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杭州灣不同圍墾年限農田土壤重金屬污染風險分析

2022-03-04 00:36:22辛福萌呂笑非徐琳雅李昊澤楊瑜周張玉楠江夢穎戚可欣
安徽農業科學 2022年3期
關鍵詞:污染

辛福萌 呂笑非 徐琳雅 李昊澤 楊瑜周 張玉楠 江夢穎 戚可欣

摘要 以杭州灣濱海圍墾濕地為研究對象,采用空間代時間的方法對不同圍墾年限(50、100、300、500、700、1 000、2 000年)的農田土壤重金屬鉻(Cr)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎳(Ni)含量及分布特征進行分析,并應用地累積指數(Igeo)法、內梅羅(Nemoro)指數法進行土壤污染評價。結果表明,重金屬含量在不同圍墾年限農田土壤中的變化趨勢相似,隨著圍墾年限的增加而呈現上升趨勢。土壤重金屬含量與土壤pH、電導率、總磷含量呈負相關,與總碳、總氮含量呈正相關;各重金屬元素之間也呈現出一定的相關性。跨度長達2 000年的圍墾時間梯度更準確地揭示了土壤理化性質及重金屬變化規律,為促進杭州灣濱海濕地農田高效可持續發展利用、把握杭州大灣區建設整體污染狀況、實現對圍墾灘涂的安全利用提供參考依據。

關鍵詞 濱海濕地;圍墾年限;重金屬污染;地累積指數;內梅羅指數;相關性分析

中圖分類號 X 131;X 53? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611(2022)03-0059-06

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2022.03.016

Risk Analysis of Heavy Metal Pollution in Farmland Soil with Different Reclamation Years in Hangzhou Bay

XIN Fu-meng1, L Xiao-fei1,2,3,4,XU Lin-ya3,4 et al

(1.College of Quality & Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou,Zhejiang 310018;2.Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation,Nanjing Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing,Jiangsu 210008;3.Institute of Soil Water Resources and Environment, Zhejiang University, Hangzhou,Zhejiang 310058;4.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Hangzhou,Zhejiang 310058)

Abstract Taking the Hangzhou Bay Coastal Reclamation Wetland as the research object,the method of space to replace time was used to analyze the content and distribution characteristics of heavy metals Cr, Cd, Pb, Zn, Cu and Ni in farmland soils of different reclamation years(50,100,300,500,700,1 000,2 000).The results showed that the change trend of heavy metal content in farmland soils of different reclamation years was similar, and showed an upward trend with the increase of reclamation years.Soil heavy metal content was negatively correlated with soil pH, EC and TP content, and positively correlated with total carbon and TN content;there was also a certain correlation between heavy metal elements.The 2 000-year-long reclamation time gradient more accurately revealed the physical and chemical properties of the soil and the law of heavy metal changes, in order to provide reference for promoting the efficient and sustainable use of coastal wetlands, grasping the overall pollution status of the region and realizing the safe use of reclamation wetlands.

Key words Coastal wetlands;Reclamation years;Heavy metal pollution;Geoaccumulation index;Nemoro index;Correlation analysis

基金項目 浙江省自然科學基金項目(LQ20C030006,LD19D060001);中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)2020年度開放基金項目(SEPR2020-11);中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室(煙臺海岸帶研究所)開放基金項目(2020KFJJ08);浙江省農業綠色生物制造核心菌種改良重點實驗室開放課題(2020KFKT07);國家級大學生創新創業訓練計劃項目(202010356040);中國計量大學開放實驗項目(XL2020069)。

