宿遷市農業用地土壤中重金屬含量的時空異質性分布

沈寧寧，劉 寧，徐蘇紅

(1 江蘇省徐州環境監測中心，江蘇 徐州 221000；2 徐州市危險廢物集中處置中心有限公司，江蘇 徐州 221000)

土壤與人類的生存、生活息息相關，農業用地更是關乎著人類的食品安全[1-2]。在過去的幾十年里，人類經濟、工業、科技快速發展，人類的物質需求也得到了極大地滿足，然而我國的土壤污染問題卻呈現出加劇的趨勢[3-4]。首次全國土壤環境狀況調查報告(2005-2013年)顯示，土壤樣本中超過國家二級質量標準的占比為16.1%，其中主要的污染源是重金屬(鎘、汞、鉛等)和類金屬(砷)[5-6]。同時，我國農業部門的調查也顯示，在我國廣袤的農田土壤污水灌溉面積中，受到重金屬影響的面積占比高達64.8%，這也導致了糧食大量的減產以及大面積的污染[7-8]。土壤中重金屬存在的毒性、持續性會影響土壤的肥力以及植物的生長，甚至通過食物進入人體，危害人體健康。土壤修復工作以及土壤污染防治工作已經成為環境領域當前的工作重點，依據重金屬含量呈現的時空異質性分布，可以有效為土壤修復工作以及土壤污染防治工作提供良好的前期指導，優先開展污染較嚴重地區的相關重金屬治理與防治工作，在污染較輕的地區采用防治為主的工作方針。因此，在我國遼闊的國土上按照區域性研究土壤重金屬的時空異質性分布，有利于對土壤污染風險管控提出合理的建議和以及為土壤修復提供合宜的基礎資料。

宿遷是江蘇省沿海地區向中西部輻射的重要門戶城市，是徐州都市圈、江淮生態經濟區核心城市、一帶一路節點城市[9-10]。截至2020年6月，宿遷下轄2區3縣。宿遷是優質農副產品產區，也是著名的“楊樹之鄉”，盛產糧食、棉花、油料、蠶繭、木材、花卉、食用菌等，所轄三縣均為全國商品糧基地縣和全國平原綠化先進縣[11]。本文以宿遷市為研究區，為了充分了解宿遷市農業用地土壤環境中重金屬的含量分布情況，分別選取宿遷市宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣五個地區的農業用地，分析農業用地土壤中As、Hg、Cd等3種元素的含量，以期為宿遷市農業用地土地資源管理提供依據[12]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處淮河、沂沭泗流域中下游，南臨洪澤湖，北接駱馬湖，承接上游21萬平方千米面積的來水，素有“洪水走廊”之稱。研究區屬于暖溫帶季風氣候區，年均氣溫14.2 ℃，年均降水量910 mm，年均日照總時數2291 h[11-12]。光熱資源比較優越，四季分明，無霜期較長，全年作物生長期為310.5天。年均降水量為892.3 mm，由于受季風影響，年際間變化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干天氣[13]。研究區主要土壤類型為潮土、沙姜黑土、黃褐土[14]。

1.2 樣品采集

利用宿遷市地圖進行土壤采樣點的選取，分別在宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣五個地區各選取5個農業用地為采樣單元，每個采樣單元采集大約15個土壤樣品，采集土壤樣品的大小為500 m×500 m，采樣深度為0～20 cm，并在中心點200 m范圍內采集4個土壤柱混合而成一個樣品，放入樣品袋中保存并標記好編號，同時用GPS記錄采樣點中心位置的坐標。

1.3 樣品處理與重金屬含量測定

將所有的土壤樣品進行自然晾干處理，剔除其中的枯樹枝、石子等雜質，將成塊的樣品碾碎后過100目篩子，裝袋編號后送入實驗室進行分析。

用萬分之一的天平稱取0.5000 g左右土壤樣品，加入10 mL 1:1的王水(濃鹽酸與濃硝酸體積比為3:1)，沸水浴2 h,自然冷卻后，將其移至50 mL容量瓶中，并用去離子水定容、搖勻，取上清液待測。采用原子熒光光度法測定Hg、As含量。每個樣品均平行測定3次。

用萬分之一的天平稱取0.2500 g左右土壤樣品于消解罐中，分別加入1 mL硝酸、2 mL氫氟酸、1 mL鹽酸于120 ℃石墨消解儀上加熱回流90 min，取下冷卻用純水定容至50 mL容量瓶中并搖勻，取上清液待測。采用石墨爐原子吸收分光光度法測定Cd含量。每個樣品均平行測定3次[15-16]。

1.4 數據分析

實驗數據均采用SPSS17.0軟件進行統計分析，One-way ANOVA方差分析檢驗各地區間的差異，顯著因子設置為0.05，圖形均采用Origin8.1繪制，本文中所有的數據均是均值±SE。

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

表1 描述性統計分析結果表Table 1 Results of descriptive statistical analysis

國家標準Ⅰ為《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ/T332-2006)中從嚴標準，國家標準Ⅱ為《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)(5.5

