碧流河下游農田土壤重金屬污染狀況分析與評價

曹露, 張華, 李明月, 蘇子曉, 劉玉國, 何紅

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碧流河下游農田土壤重金屬污染狀況分析與評價

曹露, 張華*, 李明月, 蘇子曉, 劉玉國, 何紅

遼寧師范大學城市與環境學院, 大連 116029

為給碧流河下游農田土壤的可持續利用提供參考依據, 基于實驗測試數據, 采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法及潛在生態危害指數法, 對碧流河下游水貂養殖區的農田土壤重金屬污染狀況進行分析評價。結果表明: 碧流河下游農田土壤重金屬元素Cr、Ni、Zn、Cu、As和Pd含量的平均值均超出遼寧省土壤背景值; 6種重金屬元素的單因子污染指數依次為Ni>Zn>Cu>Cr>As>Pd; 農田土壤重金屬內梅羅綜合污染指數為3.99, 農田土壤整體處于重污染水平; 6種重金屬元素的潛在生態危害指數依次為Ni>As>Cu>Pd>Zn>Cr, 潛在生態危害綜合指數為49.4—196.6, 平均值為132.6, 農田土壤整體表現為輕微生態危害。農田土壤中Ni、Cr和Cu的累積可能主要來源于碧流河流域的工、農業排放物和水貂養殖業貂籠清除物, Pd的累積可能主要來源于沿岸居民傾倒和焚燒的生活垃圾, 以及不合理的農業經營活動。

重金屬; 污染評價; 農田土壤; 碧流河下游

1 前言

目前我國受中重度污染的農田在33350 km2左右[1], 農業部全國土壤環境質量調查顯示, 由重金屬污染超標導致的土壤污染達80%[2]。農田土壤的健康狀態與糧食的產量和質量息息相關, 對于區域或國家的糧食安全具有至關重要的作用。土壤重金屬污染是危害農田土壤健康的途徑之一, 重金屬元素具有獨特的環境毒理學效應, 進入農田土壤之后無法被微生物降解, 逐漸在土壤環境和生物體內蓄積, 不僅影響農作物的質量, 還會通過食物鏈對人體的健康造成潛在危害[3–8]。因此, 土壤重金屬污染倍受關注, 已成為國內外學者研究的熱點問題[9–14], 例如Brus等[15]對荷蘭土壤中重金屬Cd的污染狀況進行了探討分析; Bhuiyan等[16]研究了孟加拉北部煤礦周圍農田土壤中的重金屬污染狀況; Yenilmez等[17]對土耳其廢棄煤礦區的重金屬的污染及空間分布進行了研究; 宋金茜等[18]對南京市八卦洲農業土壤的As、Cd、Cr、Hg、Pb等5種重金屬元素的含量及其污染狀況進行了分析評價; 蔣逸駿等[19]對湖南北部硫鐵礦附近稻田系統中Mn、Cu、Zn、Co、Ni、Cr、Cd和Pb的含量進行了測試分析, 并對其潛在風險進行了評估。縱觀國內外已有的相關文獻, 有關大連市母親河——碧流河流域農田土壤重金屬污染評價方面的研究鮮有報道。為此, 本研究以碧流河下游水貂養殖區的農田土壤為研究對象, 基于野外調查和室內測試的實驗數據, 采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法及潛在生態危害指數法, 對碧流河下游農田重金屬污染狀況進行分析評價, 旨在為碧流河下游農田土壤的可持續利用和農田生態系統健康的維護提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

