云南省農田表土重金屬分布特征與污染評價

張子豪,李海俠,王家明,胡靜遠,王美辰,葉俊民,王 楊

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093;2.中化地質礦山總局山東地質勘查院,山東 濟南 250000)

0 引言

表土是地表物質的重要組成之一,為人類的生活、生產提供了重要基礎[1-3]。重金屬累積污染將對表土的正常功能產生重大影響,進而以表土—植物—人體的物質遷移方式影響到人類身體健康[4-5]。2014年發布的表土污染狀況調查結果顯示,我國耕地表土污染狀況整體表現不容樂觀[6]。

GIS和地統計學是研究表土元素分布的主流工具[7],將二者相結合進行重金屬含量分析可以直觀有效地展示表土元素含量的分布特點。單因子指數法、內梅羅指數法通常用于重金屬污染評價[8-11],Pearson相關性分析適用于識別重金屬來源和關聯性[12]。已有研究[13]表明,云南省表土重金屬污染問題較為嚴重,其中Pb、Cd、Cu、Zn、Cr等重金屬均存在富集現象。此前的研究大多針對礦區表土的污染狀況進行分析與評價[14-16],對農田表土重金屬污染狀況的研究較少,尤其是大尺度范圍的研究尚未見報道?；诖?本文對云南省旱地農田表土中Cu、Pb、Cr、Zn四種重金屬的分布特征和生態風險進行了分析與評價,并探討重金屬污染來源,以期為農田表土重金屬污染治理提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

在云南省各市區主要旱地農田設置113個具有代表性的采樣點,采樣點分布見圖1。

圖1 采樣點分布示意圖

云南省屬于低緯度內陸地區,介于北緯21°8′～29°15′、東經97°31′～106°11′之間,兼具低緯氣候、山原氣候、季風氣候的特點[13]。年均降雨量在613～1 733 mm,海拔在91～3 540 m。采樣的農田表土整體呈酸性。

1.2 樣品采集與處理

采樣時去除表層植被后采集深度為5～10 cm處的表土樣品,盡量保證采樣深度偏差在5 cm內,共采集113份農田表土樣品。在實驗室中對所有樣品進行自然風干、過篩、研磨等步驟后分裝保存。

1.3 測試方法

1.3.1 重金屬含量

將風干表土樣品剔除植被根系,過200目尼龍篩后儲存于樣品袋中,由云南省有色金屬及制品質量監督檢驗站對表土樣品中Cu、Pb、Cr、Zn四種重金屬含量進行檢測,檢測方法為X射線熒光光譜法,儀器為AXiOSMAX-minerals。先以相同元素的標準樣品測量600 s進行儀器標定,再用ZHY-401B壓片機將表土樣品鋪平、壓實至飽和厚度后進行重金屬含量檢測,檢測時間為200 s,每份表土樣品測量2次,取數據平均值。

1.3.2 理化參數

有機質(SOM)檢測:采用20目篩網對樣品進行過篩后取樣30 mg,用錫紙包裹并通過制樣工具壓制成標準樣品形狀,使用有機元素分析儀進行有機碳相關參數檢測。采用“Van Bemmelen因數”計算得到表土有機質含碳量為58%[17],通過換算得到SOM參數值。

pH檢測:表土浸提劑為無CO2去離子水,單次使用量為25 mL;表土樣品選用20目篩網過濾后取10 g,溶劑和樣品的質量比為2.5∶1,分別放入50 mL燒杯中,用磁力攪拌儀均勻攪拌2 min,關閉儀器后靜置30 min,在樣品溶液中插入電極,待pH計數器數據穩定后,記錄樣品的pH。

粒度分析檢測:將風干表土過60目篩網,去除表土中植被根系并取出1 g左右樣品進行分散處理[18],后將表土溶液加入Mastersizer 2000激光粒度分析儀,輸出各粒度的體積百分比。

1.4 表土重金屬污染評價方法

采用單因子指數法分析表土樣品中單一重金屬的污染指數,計算公式為

Pi=Ci/Si,

(1)

式中,i表示相應編號的表土重金屬,Pi表示相應編號表土中單一重金屬污染指數,Ci表示相應編號表土中實測重金屬含量,Si表示相應編號表土重金屬含量對應的環境背景值。

采用內梅羅綜合污染指數法計算綜合污染指數,從整體上考慮重金屬對農田表土的影響[19],計算公式為

(2)

式中:PN表示綜合污染指數;avePi表示單一重金屬污染指數平均值,maxPi表示最大單一重金屬污染指數。

依照污染等級劃分標準[20],對于Pi而言,Pi≤1為清潔,15為重度污染;對于PN而言,PN<0.7為安全級,0.73為重度污染[21]。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量統計分析

表1為重金屬含量統計分析結果,圖2為重金屬含量超標率。采樣點平均pH為6.05,中位數在6.24,表土整體呈酸性。

表1 農田表土采樣點重金屬含量統計結果 單位:mg/kg

由表1、圖1可知,Cu、Pb、Cr、Zn平均含量均高于云南省土壤背景值,超過云南省土壤背景值的樣點占比分別為77.88%、64.6%、80.53%、55.75%,超過農用地土壤污染風險篩選值[23]的樣點占比分別為53.1%、15.04%、17.7%、7.08%,表明4種重金屬元素在云南省農田中均存在不同程度的富集,其中污染最嚴重的是Cu、Cr。變異系數可以反映人類活動對于表土中重金屬元素的影響程度[24],4種重金屬元素存在不同程度的強變異,排序為Zn>Cr>Cu>Pb。

