三峽庫區(qū)重慶段土壤重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查與評價(jià)

皮寧寧，渠巍

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147；2.有機(jī)污染物環(huán)境化學(xué)行為與生態(tài)毒理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401147)

三峽庫區(qū)重慶段土壤重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查與評價(jià)

皮寧寧1，渠巍2

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147；2.有機(jī)污染物環(huán)境化學(xué)行為與生態(tài)毒理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401147)

為摸清三峽庫區(qū)重慶段土壤重金屬污染狀況，分別采自農(nóng)田、果園、企業(yè)周邊等不同利用方式的土壤，運(yùn)用土壤達(dá)標(biāo)率、單項(xiàng)污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)指數(shù)法對不同類型的土壤樣品中的重金屬含量進(jìn)行分析評價(jià)。結(jié)果表明，三峽庫區(qū)重慶段土壤環(huán)境中Hg、Cd、As、Pb含量均值均超過推薦背景值；變異系數(shù)顯示Hg和Cd的分布最不均勻，受到人類活動(dòng)的影響最為強(qiáng)烈；單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，只有部分土壤受到了Cd和Hg不同程度地污染，主要是企業(yè)周邊土壤，而土壤重金屬污染主要與人類活動(dòng)密切相關(guān)；三峽庫區(qū)重慶段土壤環(huán)境中各重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)小于40，土壤風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為97.5，尚處于低污染、清潔安全水平。

三峽庫區(qū)重慶段；土壤；重金屬；污染指數(shù)；潛在生態(tài)指數(shù)

三峽庫區(qū)位于東經(jīng)106°50′—110°50′，北緯29°16′—31°25′，下起于湖北秭歸縣三斗坪鎮(zhèn)，上止于重慶市江津區(qū)，三峽水庫是典型的河道型水庫。重慶段位于東經(jīng)106°15′—110°10′，北緯29°20′—31°20′。庫區(qū)建成后，上游水系帶來的大量懸浮物在庫區(qū)內(nèi)沉積，對消落帶土壤中重金屬元素的含量產(chǎn)生重要影響。隨著農(nóng)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，人類生產(chǎn)生活對庫區(qū)農(nóng)村土壤也會(huì)造成污染。而土壤中累積的Hg、Cd、As等具有生物毒性的重金屬會(huì)通過食物鏈最終進(jìn)入人體并富集，導(dǎo)致疾病的發(fā)生。土壤中的重金屬嚴(yán)重威脅著作物生長和人畜健康，因此其含量成為評價(jià)農(nóng)村土壤污染現(xiàn)狀的重要指標(biāo)，分析其來源成為保護(hù)農(nóng)村土壤環(huán)境質(zhì)量的必要手段。

土壤重金屬來源多樣，包括對母質(zhì)元素的繼承，大氣重金屬的沉降，化肥農(nóng)藥及塑料薄膜的使用，污灌和污泥施肥，城市生活垃圾和工業(yè)垃圾的堆放及礦山開采等。成杭新等[1]指出，三峽庫區(qū)蓄水后，上游懸浮物/水系沉積物將在庫區(qū)消落帶及庫底逐年沉積，導(dǎo)致Cd等重金屬元素大量累積；劉芬等[2]發(fā)現(xiàn)，主要來自工廠排煙、粉塵、燃煤及汽車尾氣排放的大氣重金屬沉降也是土壤中重金屬的重要來源；王祖?zhèn)サ萚3]指出，醋酸苯汞、氯化乙汞、DDT等農(nóng)藥和殺蟲劑含有Hg、As等重金屬，天然Cd存在于磷礦中，施用粗制品磷肥，會(huì)增加農(nóng)田中Cd的含量；呂文英等[4]指出，農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用的熱穩(wěn)定劑中含有Cd、Pb，在大量使用塑料大棚和地膜過程中會(huì)造成土壤重金屬污染；Siegel F R[5]指出，各類生活垃圾是高Cd的重要載體，塑料、涂料和顏料等日用品廢物的堆積會(huì)導(dǎo)致Cd的排放。