作者簡介 辛福萌(1999—),女,江西贛州人,從事土壤重金屬污染和濕地微生物研究。通信作者,副教授,博士,碩士生導師,從事濱海濕地土壤研究。

收稿日期 2021-05-11;修回日期 2021-06-25

重金屬污染問題隨著我國經濟社會的快速發展和人類活動的強烈干擾日益嚴重,探尋其來源,解決污染問題已迫在眉睫,不容忽視[1-3]。近年來,由于沿海大開發導致的工業化、城鎮化進程加快,人為干擾活動的加劇以及經濟的快速發展,工業、農業向自然界的排污增多使得土壤重金屬含量明顯升高[4-7]。據估算,全世界每年排放到環境中的鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鎳(Ni)分別約為1.0×106、1 500、5×106、3.4×106、1.0×106 t[8]。土壤中重金屬的來源及其污染程度受人類活動影響較大,灘涂濕地土壤受鎘、鋅、鎳等重金屬污染十分嚴重,給灘涂圍墾帶來了嚴重的生態風險[9-10]。重金屬污染很難因自然退化過程發生遷移和降解,更有可能在沉積物和土壤中產生長時間的積累,其具備隱蔽性、長期性、不可逆性等特點[11-12],其經由污水灌溉、大氣沉降、污泥農用等途徑進入土壤,再通過食物鏈的放大效應而產生富集作用,進而可以在生物體內產生積累對生命健康產生潛在的危害[13-15],已引起人們的廣泛關注[16]。近年來,國內外一些學者對各種不同場地的重金屬污染進行了分析并開展風險評估。如段嘉欣等[17]采用地累積指數(Igeo)方法對四川宜賓市富硒酸化水稻土的重金屬污染程度進行表征,發現土壤中鉻和鎳幾乎沒有污染,砷、銅、鋅、鉛、汞為無污染—輕度污染,鎘屬于中度—強度污染;潘存慶等[18]在金川區某土壤重金屬污染的調查中采用內梅羅(Nemoro)綜合指數法,發現調查區土壤銅、鎳、鎘和砷存在環境風險。通過重金屬污染評價可以充分了解土壤的污染現狀以及風險程度,為保育土壤質量、維持濱海濕地生態的可持續發展和土壤環境重金屬污染的防治提供理論支持和科學依據。

作為我國海陸交錯帶生態系統的南北分界線,杭州灣的生態安全對我國東南沿海的可持續發展至關重要[19]。杭州灣濱海濕地是我國重要濕地之一,也是我國濱海濕地的南北過渡帶,其生物多樣性豐富且具有重要的生態系統和生物多樣性保護作用;同時對滬、杭、甬城市群的水質凈化和生態安全具有極其重要的意義。杭州灣南岸具有很長的濱海濕地改造歷史,圍塘造田歷史悠久,是我國農業種植等人類生產活動影響最劇烈的區域之一。同時,作為我國經濟最為發達的區域之一,杭州灣海洋開發活動極為頻繁,近幾年來,浙江省千里高標準海塘的建設工程、杭州灣跨海大橋工程以及杭州灣新城建設工程等的實施都已經或正在對杭州灣海岸帶產生重大影響,為城市建設和經濟發展拓展了道路。但濱海濕地圍墾導致長期的生態破壞,其嚴重破壞了沿海生態系統的結構,有研究表明,土地圍墾創造的經濟效益無法補償生態系統服務價值的損失[20]。濱海濕地改造雖然帶來了可觀的經濟利益,但是由于工農業的發展和人類活動的影響,土壤重金屬含量發生改變導致土壤質量產生影響[21]。因此,為探尋圍墾年限是否對土壤重金屬含量有影響,可設置長跨度的圍墾時間梯度,對不同圍墾年限的農田土壤開展杭州灣濱海濕地區域土壤重金屬含量的研究,對于促進杭州灣濱海濕地農田高效可持續利用、把握區域整體污染狀況、改善污染防治措施、實現生態價值和經濟效益的平衡具有重要意義。該研究在杭州灣南岸設置了跨度長達2 000年的圍墾時間梯度,對不同圍墾年限的農田土壤中鉻(Cr)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎳(Ni)等重金屬含量及變化趨勢進行分析,并運用地積累指數法和內梅羅指數法進行重金屬污染評價、重金屬相關性分析,以此調查評估杭州灣南岸區域內農田土壤重金屬的污染狀況。該研究可以更好地揭示理化因子與重金屬含量存在的關系,為杭州灣圍墾農田土壤合理利用和可持續發展提供思路方法,為濱海圍墾區域土壤重金屬污染研究提供更多的案例依據,為即將用于農業生產的濱海灘涂資源以及現有土地利用狀況的發展方向提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況 杭州灣位于浙江省東部,形狀為喇叭口形狀,是延伸的河口海灣,其西面與錢塘江接壤、東部延伸至東海。該區域內氣候為北亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫為16 ℃,年平均降水量為1 273 mm,日照時數為2 038 h,無霜期為244 d。研究區選在杭州灣南岸的慈溪三北灘涂濕地核心地塊(圖1)。