碧流河發源于遼寧省蓋州市萬福鎮廟溝新開嶺, 于大連普蘭店市城子坦鎮流入黃海, 干流長156 km, 流域面積2814 km2, 平均徑流量8.6×108m3, 為大連市重要水源地。研究區位于碧流河下游(圖1), 行政區劃隸屬于遼寧省大連市所轄的普蘭店市城子坦鎮碧流河村, 屬暖溫帶濕潤氣候區, 氣候溫和, 四季分明, 年平均氣溫為9.7 ℃, 年平均降水量635—920.8 mm, 年無霜期為174—188 d, 地帶性土壤為棕壤。自1968年開始, 碧流河村開啟水貂養殖的歷史, 鼎盛時期幾乎各村屯都有規模不等的養貂場, 有“東北第一養貂村”的美譽。目前全村以貂狐養殖和海上捕撈為主導產業。長期以來, 水貂養殖業在創造顯著經濟效益的同時, 也因監管不力而成為當地環境的重要污染源。水貂養殖過程中使用的抗生素和激素等藥物約有30%—90%會以原形和活性代謝產物的形式排泄到體外, 未經任何處理即隨貂籠清除物(含糞便、殘余飼料等混合物)堆積在村屯路邊, 或直接排放于路邊水溝內、農田中或碧流河, 對河流、村落環境及周邊農田土壤造成不同程度的污染。

2.2 土樣采集和測試

于2016年9—10月, 視碧流河村水貂養殖分布情況, 在碧流河下游西岸的金家哨、大房子、大花山、小花山、宮屯、柳屯、姜屯、謝屯等8個村屯的農田中選取25個土壤采樣點(圖1), 采用易測寶T2 GPS確定其經、緯度和海拔高度, 并記錄其種植作物種類及生產經營情況(表1)。在每個采樣點采集0—20 cm表土層土樣1份(為5個點的混合樣品), 同時在研究區采集貂籠清除物樣品1份(糞便、殘余飼料的混合物)。將采集的土樣帶回實驗室制備, 分別進行土壤重金屬元素含量、土壤pH和有機質的測試, 其中土壤重金屬元素采用日本Rigaku ZSX PrimusⅡ型全自動掃描型Ｘ射線熒光光譜儀測試(SQX分析軟件進行數據分析), pH采用酸度計測試(提取液為水), 有機質采用灼燒法測試。

圖1 研究區地理位置示意圖

2.3 農田土壤重金屬污染評價方法

(1)單因子污染指數法(可以反映出單個因子對特定研究區域的污染情況)

(2)內梅羅綜合污染指數法(可以全面反映出各污染物對土壤影響, 同時突出較高濃度的污染物對土壤環境質量的影響)

表1 土樣采集點基本信息

(3)潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法由瑞典學者Hakanson[21]提出。該評價方法綜合探究了重金屬的毒性和土壤環境中的響應, 能綜合反映出重金屬對土壤生態環境的潛在危害。

(4)文中實驗測試數據、單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數及潛在生態危害指數采用Excel進行計算和分析; 土壤重金屬含量與土壤pH、有機質相關性分析, 以及土壤重金屬含量之間相關性分析和主成分分析采用spss19.0軟件完成。

3 結果與討論

3.1 農田土壤重金屬含量

研究區農田土壤重金屬含量測試結果見表3(本次試驗未檢出重金屬元素Hg和Cd), 研究區農田土壤中重金屬Cr、Cu、Zn、As、Ni和Pb有不同程度的累積和污染現象, 其中Zn和Ni累積較多。采集的25個土樣中Cr、Cu、Zn、As、Ni和Pb含量的變異系數分別為0.62、0.73、0.49、1.37、0.11和1.57, 參考文獻[27], 即變異系數<0.15為輕度變異, 0.15<變異系數<0.36為中度變異, 變異系數>0.36為高度變異, 則碧流河下游農田土壤中Ni為輕度變異, 其余5種重金屬元素均屬于高度變異, 表明研究區農田土壤中Ni含量的空間分布相對均勻且含量高, 而其余5種重金屬元素含量的空間差異性較大。研究區農田土壤中Cr、Cu、Zn、As、Ni、Pb受外界影響較大, 參考文獻[21], 初步推斷這種外界影響主要來源于工農業生產活動。25個土樣中Cr、Cu、Zn、As、Ni和Pb含量的遼寧省土壤背景值超標率分別為76%、68%、100%、36%、100%和32%, Cr、Cu、Zn、As、Ni和Pb含量的國家土壤環境質量標準(二級)臨界值超標率分別為76%、68%、100%、36%、100%和4%, 整體看, 研究區農田土壤中Zn和Ni含量普遍超標。

