陜西潼關農田土壤及農作物重金屬污染及潛在風險

王 爽,李榮華,張增強,2*,馮 靜,沈 鋒(.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 7200；2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室,陜西 楊凌 7200)

陜西潼關農田土壤及農作物重金屬污染及潛在風險

王 爽1,李榮華1,張增強1,2*,馮 靜1,沈 鋒1(1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 712100；2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

對礦業活動頻繁的陜西潼關農田土壤和主要農作物小麥和玉米中的Hg、Cd、Pb、Cu、Zn和As元素的污染現狀進行了調查.結果表明,潼關農田土壤主要受到Hg、Cd、Pb的污染,超標率分別為89.8%,57.1%和12.2%,研究區83.6%的土壤已經受到了不同程度的重金屬污染.小麥和玉米樣品的調查表明,Hg、Cd、Pb是研究區農作物最主要的污染物,小麥和玉米中 3種重金屬的超標率分別為 39.1%和44.4%,39.1%和33.3%,47.8%和33.3%.從潛在生態危害指數可以看出,樣品具有輕微、中等、強和很強生態危害的比例分別為44.9%、38.8%、12.2%和 4.1%,具有輕微的生態危害的農田土壤主要分布在研究區西北部和東部;具有中等的生態危害的農田土壤主要分布在研究區中部和南部;具有強生態危害和很強生態危害的農田土壤分布在南部.小麥和玉米中重金屬含量與土壤中重金屬含量的相關性分析表明,小麥和玉米中Hg的含量與土壤中Hg的含量顯著相關.研究表明,加緊對陜西潼關重金屬污染農田的治理刻不容緩.

潼關；土壤；重金屬；農作物；污染評價

礦山開采所產生的大量礦山酸性廢水和廢礦渣是其周邊自然環境重金屬污染源之一,且隨著礦山開采年份的增加,土壤重金屬污染日趨嚴重[1?3].據不完全統計,截至 2008年底,我國113108座礦山中,因采礦活動占用破壞的土地面積達 332.5萬 hm2,固體廢棄物的累積積存量為353.3億t[4].在粵北地區,有10%的耕地都因當地礦業活動導致不同程度的重金屬污染[5].

潼關縣位于陜西省渭南市,是我國重要的金礦產地,工業儲量超過了 100t.該礦區自 20世紀70年代開采以來,所產生的大量含重金屬污水和廢渣直接排放到農田中,已造成生態環境的嚴重惡化[6].已有的研究側重于小秦嶺金礦區整體的土壤污染狀況,而對潼關縣范圍內農田土壤和農作物重金屬污染空間分布狀況系統性的研究較少[7].為此,本課題組對潼關縣農田土壤和主要農作物污染現狀進行了評價,并對土壤和農作物中重金屬污染的空間分布進行了研究,以期能為區域環境治理、農田土壤修復、保證農產品安全提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與樣點布設

陜西省潼關縣地處秦、晉、豫三省交界處,面積526km2,人口15萬,其中,農業人口11.4萬.潼關縣金礦開采區位于研究區南部的小秦嶺北坡中低山地區,采用地下開采,同時伴生銀、鉛、銅、硫等礦產.金礦選廠區位于山前平原的農業生產區,面積 270.8km2,耕地占 127km2.在全面收集研究區社會經濟、土壤類型、農業生產、礦業開發歷史及污染源基礎上,確定地處東經110°10.0′～110°23.0′,北緯 34°27.0′～34°37.0′的北部農業生產區為研究區域(圖1).樣點布設于整個研究區范圍,重點放至尾礦集中、污染較嚴重的地區.用GPS記錄樣點經緯度與高程.