1.2 樣品采集 根據資料收集以及現場勘踏,以空間代時間的方法沿著杭州灣南岸海岸線方向由北向南選擇7處不同圍墾年代的農田土壤作為采樣點(圖1和表1)。根據圍墾歷史分別采集圍墾50、100、300、500、700、1 000和2 000年樣點。對每一個取樣點隨機布設3個樣方(5 m×5 m),且樣方間隔不小于10 m,每個樣方按照梅花型取5個土壤樣品(0~20 cm)混合為一個樣。土壤樣品采集后放入聚乙烯袋中,密封以避免樣品被破壞或被污染。樣品經冷凍干燥儀凍干、研磨、過篩(2 mm)后,密封冷藏保存。

1.3 分析方法

1.3.1 樣品分析。通過測定土壤理化因子(pH、含鹽量、碳、氮、磷)含量和重金屬(Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr)含量進行土壤質量分析及重金屬污染分析[19]。土壤pH和電導率分別用pH儀和電導儀測定。土壤總碳、總氮測定:取過100目篩的風干土壤100 mg左右,用元素分析儀(Vario Micro cube,德國Elmentar)測定土壤中總碳、總氮的百分含量。土壤全磷測定:采用硫酸-高氯酸消煮,鉬銻抗比色法。土壤重金屬含量測定:先用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解提取土壤重金屬全量,再用于測定Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr,其中Cd、Cu、Zn、Pb、Ni先用硝酸-高氯酸消解,再選用原子吸收分光光度計進行測定,采用原子吸收法;Cr則選用火焰原子吸收分光光度法進行測定。

1.3.2 重金屬污染評價。

1.3.2.1 地累積指數(Igeo)法。

地累積指數是一種反映沉積物中重金屬富集程度的常用定量指標。該指數不僅考慮了人為污染因素和環境地球化學背景值,還特別考慮到自然成巖作用對背景值的影響,被廣泛應用于重金屬(大氣沉降、土壤和現代沉積物)的污染評價。其表達公式如下:

Igeo=log2CnαBn(1)

式中,Cn為樣品中元素n的濃度;Bn為背景濃度;α為修正指數,通常取1.5。地累積指數污染程度可分為7級,污染程度由無至極強,Igeo<0表示無污染,0≤Igeo<1表示輕度污染,1≤Igeo<2表示中度污染,2≤Igeo<3表示中度污染—強度污染。在該研究中,選用浙江省土壤地球化學基準值與環境背景值(濱海相)作為地累積的參比標準(Bn值),分別為Cr 92.3 mg/kg、Ni 40 mg/kg、Cu 28.4 mg/kg、Zn 92.4 mg/kg、Cd 0.111 mg/kg、Pb 26.4 mg/kg[22]。

1.3.2.2 內梅羅(Nemoro) 指數法。內梅羅指數法是目前國內外綜合污染指數計算的最常用的方法之一。其表達公式如下:

Pi=Ci/Si(2)

P綜=(Pi)2+P2imax2(3)

式中,Pi為i重金屬元素的污染指數;Ci為重金屬含量實測值;Si為土壤環境質量標準值[以《土壤環境質量標準》(GB 15618—2018)為標準];P綜是采樣點的綜合污染指數;Pimax為i采樣點重金屬污染物單項污染指數中的最大值;Pi為單因子指數平均值。P綜數值越大,土壤受污染程度越嚴重。土壤分級標準見表2。

1.4 數據處理 利用Microsoft Excel 軟件進行試驗數據和統計數據檢驗,進行農田土壤理化特征及重金屬污染變化規律分析。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質變化 從表3可以看出,農田土壤的pH從圍墾50年到圍墾2 000年由弱堿變成弱酸。圍墾300年到圍墾700年的樣地pH差異極顯著(P<0.01)。前人對圍墾土壤理化性質的各類相關研究表明,灘涂圍墾后土壤pH整體呈現下降,其原因可能是在農業生產時投入的化學氮肥具有致酸效果導致的[23]。農田土壤的電導率(EC)總體也會呈現下降趨勢,其原因可能是圍墾后降雨和灌溉帶走了土壤中的鹽分[24-25]。圍墾過程中,農田土壤中的總磷和有效磷的含量持續降低;總碳、總氮含量在圍墾前期(圍墾500年)波動較大,到了圍墾700年的農田土壤總碳、總氮含量都較高且變化較穩定,可能與土壤的利用方式相關。長跨度的圍墾時間梯度展現了在2 000年圍墾過程中土壤理化性質發生的改變,揭示了在長時間尺度內圍墾農田土壤理化性質的變化規律,為增強土壤肥力、改良土壤利用方式和管理方法提供思路。

