基于重金屬污染的太原市小店污灌區(qū)土壤綜合肥力質(zhì)量評價

韓文輝，趙 穎，劉 娟

(山西省環(huán)境科學研究院，山西 太原 030027)

土壤質(zhì)量的核心之一是土壤生產(chǎn)力，基礎(chǔ)是土壤肥力質(zhì)量[1]。土壤肥力質(zhì)量高低直接影響作物的正常生長。在農(nóng)業(yè)用水形勢緊張的北方地區(qū)，城鎮(zhèn)近郊農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源為污水[2]。大范圍進行污灌必然導(dǎo)致一系列的土壤污染[3]：土壤中鹽分高濃度累積，引起土壤次生鹽漬化；有毒重金屬[4]被帶入土壤中，產(chǎn)生深度的土壤污染[5]，在土壤中具有隱蔽性、長期性和不可逆性，且不易降解，土壤難以恢復(fù)[6]，尤其新老污染物質(zhì)并存[7]，使得土壤肥力進一步受到嚴重影響。因此，對污灌區(qū)土壤進行肥力評價就具有一定的必要性。綜合評價土壤肥力能夠揭示土壤內(nèi)在屬性[8]，獲取研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量現(xiàn)狀及其空間地域分布特征，指導(dǎo)當?shù)刈魑锊季趾娃r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，為研究區(qū)土壤肥力提升和土壤環(huán)境調(diào)控提供支持[9]，對進一步合理施肥與培肥地力具有重大的現(xiàn)實意義。

太原污灌區(qū)是我國污灌歷史較長、面積較大的典型污灌區(qū)之一，長期污灌已使土壤的性質(zhì)發(fā)生了較大的變化[10]。污灌區(qū)在太原市的分布主要集中在晉源區(qū)、小店區(qū)和清徐縣[11]，其中以小店區(qū)最具有代表性。本研究以太原小店污灌區(qū)為研究區(qū)域，選取土壤養(yǎng)分及物理指標作為評價指標，依照土壤重金屬綜合污染指數(shù)法將35個樣本點按污染程度進行分類，然后根據(jù)模糊數(shù)學和多元統(tǒng)計分析原理分別計算各肥力指標的隸屬度和權(quán)重系數(shù)，再利用加乘法原則得出綜合肥力指標(IFI)值，最終對研究區(qū)域土壤肥力質(zhì)量進行分區(qū)評價。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市小店污灌區(qū)地處太原盆地中部、汾河?xùn)|岸、瀟河以北，主體為兩河的沖積平原區(qū)，東北角跨入太原東山，地理位置112°24′～112°43′E、37°36'～37°49′N，轄區(qū)面積295 km2，人口51萬人。污灌區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫9.6 ℃，年均降水量495 mm左右[12]，有30多年的引污灌溉歷史。目前污灌區(qū)有耕地1.37萬hm2，是太原市重要的副食品生產(chǎn)基地，種植的主要作物是小麥、玉米和蔬菜。小店區(qū)污水經(jīng)由境內(nèi)的3條主干渠，通過網(wǎng)羅密布的支渠、斗渠、毛渠輸送到各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田。3條主干渠分別是東干渠(南北走向)、北張退水渠(南北走向)、太榆退水渠(東西走向)，渠內(nèi)污水主要來自太原市區(qū)的生活污水，還有部分經(jīng)處理的工業(yè)廢水[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與制備

2015年4月在灌區(qū)的3條污灌渠附近采集供試土樣，采樣點位按污水渠流向采用網(wǎng)格布點法布設(shè)，同時考慮污水水質(zhì)、土壤類型、污灌歷史等因素，分別于小店區(qū)北部、中部及西南部布設(shè)7、12、16個采樣點，其中：北部采樣點編號為11、17、27、28、33、34、35，西南部采樣點編號為2、3、4、6、7、12、14、15、16、19、20、21、22、23、25、26，中部采樣點編號為1、5、8、9、10、13、18、24、29、30、31、32(采樣點位置見圖1)。對每個樣點進行GPS定位，取其0～10 cm表層土壤，并將所取樣品于通風避光的室內(nèi)自然風干，再去粗研磨、去除雜物，分別過2和0.2 mm孔徑尼龍篩，裝袋備用。對采集的土樣進行肥力指標含量測定，以評估研究區(qū)的土壤肥力水平。

