簡陽市土壤重金屬含量分析及污染評價

雷建容,王 謝,陳春秀,陽路芳,楊玉敏,陳慶瑞

(四川省農業科學院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

【研究意義】重金屬元素由外界進入土壤后，持續累積達到一定量時會對生態環境[1]及人體健康[2]構成威脅。重金屬污染具有長期性、隱蔽性、不可逆性、頑固性、形態多樣性等特點[3]，且該類污染修復難度大[4]。重金屬污染現已成為我國土壤環境污染的主要問題[5]。李克強總理在2017年政府工作報告中，提出開展土壤污染詳查，整理土壤污染“家底”，才能采取針對性措施進行治理[6]。據《四川省土壤污染狀況調查公報》[7]顯示,全省土壤Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr 6種污染物點位超標率分別為20.8 %、0.76 %、1.98 %、3.77 %、1.44 %、1.79 %，Cd為主要特征污染物。【前人研究進展】簡陽市耕地占農業用地比例大，劉永祺等[8]采用隨機布點的方法在簡陽市東溪鎮采集了29個土壤樣品進行重金屬含量分析，發現平均值為：Cd 0.295 mg·kg-1、Cu 23.25 mg·kg-1、Pb 17.47 mg·kg-1，且區域分化明顯，有少量污染現象。但目前對簡陽市其它鄉鎮土壤重金屬含量研究甚少。【本研究切入點】因此，通過在簡陽市調查采集土壤樣品，以農用地土壤污染風險篩選值(GB15618-2018)[9]為參考值，選用內梅羅綜合污染指數法并結合ArcGIS技術，體現多種污染物對土壤的綜合污染效應。【擬解決的關鍵問題】旨在摸清6種重金屬復合污染的發展趨勢，重點污染區及污染面積，為土壤的合理使用及保護奠定基礎，以期防患于未然，清潔的土壤進行保護，污染的土壤進行監管治理。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區地處四川盆地腹地，位于盆地中部偏西邊緣，龍泉山東麓，踞沱江中游；地貌以淺丘為主，土壤類型以紫色土為主。根據土地利用類型圖、地形圖、環境因子[10]，遵循樣點具有代表性、集中性、典型性的原則，進行網格布設706個采樣單元(圖1)。采取0～20 cm耕作層土壤，不接觸金屬采樣器[11]，按隨機、等量、多點混合的原則[12]，每個采樣單元下各點所采土樣混合均勻，四分法濃縮到1 kg[13]。

1.2 樣品測定

土壤pH測定采用電極法，As、Hg經王水消解后采用原子熒光光譜法測定，Cr、Cu、Pb、Cd經高氯酸、硝酸、氫氟酸消解后采用電感耦合等離子體質譜儀法測定。As、Hg、Cr、Cu、Pb、Cd的檢測限分別為0.005、0.004、0.0002、0.00006、0.005、0.00007 mg·kg-1，質控樣采用GBW07428和GBW07453，平行相對誤差范圍±5 %，樣品重復數占10 %。

1.3 數據處理

采用Excel 2010、DPS 7.65、ArcGIS 10.5進行數據處理。用3倍標準差原則對數據進行處理，與平均值的偏差超過3倍標準差的測定值被認為是異常值[14]，對異常值進行驗證并實地考察后剔除部分異常值，保留有效異常值[15]。

1.4 評價方法

1.4.1 內梅羅綜合污染指數法 體現各污染物對土壤的綜合作用，當樣品量大時，能給出綜合性結論，可描述土壤質量的總體水平，是目前應用較為廣泛的評價方法[16]。計算公式為：

Pi最大值為各重金屬元素單因子污染指數最大值，Pi平均為各重金屬元素單因子污染指數平均值，I為土壤內梅羅綜合污染指數。單因子污染指數計算公式：Pi=Ci/Cb，Pi為土壤中重金屬元素i的污染指數，Ci為重金屬元素i的實測含量，Cb為重金屬元素i的農用地土壤污染風險篩選值(GB15618-2018)[9]。

1.4.2 ArcGIS技術 本研究采用ArcGIS技術中的反距離加權插值法[17]，采樣點越多越均勻，對局部區域的污染情況反應越準確。

圖1 采樣單元分布Fig.1 The sampling sites

表1 土壤重金屬含量

注：“-”表示pH不求平均值。

2 結果與分析

2.1 檢測結果統計分析

變異系數反應數據的離散程度，6種重金屬全量均呈現一定程度的變異性(表1)，變異程度Pb>Hg>Cd>As>Cu>Cr，其中Cd、Hg、Pb屬于強變異，極差大，分布極不均勻，存在高含量區域。從峰度和偏度來看，6種重金屬及pH呈現偏態分布，As、Cd、Cu、Hg、Pb呈現右偏態，pH、Cr呈現左偏態。研究區91 %的土壤為堿性，中性和弱酸性土壤僅占9 %。Cd、Pb有明顯高值點出現，As、Hg、Cr、Cu沒有明顯高值，說明簡陽市農用土壤Cd、Pb應引起關注和重視，進行跟蹤監測。

2.2 各重金屬元素間相關性分析

由表2 可以看出，重金屬元素之間存在著相關性，間接反應重金屬的來源可能一致，受同種污染源的影響較大[18]。Pb和Cd的相關系數為0.83，呈現0.01水平上的高度相關，說明這2種元素污染源相同； Cr和As、Cu和As、Cu和Cr的相關系數分別為0.54、0.49、0.60，呈現0.01水平上的中度相關，說明以上兩兩元素之間污染來源分別相同。Cr與Cd、Cr與Hg、As與Cd不相關，來源差異大。可見Pb和Cd、 Cr和As、Cu和As、Cu和Cr兩兩元素間存在復合污染，根據土地利用類型并結合農業、工業等人為活動造成的污染[19]，需要進一步分析污染累積情況，在源頭進行控制。

