮嬖谌藶榛顒?dòng)導(dǎo)致Cu和Cd積累的情況,且在東北方出現(xiàn)了點(diǎn)源富集。呂典等研究陽(yáng)新網(wǎng)湖流域顯示,Cd污染最嚴(yán)重,水稻田的地積累指數(shù)達(dá)到了3.91,屬重度污染水平[19]。而浮屠鎮(zhèn)Cd的地積累指數(shù)只達(dá)到了0.17,屬輕微污染水平,但其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值得關(guān)注。孝義市工礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的研究中,也出現(xiàn)了Hg含量低,但其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高的情況[20]。同樣在鄱陽(yáng)湖平原的農(nóng)田土壤研究中,Hg的含量低于限值,但Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍呈現(xiàn)中等風(fēng)險(xiǎn)[21]。該方法的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)存在些許爭(zhēng)議[22],因此Hg的潛在威脅在此評(píng)價(jià)方法中有被高估的可能性。

農(nóng)田土壤重金屬來(lái)源于自然因素和人類活動(dòng)。農(nóng)田土壤重金屬的自然源多種多樣,如火山爆發(fā)、成土母質(zhì)、水土流失等都會(huì)影響農(nóng)田土壤重金屬的含量。從全國(guó)土壤背景值中可以看出我國(guó)土壤條件差異較大,膠東棕壤的背景值就顯著低于黔中的黃壤[23]。人為活動(dòng)所造成的重金屬污染同樣來(lái)源眾多,其中金屬礦產(chǎn)的開采和冶煉會(huì)釋放大量重金屬,導(dǎo)致附近土壤重金屬污染嚴(yán)重[24-25]。李順湘[26]對(duì)陽(yáng)新縣礦區(qū)復(fù)墾農(nóng)田土壤重金屬的研究中,得出了As、Cu、Cd、Pb、Zn、Ni來(lái)源相似且污染來(lái)自工礦業(yè)的結(jié)論,這與我們的研究結(jié)果相似。但浮屠鎮(zhèn)農(nóng)田土壤中Hg和Cr接近無(wú)污染水平,幾乎沒有受到人為活動(dòng)的影響。

4 結(jié)論

1)陽(yáng)新縣浮屠鎮(zhèn)境內(nèi)農(nóng)田土壤中,Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn的含量均值依次為0.12、57.30、47.01、0.30、106.83、17.82、36.53、116.59 mg/kg,僅Cu超過了國(guó)家農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。除Cr含量沒有超過當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?其他七種重金屬含量都出現(xiàn)了不同程度的積累,其中As、Cd和Cu的點(diǎn)源污染比較明顯。

2)從地積累指數(shù)來(lái)看,除Cu和Cd屬于輕微污染水平以外,其他重金屬均屬于無(wú)污染狀態(tài)。其中,Cu的污染范圍廣,且不同點(diǎn)位污染差異較大。污染以潛在生態(tài)污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看,整體處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)元素為Hg和Cd,貢獻(xiàn)度達(dá)到了70%以上,而其他重金屬均屬于輕微污染水平?？傊?Cu的污染尤為突出,Cd的污染雖未超標(biāo)但需要警惕。

3)依據(jù)主成分分析,Cd、Pb、As、Cu、Zn、Ni來(lái)源相近,主要受當(dāng)?shù)夭傻V業(yè)的影響。Cr和Hg來(lái)源相近且受人為因素影響較小。