1.2.2 測定項目與方法

測定項目：重金屬砷、汞、鎘、鉛、鉻、銅、鋅含量，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，電導(dǎo)率，陽離子交換量，pH值。

測定方法：土壤重金屬含量參照文獻[14-15]中的方法測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用半微量開氏法測定，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬藍比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定，堿解氮、有效磷、速效鉀分別采用改進的凱氏定氮儀蒸餾法[16]、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法[17]和醋酸銨浸提-火焰光度法測定；陽離子交換量采用乙酸鈉浸提-火焰光度法測定，電導(dǎo)率采用電極法測定[18]，pH值采用1∶2.5土水比的懸濁液法測定[19]。

圖1 太原市小店污灌區(qū)采樣點位置

1.2.3 土壤重金屬綜合污染指數(shù)法

以國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(修訂)》(GB 15618—2008)(征求意見稿)中二級限量值作為污染評價參考值(表1)，采用單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)，對7種土壤重金屬污染進行評估。

表1 國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準二級限量值

單因子污染指數(shù)計算公式為

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為土壤重金屬i的單項污染指數(shù)；Ci為土壤重金屬i的實測值；Si為重金屬i的評價標準值。

綜合污染指數(shù)計算公式為

(2)

式中：Pimean和Pimax分別為單因子平均污染指數(shù)和單因子最大污染指數(shù)。

污染評價等級劃分見表2。

表2 污染評價分級標準

1.2.4 土壤肥力質(zhì)量綜合評價

首先選取評價指標。評價指標體系的選擇和建立，是土壤肥力質(zhì)量評價的重要內(nèi)容，也是保證整個肥力質(zhì)量評價的基礎(chǔ)。評價指標選取參照主成分分析結(jié)果進行，應(yīng)用SPSS統(tǒng)計軟件對土壤肥力質(zhì)量評價10項主要指標(有機質(zhì)、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、電導(dǎo)率、陽離子交換量、pH值)進行主成分分析，分別選取第一和第二主成分包含的土壤肥力因子——有效磷、速效鉀、堿解氮、陽離子交換量、有機質(zhì)和pH值作為評價指標。

然后確定隸屬度函數(shù)。利用隸屬度函數(shù)可以對土壤肥力質(zhì)量評價指標進行標準化處理。隸屬度函數(shù)實質(zhì)是評價肥力質(zhì)量指標與作物生長效應(yīng)曲線之間關(guān)系的數(shù)學表達式，它可以將肥力質(zhì)量評價指標標準化，繼而將隸屬度轉(zhuǎn)變成范圍為0～1的無量綱值。根據(jù)前人研究經(jīng)驗，結(jié)合所研究區(qū)域的實際情況，確定以戒上型隸屬度函數(shù)作為表示土壤有效磷、速效鉀、堿解氮、陽離子交換量和有機質(zhì)的隸屬度函數(shù)。其表達式為

(3)

代入上述隸屬度函數(shù)來確定隸屬度值，須先確定各評價指標的轉(zhuǎn)折點x1、x2的取值。結(jié)合已有相關(guān)文獻和研究區(qū)域耕作實際情況，養(yǎng)分指標轉(zhuǎn)折點的取值參照北京市耕地土壤養(yǎng)分分等定級標準，x1的值取標準中低水平的0.5倍，x2的值取高水平的下限值，則各指標隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點x1、x2的值見表3。

表3 土壤肥力各項指標隸屬度曲線轉(zhuǎn)折點取值

此外，在pH值為6.5～7.5的土壤中農(nóng)作物生長最為適宜，過堿或過酸都會抑制農(nóng)作物生長。pH值隸屬度值的確定采用經(jīng)驗法[9](見表4)。