目前針對土壤污染狀況的評價(jià)方法主要有單項(xiàng)指數(shù)法和綜合指數(shù)法，其中單項(xiàng)污染指數(shù)法能較直觀地反映環(huán)境中各項(xiàng)污染指標(biāo)的情況，而綜合指數(shù)法涵蓋了所有評價(jià)因子單項(xiàng)污染程度的平均水平和最大污染指數(shù)，能綜合地反映總體環(huán)境質(zhì)量狀況。此外，潛在生態(tài)危害指數(shù)法[6-7]是根據(jù)重金屬的性質(zhì)和環(huán)境行為特點(diǎn)提出的，可以定量地計(jì)算出土壤或沉積物中重金屬的生態(tài)危害性，目前同樣廣泛應(yīng)用于評價(jià)土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

本研究選取包括三峽庫區(qū)重慶段內(nèi)的村莊，采集了不同類型的土壤樣品，以摸清當(dāng)?shù)剞r(nóng)村土壤重金屬污染狀況，采用單項(xiàng)指數(shù)法、綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤狀況進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)對污染的原因進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)刂贫ê侠淼纳鷳B(tài)保護(hù)對策提供科學(xué)參考。

1 應(yīng)用材料及方法

1.1樣品的采集與處理

在三峽庫區(qū)境內(nèi)重慶段渝北區(qū)、涪陵區(qū)、北碚區(qū)、巴南區(qū)、萬州區(qū)、江津區(qū)、武隆縣、石柱縣、開縣、奉節(jié)縣、豐都縣、云陽縣、巫山縣和巫溪縣等14個(gè)區(qū)縣中選擇了28個(gè)村莊進(jìn)行采樣，每個(gè)村莊布設(shè)5個(gè)點(diǎn)位，分別是在農(nóng)田、園地(果園、茶園、菜園)、飲用水水源地周邊各布設(shè)1個(gè)點(diǎn)位，在重點(diǎn)區(qū)域土壤中選擇兩類各布設(shè)1個(gè)點(diǎn)位，包括企業(yè)周邊、養(yǎng)殖場周邊、垃圾場周邊、居民區(qū)周邊，共140個(gè)樣品。

根據(jù)《土壤元素的近代分析方法》進(jìn)行土壤采集和預(yù)處理，采用梅花形采樣法，使用竹鏟采集0～20 cm的土樣，同一樣品由15～20個(gè)土樣混合，用四分法留取1 kg，混合土壤在室內(nèi)經(jīng)自然晾干、磨碎、剔除碎石根莖，混勻、研磨，過200目尼龍篩處理后，取樣進(jìn)行分析測定。

1.2樣品的測定

監(jiān)測方法參考《土壤元素的近代分析方法》，樣品的pH值用電極法測定；As和Hg采用王水消解原子熒光法測定(AFS-830型)；Cd、Pb、Cr采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，等離子發(fā)射光譜法測定(ICP-6300型)。

2 土壤重金屬污染評價(jià)

2.1評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的二級標(biāo)準(zhǔn)為評價(jià)依據(jù)，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

2.2評價(jià)方法與分級

本文采用土壤指數(shù)達(dá)標(biāo)率結(jié)合土壤單項(xiàng)污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)對土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)。

(1)土壤質(zhì)量達(dá)標(biāo)率。土壤質(zhì)量達(dá)標(biāo)率即土壤質(zhì)量點(diǎn)位達(dá)標(biāo)率，指監(jiān)測區(qū)域內(nèi)土壤有效監(jiān)測點(diǎn)位中土壤環(huán)境質(zhì)量達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)位所占比例。

(2)單項(xiàng)污染指數(shù)。土壤單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi)計(jì)算公式為：

式中，Pi為單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為調(diào)查土壤中污染物的實(shí)測濃度；Sip為污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值或參考值。

