陽新縣浮屠鎮農田土壤重金屬含量評價

王浩森,趙麗婭

(湖北大學資源環境學院, 湖北 武漢 430062)

0 引言

農田土壤重金屬污染評價是當前的研究熱點之一,在我國農田土壤污染的情況也屢有發生,如2013年的“鎘大米”事件就引發了社會對于農田土壤重金屬污染問題的擔憂。農田土壤重金屬污染因隱蔽性強、毒性高、容易富集且難以去除,引起了人們廣泛關注[1-2]。過量重金屬在土壤中會改變土壤的理化性質,破壞微生物群落,降低農產品產量[3]。土壤中的農作物吸收重金屬并通過食物鏈轉移到人體,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]。我國作為人口大國,人均農用地資源緊張,為了糧食安全和人體健康,需重視農田土壤重金屬污染的問題以保障農用地的安全[5]。

農田土壤重金屬指的是Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn,也是我國農用地土壤重金屬污染評價檢測的基本項目。生態環境部在《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中發布了風險篩選值和風險管制的標準,農用地污染風險管控從此有了更明確的參照,便于科學評價農用地使用安全,對于保護和指導農田土壤具有十分積極的意義。有研究顯示,中國受到重金屬污染的農田土壤面積不斷擴大,重金屬含量不斷增加[6]。重金屬點位超標率呈現出Cd >As >Ni >Hg >Zn >Pb >Cu >Cr[7],且我國重金屬空間分布具有明顯的區域特征,西南、中南地區重金屬超標區域較大[8-9]。以長江流域來看,土壤質量總體良好,受污染嚴重的土壤成星點狀分布在流域內,重金屬污染主要來自于礦業開發和工業“三廢”排放[10]。以長江流域內的黃石市來看,農田土壤整體上屬于輕度污染水平,Cu超標率達到了40%,綜合污染指數為中度污染水平,且超標點位主要分布在工礦業附近[11]。

本研究根據農田土壤8項重金屬含量和分布,綜合采用多種評價方法研究陽新縣浮屠鎮的農田土壤重金屬污染情況,旨在為當地土壤重金屬污染的控制和管理提供依據。

1 研究區域概況和研究方法

1.1 研究區域概況研究區位于黃石市陽新縣浮屠鎮,地處幕阜山向長江沖積平原的過渡地帶,地形多為低山丘陵,面積187.46 km2。屬北亞熱帶季風氣候區,年平均氣溫16.8 ℃,無霜期263 d,降雨量1 390 mm。鎮內金屬礦藏豐富,其中銅的貯量最大。

1.2 研究方法利用國家監控的10個點位取樣,采樣點分布情況見圖1。每個采樣點通過五點采樣法采取表層0～20 cm的農田土壤混合為一個樣品。所采集土樣在室溫下風干,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,裝入自封袋中標記、保存待測。

圖1 研究區范圍及點位

使用國標法測定8項重金屬(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計進行測定土壤的pH值。重金屬檢測分析方法詳見下表1。土壤重金屬檢測分析中所使用的試劑均為優級純,同時設立平行樣品和空白樣品進行全程質量控制。

表1 農田土壤重金屬分析方法及引用標準

1.3 數據處理

1.3.1 環境評價方法

1)地積累指數法。

地質累積指數(Igeo)又稱為Muller指數,在注重了自然地質活動造成的背景值的影響的同時,也充分考慮到了人類活動所造成的重金屬污染[12-13]。所以,該指數在反映了重金屬分布的自然變化特征的同時,還能解析人類活動對環境所造成的影響,可以以此指數為依據來區分人類活動的影響。計算公式如下:

式中Igeo為地積累指數,代表土壤的污染狀況,分級標準詳見表2;Ci為重金屬i的實際檢測含量;Bi為重金屬i的當地土壤背景值;1.5為成巖作用對背景值的影響所取系數值。

表2 Igeo污染等級劃分

2)潛在生態風險指數法。

潛在生態風險指數法統籌考慮了重金屬的毒性和生態效應,注重重金屬的獨立評價。計算公式如下:

Ei=Ti×Pi,RI=∑Ei,

式中:Ei為重金屬i的潛在生態風險指數;Ti為重金屬i的毒性響應系數,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;RI為全部重金屬對所研究區域整體造成的潛在生態風險;Ei和RI值代表潛在生態風險的等級,分級標準詳見表3。

表3 潛在生態風險分級標準

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,用少數的因子去描述多因素之間的聯系,從而用少數的綜合指標反映整體的特點[15-16]。首先需要KMO檢驗,來展現主成分提取的數據情況,在KMO系數值大于0.6時,認為樣本符合數據結構合理的要求,可以使用主成分分析。

本研究使用軟件SPSS19對各點位的8項重金屬含量進行主成分分析檢驗,得出不同重金屬之間的關聯性,并結合當地污染源的分布情況分析重金屬污染的來源。

2 結果與分析

2.1 農田土壤重金屬含量陽新縣浮屠鎮的10個農田土壤點位的pH平均值為6.25,可見當地農田土壤以酸性土為主。大多數區域pH值處于6～7之間,西北方向土壤酸性較強,農田土壤pH值分布詳見圖2。