宿遷市宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣等五個地區農業用地土壤重金屬含量描述性統計結果如表1所示。由表1可知，宿遷市五個地區的Hg含量平均值分別為0.001 mg/kg、0.003 mg/kg、0.001 mg/kg、0.002 mg/kg、0.001 mg/kg，Cd含量平均值分別為0.011 mg/kg、0.014 mg/kg、0.016 mg/kg、0.015 mg/kg、0.026 mg/kg，As含量平均值分別為0.943 mg/kg、1.030 mg/kg、1.825 mg/kg、2.444 mg/kg、1.099 mg/kg，Hg、Cd、As含量平均值沒有超過《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ/T332-2006)中從嚴標準以及《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)(5.5

變異系數在一定程度上能夠表明區域重金屬變異程度，也表明了該區域內重金屬元素的分布和受人類活動影響情況，一般可將變異劃分為3類，當變異系數超過30%時為強變異，當變異系數介于10%～30%之間，為中等強度的變異，當變異系數小于10%時，為較弱變異。由表1可知，宿遷市宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣等五個地區農業用地土壤重金屬Hg、Cd、As變異系數大小為3.00%～25%，變異程度小。其大小排列的順序為Hg

2.2 土壤重金屬時空異質性分析

表2 單因素方差分析結果表Table 2 Results of one-way ANOVA

圖1 宿遷市五地區農業用地中土壤Hg、Cd、As含量Fig.1

由表2可知，宿遷市所轄五個地區間農業用地重金屬Hg、Cd和As單因素方差分析結果P值均<0.01，含量差異顯著，造成土壤重金屬污染差異顯著的原因包括所研究地區的經濟發展程度、工業企業污染源數量以及對污染地塊的治理程度。通過分析筆者認為宿遷市所轄宿豫區以及宿城區為主要城區，而泗洪縣、沭陽縣和泗陽縣為縣城，在居住人口、以及工業源數量上存在差異，導致該五個地區土壤中重金屬Hg、Cd、As含量差異顯著；圖1通過對比五個地區Hg、Cd和As三種元素的含量差異可知，泗陽縣農業用地土壤中Hg含量顯著大于其他四個地區，一般認為，Hg 來源于生產、生活過程中煤炭等化石燃料燃燒排放，主要通過大氣沉降方式進入土壤，可能原因是該地區工業發展以能耗型為主導致的，宿豫區和沭陽縣的農業用地土壤中Hg含量顯著大于宿城區和泗洪縣，宿豫區和沭陽縣、宿城區和泗洪縣之間沒有顯著性差異。泗洪縣農業用地土壤中Cd含量顯著大于其他四個地區，有研究顯示，污水灌溉、化肥和農藥的施用是土壤Cd 元素富集的重要原因[1,5]，泗洪縣最為宿遷最大的商品糧基地，有較大的農場，在耕作過程中現代程度不好，很多作物產量的增加很多依靠農藥化肥的大量使用，導致該地農用地土壤中Cd元素含量的增加；此外，Cd元素還來源于汽車尾氣排放、油料泄漏、橡膠輪胎磨損等[1,5]，宿城區作為宿遷的主城區，人口密集程度高，機動車較多，導致了宿城區的Cd含量也較高；宿豫區、沭陽縣和泗陽縣之間沒有顯著性差異。沭陽縣和泗洪縣農業用地土壤中As含量顯著大于宿城區、宿豫區和泗陽縣，沭陽縣以及泗洪縣土壤中重金屬As含量較高的原因可能是其為主要的商品糧基地，而As則被大量用作殺蟲劑以及除草劑，人們通過農業生產活動將重金屬輸入土壤，使土壤中重金屬含量不斷累積。沭陽縣和泗洪縣之間沒有顯著性差異，宿城區、宿豫區和泗陽縣之間沒有顯著性差異。

3 結 論

(1)宿遷市所轄宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣和泗洪縣的農業用地土壤中重金屬Hg、Cd、As含量均能滿足《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ/T332-2006)以及《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中相關標準要求，且變異系數較小。宿遷市作為江蘇省沿海地區向中西部輻射的重要門戶城市，若土壤環境中重金屬含量過高會嚴重危害水域環境安全，影響人類健康，本研究結果在一定程度上為江蘇沿海水域安全提供了理論保障。研究該區域的農業用地重金屬含量與人類食品安全息息相關，本研究結果也在一定程度上為人們獲取安全、健康的食品提供了理論保障。

(2)宿遷市農業用地土壤中重金屬Hg、Cd、As含量在宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣和泗洪縣存在顯著性差異，重金屬Hg、Cd、As含量呈現明顯的時空異質性分布。

(3)研究區域內Hg、Cd和As三種元素的含量情況為，泗陽縣農業用地土壤中Hg含量顯著大于其他四個地區，泗洪縣和宿城區農業用地土壤中Cd含量顯著大于其他四個地區，而沭陽縣和泗洪縣農業用地土壤中As含量顯著大于其它區域。