2.2 重金屬含量及變化規律 從圖2可以看出,全量Cr、Cu、Cd含量變化相似,均在圍墾300年的農田土壤中含量最低,在圍墾700年的農田土壤中含量最高;Cd含量在圍墾500~700年的農田土壤增加極顯著(P<0.01),Cu含量在圍墾1 000~2 000年的農田土壤下降顯著(P<0.05)。全量Ni含量除了圍墾50~100年的農田土壤變化與全量Cr、Cu、Cd含量不同,其余年限變化相似。全量Pb、Zn含量變化相似,均在圍墾300年的農田土壤含量最低,在圍墾1 000年的農田土壤含量最高。研究表明,土壤重金屬含量受大型排污口、圍墾、大型工程設施、近海養殖等污染源的影響[26]。在長達2 000年圍墾時間梯度的圍墾過程中全量重金屬含量發生的改變,揭示了在長時間尺度內圍墾農田土壤重金屬含量的變化規律,結合杭州灣區域周圍產業的布局(表1)有利于平衡產業發展創造的經濟效益與生態環境受到的破壞,并探尋重金屬污染的可能來源。全量重金屬含量可能與產業布局相關,重金屬元素含量上升,可能是因為建設生產過程中重金屬污染土壤,土壤腐殖質中的部分官能團在螯合物形成過程中將重金屬離子積累在土壤中。

從圖3可以看出,大部分有效態重金屬的含量總體呈現隨著圍墾年限的增加而升高的趨勢,其中有效態Cr在圍墾300~500年的農田土壤增加顯著(P<0.05);有效態Cu在圍墾300~500年的農田土壤增加顯著(P<0.05),700~1 000年增加極顯著(P<0.01);有效態Cd在圍墾50~700年的農田土壤增加顯著(P<0.05)。長跨度的圍墾時間梯度展現了在長期圍墾過程中土壤有效態重金屬含量的改變,揭示了在長時間尺度內有效態重金屬含量的變化規律。土壤中有效態重金屬含量不僅與土壤中全量重金屬含量相關,還與重金屬在土壤環境中的行為相關,研究表明,土壤理化性質的改變會直接影響重金屬在土壤環境中的行為[27-29]。該研究同樣顯示有效態重金屬含量與土壤理化因子含量(表3)的變化相關。另外,有效態重金屬也可能會被土壤生物吸收或遷移,從而含量存在波動。長達2 000年的圍墾時間梯度更有利于探尋土壤理化因子與有效態重金屬含量的相關性,為修復土壤和減少有效態重金屬含量提供依據。

2.3 重金屬污染分析評價 地累積指數指出(表4),杭州灣濱海圍墾濕地農田土壤中Cd污染在圍墾100、700和2 000年區域存在輕度污染。根據內梅羅指數法計算出的重金屬污染指數(表5)可以發現,大部分重金屬在圍墾過程中污染等級為安全(P<0.7),Cu在圍墾700年時污染指數達0.704,到達警戒線水平。計算土壤綜合污染指數(P綜)發現,水稻土在圍墾過程中污染等級保持安全。通過2種評價方法得出,目前杭州灣圍墾濕地土壤中重金屬污染程度較低,但是仍存在潛在風險,說明在今后土地利用過程中需要密切關注土壤的重金屬污染風險。

2.4 相關性分析

從表6~7可以看出,土壤中重金屬含量與土壤理化因子含量之間以及土壤重金屬含量之間都存在一定相關性,但相關系數大小有一定差異。大部分重金屬含量與土壤中的鹽分、總磷含量呈現負相關,與土壤中的總碳、總氮含量呈現正相關;全量Cu與全量Zn相關系數達0.906,呈顯著正相關(P<0.05);全量Ni與全量Cr相關系數達0.907,呈顯著正相關(P<0.05);有效態Cd與pH相關系數達-0.951,呈顯著負相關(P<0.05);有效態Cu與有效態Pb相關系數達0.986,呈顯著正相關(P<0.05)。

