阜陽市東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染評價

胡琪 劉少玉 劉鵬飛 張文強

摘要?在研究區(qū)布設(shè)24個垂向剖面，共采集0～200?cm深度范圍內(nèi)農(nóng)田土壤樣品120件，選擇其中As、Pb、Cr、Ni和Cd共5種重金屬進(jìn)行研究，并利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法進(jìn)行污染評價。結(jié)果表明，樣品中5種重金屬平均含量均超過安徽省土壤重金屬背景值;其中Cd已超過土壤質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值。剖面上元素含量由淺到深總體呈先減后增的趨勢，淺部受干擾顯著，深部較穩(wěn)定。地累積指數(shù)法評價顯示，土壤中Cd、As、Cr和Ni存在不同程度的污染;潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價顯示，該區(qū)Cd處于強風(fēng)險等級，其余4種均屬于輕微等級;研究區(qū)整體屬輕微風(fēng)險等級，Cd是該區(qū)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險的主要影響因子。重金屬最主要來源途徑是農(nóng)田施用的化肥、農(nóng)藥、采煤及交通運輸?shù)奈廴疚镝尫拧?/p>

關(guān)鍵詞?阜陽市;土壤重金屬;分布特征;地累積指數(shù)法;潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

中圖分類號?X53;X825文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A文章編號?0517-6611（2020）07-0068-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.022

Evaluation?of?Heavy?Metal?Pollution?of?Farmland?Soil?in?Eastern?Area?of?Fuyang?City

HU?Qi，LIU?Shaoyu，LIU?Pengfei?et?al

（Institute?of?Hydrogeology?and?Environmental?Geology，?Chinese?Academy?of?Geological?Sciences，?Shijiazhuang，Hebei??050061）

Abstract?24?vertical?sections?were?laid?in?the?study?area，?and?120?farmland?soil?samples?in?the?depth?range?of?0-200?cm?were?collected.?Five?heavy?metals?of?As，?Pb，?Cr，?Ni?and?Cd?were?selected?for?analysis?and?utilization.?The?geoaccumulation?index?method?and?the?potential?ecological?risk?index?method?were?used?for?pollution?assessment.?The?results?showed?that?the?average?content?of?five?heavy?metals?in?the?sample?exceeded?the?background?value?of?heavy?metals?in?Anhui?Province;?Cd?exceeded?the?secondary?standard?value?of?soil?quality.?The?content?of?the?elements?on?the?profile?showed?a?trend?of?decreasing?first?and?then?increasing?from?shallow?to?deep.?The?shallow?part?was?significantly?disturbed?and?the?deep?part?was?stable.?The?evaluation?of?the?geoaccumulation?index?method?showed?that?there?were?different?degrees?of?pollution?of?Cd，?As，?Cr?and?Ni?in?the?soil;?the?evaluation?of?potential?ecological?risk?index?showed?that?the?Cd?in?this?area?was?at?a?high?risk?level，?and?the?other?four?were?all?slightly?graded;?A?slight?risk?rating，?Cd?was?the?main?influencing?factor?for?the?potential?ecological?risk?of?the?soil?in?the?area.?The?main?source?of?heavy?metals?was?the?release?of?pollutants?from?fertilizers，?pesticides，?coal?mining?and?transportation.

Key?words?Fuyang?City;Soil?heavy?metals;Distribution?characteristics;Geoaccumulation?index?method;Potential?ecological?risk?index?method

基金項目?中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目（DD20190532）。

作者簡介?胡琪（1994—），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：地下水可持續(xù)開發(fā)利用。通信作者，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，從事地下水可持續(xù)開發(fā)利用研究。

收稿日期?2019-10-09;修回日期?2019-10-28

土壤是寶貴的自然資源，也是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2]。土壤作為糧食生產(chǎn)提供的母體，其環(huán)境質(zhì)量事關(guān)食品安全，更關(guān)乎人類健康。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的疏忽，環(huán)境惡化表現(xiàn)在很多方面，土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的主要載體，扮演著生產(chǎn)和納污的雙重重要角色，土壤重金屬污染問題是其中最為突出的，這是因為土壤內(nèi)重金屬具有高毒性、難遷移、易富集等性質(zhì)，有較強的累積效應(yīng)，發(fā)生污染后會極大影響作物生長及產(chǎn)量，人體一旦攝入便很難排出體外，會對大腦和器官等造成不可逆轉(zhuǎn)的損害?[3-5]，出現(xiàn)“致癌、致畸、致突”，更有甚者會危及生命。

