遂寧某水源地周邊土壤重金屬特征分析及污染評(píng)價(jià)

蔣書(shū)琴，唐紅軍，程 珍

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶4041002.四川省遂寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 遂寧 629000)

1 引言

土壤中的重金屬除來(lái)自礦物質(zhì)成分形成的土壤重金屬背景值外，也隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，含重金屬?gòu)U水、廢氣及廢渣等物質(zhì)通過(guò)干、濕沉降、地表徑流和地下水滲透等方式向土壤不斷輸入重金屬[1]，隨著重金屬的沉積、遷移、轉(zhuǎn)化，不斷向水體、動(dòng)植物等其他介質(zhì)轉(zhuǎn)移，李麗[2]等研究飲用水源地周邊土壤污染特征等顯示，存在重金屬Cd超標(biāo)準(zhǔn)值情況，厲軍等[3]研究顯示飲用水周邊土壤存在一定重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，正面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)。土壤重金屬污染一般是指對(duì)生物有顯著毒性的元素，如汞、鎘、鉛、鉻、銅、鋅、銻和鎳[4,5]，從毒性角度通常把砷、鈹和硒也包括在內(nèi)， 土壤一旦受到重金屬污染，短時(shí)間內(nèi)很難去除，重金屬在土壤不同的酸堿條件下發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)換，同時(shí)還具有潛在的風(fēng)險(xiǎn)性，隱蔽性，如：重金屬以不同形態(tài)通過(guò)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)生富集，濃縮和轉(zhuǎn)移，或者經(jīng)由皮膚、呼吸和入口等方式進(jìn)入人體等，同土壤、水體、作物等其他介質(zhì)發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)換形成不同形態(tài)的物質(zhì)。土壤污染具有持久性，潛伏性[6,7]，土壤重金屬污染難以擴(kuò)散、稀釋?zhuān)谕寥乐腥菀追e累并達(dá)到很高濃度，是影響土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)作物食用安全、限值地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因子之一[8,9]；集中式飲用水安全直接關(guān)系城市社會(huì)穩(wěn)定，百姓生活安全，其中水源地土壤環(huán)境質(zhì)量是影響飲用水水質(zhì)的因素[1]之一，因此，飲用水保護(hù)區(qū)土壤重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響備受關(guān)注。本文以遂寧市某飲用水水源地保護(hù)區(qū)土壤重金屬Cr、As、Pb、Hg、Cd、Cu和Ni為研究對(duì)象，基于40個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位7種重金屬的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行污染特征分析及污染綜合評(píng)價(jià)，以期從點(diǎn)到面反映土壤重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。

2 研究區(qū)概況和監(jiān)測(cè)方法

遂寧市某飲用水水源地全長(zhǎng)26.4 km，研究區(qū)為飲用水保護(hù)區(qū)周邊旱地土壤為主，按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166-2004)規(guī)定采集土壤樣品，使用5點(diǎn)混合采集0～20 cm表層土壤，用四分法取土壤樣品1～2 kg，自然風(fēng)干后揀出碎石、砂礫、植物殘?bào)w，依次通過(guò)粗磨、細(xì)磨制備好土壤測(cè)試樣品[1]。各重金屬測(cè)試方法：Cr、Cu和Ni為火焰原子吸收分光光度法，Pb和Cd為石墨爐原子吸收分光光法，As和Hg為原子熒光法[10]。

3 污染評(píng)價(jià)方法

3.1 污染負(fù)荷指數(shù)

污染負(fù)荷指數(shù)法指能反映不同污染物對(duì)污染程度的貢獻(xiàn)力[11]，污染物的污染等級(jí)對(duì)總體污染的貢獻(xiàn)程度[12]，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中，CFi為i重金屬的污染指數(shù)，Ci和Cn分別是重金屬i的監(jiān)測(cè)結(jié)果和背景值，參考四川省土壤重金屬背景值[13](以下簡(jiǎn)稱(chēng)背景值)見(jiàn)表1，P為某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位7種重金屬污染負(fù)荷指數(shù)，Pzone為研究區(qū)總體重金屬污染負(fù)荷指數(shù)，n是7種重金屬，m是40個(gè)采樣點(diǎn)位。具體污染負(fù)荷指數(shù)分級(jí)見(jiàn)表2，Pzone和P分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一致。

表1 四川省土壤重金屬背景值

表2 污染負(fù)荷指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于20世紀(jì)80年代年應(yīng)用沉積學(xué)原理分析重金屬污染及生態(tài)危害的方法[11]，適合于此研究區(qū)域范圍沉積物和土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]，是使用最廣泛的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。計(jì)算公式如下[14]：

(4)

(5)

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)

4 結(jié)果與討論

4.1 土壤重金屬含量及特征分析

研究區(qū)40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位7種重金屬Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu和Ni的平均含量(mg/kg)分別為95、0.19、11.2、0.154、30.7、35和44，各重金屬標(biāo)準(zhǔn)差為0.93～1.09，歸一化程度高，各重金屬的具體平均含量及標(biāo)準(zhǔn)差詳見(jiàn)圖1。