1.2 樣品的采集與分析處理方法

為確保土壤樣品具代表性,表層土樣在周圍50m的范圍內使用“梅花點采樣法”采集0～20cm深度的耕層土壤,刮去地表浮土(<1cm即可),并去除雜草、磚塊等雜物,一般2～3個子樣組合為1個樣品,并采用四分法保留樣品 1kg.樣品主要采自農田、菜地等地方,基本能夠反映潼關縣農田土壤環境污染狀況.玉米和小麥樣品與土壤樣品同步采集.總體采集樣品數遠大于所分析的樣品數目,共測試土壤樣品49個,小麥樣品25個,玉米樣品9個.采樣點分布見圖1.

圖1 土壤樣品采樣點示意[10]Fig.1 Sites distribution pattern of collected soil samples[10]

表1 土壤重金屬污染評價方法[10]Table 1 Evaluation methods of heavy metal contamination in soils[10]

土壤樣品經風干磨碎過篩后,采用重鉻酸鉀容量法方法分析有機質,酸度計測量 pH值[8];采用美國EPA 3050B相關方法測定土壤樣品中的Hg、Cd、Pb、Cu、Zn、As元素的含量[9].小麥和玉米籽粒經HNO3-HClO4消解后,與土壤樣品同步測定.為了保證分析結果的準確性,進行樣品測試時,隨機抽取30%的土壤和作物樣品,采用標準加入法進行質量控制.Cd、Pb、Cu和Zn采用日立Z-3000型原子吸收分光光度計石墨爐法測定,Hg和As采用 AFS-930雙道原子熒光光度計測定.用 SPSS 19.0軟件在顯著性水平α=0.05下對數據進行檢驗處理.為直觀地描述調查區土壤重金屬空間分布與變化特征,采用ArcGIS 9.3軟件繪制研究區農田土壤重金屬含量和農作物重金屬含量的空間分布圖.

1.3 土壤重金屬污染評價方法

環境質量指數是評價環境質量的重要指標,但這些指數形式繁多,側重點各異.為了客觀科學的反映污染現狀,本文綜合文獻資料選取了幾種主要的評價方法(表1).

2 結果與討論

2.1 農田土壤及農作物中的重金屬水平

對研究區內的49個農田土壤樣品的分析表明,土壤平均pH值為8.34,屬于弱堿性土壤;有機質平均含量為1.19%,該區域土壤重金屬Cu、Zn、 As的含量沒有超過土壤環境質量二級標準,而Hg、Cd和Pb污染嚴重.

由表2可見,農田土壤Hg、Cd、Pb的含量范圍 分 別 為 0.69～23.73mg/kg,0.04～4.40mg/kg, 54.12～1297.82mg/kg;土壤Hg、Cd、Pb含量的變異系數分別為 107.4%,87.3%和 83.8%,表明土壤Hg、Pb、Cd的分布不均勻;土壤Hg、Cd、Pb的平均含量分別是土壤環境質量二級標準值的3.5、1.7和0.7倍,且高出鄰區對比值(0～20cm),陜西關中塿土背景值和全國土壤背景值6～53倍.研究表明土壤樣品的Hg、Cd、Pb分別有89.8%、57.1%和 12.1%超過土壤環境質量二級標準值.徐友寧等

[7]2006年對小秦嶺金礦區農田土壤的研究發現,Hg、Cd、Pb的樣本超標率分別為43.16%,2.25%和12.8%,可見近幾年來的農業生產及人為活動對土壤污染影響較為顯著,Hg和 Cd的污染明顯加重,Hg仍是該區域最主要的污染元素.

表2 潼關農田土壤重金屬含量統計特征值及其與我國土壤環境質量標準值的比較(mg/kg)Table 2 Heavy metals concentrations in soils and their main eigenvalues and comparison with standard values (mg/kg)

表3 農作物重金屬含量特征值及超標倍數(mg/kg)Table 3 Heavy metals contents and their main eigenvalues in crops (mg/kg)

由表3可見,小麥和玉米中Hg、Cd、Pb含量均不同程度超過了國家標準,小麥樣品 Hg、Cd、Pb超標率分別為39.1%,39.1%,47.8%,玉米樣品Hg、Cd、Pb的超標率分別為44.4%,33.3%, 33.3%.徐友寧等[14]在2006年對小秦嶺金礦區的研究中發現,小麥中 Hg、Cd、Pb的超標率分別為86.67%,33.33%和60%;玉米中僅有Hg超標,超標率 15.15%.可見,近幾年來,除了小麥 Hg和Pb的污染狀況有所減輕外,小麥Cd、玉米的Hg、Cd和Pb的污染狀況均有不同程度的加重.