在單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上，采用單因子法確定區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量分級。根據(jù)Pi的大小，將土壤污染程度劃分為五級：Pi≤1，無污染；1lt;Pi≤2，輕微污染；2lt;Pi≤3，輕度污染；3lt;Pi≤5，中度污染；Pigt;5，重度污染。

(3)土壤綜合污染指數(shù)。土壤綜合污染指數(shù)(PN)計(jì)算公式為：

土壤綜合污染指數(shù)=

依據(jù)土壤綜合污染指數(shù)，將污染等級劃分為五級：PN≤0.7，清潔(安全)；0.7lt;PN≤1.0，尚清潔(警戒限)；1lt;PN≤2.0，輕度污染；2lt;PN≤3.0，中度污染；PNgt;3，重污染。

(4)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)法綜合重金屬的含量、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)等多方影響，定量劃分潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，公式如下：

3 研究結(jié)果分析

紫色土和黃壤是三峽庫區(qū)內(nèi)的主要土壤類型，而紫色土壤中重金屬變異系數(shù)最大的為Cd，黃壤中變異系數(shù)最大的為Hg，其次是Cd[8]，因此土壤母質(zhì)對重金屬含量的影響不容忽視。表2為土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表2可以看出，土壤中重金屬含量均值依次為Crgt;Pbgt;Asgt;Cdgt;Hg，這與土壤成土母質(zhì)中各重金屬元素含量的繼承有關(guān)；除Cr外，其他元素的平均含量均超過三峽庫區(qū)土壤重金屬元素推薦背景值[9]。從變異系數(shù)來看，依次為Hggt;Cdgt;Asgt;Pbgt;Cr。變異系數(shù)作為反映統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)特征的參數(shù)，可在一定程度上反映其分布是否均一[10]。Hg、Cd分布最不均勻，受到人類活動(dòng)的干擾作用較其他金屬元素更為強(qiáng)烈。

表2 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表

3.1土壤達(dá)標(biāo)率

調(diào)查結(jié)果顯示，土壤pH值為3.63～8.51，陽離子交換量為3.44～34.9 cmol/kg，土壤中As、Pb、Cr均未超標(biāo)，土壤受到Cd和Hg不同程度的污染，12.9%的點(diǎn)位受到Cd的污染，2.9%的點(diǎn)位受到了Hg的污染。Cd的達(dá)標(biāo)率為87.1%，Hg的達(dá)標(biāo)率為97.1%，其中企業(yè)周邊的Cd和Hg的達(dá)標(biāo)率均最低，如表3所示。

表3 農(nóng)村土壤達(dá)標(biāo)率

3.2單項(xiàng)污染指數(shù)

表4為土壤單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果。由表4可知，農(nóng)村土壤重金屬單因子指數(shù)均值Cd(0.809)gt;Hg(0.417)gt;Cr(0.377)gt;As(0.230)gt;Pb(0.110)，僅企業(yè)周邊土壤Cd單因子指數(shù)均值大于1，無污染、輕微污染、輕度污染和中度污染的土壤點(diǎn)位分別占85.0%、7.14%、2.86%和5.71%。其中企業(yè)周邊土壤污染最嚴(yán)重，水源地周邊土壤較其他更清潔。

按土壤污染分擔(dān)率(土壤中某單項(xiàng)污染指數(shù)占各項(xiàng)污染指數(shù)之和的比例)，總體上由大到小分別為Cd(41.6%)gt;Hg(21.5%)gt;Cr(19.4%)gt;As(11.8%)gt;Pb(5.7%)，如表5所示。在所有土壤類型中，Cd的污染分擔(dān)率均最大；農(nóng)田、園地、水源地周邊、居民地周邊和養(yǎng)殖場周邊土壤中Cr的污染分擔(dān)率位居第二，這與土壤成土母質(zhì)中Cr含量較高有關(guān)；企業(yè)周邊和垃圾場周邊土壤中Hg的污染分擔(dān)率位居第二，并且影響到所有土壤類型污染分擔(dān)率的排列次序。Cd污染較重的點(diǎn)位集中在耕作勞動(dòng)相對頻繁的區(qū)域，Hg污染較重的點(diǎn)位集中在生產(chǎn)生活相對頻繁的區(qū)域，結(jié)合變異系數(shù)分析，這同樣反映了土壤重金屬含量受到人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響。