各重金屬元素全量與總氮含量之間有不同程度的正相關,全量Pb、Cd元素與總氮含量呈顯著正相關(P<0.05),全量Cr、Cu、Zn元素與總氮含量呈一定程度正相關。表明重金屬與總氮具有相似的來源或地球化學過程。一般認為氮主要來源于陸源碎屑顆粒的輸送,因此可以認為陸源輸送對重金屬元素含量有重要影響。各重金屬元素有效態與有機碳含量之間有不同程度的正相關,表明有機碳含量的升高可促進重金屬Cr、Cd、Pb、Zn、Cu、Ni在沉積物中的蓄積作用。

長達2 000年的圍墾時間梯度能更好地揭示重金屬含量與土壤理化因子的相關性,其相關性分析結果與趙一鳴等[30-31]的研究結果相似,土壤理化性質會影響重金屬結合形態,且影響程度較大。重金屬參與土壤中氧化還原、離子交換、專性吸附和溶解平衡等一系列反應,其形態、生物有效性也發生變化。因此,這些重金屬元素的生物有效性也受土壤pH、鹽分、土壤中碳氮磷等元素含量變化的影響。土壤中重金屬的釋放特性與重金屬的賦存狀態存在較為密切的相關,例如土壤中絕大多數重金屬的可溶性受土壤pH控制。土壤pH降低可導致溶解、釋放碳酸鹽和氫氧化物結合態重金屬,同時也趨于增加釋放吸附態重金屬。土壤理化性質的變化會引起土壤重金屬結合形態的改變,使得已受污染的土壤具有較好的修復潛力,因此可以通過調控土壤理化因子達到降低土壤重金屬含量的目的,恢復和保護受污染土壤的生態功能。長跨度的圍墾時間梯度展現了在2 000年圍墾過程中土壤理化性質的改變影響重金屬含量的變化,揭示了在長時間尺度內兩者的相關性及變化規律,為削減土壤重金屬含量和修復土壤提供方向。

3 結論與討論

(1)在跨度長達2 000年的圍墾時間梯度,隨著圍墾年限的增加,杭州灣濱海濕地農田土壤理化性質發生改變,土壤重金屬含量總體呈現增加趨勢。較長的時間梯度重現了長時間圍墾過程中土壤理化性質及重金屬變化規律,更好地揭示了理化因子與重金屬含量存在的相關性,為探索杭州灣圍墾農田土壤生態恢復方法提供了數據支撐和科學依據,對于指導圍墾農田土壤的生產布局和結構調整具有重要意義。

(2)地累積指數法、內梅羅指數法進行重金屬污染評價,結果表明不同重金屬含量在不同圍墾年限農田土壤中的變化相似,隨著圍墾年限的增加而呈現出上升趨勢,偶有出現輕污染的情況,其污染來源與工業發展息息相關,存在潛在的風險,須引起高度重視。就我國出臺的《土壤污染防治行動計劃》(簡稱《土十條》)展開土壤防治工作,制定安全高效的修復方案并實現重金屬污染有效減排和土壤生態恢復,在今后的土地利用過程中也需要密切關注土壤的重金屬污染風險,避免造成環境和人類健康的巨大風險。

(3)土壤重金屬含量與土壤pH、電導率及營養元素含量等環境因子之間存在密切的相關關系,可以通過調控環境因子達到削減土壤重金屬含量的目的,采取相應的監測手段并且對受污染土壤進行修復,減少重金屬元素被植物或其他生物吸收,從而進入食物鏈影響人類生命健康。同時為濱海圍墾區域土壤重金屬污染研究提供更多的案例依據,為即將用于農業生產的濱海灘涂資源以及現有土地利用狀況的發展方向提供指導,為后期針對性地調控農田土壤肥力、保育土壤質量、維持濱海濕地生態的可持續發展提供理論依據。

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P265GH低合金鋼在模擬污染大氣環境中的腐蝕行為
污染防治
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