研究顯示，土壤最容易受到As、Pb、Cr、Ni和Cd等重金屬污染[6-10]，其主要是在工礦企業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展過程中產(chǎn)生并積聚的。阜陽市多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，阜東地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬存在明顯的異常現(xiàn)象，筆者利用地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對該區(qū)5種重金屬進(jìn)行風(fēng)險評價，以期為該地區(qū)土壤污染防治和農(nóng)田保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省阜陽市東部，全區(qū)面積約為180?km2，其中耕地面積占總面積的60%。該區(qū)地處黃淮海平原，地勢平坦;屬暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，年平均降雨量為900?mm。區(qū)內(nèi)溝河縱橫、水系發(fā)達(dá)，潁河、濟(jì)河等穿區(qū)而過，航運歷史悠久;公路鐵路網(wǎng)密布，交通便利，運輸業(yè)發(fā)達(dá)。土質(zhì)多樣，主要為砂礓黑土、潮土和褐土。區(qū)內(nèi)盛產(chǎn)小麥、玉米和大豆等作物，是國家重要的商品糧棉基地、皖西北重要的蔬菜供應(yīng)基地以及豬、牛、羊、禽類生產(chǎn)基地。區(qū)內(nèi)還建設(shè)有大型磷肥、氮肥廠;煤炭資源豐富，儲量達(dá)15億t，屬安徽省“861”工程的口孜東礦投產(chǎn)后，年產(chǎn)煤800萬～1?000萬t，這些條件在為研究區(qū)提供發(fā)展的同時也為該區(qū)的土壤污染埋下了隱患。

1.2?樣品采集

利用已有資料圈定了研究區(qū)范圍，根據(jù)平面的分布形態(tài)和面積大小，按照2?000～2?500?m的間隔在區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)24個垂向采樣剖面（圖1）。利用GPS確定坐標(biāo);在每個剖面0～20、20～60、60～100、100～140和140～200?cm處分層連續(xù)采樣，采樣中去除土壤中的石塊、動植物殘體等，每層樣重500?g，裝入袋中密封，最終采集土壤樣品120件。

1.3?樣品處理與分析

所有樣品保存、處理和加工都嚴(yán)格遵循1∶25萬土壤地球化學(xué)規(guī)范操作，樣品經(jīng)自然風(fēng)干，用無污染的行星球磨機(jī)粉碎至200目，再放入105?℃干燥箱中烘干后備測。Cd和Pb的測定，用HF-HCl-HNO3-HClO4分解樣品，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定;Ni的測定，用HF-HCl-HNO3-HClO4分解樣品，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）測定;Cr的測定，塑料環(huán)制樣鑲邊，壓力機(jī)上加壓35?t，X射線熒光光譜法（XRF）測定;As的測定，用HCl-H2SO4分解樣品，原子熒光光譜法（AFS）測定。樣品各元素的分析質(zhì)量控制采用外部質(zhì)量控制和內(nèi)部質(zhì)量控制相結(jié)合的辦法，保證了分析質(zhì)量的可靠性。數(shù)據(jù)的分析采用Excel?2016和SPSS完成，圖件繪制采用MAPGIS?6.7和Origin?8完成。

1.4?評價方法與標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1?地累積指數(shù)法。?地累積指數(shù)又稱Muller指數(shù)，是1969年由德國學(xué)者穆勒（Muller）提出的用于評價沉積物中重金屬污染的指標(biāo)，后來被廣泛應(yīng)用于不同重金屬的污染評價[11]。計算公式：

Igeo=log2[Ci/（kBi）]（1）

式中，Igeo為地累積指數(shù)，Ci重金屬i的實測值（mg/kg），Bi為重金屬i的地球化學(xué)背景值（mg/kg），k為修正系數(shù)，考慮成巖作用可能引起的背景值變動，此處取1.5[3，12]。地累積指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4.2?潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson[13]于1980年提出的，不僅考慮了重金屬的含量，并將其生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)聯(lián)系起來，定量地劃分出重金屬的潛在風(fēng)險程度，是目前土壤重金屬研究

廣泛使用的方法之一。其計算公式：

Eir=Tir（cis/cin）?（2）

RI=Eir（3）

式中，Eir為單項重金屬污染潛在生態(tài)危害系數(shù);Tir為重金屬i的毒性系數(shù)，As、Pb、Cr、Ni和Cd的毒性系數(shù)分別為10、5、2、5、30[13];cis為土壤中重金屬i的實測值（mg/kg）;cin為重金屬i的參比值，該研究采用土壤元素的背景值;RI為重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險等級。Eir和RI等級劃分見表2。