雖然研究區域農田土壤重金屬污染嚴重,對應的主要農作物也存在一定的重金屬超標問題,但不同農作物對重金屬的吸收能力也不同. Jung等[15]在研究韓國某鉛鋅礦污染農田時發現,雖然研究區域土壤 Cd、Cu、Pb和 Zn含量分別在0.1～38.7、10～1400、11～30520和54～25800mg/kg之間,但采集的8個玉米樣品中Cd、Cu、Pb和Zn含量分別在 0.08～1.15、1.1～8.0、0.10～1.38和21～99mg/kg之間,相比于煙草、胡蘿卜、大豆、洋蔥而言,玉米中所含的重金屬量最低.另外,徐友寧等[14]的研究發現,主要農作物中,小麥中的Hg、Pb、Cd累積程度顯著高于土壤對比區的對照樣,玉米中 Pb、Cd累積嚴重,且金礦區同一采樣地點小麥籽粒比玉米更容易吸累積重金屬.

2.2 農田土壤及農作物重金屬空間分布特征

礦業場地分布不均勻、“三廢”排放程度有差異,必然導致土壤的重金屬含量在空間上有變化[16].為直觀地描述調查區土壤重金屬的空間分布與變化特征,采用 ArcGIS軟件,繪制研究區農田土壤重金屬含量和農作物中重金屬含量的空間分布圖2、圖3和圖4.

圖2 農田土壤重金屬的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in farmland soils of Tongguan, Shaanxi Province

由圖2可見,研究區農田土壤Pb僅在幾個小區域內含量較高;農田土壤Hg和Cd的空間分布有一定相似性,二者在研究區的中東部帶狀區域含量較高,在西部和東部含量較低.從農田土壤Hg、Cd和Pb的空間分布特征可以看出,這3種元素都是在靠近南部的金礦開采區附近含量較高,而三者的遷移性 Cd>Hg>Pb[17?18],因此 Cd和Hg都表現出了明顯的由南向北遷移的趨勢. 研究區土壤Hg、Cd含量較高的區域的空間分布與污染源的集中分布區域基本一致,可見Hg和Cd元素受礦業活動的影響十分明顯.

Jung等[15]在研究韓國某鉛鋅礦污染農田時發現,雖然土壤和作物中重金屬含量的空間分布不盡相同,但基本呈現出隨著離礦區距離的增加含量逐漸減小的趨勢.有學者[19?20]在分析礦業過程中礦渣排放所造成的土壤污染空間分布時指出,雖然土壤中重金屬離子的遷移過程常受控于土壤性質、重金屬來源等諸多因素,但最主要的原因仍是污染源的類型.例如若污染來自含重金屬的廢水或煙塵排放,則重金屬分布相對較為規律;若污染來自礦渣(礦物母質),則土壤重金屬的分布與礦物母質的風化過程和重金屬污染物的自身物理化學特征密切相關.

研究區內小麥 Hg的含量自南部向北部呈現一定的遞減趨勢,小麥 Cd的含量自東北部向西南部呈現一定的遞減趨勢,小麥 Pb的含量自研究區南部向北部呈現一定的遞減趨勢(圖 3).玉米樣品中Hg含量由研究區東南向西北遞增;玉米樣品中Cd含量分布較均勻,在研究區中部和西北角略高;研究區中東部玉米樣品的Pb含量高于周邊(圖4).小麥Hg和Pb含量較高的區域與土壤Hg和Cd含量較高區域有一定的重合,這說明小麥中Hg和Pb的含量受土壤中這兩種元素的含量影響較明顯.

