土壤重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查與評價：以貴州惠水漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)為例

息朝莊，吳林鋒，張鵬飛，楊茗鈦，范云飛，黃丹艷

(1. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局 核資源地質(zhì)調(diào)查院，貴陽 550005)

土壤是環(huán)境要素的重要組成部分，它既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類賴以生存的基礎(chǔ)，又是人類糧食和生態(tài)環(huán)境安全的保障[1]，其承受著環(huán)境中約90%的污染物[2].重金屬是最主要的危害生態(tài)安全的土壤環(huán)境污染物之一，是典型的持久性有毒污染物[3]，它在土壤中具有累積性、嚴重污染性等特點[4].土壤中重金屬的含量通常被用作評價土壤污染的指標[5-7].漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)位于漣江大壩，隸屬于貴州省惠水縣，是惠水縣乃至貴州全省最重要的商品糧基地及農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)[8].土壤環(huán)境易受交通運輸、農(nóng)業(yè)耕作、垃圾堆放等人為活動的影響.這些人為活動均可造成大量的重金屬釋放，從而造成園區(qū)土壤重金屬污染，破壞園區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)平衡.

在貴州省惠水縣1∶50 000 耕地土壤地球化學(xué)調(diào)查與評價項目實施的基礎(chǔ)上，本文通過對漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)的土壤重金屬含量和pH 值進行分析，運用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)、富集因子法、潛在生態(tài)污染指數(shù)法等統(tǒng)計方法，對該園區(qū)進行了全面的調(diào)查評價，以期為該區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

惠水縣漣江現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)示范園區(qū)位于惠水縣101 省道沿線的漣江大壩，該大壩是貴州省唯一面積超過66.7 km2的壩區(qū)，歷來有“貴州高原第一壩”的美稱.該園區(qū)包括濛江街道、漣江街道和好花紅鎮(zhèn)3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，18 個行政村，其總面積為139.8 km2.園區(qū)耕地總面積為43.6 km2，其中水田35.0 km2、旱地6.9 km2、果園1.7 km2.

研究區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季如春，氣候宜人.境內(nèi)年平均氣溫16.1 ℃，最高氣溫38.8 ℃，最低氣溫-6.2 ℃，無霜期250～300 d，年均降水量1 213.4 mm，年平均日照時間1 318 h.該區(qū)雨量充沛，雨熱同期，干冷同季，適合各種農(nóng)作物生長.

1.2 材料與方法

1.2.1 取樣和加工方法

預(yù)先按照采樣地塊形狀確定子樣的具體位置，如采樣地塊約為正方形或長方形時，分別采用“X”形和“S”形布設(shè)子樣點.子樣點布設(shè)在同一地塊內(nèi)，且距采樣地塊實際點位距離為20～50 m.采集耕作層土壤樣品室，深度為0～20 cm，每個樣品由4～6 個子樣等量混合組成.

樣品的晾曬與加工場地均需確保無污染.取樣后應(yīng)及時清理、登記，并將其懸掛在自制樣品架上，自然風(fēng)干；將風(fēng)干后的樣品平鋪在制樣板上，用木棍進行碾壓，同時將雜物清除；壓碎的土樣均通過2 mm 的孔徑篩過篩，所得土壤樣品稱重后混勻.

研究區(qū)出露地層主要有：白堊系上統(tǒng)茅臺組(K2m)，其巖性為灰?guī)Тu紅色塊狀礫巖和含礫砂巖、泥質(zhì)石英砂巖和粉砂巖、泥巖；三疊系中統(tǒng)邊陽組(T2b)，其巖性為灰綠、青灰色薄-中厚層泥灰?guī)r及頁巖夾砂巖；羅樓組(T1l)，其巖性為淺灰、灰白色厚層塊狀泥晶灰?guī)r；二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)，其巖性為淺灰、深灰色中厚至塊狀生物屑灰?guī)r及燧石灰?guī)r夾硅質(zhì)巖；棲霞組(P2q)，其巖性為淺灰、深灰色灰?guī)r夾燧石灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)大埔組(C1-2d)，其巖性為厚層狀灰?guī)r.

1.2.2 測定項目與方法

測試項目為土壤pH值和8個重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn)含量，均由云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局中心實驗室分析.土壤pH 值選用電位法(ISE)測定；Cd、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的含量由電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定，As 和Hg 的含量由原子熒光光譜法(AFS)測定.

1.2.3 評價標準

漣江大壩土壤評價標準按照《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[9](GB 15618—2018)執(zhí)行.

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法已被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬評價[10].其中，單因子污染指數(shù)公式為

其中，Pi為重金屬i的污染物指數(shù)；Ci為重金屬i的污染物測定值；Si為重金屬i的污染物風(fēng)險篩選值.

內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)計算公式為

其中，NPI表示內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)；Pia表示重金屬i污染的平均值；Pim表示重金屬i污染的最大值.單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)的分級標準[11]見表1.