碧流河村農田一般采用碧流河水灌溉, 而河水往往會受到貂籠清除物的污染。本次采集的貂籠清除物中未檢出Ni和Pb, 而Cr、Cu、Zn、As的含量分別為960、83、1 828和60 mg·kg–1, 分別是遼寧省土壤背景值的16.58、4.19、28.78和6.82倍, 是國家土壤環境質量標準(二級)臨界值的6、1.66、9.14和1.50倍。可以看出, 貂籠清除物中Cr、Zn的含量明顯高于農田土壤, 無疑水貂養殖業是造成研究區農田土壤重金屬污染的污染源之一。

另外, 相關分析結果表明, 碧流河下游農田土壤中Cr含量與土壤pH間呈明顯負相關(=–0.449,= 0.024＜0.05,=25), 而土壤pH又與有機質間呈顯著正相關(=0.520,=0.008＜0.01,=25)。由此表明, 碧流河下游農田土壤中Cr含量與土壤的酸堿性有關, 土壤酸性越強, Cr含量則越高, 而土壤有機質含量的提高有助于降低土壤的酸性, 從而抑制Cr的富集。

3.2 農田土壤重金屬污染評價

碧流河下游農田土壤6種重金屬含量的單因子污染指數計算結果如表4所示。按單因子污染指數大小排序, 6種重金屬依次為Ni>Zn>Cu>Cr>As>Pd, 除As和Pd的單因子污染指數平均值都小于1為非污染外, Cr、Cu、Zn和Ni的單因子污染指數的平均值均大于1, 其中Cr為輕污染, Cu和Zn為中污染, Ni為重污染且采集的25個土樣中Ni均為重污染。

表2 Hakanson 潛在生態危害分級

表3 農田土壤重金屬元素含量、pH值和有機質含量

表4 土壤重金屬含量的單因子污染指數

碧流河下游農田土壤重金屬的內梅羅綜合污染指數統計結果(表5)表明, 本次采集的25個土樣中僅有1個為中污染, 占4%, 其余24個土樣都屬于重污染, 占96%。25個土樣的內梅羅綜合污染指數的平均值為3.99, 屬于重污染。整體看, 碧流河下游農田土壤重金屬污染總體狀況比較嚴重。

表6為碧流河下游農田土壤重金屬的單項潛在生態危害指數及綜合潛在生態危害指數計算結果。從單項潛在生態危害指數看, 6種重金屬的平均潛在危害指數由大到小依次為Ni>As>Cu>Pd>Zn>Cr。其中Cr、Cu和Zn的單項潛在危害指數均小于40, 25個土樣都處于Cr、Cu和Zn的輕微潛在危害; Pd的單項潛在危害指數平均值為13.9, 21個土樣處于輕微潛在危害, 4個土樣處于中等潛在危害; As的單項潛在危害指數平均值為28.3, 25個土樣處于輕微、中等、較強潛在危害的比例分別為64%、24%和12%; Ni的單項潛在危害指數平均值為60.2, 25個土樣均處于中等潛在危害。從變異系數看, As和Pd的變異系數均很大, 分別為1.4和1.6, Ni的變異系數最小, 為0.1。

表5 土壤重金屬的內梅羅綜合污染指數

研究區農田土壤中重金屬的潛在生態危害綜合指數為49.4—196.6, 平均值為132.6, 整體表現為輕微生態潛在危害。25個土樣中有16個土樣為輕微潛在生態危害, 9個土樣為中等潛在生態危害, 分別占土樣總數的64%和36%。