圖2 農田土壤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田土壤重金屬含量分布圖,詳見圖3。對比《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)可知,除Cu外,均未超過農用地土壤污染風險篩選值,農用地土壤污染風險低。

圖3 農田土壤重金屬含量分布圖

2.2 地積累指數評價根據湖北省土壤重金屬背景值計算地積累指數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,屬無污染狀態。根據Igeo污染等級劃分標準,被重金屬污染的點位比例依次是:Cu(80%) >Cd(60%) >Zn(40%) =As(40%) >Hg(30%) >Pb(20%) =Ni (20%) >Cr(0%)。研究區內所有點位均沒有出現Cr污染,Cu和Cd出現了一定程度的積累。

表4 農田土壤重金屬地積累指數Igeo

圖4 陽新縣浮屠鎮農田土壤重金屬地積累指數箱線圖

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

圖5 地積累指數Igeo插值

2.3 潛在生態風險評價從表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,呈現為中等生態風險。Hg的Ei值處于43.5～80.25之間,屬于中等風險和重度風險范圍。80%的點位中Cd屬于中等風險水平,其余重金屬屬輕微生態風險。

表5 農田土壤重金屬潛在生態風險評價結果

所有樣品點位的潛在生態風險指數位于0.93～80.25之間,RI均值為159.41,略高于輕微風險(< 150)的標準,整體處于中等風險水平。其中輕微、中等和重度生態風險水平的樣點占比依次為77.5%、21.25%、1.25%。由圖6可知,Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Ni、Hg對于RI的平均貢獻為別為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系數共同影響,RI的主要貢獻元素為Hg和Cd,總貢獻率高達70.04%。

圖6 農田土壤重金屬潛在生態風險平均貢獻圖

2.4 主成分分析評價使用SPSS 19對各點位的8項重金屬含量進行主成分分析檢驗,得到KMO統計量值為0.619,相伴概率為0.001,可做因子分析。提取2個特征值大于1的主成分,這2個主成分總體解釋了8個指標所有方差的77.30%,可以解釋所研究區域的土壤重金屬的大部分信息,結果詳見表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,說明他們的來源相近。又因為第1主成分的重金屬變異系數(均大于0.15)相對較高,受到了人為活動一定的影響。

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,說明兩者來源相近。第2主成分的重金屬變異系數低于0.15,受到人為影響很小。

3 討論

在陽新縣浮屠鎮農田土壤中,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《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018),僅Cu含量超過了風險篩選值,當地農用地污染風險低,但仍需加強土壤Cu含量和農產品的協同監測。

地積累指數法被廣泛應用于重金屬污染評價,如李龍利用該方法評價了金尾礦庫重金屬污染的情況[17],李楊利用該方法評價了某市土壤重金屬的污染情況[18]。本研究顯示,當地農田土壤中Cu和Cd達到了輕度污染水平,其他重金屬均處于輕微污染和無污染水平,當地存在人為活動導致Cu和Cd積累的情況,且在東北方出現了點源富集。呂典等研究陽新網湖流域顯示,Cd污染最嚴重,水稻田的地積累指數達到了3.91,屬重度污染水平[19]。而浮屠鎮Cd的地積累指數只達到了0.17,屬輕微污染水平,但其生態風險值得關注。孝義市工礦區農田土壤重金屬的研究中,也出現了Hg含量低,但其生態風險高的情況[20]。同樣在鄱陽湖平原的農田土壤研究中,Hg的含量低于限值,但Hg的生態風險仍呈現中等風險[21]。該方法的潛在生態風險分級存在些許爭議[22],因此Hg的潛在威脅在此評價方法中有被高估的可能性。

農田土壤重金屬來源于自然因素和人類活動。農田土壤重金屬的自然源多種多樣,如火山爆發、成土母質、水土流失等都會影響農田土壤重金屬的含量。從全國土壤背景值中可以看出我國土壤條件差異較大,膠東棕壤的背景值就顯著低于黔中的黃壤[23]。人為活動所造成的重金屬污染同樣來源眾多,其中金屬礦產的開采和冶煉會釋放大量重金屬,導致附近土壤重金屬污染嚴重[24-25]。李順湘[26]對陽新縣礦區復墾農田土壤重金屬的研究中,得出了As、Cu、Cd、Pb、Zn、Ni來源相似且污染來自工礦業的結論,這與我們的研究結果相似。但浮屠鎮農田土壤中Hg和Cr接近無污染水平,幾乎沒有受到人為活動的影響。

4 結論

1)陽新縣浮屠鎮境內農田土壤中,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超過了國家農用地土壤重金屬污染風險篩選值。除Cr含量沒有超過當地土壤背景值,其他七種重金屬含量都出現了不同程度的積累,其中As、Cd和Cu的點源污染比較明顯。

2)從地積累指數來看,除Cu和Cd屬于輕微污染水平以外,其他重金屬均屬于無污染狀態。其中,Cu的污染范圍廣,且不同點位污染差異較大。污染以潛在生態污染風險指數來看,整體處于中等風險水平。潛在生態風險的主要貢獻元素為Hg和Cd,貢獻度達到了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的污染雖未超標但需要警惕。

3)依據主成分分析,Cd、Pb、As、Cu、Zn、Ni來源相近,主要受當地采礦業的影響。Cr和Hg來源相近且受人為因素影響較小。