表4 土壤pH值隸屬度取值

小店污灌區(qū)各區(qū)的土壤肥力質(zhì)量評價指標實測平均值見表5。由各分區(qū)的評價指標實測平均值，根據(jù)式(3)和表4，可得出各評價指標的隸屬度值(見表6)。隸屬度值反映了評價指標隸屬的程度，其值在0.1～1.0之間，其中：1.0為最大值，表示土壤肥力性能最好，完全適宜作物生長；0.1為最小值，表示土壤肥力性能最差，養(yǎng)分指標嚴重缺乏。

表5 土壤肥力質(zhì)量指標實測平均值

表6 土壤肥力質(zhì)量指標隸屬度值

由表6可以看出，北部及中部地區(qū)各指標隸屬度值中：陽離子交換量均為最低，有效磷次之，表明土壤的有效磷和陽離子交換量是北部及中部地區(qū)土壤肥力質(zhì)量主要的限制因子；有機質(zhì)的隸屬度值均為最高，pH值次之，說明這兩個地區(qū)土壤的有機質(zhì)和pH值不是限制因子。而在西南部地區(qū)各指標隸屬度值中：陽離子交換量為最低，pH值次之，表明西南部地區(qū)陽離子交換量及pH值為土壤肥力質(zhì)量主要的限制因子；有機質(zhì)和速效鉀的隸屬度值最高，說明該區(qū)域土壤的有機質(zhì)和速效鉀不是限制因子。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0進行土壤肥力特性的描述性統(tǒng)計分析，計算其平均值及標準差；采用土壤重金屬綜合污染指數(shù)法，計算污染指數(shù)及污染等級；采用主成分分析法對土壤各參評因子進行主成分分析，計算各分區(qū)肥力指標公因子方差；用Excel進行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬綜合污染指數(shù)

土壤是一個復(fù)雜的綜合體，使用綜合污染指數(shù)值更具有科學性和合理性，根據(jù)式(1)(2)可計算得到污灌區(qū)各采樣點的重金屬綜合污染指數(shù)，見表7。

由表7可以看出，污灌區(qū)根據(jù)污染指數(shù)高低可以分為三類：土壤污染程度較低的北部地區(qū)，重金屬綜合污染指數(shù)范圍為0.39～0.47，以安全等級為主；重金屬綜合污染程度中等的西南部地區(qū)，污染指數(shù)范圍為0.40～0.88，以警戒和安全等級為主；污染程度較高的中部地區(qū)，重金屬綜合污染指數(shù)范圍為0.47～1.17，呈現(xiàn)輕度污染趨勢。

表7 污灌區(qū)各采樣點重金屬綜合污染指數(shù)

2.2 土壤肥力質(zhì)量綜合評價

土壤肥力質(zhì)量評價中權(quán)重系數(shù)的確定是非常重要的一個環(huán)節(jié)，權(quán)重系數(shù)代表不同指標對土壤肥力的影響程度，所以應(yīng)對不同指標賦予不同的權(quán)重系數(shù)[20]。權(quán)重系數(shù)的確定方法很多，常用的有相關(guān)系數(shù)法、經(jīng)驗法、主成分分析法、因子分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等。本研究采用主成分分析法來確定各評價指標的權(quán)重系數(shù)。

以特征值>1且累積貢獻率>80%為選取主因子的條件，經(jīng)過統(tǒng)計分析可得出符合條件的主因子，再通過計算各評價因子主成分的特征值和貢獻率，求出各項評價指標的公因子方差，其大小表示該指標對土壤肥力質(zhì)量總體變異的貢獻，由此可得到各項肥力指標的權(quán)重系數(shù)(見表8)。

表8 分區(qū)肥力指標公因子方差及權(quán)重

本次所選取的土壤肥力質(zhì)量評價指標的權(quán)重系數(shù)中，有效磷、陽離子交換量、堿解氮和有機質(zhì)在三區(qū)域的土壤肥力質(zhì)量評價中占的比例較大，這說明有效磷、陽離子交換量、堿解氮和有機質(zhì)在土壤肥力質(zhì)量評價中影響較大，而其他2項指標影響相對較小。

2.3 土壤肥力質(zhì)量綜合評價指標值

各指標綜合評價值是土壤肥力質(zhì)量等級的反映，同時也是該區(qū)域土壤質(zhì)量狀況的體現(xiàn)。將上述求得的各評價指標的隸屬度值及其權(quán)重系數(shù)代入公式(4)，可進一步計算出各土壤樣品的IFI值。數(shù)學表達式為