表6 土壤重金屬單項潛在生態危害指數及綜合潛在生態危害指數

綜合3種評價方法得出, 研究區農田土壤中Ni的污染程度和潛在毒性相對都比較高; Cr和Zn雖然污染程度較低但其毒性帶來的潛在危害比較嚴重; As的污染程度較高但其潛在毒性相對較低; Cu和Pd的污染程度高于潛在毒害程度。可見, 多種評價方法相結合, 方能深入、全面地了解研究區農田土壤的重金屬污染和危害狀況。

3.3 農田土壤重金屬主成分分析

相關分析結果表明(表7), 碧流河下游農田土壤中Cr含量與Cu含量間呈明顯正相關(= 0.419,=0.037＜0.05,=25), Cr含量與Ni含量間呈顯著正相關(= 0.622,=0.001＜0.01,=25), As含量與Pb含量間呈明顯負相關(= -0.485,=0.014＜0.05,=25), 表明農田土壤中Cr與Ni、Cr與Cu的富集可能具有相同來源[28], 而As與Pb的富集可能不同源或彼此具有拮抗性。

表7 土壤重金屬的相關性

注: *表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關, **表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關。

碧流河下游農田土壤重金屬的主成分分析(表8)表明, 主成分1和主成分2的特征值大于1, 這兩個成分的方差累計貢獻率達到62.78%, 表明前兩個主成分可以較好的表示出原數據所代表的信息。主成分1的方差貢獻率為40.414%, Ni、Cr和Cu在主成分1上的正載荷系數較大, 且Cr與Cu、Cr與Ni含量具有相關性, 因此Ni、Cr和Cu可能來源相似。主成分2的方差貢獻率為22.365%, Pd在主成分2上的正載荷系數較大。根據前面的描述性統計結果(表3), Ni、Cr和Cu的含量與遼寧省土壤背景值相差很大, 超標率均在65%以上, Ni的超標率甚至達到100%。雖然, Pd的超標點位不多, 但超標點位Pd的含量均遠高于背景值。因此, 推斷主成分1和主成分2的元素含量可能主要受人類活動的影響。通常Cr、Ni的污染主要來源于工業排放的廢渣、廢水、廢氣[29–30]。碧流河下游農田主要依賴于下游河水灌溉, 而碧流河上游臥龍泉鎮至萬福鎮之間分布著4個金礦, 金屬加工環節會產生Cu污染, 累積產生的幾千萬噸廢渣也會對下游環境及河流水質造成污染。同時地處碧流河下游的碧流河村大規模養殖水貂, 排放的貂籠清除物中Cr與Cu的含量均遠超過遼寧省土壤背景值的含量, 且相關分析結果顯示Cr與Cu可能同源, 由此, 研究區水貂養殖業也可能是污染物來源之一。因此, 推測主成分1可能主要來源于碧流河流域的工、農業排放物和水貂養殖業貂籠清除物。Pd的含量與人類活動關系密切, 且研究區農田土壤中Pd的含量高于平均值。已有研究[31]表明, 垃圾的堆積和焚燒、交通活動、不合理的農業活動都可能會產生Pd污染。碧流河中游的萬福鎮和下游的碧流河村都沒有完善的垃圾處理體系, 沿岸居民將生活垃圾、廢棄農藥瓶等直接傾倒在河流中或在河床內堆積焚燒, 嚴重污染了碧流河水及周邊環境, 同時也造成了河水灌溉后農田土壤中Pd的富集。因此, 推測主成分2可能主要來源于沿岸居民傾倒和焚燒的生活垃圾, 以及不合理的農業經營活動。

表8 土壤重金屬主成分分析結果

4 結論

通過對碧流河下游農田土壤重金屬污染的測試、分析與評價, 得出如下主要結論:

(1) 從農田土壤重金屬含量看, Cr、Cu、Zn、As、Ni和Pb元素含量的平均值均超過遼寧省土壤背景值, 分別是背景值的2.67、3.82、5.78、2.83、12.04、2.77倍, 說明研究區存在土壤重金屬累積的現象, 且污染程度Ni>Zn>Cu>Cr>As>Pd。研究區水貂養殖業排放的貂籠清除物中Cr、Cu、Zn、As元素的含量分別是遼寧省土壤背景值的16.58、4.19、28.78、6.82倍, 表明水貂養殖業對碧流河下游農田土壤重金屬的累積有一定的貢獻。