圖3 小麥中的重金屬空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of heavy metals in wheat in farmland of Tongguan, Shaanxi Province

圖4 玉米中的重金屬空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of heavy metals in corn in farmland of Tongguan, Shaanxi Province

2.3 農田土壤污染評價

表4 土壤單項污染指數和評價等級Table 4 Single factor index of soils and the assessment standards

表5 土壤內梅羅綜合污染指數和評價等級Table 5 Nemerow multi-factor index of soils and the assessment standards

單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法的評價結果見表4和表5.從表4可見,受到Hg、Cd、Pb重污染的土壤分別為34.7%,16.3和2.0%.從表 5的內梅羅綜合污染指數可見,83.6%的樣品的內梅羅綜合污染指數大于 1,其中 36.6%屬于輕度污染,16.3%屬于中度污染,30.6%屬于重污染,僅有8.2%的土壤樣品污染等級屬于安全.

2.4 農田土壤潛在生態危害評價

土壤中的重金屬可以通過食物鏈傳遞最終對人體健康造成危害,因此評價重金屬污染土壤的潛在生態危害至關重要[21?23].為了反映特定區域的差異性,選擇陜西關中塿土背景值作為比較基準,對研究區域Hg、Cd和Pb的潛在生態危害進行評價(表6和表7).

由表6可見,有10.2%的土壤樣品Hg具有輕微的生態危害,89.8%的土壤樣品Hg具有中等及更嚴重的生態害; 57.1%的土壤樣品Cd具有輕微的生態危害,42.8%的土壤樣品Cd具有中等及更嚴重的生態危害;土壤樣品 Pb只具有輕微的生態危害.潛在生態危害系數的空間分布(圖5)表現為,Hg和Cd的生態危害系數分布基本一致,具有中等及更嚴重生態危害的土壤主要分布在研究區南部和中部帶狀區域.由表 7可見,55.1%的樣品具有中等或更強的生態危害.潛在生態危害指數的空間分布(圖6)表明,具有輕微的生態危害的農田土壤主要分布在研究區西北部和東部;具有中等生態危害的農田土壤主要分布在研究區南部和中部帶狀區域;具有強和很強生態危害的農田土壤主要分布在南部小區域內.土壤中 Hg和Cd含量的空間分布,Hg和Cd的潛在生態危害系數空間分布,潛在生態危害指數空間分布特征三者之間具有較好的一致性,這說明Hg和Cd對該地區的土壤污染具有較大的貢獻率,這和該地區土壤重金屬污染現狀調查的結果相印證.

2.5 農作物樣品重金屬含量與土壤樣品重金屬含量相關性分析

重金屬污染農田中生長的作物體內的重金屬含量,直接決定作物的安全食用,關系到人體健康[24].在采集農作物樣品時,均在植株生長地對應采集了土壤樣品,因此對土壤中重金屬含量和農作物樣品中重金屬含量進行相關性分析,得到的相關系數見圖7.

表6 潛在生態危害系數及評價等級Table 6 Ecological risk factor and the assessment standards

表7 潛在生態危害指數及評價等級Table 7 Potential ecological risk index and the assessment standards

圖5 潛在生態危害系數(Ei)的空間分布特征r

Fig.5 Spatial distribution of Eri

由圖7可見,作物中 Hg的含量與土壤中的Hg含量有顯著的相關性,而小麥和玉米中的Cd、Pb、Cu、Zn、As元素含量均未與土壤中這些元素的含量表現出顯著相關性.徐友寧等[14]在研究中發現小麥中重金屬的累積程度與立地土壤污染程度存在較好的相關性,而玉米種這一規律不明顯.王定勇等[25]研究發現,氣態Hg作用于植物時,其地上器官含Hg量高于根部;土壤Hg作用于植物時則根部含Hg量高于地上器官.植物Hg可能來源于對大氣 Hg的吸附, 也可來源于土壤Hg向上的輸送.這說明小麥和玉米種的Hg可能主要來源于土壤中,而土壤中的其他重金屬元素可能不是小麥和玉米中的這些重金屬的主要或唯一來源,植物還可能從大氣等途徑吸收重金屬,這也可能與土壤中重金屬形態有關[26?27],后期仍需進一步探討土壤類型、作物種類及環境因素與作物重金屬累積之間的深層關系.