表4 土壤單項(xiàng)污染指數(shù)

表5 土壤污染分擔(dān)率

3.3綜合污染指數(shù)

從綜合污染指數(shù)平均值來看，污染嚴(yán)重程度依次為企業(yè)周邊gt;園地gt;居民區(qū)周邊gt;養(yǎng)殖場周邊gt;農(nóng)田gt;垃圾場周邊gt;水源地周邊，如表6所示。綜合污染指數(shù)最大值出現(xiàn)在園地，最小值出現(xiàn)在水源地周邊；清潔點(diǎn)位比例最大的是水源地周邊(占85.2%)，最小的是企業(yè)周邊(占60%)，如圖1所示，該結(jié)論與單項(xiàng)污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果相近。140個(gè)土壤點(diǎn)位中有75.7%為安全等級，13.6%處于警戒限級別，4.29%受到輕度污染，6.43%受到中度污染，土壤狀況總體良好，處于清潔安全狀態(tài)。

表6 土壤綜合污染指數(shù)

圖1 綜合污染指數(shù)評價(jià)分級點(diǎn)位比例Fig.1 The proportion of classification by comprehensive pollution index

3.4潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)

表7為土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。總體來看，Cd及Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)分別為40.8和45.4，屬于中污染程度，其余元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40，為低污染程度；土壤風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總體平均值為97.5，小于150，屬于低污染程度。其中，企業(yè)周邊(57.1)、居民區(qū)周邊(43.3)、養(yǎng)殖場周邊(40.7)的Cd具有中污染等級的潛在生態(tài)危害；企業(yè)周邊(136.6)的Hg具有較重污染等級的潛在生態(tài)危害，居民區(qū)周邊(43.7)、水源地周邊(43.7)、園地(41.2)和農(nóng)田(40.7)的Hg具有中污染等級的潛在生態(tài)危害。企業(yè)周邊的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到205.6，屬于中等污染程度，其他類型土壤則屬于低污染程度。

4 結(jié)論及分析

(1)三峽庫區(qū)重慶段土壤中重金屬含量均值依次為Crgt;Pbgt;Asgt;Cdgt;Hg，這與土壤成土母質(zhì)中各重金屬元素含量的繼承有關(guān)。但除Cr外，其他元素的平均含量均超過三峽庫區(qū)土壤重金屬元素推薦背景值，變異系數(shù)依次為Hggt;Cdgt;Asgt;Pbgt;Cr，Hg和Cd分布最不均勻，受到人類活動(dòng)的干擾作用較其他金屬元素更為強(qiáng)烈。Hg的最大值出現(xiàn)在企業(yè)周邊，可能與企業(yè)的排污相關(guān)；Cd的最大值出現(xiàn)在農(nóng)田，可能與化肥、農(nóng)用塑料薄膜的使用等耕作方式相關(guān)。因此，可以推斷人類生產(chǎn)生活對土壤重金屬含量有一定影響[11]，特別是Hg和Cd。

表7 土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

(2)單項(xiàng)污染指數(shù)顯示，土壤受到Cd和Hg的污染程度較重，土壤污染分擔(dān)率依次為Cdgt;Hggt;Crgt;Asgt;Pb，企業(yè)周邊土壤污染最嚴(yán)重，水源地周邊土壤較其他更清潔，Cd污染較重的點(diǎn)位集中在耕作勞動(dòng)相對頻繁的區(qū)域，Hg污染較重的點(diǎn)位集中在生產(chǎn)生活相對頻繁的區(qū)域。對超標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：秀山縣、武隆縣的采樣點(diǎn)位附近有采礦企業(yè)，其中Hg為伴生礦，除塵設(shè)施老舊，廢渣堆放場防滲漏系統(tǒng)不完善，可能導(dǎo)致Hg污染；巫山縣、奉節(jié)縣等地農(nóng)民耕作方式粗放，過度施用化肥，生活垃圾四處堆放，燃煤灰質(zhì)直接傾倒田間，則可能導(dǎo)致Cd污染。綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果中，清潔點(diǎn)位比例最小的是企業(yè)周邊，最大的是水源地周邊，同樣反映了農(nóng)村土壤重金屬污染主要與庫區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)工礦企業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)生大量工業(yè)污染物，以及相應(yīng)農(nóng)藥化肥的施用等人類活動(dòng)密切相關(guān)[12]。