圖1 各點(diǎn)位重金屬平均濃度及標(biāo)準(zhǔn)差

7種重金屬Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu和Ni平均含量與背景值的比依次為1.20、2.46、1.08、2.57、0.99、1.12和1.86，超背景值的點(diǎn)位百分比依次為65%、100%、62.5%、72.5%、42.5%、62.5%和97.5%，7種重金屬均存在不同程度的污染風(fēng)險(xiǎn)，Cd所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均超過(guò)背景值，各點(diǎn)位均存在污染風(fēng)險(xiǎn)，7種重金屬的變異系數(shù)依次為Hg(0.97)>Cr(0.37)>Cd(0.33)>As(0.31)>Pb(0.29)>Cu(0.26)>Ni(0.22)，Hg的變異系數(shù)最大，為0.97，屬于強(qiáng)變異，其含量在空間上變化較大，空間分布具有顯著離散性，說(shuō)明受人類(lèi)活動(dòng)影響較大[17]，其余重金屬變異系數(shù)范圍為0.22～0.37，均屬中等變異，有較明顯的空間變異性，存在一定程度的人類(lèi)活動(dòng)影響，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

4.2.1 污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)

研究區(qū)40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，7種重金屬污染負(fù)荷指數(shù)大小分布情況如圖2所示，重金屬Hg箱體跨度最大，污染負(fù)荷指數(shù)差異大，分布離散，Hg各點(diǎn)位含量在空間差異大，具有顯著離散性；Cr和Cd箱體跨度其次，存在空間差異，分布較為離散；其余4種重金屬(As、Pb、Cu、Ni)箱體跨度小，其最小觀察值(下邊緣)與最大觀察值(上邊緣)無(wú)明顯差異。

圖2 各重金屬污染負(fù)荷指數(shù)箱體分布

以四川土壤背景值為參考，按照式(1)～式(3)計(jì)算統(tǒng)計(jì)得出，40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，7種重金屬均存在不同等級(jí)的污染，Cd不存在污染物點(diǎn)位，重金屬Cr、As、Hg、Pb、Cu和Ni存在無(wú)污染(P≤1)等級(jí)的點(diǎn)位；按照四川背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Cd和Hg存在重度污染(P>3)等級(jí)點(diǎn)位，且占比分別25%和30%，7種重金屬污染負(fù)荷等級(jí)比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 土壤重金屬污染負(fù)荷等級(jí)比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位7種重金屬污染負(fù)荷指數(shù)(P)變化范圍為0.77～2.13，平均值為1.40，各點(diǎn)位污染負(fù)荷等級(jí)比例如圖3所示。無(wú)污染、輕微污染和中度污染等級(jí)的點(diǎn)位百分比依次為15.0%、75.0%和5.0%，以輕微污染為主，存在一定程度的中度污染點(diǎn)位，無(wú)重度污染。研究區(qū)總體污染負(fù)荷指數(shù)(Pzone)為1.36，呈輕微污染。

4.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究區(qū)7種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布情況如圖4所示，Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)箱體分布跨度大，說(shuō)明潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)差異大，根據(jù)箱體統(tǒng)計(jì)分布特征圖踢出異常值(537.3)，Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍為11.3～283.3，平均值91.8，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)，Cd箱體跨度次于Hg，變化范圍為34.18～129.11，平均值為73.67，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中等，Cr、As、Pb、Cu和Ni的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)輕微。

圖4 各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)箱體分布

40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中Hg和Cd不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比例如圖5所示，Hg潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為極強(qiáng)、很強(qiáng)、強(qiáng)、中等和輕微的點(diǎn)位數(shù)比例分別是2.5%、27.5%、30.0%、17.5%和22.5%，Hg在研究區(qū)40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位存在不同程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Cd潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為強(qiáng)、中等和輕微的點(diǎn)位數(shù)比例是37.5%、57.5%和5.0%，主要以強(qiáng)和中等風(fēng)險(xiǎn)為主。研究區(qū)總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍為90.08～645.46，平均值為209.69，總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中等。

圖5 Hg和Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比例

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位重金屬Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu和Ni平均含量(mg/kg)分別為95、0.19、11.2、0.154、30.7、35和44，除Pb平均含量與四川土壤背景值相當(dāng)外，其余重金屬平均含量均超過(guò)四川土壤背景值；40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位各重金屬超過(guò)四川土壤背景值的點(diǎn)位比例，Cr為65%、Cd為100%、As為62.5%、Hg為72.5%、Cu為62.5%、Ni為97.5%，Cd和Ni超背景值點(diǎn)位占比高，存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，7種重金屬中，Hg的變異系數(shù)為0.97，屬?gòu)?qiáng)變異，空間分布顯著離散，差異大，受人為影響較明顯，其余重金屬也存在變異情況，均屬中等變異，存在空間變異性，均有受到人類(lèi)活動(dòng)干擾。

(2)研究區(qū)40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均存在不同程度的重金屬污染，各重金屬污染負(fù)荷指數(shù)(P)變化范圍為0.77～2.13，以輕度污染為主，點(diǎn)位占比為75%，其中，其中存在受Hg、Cd重度污染(P>3)等級(jí)的點(diǎn)位，占比分別為25%和30%；研究區(qū)總體污染負(fù)荷指數(shù)(Pzone)為1.36，呈輕微污染。

(3)研究區(qū)總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均值為209.69，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，重金屬Hg潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)跨度大(11.3～283.3)，40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不同潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有極強(qiáng)(2.5%)、很強(qiáng)(27.5%)、強(qiáng)(30.0%)、中等(17.5%)和輕微(22.5%)，各點(diǎn)位Cd的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)跨度為34.18～129.11，各點(diǎn)位不同潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有強(qiáng)(37.5%)、中等(57.5%)和輕微(5%)，其余重金屬(Cr、As、Pb、Cu、Ni)的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)輕微。