2.3 內梅羅綜合污染指數法評價結果

2.3.1 綜合污染指數分級情況 由表3 可知，內梅羅綜合污染指數平均值為0.42，范圍為0.17～2.38。706個樣點中，674個樣點清潔；26個樣點尚清潔，雖處于警戒線但沒有超標，占樣點總數的3.68 %；5個樣點輕度污染，占樣點總數的0.71 %，1個樣點中度污染，占樣點總數的0.14 %。可見，簡陽市農用地污染點位少，土壤環境質量總體良好。

2.3.2 綜合污染指數結合ArsGIS技術聯合評價 將綜合污染指數用ArsGIS技術進行QQPlot正態分布、趨勢、污染分布統計分析。通過圖 2可以看出，綜合污染指數的數據集落在參考線上，沒有發生偏離，呈正態分布。由圖3可知，地域上X、Z面綠線代表污染由西向東呈現很平緩的拋物線，表明中部相對東西污染略嚴重，Y、Z面藍線兩端高中間凹陷，表明南北部較中部污染略重。由圖4可知，黃色區域處于尚清潔(警戒線)，分布在東溪鎮、平泉鎮、賈家鎮、石橋鎮、養馬鎮、壯溪鄉、三岔鎮、老君井鄉、新星鄉、平息鄉、同合鄉等；紅色區域為輕度污染，主要分布在宏緣鄉、老君井鄉等；中度污染由于面積小，插值后圖上不能顯示。綜上，簡陽市有少量點狀污染，呈現斑塊狀分布于北部，但斑塊面積小。

表2 土壤重金屬相關性分析

表3 內梅羅綜合污染指數分級

注：樣點分布頻次中括號內表示占樣點總數的百分比。

圖2 污染指數QQPlot正態分布Fig.2 Pollution index QQPlot normal distribution

圖3 污染指數趨勢Fig.3 Pollution index trend

2.3.3 綜合污染面積統計 通過ArsGIS技術進行柵格面積統計(表4)，結果顯示簡陽市土壤中清潔面積2160.98 km2，占總面積的99.21 %；尚清潔(警戒線)面積16.41 km2，占總面積的0.75 %；輕度污染0.70 km2，占總面積的0.03 %,沒有中度和重度污染。可見，簡陽市土壤重金屬污染面積小。

3 討 論

通過內梅羅綜合污染指數評價法可以看出，簡陽市土壤清潔度高，少量地區處于警戒線，極少量地區存在輕度和中度污染。通過推測，簡陽市土壤中重金屬污染主要來源于以下幾個方面。

圖4 污染指數分布Fig.4 Pollution index

表4 綜合污染面積統計

注：面積計算排除三岔湖。

(1)輕度污染的區域周圍存在著中小型的工礦業。Pb的高值點在簡陽市金橋熱穩定劑廠附近，該廠1999年成立，以自產自銷氧化Pb、塑料助劑(含Pb)、熱穩定劑(含Pb)為主，工業“三廢”成為該區域Pb的主要污染來源；鄉鎮上散布的家庭式、作坊式的生產小廠，如預制廠、家具廠、塑料薄膜廠以及垃圾焚燒廠，在“三廢”上難以控制，廢水、廢渣、廢氣對周圍區域的土壤環境均有一定影響，目前范圍較小。

(2)農村地區大力發展現代種植業也貢獻了一定污染。據成都土壤肥料測試中心茍曦等[20]對四川常用肥料的調查結果顯示，有機肥料樣品中出現超標的重金屬有：As(0.034～46.68 mg·kg-1，超標率5.9 %)、Pb(0.013～124.15 mg·kg-1，超標率0.9 %)、Cd(0～21.63 mg·kg-1，超標率4.1 %)、Hg(0.011～137 mg·kg-1，超標率7.8 %)，這是因生產有機肥料時將富含大量重金屬元素的污泥、生活垃圾等有機廢棄物作為原料，使肥料中重金屬處于高值。我國農業為了追求經濟效益用肥量大，在土壤中不斷累積造成污染。據調查簡陽市以種植水果、蔬菜等為主，均是對肥料要求高的種植模式，果樹每年667 m2施約1000 kg有機肥料，蔬菜每年667 m2施約600 kg有機肥料，導致土壤中重金屬不斷累積。

(3)現代養殖業的大力推崇。為提高養殖效率會在飼料中添加一些必需的微量元素，如Cu、Ni等，過量的添加容易造成土壤污染。柏雪等[21]對四川常用飼料中重金屬的分布研究發現，Cu、Pb、Cd、Cr超標率較高，但畜禽對這些元素的吸收率低，使畜禽糞便中含高值重金屬；且薄錄吉等[22]研究證實長期施用豬糞等畜禽糞便可導致農田土壤重金屬含量過量累積。簡陽市大力發展生豬、山羊、肉雞、奶牛等養殖業，農田成為處理巨大畜禽糞便的重要途徑。大量畜禽糞便被種植戶收購，經過簡單發酵后直接施用，使土壤中重金屬呈逐漸累積的趨勢，是土壤中重金屬的重要來源之一。

4 結 論

本研究以簡陽市706個土壤樣品為材料，通過對6個重金屬的含量分析評價得出，簡陽市土壤有極少量斑塊狀輕度、中度污染，沒有重度污染，目前清潔面積達99.21 %，清潔度高。對處于尚清潔(警戒線)的土壤所在區域應注意減少人為活動等帶入的污染，降低向輕度污染發展的概率。