(3)潛在生態(tài)危害系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的評價(jià)結(jié)果總體均處于低污染水平，三峽庫區(qū)重慶段土壤環(huán)境尚處于清潔安全水平，只有部分土壤受到了Cd和Hg不同程度的污染。潛在生態(tài)危害系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)同樣都顯示出企業(yè)周邊所受Cd和Hg的污染最為嚴(yán)重，結(jié)論與綜合污染指數(shù)的評價(jià)結(jié)果相同。

(4)三峽庫區(qū)重慶段土壤污染源多種多樣，超標(biāo)污染物差異較大，按土壤類型分別進(jìn)行變異系數(shù)和土壤達(dá)標(biāo)率分析，及運(yùn)用單項(xiàng)污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)等多種方法對其評價(jià)，才能深入了解土壤重金屬的污染狀況，并推斷其污染來源，從而擬定出合理的治理對策。評價(jià)結(jié)果結(jié)合背景調(diào)查發(fā)現(xiàn)，企業(yè)周邊污染物超標(biāo)較為嚴(yán)重，從側(cè)面反映了在農(nóng)村分布較散、為數(shù)不多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小型企業(yè)存在著排污問題；局部農(nóng)田、園地污染物超標(biāo)則可能是由于傳統(tǒng)耕作方式帶來的面源污染；居民區(qū)等地污染物超標(biāo)則可能源自散煤燃燒、垃圾堆放等。因此，加強(qiáng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)排污管理、積極推廣高效環(huán)保的化肥農(nóng)藥以及科學(xué)的田間管理方法、倡導(dǎo)綠色環(huán)保的生活方式才能更加有效地減少污染物富集，以保護(hù)人們的身體健康，保護(hù)農(nóng)村土壤生態(tài)環(huán)境。

綜上所述，三峽庫區(qū)重慶段土壤環(huán)境保護(hù)應(yīng)針對不同的重金屬污染物分布特征和污染源類型，采取相應(yīng)的治理方式，合理規(guī)劃、綜合整治。

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InvestigationandAssessmentofHeavyMetalPollutionofSoilinChongqingSectionoftheThreeGorgesReservoir

PI Ning-ning1, QU Wei2

(1.Ecological and Environmental Monitoring Center of Chongqing, Chongqing 401147, China; 2.Chongqing Key Laboratory of Organic Pollutants in Environmental Chemical Behavior and Ecological Toxicology, Chongqing 401147, China)

To figure out the state of heavy metal pollution of rural soils in Chongqing section of the Three Gorges Reservoir, through the single pollution index, the comprehensive pollution index and the potential ecological risk index, this paper analyzed the contents of heavy metals in different types of soils, which were sampled from farmland, orchards, and the surrounding areas of factories. The results showed that the average concentrations of Hg, Cd, As and Pb of the rural soils were higher than the background level; only some parts of soils were polluted by Cd and Hg in varying degrees assessed by single pollution index and comprehensive pollution index, mostly around factories, while the heavy metal pollution was closely related to human activities; and most of the rural soils were still clean and safe, with the potential ecological risk index of heavy metals less than 40, and the risk index of the whole rural soil was 97.5.

Chongqing section of the Three Gorges Reservoir; soil; heavy metals; pollution index; potential ecological risk index

2017-04-21

皮寧寧(1985—)，女，工程師，碩士，主要從事環(huán)境保護(hù)工作及研究，E-mail：120304707@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.015

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2095-6444(2017)06-0060-05