表1 單因子污染和內(nèi)梅羅污染指數(shù)分級標準

1.3.2 富集因子法

富集因子法可被用來辨識大氣、土壤、湖泊沉積物等環(huán)境系統(tǒng)中富集的重金屬的人為擾動情況[7].其計算公式為

其中，Ef為土壤中重金屬i的富集因子；Cs為重金屬i含量的實測值；Cn為參比元素的含量，本文選擇Co 作為參比元素；(Cs/Cn)樣品為樣品與參比元素含量的比值；(Cs/Cn)地殼為地殼中重金屬與參比元素含量的比值，選取地殼中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的含量取值分別為0.2、0.08、1.8、13、100、55、75 和70 mg·kg-1，參比元素Co 含量為25 mg·kg-1[12].富集因子污染程度分級[7]見表2.

表2 富集因子污染程度分級

1.3.3 潛在生態(tài)污染指數(shù)法

潛在生態(tài)污染指數(shù)法是由Hakanson 于1980年依據(jù)沉淀學(xué)原理形成的一套用于評價重金屬污染與生態(tài)危害的方法[7].其計算公式為

其中，Er表示土壤中重金屬i的潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tr表示土壤中重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)；Cf表示重金屬i的相對參比污染系數(shù)；Cs表示重金屬i含量的實測值；Cn表示重金屬i含量的標準值.本文選擇Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的Tr取值分別為30、40、10、5、2、5、5 和1 mg·kg-1[7]；貴州省土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的背景值分別為0.66、0.11、20、35、96、32、39 和100 mg·kg-1[12].生態(tài)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)分級標準見表3.

表3 生態(tài)污染指數(shù)(Er)和綜合污染指數(shù)(RI)分級標準

2 結(jié)果與分析

2.1 漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)土壤重金屬含量特征

2.1.1 園區(qū)土壤污染物水平

漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)和不同土地利用類型的土壤重金屬含量水平見表4.由表4 中337 個樣品的分析結(jié)果可以看出，與貴州省土壤重金屬含量的背景值相比，研究區(qū)無As 污染，有輕微Cu 污染，有部分Cd、Hg、Pb、Cr、Ni 和Zn 污染；土壤pH 值范圍為4.96～8.78，其平均值為6.73，其中pH＜7.0 的樣本數(shù)為222 個，占比66%，這表明園區(qū)土壤多數(shù)為酸性土.

2.1.2 園區(qū)不同土地利用類型污染物水平

漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)不同土地利用類型的土壤重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果見圖1.

圖1 研究區(qū)不同土地利用類型重金屬含量

由表4 和圖1 可看出，不同土地利用類型中土壤重金屬Cd、As、Pb、Cr、Cu 含量平均值為旱地＞水田＞果園；Hg 含量平均值為水田＞旱地＞果園；Ni、Zn 含量平均值為旱地＞果園＞水田.

表4 漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)不同土地利用類型重金屬含量 mg·kg-1

2.2 漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價

2.2.1 土壤重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

根據(jù)式(1)～式(2)計算，可以獲得不同土地利用類型和全區(qū)的Pi和NPI，結(jié)果見表5.

由表1 和表5 綜合分析可知，園區(qū)土壤重金屬Pi中Cd 為3 級，屬輕度污染；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 為1 級，屬安全清潔區(qū)；NPI為3 級，屬輕度污染.這表明園區(qū)土壤Cd 為輕度污染，即土壤和農(nóng)作物有輕度污染.

表5 土壤重金屬單因子污染和內(nèi)梅羅污染指數(shù)及其分級

水田Pi中Cd 為2 級，達到警戒線，屬尚清潔區(qū)；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 為1 級，屬安全清潔區(qū)；NPI為1 級，屬安全區(qū).這表明水田研究區(qū)Cd 屬警戒區(qū).

旱地和果園Pi中Cd 為3 級，屬輕度污染；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 為1 級，屬安全清潔區(qū)；NPI為3 級，屬輕度污染.這表明該區(qū)域Cd 屬輕度污染，即土壤和農(nóng)作物有輕度污染.

2.2.2 富集因子指數(shù)

根據(jù)式(3)計算所得的土壤重金屬富集因子指數(shù)見表6.

表6 土壤重金屬富集因子

由表6 可看出，園區(qū)土壤重金屬Cd、As 和Pb 屬顯著富集，Hg、Cr 和Zn 屬中度富集，Cu屬輕微富集，Ni 屬尚未富集；水田土壤重金屬Cd、Hg、As 和Pb 屬顯著富集，Cr 和Zn 屬中度富集，Cu 屬輕微富集，Ni 屬尚未富集；旱地土壤重金屬Cd、As 和Pb 屬顯著富集，Hg、Cr 和Zn 屬中度富集，Cu 屬輕微富集，Ni 屬尚未富集；果園土壤重金屬Cd、As 和Pb 屬顯著富集，Hg、Cr 和Zn 屬中度富集，Cu 和Ni 屬輕微富集.由此認為：Ni 主要源于自然；Cd、As、Pb、Hg、Cr、Zn 和Cu 則受到不同程度人為源的影響.