表2為采樣點農田表土重金屬污染指數統計結果。由表2可知,Cu、Pb、Cr、Zn的單因素污染指數表明均為輕微污染,污染程度排序為Cu>Cr>Pb>Zn,內梅羅綜合指數為1.799 9,整體污染等級為輕度污染。圖3為采樣點表土單因素重金屬污染指數分布。圖3中,同一重金屬元素對應的左側柱狀圖以云南省背景值作單因素分析,可見Cu、Pb、Cr、Zn均存在不同程度的污染,高污染點位分別占2.65%、3.53%、3.53%、1.76%,其中Cu、Cr的污染較為嚴重,分別僅有22.12%、19.46%的點位為清潔態。右側柱狀圖以農用地土壤污染風險篩選值作單因子分析,可見Cu、Zn高度污染點位占比分別為1.7%、0.9%;Cu、Cr、Zn中度污染點位占比分別為4.42%、0.90%、0.90%; Cu、Pb、Cr輕度污染點位占比分別為9.73%、2.65%、2.65%; Cu、Pb、Cr、Zn輕微污染點位占比分別為37.16%、12.38%、14.16%、5.30%;綜上可知,Pb、Cr、Zn的極端污染情況屬于個例,僅Cu污染指數整體較高,說明農田表土存在較嚴重的Cu污染。其余3種重金屬元素的污染程度排序為Cr>Pb>Zn。

圖3 采樣點表土單因素污染指數分布

2.2 重金屬分布特征

采用普通克里金插值法,選用log變換趨勢,設置二次趨勢的移除階數,理論模型選擇五球函數,對采樣點重金屬含量和綜合污染指數進行地統計分析,得到云南省農田表土重金屬含量和綜合污染指數分布(見圖4)。

圖4 表土重金屬含量和綜合污染指數空間分布

由圖4可知,Cu、Cr和Zn含量的空間分布格局較為一致,表明其可能有相似來源;這3種重金屬元素空間分布大體呈東高西低的特征,高值區主要分布在云南省中部偏東和西北部,即曲靖、昆明、玉溪、紅河、迪慶和大理等地;低值區主要分布在西南部,即德宏、保山、臨滄、普洱等地。此外,Cu、Zn在西南部景洪和普洱出現了局部高值區,Pb含量高值區分布在云南省西南和南部,即德宏、臨滄、普洱、景洪、紅河和玉溪等地,從西南到東北逐漸降低。綜合污染指數的分布特征整體上與重金屬含量的分布特征較為一致,云南省農田表土整體上呈輕度污染。云南省西北部和中偏東區域的綜合污染指數相對較高。迪慶、麗江、大理、昭通、曲靖、昆明、玉溪、紅河和文山地區的輕度污染歸因于Cu、Cr、Zn在農田表土中的富集。而云南省西南部,即保山和臨滄地區的輕度污染在空間上和Pb含量分布具有一致性,推測Pb為上述地區的主要污染源。

2.3 重金屬與表土理化性質的相關性及來源分析

對采樣點表土SOM、pH、各種粒徑占比與4種重金屬元素含量進行Pearson相關性分析,結果見表3。由表3可知,Cu與Cr、Zn之間均呈正相關,Pb與Zn呈正相關,推測Cu、Cr、Zn有相同或相似的污染源。結合相關研究,Cu、Cr、Zn組合源于典型的畜禽糞肥[25]、化肥(如尿素、二胺[26]和商品有機肥)及土壤調理劑的使用[27]。結合采樣點實地調查發現,采樣點農田均存在長期施用畜禽糞、化肥等肥料的歷史,故推測該地農田表土重金屬污染主要來源為上述肥料[28]。Cu、Cr與粉粒呈負相關、與砂粒呈正相關,地統計分析結果也表明Cu、Cr在云南省表土分布情況較為一致,推測可能有部分來源于母巖風化沉積。Pb、Zn與SOM呈正相關,推測為表土SOM與表土中的Pb、Zn等離子形成絡合物,降低了該重金屬元素的移動性[29-30],從而導致Pb、Zn在農田中富集。

表3 采樣點表土理化性質與重金屬之間的相關性

3 結論

a.云南省農田表土中Cu、Pb、Cr和Zn含量與云南省土壤背景值相比均存在一定程度的富集,程度排序為Cu>Cr>Zn>Pb。與農用地土壤污染風險篩選值相比,Cu在農田表土富集最為明顯。單因素污染指數法分析結果顯示,4種重金屬元素均為輕微污染,污染程度排序為Cu>Cr>Pb>Zn。

b.重金屬含量和綜合污染指數的地統計分析結果表明,Cu、Cr、Zn的分布格局具有較高的一致性,大體呈東高西低的分布特征,Pb含量由西南向東北逐漸降低。綜合污染指數分布圖中反映出云南省農田表土普遍處于輕度污染,污染相對嚴重區域為云南省西北和中部偏東區域。

c.相關性分析結果顯示,云南省農田表土中Cu與Cr、Zn存在顯著的正相關性,表明其可能具有相同的來源,結合已有研究及現場調查,推測其主要為有機肥料。Cu、Cr與砂粒呈正相關,推測可能有部分來源于母巖風化沉積。Pb、Zn與表土有機質呈正相關,推測為表土有機質與表土中的Pb、Zn等離子形成絡合物,導致Pb、Zn在農田中富集。