圖6 潛在生態危害指數的空間分布特征Fig.6 Spatial distribution of RI

圖7 農作物重金屬含量與土壤重金屬含量相關性分析Fig.7 Correlation analysis of heavy metal concentrations in soils and crops

3 結論

3.1 在研究區農田土壤中Cu、Zn和As基本不構成污染,而Hg、Cd和Pb的污染嚴重.綜合污染指數分析表明,研究區受污農田土壤面積達83.6%,重污染面積達30.6%.

3.2 農田土壤Hg的生態危害最大,農田土壤Cd的生態危害次之,農田土壤Pb只具有輕微的生態危害.從潛在生態危害指數來看,有 55.1%的土壤樣品具有中等及更強的生態危害,有 44.9%的土壤樣品具有輕微的生態危害.生態危害較強的農田土壤主要分布在南部.

3.3 小麥和玉米均受到了Hg、Cd、Pb的污染,并且小麥的污染較玉米嚴重.經相關性分析得到,小麥、玉米籽粒中重金屬含量與土壤中重金屬含量之間僅在Hg元素表現出顯著的相關性.

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Assessment of the heavy metal pollution and potential ecological hazardous in agricultural soils and crops of Tongguan, Shaanxi Province

WANG Shuang1, LI Rong-hua1, ZHANG Zeng-qiang1,2*, FENG Jing1, SHEN Feng1

(1.College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2313～2320

Tongguan, Shaanxi Province was found to suffer the influence of mining activity. The contamination status of Hg, Cd, Pb, Cu, Zn and As in both farmland and main crops wheat and corn was investigated. 83.6% of farmland soils were polluted to different extent, mainly by Hg, Cd and Pb, which exceeded the standard by 89.8%, 57.1% and 12.2%, respectively. Crops were also mainly polluted by Hg, Cd and Pb, which exceeded the standard by 39.1%, 39.1% and 47.8% in wheat and 44.4%, 33.3% and 33.3% in corn, respectively. The soils with low, moderate, high and very high values of potential ecological risk index were 44.9%, 38.8%, 12.2% and 4.1%, respectively. The soils with low values of potential ecological risk index mainly occurred in northwest and east, the soils with moderate values of potential ecological risk index were mainly distributed in the middle and south and the soils with high and very high values of potential ecological risk index were primarily located in the south. Correlation analysis between metal concentration in farmland soils and crops showed a significant correlation between the Hg in wheat and corn and the Hg in soil. Overall, immediate action was needed to remediate the heavy metal pollution in the farmland of Tongguan.

Tongguan；soil；heavy metal；crops；pollution assessment

X131.3

A

1000-6923(2014)09-2313-08

王 爽(1989-),女,湖北十堰人,西北農林科技大學碩士研究生,主要從事污染環境修復研究.

《中國環境科學》2011年度引證指標

《中國環境科學》編輯部

2014-01-21

國家自然基金項目(41101288);西北農林科技大學博士科研啟動基金(2013BSJJ120);陜西省自然科學基金項目(2013JM3011)

* 責任作者, 教授, zhangzq58@126.com

根據《2012年版中國科技期刊引證報告(核心版)》,《中國環境科學》2011年度引證指標繼續位居環境科學技術、安全科學技術類科技期刊前列,核心影響因子1.523,學科排名第1,綜合評價總分79.2,學科排名第2;在被統計的1998種核心期刊中影響因子列第18位,綜合評價總分列第52位.《中國科技期刊引證報告》每年由中國科學技術信息研究所編制,統計結果被科技管理部門和學術界廣泛采用.