2.2.3 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險和潛在風(fēng)險指數(shù)

根據(jù)式(4)～式(5)計算得出不同土地利用類型土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險系數(shù)和潛在風(fēng)險指數(shù)，結(jié)果見表7.

表7 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險系數(shù)和潛在風(fēng)險指數(shù)

由表7 可以看出，水田、旱地和園區(qū)土壤中Hg 的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)最大，屬于中等污染級別；而Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)較小，屬輕微污染；園區(qū)、水田、旱地和果園RI均＜150.由于RI可反映總的污染造成的生態(tài)風(fēng)險，因此可認為8 種重金屬對研究區(qū)環(huán)境的生態(tài)污染程度均較輕微.

3 討論

3.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計特征

水田土壤中270 個樣品的重金屬含量除As外，其他重金屬均有超標現(xiàn)象，其中Cd、Hg 和Cu 超標較為嚴重；旱地54 個土壤樣品中除As外，其他重金屬含量均有超標現(xiàn)象，其中Cr、Hg和Cu 超標較為嚴重；果園13 個土壤樣品的重金屬含量除Cd、As、Pb 和Cr 外，其他重金屬均有超標現(xiàn)象，其中Hg 和Cu 超標較為嚴重.

園區(qū)337 個土壤樣品中的重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的含量超標率分別為15.4%、54.9%、0、5.3%、16.9%、42.4%、11.3%和6.8%；其含量最大值分別為貴州省土壤重金屬背景值的1.95、5.09、0.91、2.62、1.47、2.59、1.64和1.45 倍.這表明除As 外，其他重金屬含量均有超標現(xiàn)象，其中Cd、Hg 和Cu 超標較為嚴重.

3.2 土壤重金屬污染來源

園區(qū)、水田、旱地和果園土壤中重金屬Cd、Hg 和Cu 含量超標；單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)表明Cd 屬輕度污染；Cd、Hg 和Pb 顯著富集，人為擾動明顯；Hg 的生態(tài)風(fēng)險最大.相關(guān)關(guān)系分析表明，水田土壤中的Cu、Cr 和Zn，旱地土壤中的Cu、Cr、Ni 和Zn，以及果園土壤中的Pb、Cu、As、Hg、Ni 和Zn 均呈顯著正相關(guān)，這表明它們可能具有相似的污染源.

土壤重金屬超標常常是由于地質(zhì)背景與人為活動共同影響的結(jié)果[13].據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，貴州省黔南都勻市已探明Cd 資源儲量為大規(guī)模的富鎘鋅礦[14]；經(jīng)現(xiàn)場取樣調(diào)查，漣江高效農(nóng)業(yè)園區(qū)存在多個采石場，其產(chǎn)生的工業(yè)三廢[15]同樣可以導(dǎo)致Cd 和Hg 等重金屬的累積，并且當?shù)卮迕裆詈腿∨嗍褂萌济篬16]，這也導(dǎo)致了Hg 的累積；還有研究表明，水田、旱地、果園土壤中重金屬的來源受到了汽車尾氣、動物糞便、肥料和農(nóng)藥的長期施用等人為活動的影響[17].

4 結(jié)論

1)從整個園區(qū)337 個土壤樣品的分析結(jié)果可以看出，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn含量均值分別為0.47、0.12、8.49、25.44、80.87、31.54、26.30 和65.17 mg·kg-1，其中Hg 含量均值高于貴州省土壤中Hg 的背景值，Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 含量均值均低于相應(yīng)貴州省土壤重金屬含量背景值；部分重金屬的含量最大值超過了其土壤背景值，這表明它們也存在輕微污染.土壤pH 值范圍為4.96～8.78，其平均值為6.73，其中pH＜7.0 的樣本數(shù)為222 個，占比66%，這表明園區(qū)以酸性土為主.

2)從Pi和NPI計算結(jié)果來看，園區(qū)、旱地和果園土壤中重金屬Cd 屬輕度污染；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 屬安全清潔區(qū)；NPI為3 級，屬輕度污染.這表明研究區(qū)Cd 屬輕度污染，即土壤和農(nóng)作物有輕度污染.水田Pi中Cd 屬尚清潔區(qū)；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 屬安全清潔區(qū)；NPI屬安全區(qū).這表明研究區(qū)Cd 屬警戒區(qū).

3)富集因子法分析結(jié)果表明，Ni 主要源于自然；Cd、As、Pb、Hg、Cr、Zn 和Cu 受到不同程度人為源的影響.水田、旱地和園區(qū)的Hg 的生態(tài)風(fēng)險屬于中等污染；Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的生態(tài)風(fēng)險屬輕微污染；園區(qū)、水田、旱地和果園RI均＜150，這表明8 種重金屬對研究區(qū)環(huán)境的生態(tài)污染程度輕微.

4)園區(qū)內(nèi)重金屬Cd 和Hg 等污染，其來源可能受地質(zhì)背景、工業(yè)三廢、燃煤、長期施肥等人為活動綜合影響.