IFI=∑Qi·Xi

(4)

式中：Qi為第i種評價指標的隸屬度值；Xi為第i種評價指標的權(quán)重系數(shù)。

參考華北平原土壤肥力質(zhì)量實際情況，以IFI值作為依據(jù)，將研究區(qū)土壤肥力劃分為5個等級[21]，結(jié)果見表9。

表9 土壤肥力質(zhì)量綜合指標值等級

經(jīng)過分析計算，該研究區(qū)各區(qū)IFI值結(jié)果見表10。

表10 分區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合評價指標值

由表10可以看出：三區(qū)域的IFI值均大于0.5，屬于一級肥力水平，IFI值為西南部>中部>北部。

3 討 論

以太原市小店污灌區(qū)為研究區(qū)域，根據(jù)土壤重金屬污染綜合指數(shù)法，按數(shù)值大小將樣本點分為三類：以安全等級為主的北部地區(qū)、以安全與警戒等級為主的西南部地區(qū)和有輕度污染的中部地區(qū)。采用主成分分析法選取前兩個主成分的6項理化性質(zhì)作為評價指標，并確定其相應(yīng)權(quán)重系數(shù)，應(yīng)用土壤肥力綜合評價指標法計算相應(yīng)隸屬度，定量評價土壤肥力質(zhì)量，結(jié)果顯示：

(1)污灌區(qū)土壤肥力質(zhì)量狀況總體較好，北部地區(qū)土壤堿解氮和有效磷含量偏低，陽離子交換量尤其低；西南部地區(qū)除陽離子交換量偏低外各項指標都屬上等水平，土壤肥力質(zhì)量良好；中部地區(qū)陽離子交換量和有效磷含量偏低。

(2)從隸屬度值來看，有機質(zhì)均為三區(qū)域重要的土壤肥力質(zhì)量評價因子，土壤陽離子交換量與有效磷是土壤肥力質(zhì)量的主要限制因子。

(3)從土壤肥力質(zhì)量綜合評價指標值來看，三區(qū)域均屬一級土壤肥力水平，但不同區(qū)域土壤肥力質(zhì)量之間存在差異，污灌區(qū)西南部土壤肥力質(zhì)量總體優(yōu)于中部及北部地區(qū)，其中北部地區(qū)土壤肥力綜合評價指標值最低。

三區(qū)域肥力水平間存在的差異性與污灌區(qū)種植制度和耕作習慣有關(guān)：中部地區(qū)為3條污水主干渠匯集處，是主要的耕作區(qū)域，受污水中重金屬污染和鹽分長期累積影響，土壤污染程度加大，土壤肥力質(zhì)量受到很大影響；西南部地區(qū)處于污灌渠下游，在污水中的營養(yǎng)鹽及規(guī)律性施肥作用下，土壤質(zhì)量較之中部地區(qū)偏高；北部地區(qū)為生態(tài)開發(fā)區(qū)域，耕地較少，土壤肥力水平低，這與田間實地調(diào)查結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

(1)太原市小店污灌區(qū)土壤重金屬污染程度不同，北部地區(qū)污染程度最低，以安全等級為主；西南部地區(qū)污染程度中等偏上，以安全和警戒等級為主；中部地區(qū)污染程度最高，有輕度污染傾向。

(2)污灌區(qū)土壤陽離子交換量、氮素和磷素整體較為缺乏，陽離子交換量值的偏低在一定程度上代表小店污灌區(qū)土壤保肥能力較低，這將直接影響施肥效果。因此，在小店污灌區(qū)的耕作應(yīng)配合相應(yīng)的保肥措施，并有針對性地施加氮肥和磷肥，以補充全量養(yǎng)分，提高土壤的保肥能力。

(3)受重金屬污染影響，污灌區(qū)土壤肥力水平西南部地區(qū)最高，中部地區(qū)次之，北部地區(qū)最低。

該結(jié)果可為污灌區(qū)土壤的精準施肥及科學管理提供參考依據(jù)。

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