(2) 6種重金屬元素對農田土壤的污染程度由高到低依次為Ni>Zn>Cu>Cr>As>Pd, 其中Cr為輕污染, Cu和Zn為中污染, Ni為重污染。6種重金屬元素對農田土壤的潛在危害程度依次為Ni>As>Cu> Pd>Zn>Cr。研究區農田土壤重金屬整體處于重污染水平, 但其潛在生態危害較輕。

(3) 研究區農田土壤中污染程度較高的Cr與污染及潛在危害程度都較高的Ni、污染程度高于潛在毒害程度的Cu的累積可能同源, As與Pd的累積來源不同或彼此拮抗。研究區農田土壤主成分1與Ni、Cr和Cu的載荷系數較大, 主成分2與Pd的載荷系數較大。依據已有相關研究結果及碧流河流域工業、農業、水貂養殖業布局情況, 以及碧流河沿岸居民生活垃圾處理現狀, 推測主成分1可能主要來源于碧流河流域的工、農業排放物和水貂養殖業貂籠清除物; 主成分2可能主要來源于沿岸居民傾倒和焚燒的生活垃圾, 以及不合理的農業經營活動。另外, 研究區農田土壤中Cr的累積可能還與土壤的酸堿性有關, 施入有機肥適當提高農田土壤有機質含量有助于降低土壤的酸性, 從而抑制Cr的富集。

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CAO Lu, ZHANG Hua, LI Mingyue, et al. Analysis and evaluation of heavy metal pollution in farmland soils in the lower reaches of Biliuhe River[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 8-15.

Analysis and evaluation of heavy metal pollution in farmland soils in the lower reaches of Biliuhe River

CAO Lu, ZHANG Hua, LI Mingyue, SU Zi-xiao, LIU Yuguo, HE Hong

College of Urban and Environmental Sciences, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China

To provide reference data for the sustainable utilization of farmland soil in the lower reaches of Biliuhe River, the single factor pollution index method,Nemero comprehensive pollution index method and potential ecological hazard index method were used based on experimental data to analyze and evaluate the heavy metal pollution status of farmland soil of mink farming areas in the lower reaches of Biliuhe River.Results showed that the average contents of heavy metal elements Cr, Ni, Zn, Cu, As and Pd in farmland soil of the lower reaches of Biliuhe River exceeded the soil background values of Liaoning Province.The single factor pollution indexes of 6 heavy mental elements were ranked as follows:Ni>Zn>Cu>Cr>As>Pd. The Nemero comprehensive pollution index of heavy metals in farmland soil was 3.99.Therefore, farmland soil was heavily polluted on the whole. The potential ecological hazard indexes of 6 heavy metal elements were ranked as follows: Ni>As>Cu>Pd>Zn>Cr.The comprehensive index of potential ecological hazard varied from 49.4 to 196.6, with an average value of 132.6. Therefore, the overall ecological situation of farmland soil was slightly polluted. The accumulation of Ni, Cr and Cu in farmland soil might be mainly from industrial and agricultural emissions in the basin of Biliuhe River and cleanings of mink cages in the mink farming industry. The accumulation of Pd might be mainly from household garbage dumped and incinerated by residents along the bank of Biliuhe River and unreasonable agricultural business activities.

heavy metals; pollution evaluation; farmland soil; Biliuhe River downstream

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.002

X825

A

1008-8873(2017)06-008-08

2017-08-03;

2017-10-18

國家自然科學基金項目(41271064)

曹露(1993—), 女, 黑龍江伊春人, 碩士研究生, 主要從事土壤地理學研究, E-mail: 1565527689@qq.com

張華, 女, 山東東明人, 博士, 教授, 主要從事植物地理和恢復生態研究, E-mail: zhanghua0323@sina.com