2?結(jié)果與分析

2.1?土壤重金屬分布特征

2.1.1?表層土壤重金屬含量特征?。研究區(qū)表層土壤（0～20?cm）重金屬含量見表3。As、Pb、Cr、Ni元素的變異系數(shù)均小于0.25，在區(qū)內(nèi)呈均勻分布;Cd元素變異系數(shù)為0.25～050，屬較均勻分布，5種重金屬空間分布差異較小。As、Pb、Cr、Ni和Cd的平均含量均超過安徽省土壤重金屬背景值，說明其在表層土壤中產(chǎn)生了明顯富集，且Cd已超過土壤質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值，表明區(qū)域土壤中存在Cd污染。

圖2為5種土壤重金屬含量在區(qū)內(nèi)分布特征，其高值區(qū)在楊樓孜鎮(zhèn)附近均有分布，在新烏江鎮(zhèn)僅存在Pb、Cr、Ni的高值區(qū)。5種重金屬含量分布均呈現(xiàn)以楊樓孜鎮(zhèn)為高值中心，向周邊逐漸減小的趨勢。

2.1.2?土壤重金屬垂向分布特征。垂直潁河方向和平行潁河方向分別選取剖面a-a′和b-b′，隨機(jī)選取3個采樣點進(jìn)行垂向分布特征分析，采樣點依次為PM17、PM20、PM33和PM21、PM29、PM40（圖1）。5種元素的垂向分布特征見圖3、4，由圖3、4可以看出，隨著深度增加，各重金屬元素含量總體呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，深層土壤重金屬含量通常低于表層土壤。0～100?cm土壤重金屬含量變化較大，說明受到自然與人為因素次生干擾較大;140～200?cm土壤重金屬含量變化較小，且與土壤背景值較為接近，反映受到外界影響較小，原生沉積為主。距離潁河越近，重金屬含量越高，可能是由于靠近潁河地區(qū)土壤多為黏性土，易吸附重金屬，使得重金屬遷移能力降低，從而產(chǎn)生積聚。

2.2?土壤重金屬相關(guān)性分析?根據(jù)土壤中各重金屬元素的相關(guān)性可大致判斷出其是否同源，若存在顯著正相關(guān)，則說明來源可能相同，若相關(guān)性較小，則可能存在多個來源[16-17]。由研究區(qū)土壤重金屬相關(guān)系數(shù)（表4）可以看出，As、Pb和Cr這3種元素兩兩之間均存在顯著相關(guān)性，Cr和Cd、Ni和Cd、Ni和As之間存在極顯著相關(guān)性，說明這5種元素部分來源可能一致。

2.3?地累積指數(shù)法評價

圖5為5種土壤重金屬的地累積指數(shù)的范圍，根據(jù)平均值，5種重金屬污染程度由強到弱依次為Cd>As>Ni>Cr>Pb。大部分樣點的As和Cd地累積指數(shù)大于0，個別樣點的As為0.5～1.0，Cd為1～2;Cr和Ni元素地累積指數(shù)多數(shù)小于0，僅有個別樣點略大于0;Pb元素所有樣點的地累積指數(shù)均小于0。，As、Cr和Ni處于輕度—中等污染水平，Cd存在中等污染，Pb則未對土壤造成污染。

2.4?潛在風(fēng)險指數(shù)法評價?表5為土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，從單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)可以看出，研究區(qū)5種重金屬平均風(fēng)險指數(shù)由大到小依次為Cd>As>Ni>Pb>Cr。Cd的風(fēng)險指數(shù)在33.71～97.73，平均值為66.91，處于強風(fēng)險等級;其余4種重金屬風(fēng)險指數(shù)均未超過40，處于輕微等級。

研究區(qū)重金屬RI均值為99.96，為56.58～136.01，屬輕微風(fēng)險等級。總體看屬輕微污染，其中Cd是該區(qū)域土壤潛在生態(tài)風(fēng)險的主要影響因子。

3?討論

研究區(qū)主要發(fā)展農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖，在規(guī)模化種植、養(yǎng)殖過程中，為了提高產(chǎn)量，農(nóng)戶長期以來都不同程度地施用大量的化肥、農(nóng)藥、地膜及飼料等，這些直接混入農(nóng)田土壤中，參與了生產(chǎn)作用過程，并形成累積性重金屬污染。張曉藝[18]的農(nóng)藥化肥中主要污染物是Cd、As和Cr等研究證實這一情況;同時宋玉婷等[19]、郭振等[20]研究也證明了塑料大棚和地膜等農(nóng)用薄膜中使用含Cd等重金屬的熱穩(wěn)定劑會造成土壤污染;此外，Li等[21]研究發(fā)現(xiàn)集約化奶牛場飼料樣品中都含有重金屬，且Cd、Cr和Pb的濃度均高于我國飼料標(biāo)準(zhǔn)，同時，在牛糞中也檢測到了重金屬的存在，進(jìn)一步驗證了重金屬污染的多途徑來源。據(jù)阜陽統(tǒng)計年鑒顯示[22]，2017年阜陽市種植面積達(dá)125.86萬hm2，牧業(yè)養(yǎng)殖數(shù)量為528.63萬頭（只），比2016年增加了3.1%。同時，2017年阜陽化肥施用量為35.72萬t，農(nóng)藥使用量為6?770?t，農(nóng)用塑料薄膜使用量為2.03萬t，雖比2016年有所減少，但用量仍較大。因此可大致判斷出，研究區(qū)中Cd、Cr的污染來源為化肥農(nóng)藥、地膜及飼料等大量使用。

其次，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械化較為普遍，田間車輛尾氣排放及輪胎磨損會產(chǎn)生Pb、Ni和As等有害氣體和粉塵，經(jīng)過降雨的淋濾和大氣沉降進(jìn)入周邊耕地內(nèi)，對土壤造成污染。研究表明，汽車尾氣含鉛量為0.02～0.05?mg/L，最高可達(dá)01?mg/L。研究顯示，車流量大的地區(qū)，土壤中Pb、As、Cr和Ni含量會有明顯增加[23-24]。據(jù)阜陽市統(tǒng)計年鑒，2017年阜陽市大中小型拖拉機(jī)達(dá)15.13萬臺，聯(lián)合收割機(jī)、脫粒機(jī)等共有5.98萬臺，車輛總數(shù)呈上升趨勢，汽車尾氣排放量也會隨之增長，使得土壤中重金屬濃度升高。因此，區(qū)內(nèi)Pb、As、Cr和Ni集聚與汽車尾氣排放具有密切關(guān)系。

此外，該區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染也與煤礦開采和燃煤活

動密切相關(guān)，煤炭中含有Cd、Ni和Pb等重金屬，在開采和

燃燒過程中會產(chǎn)生大量粉塵并沉降在礦區(qū)附近的土壤中，類似采煤區(qū)的研究資料可作相關(guān)旁證證明。崔東等[25]研究發(fā)現(xiàn)，伊犁河谷煤礦區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重，其中Cd超標(biāo)最為明顯，煤礦周邊的農(nóng)用地均達(dá)到重度污染。徐玉霞等[26]研究發(fā)現(xiàn)，寶雞市麟游縣煤礦區(qū)周邊農(nóng)田Hg元素的污染較嚴(yán)重，Cd元素次之。姚盛翔等[27]對某燃煤電廠廢棄灰場土壤中重金屬進(jìn)行測定分析，發(fā)現(xiàn)Cu、Cd、Ni污染嚴(yán)重。資料顯示，2017年阜陽市共消耗煤炭606.71萬t，占能源消耗總量的78.41%。煤炭的大量開采及使用，也可能是該區(qū)Cd、Ni等重金屬污染的一大來源，需要進(jìn)一步調(diào)查研究。

4?結(jié)論

（1）研究區(qū)采樣土壤中As、Pb、Cr、Ni和Cd的平均含量均超過安徽省土壤重金屬背景值，僅Cd超過土壤質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值，區(qū)域土壤中Cd存在污染。5種元素在淺部含量變化較大，深部含量變化較小，且隨著深度增加，重金屬含量總體呈先減后增的趨勢，深層土壤重金屬含量通常低于表層土壤。

（2）地累積指數(shù)評價法研究結(jié)果表明，研究區(qū)土壤重金屬污染程度由強到弱依次為Cd>As>Ni>Cr>Pb。土壤中As、Cr和Ni處于輕度—中等污染水平，Cd存在中等污染，未受到Pb污染。

（3）潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價法研究結(jié)果表明，研究區(qū)5種重金屬平均風(fēng)險指數(shù)由大到小順序為Cd>As>Ni>Pb>Cr，Cd處于強風(fēng)險等級，其余4種重金屬均屬于輕微等級。整個研究區(qū)域?qū)佥p微風(fēng)險等級，Cd是該區(qū)域土壤潛在生態(tài)風(fēng)險的主要影響因子。

（4）通過土壤污染源成因的相關(guān)性分析可知，研究區(qū)內(nèi)重金屬來源存在部分一致性，主要包括農(nóng)藥化肥、地膜的使用，汽車尾氣排放，煤礦開采以及燃煤活動等。

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