阜阳市东部地区农田土壤重金属污染评价

来源:用户上传      作者:胡琪 刘少玉 刘鹏飞 张文强

　　摘要 在研究区布设24个垂向剖面，共采集0～200 cm深度范围内农田土壤样品120件，选择其中As、Pb、Cr、Ni和Cd共5种重金属进行研究，并利用地累积指数法和潜在生态风险指数法进行污染评价。结果表明，样品中5种重金属平均含量均超过安徽省土壤重金属背景值;其中Cd已超过土壤质量二级标准值。剖面上元素含量由浅到深总体呈先减后增的趋势，浅部受干擾显著，深部较稳定。地累积指数法评价显示，土壤中Cd、As、Cr和Ni存在不同程度的污染;潜在生态风险指数法评价显示，该区Cd处于强风险等级，其余4种均属于轻微等级;研究区整体属轻微风险等级，Cd是该区土壤潜在生态风险的主要影响因子。重金属最主要来源途径是农田施用的化肥、农药、采煤及交通运输的污染物释放。
　　关键词 阜阳市;土壤重金属;分布特征;地累积指数法;潜在生态风险指数法
　　中图分类号 X53;X825文献标识码 A文章编号 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
　　基金项目 中国地质调查局地质调查项目（DD20190532）。
　　作者简介 胡琪（1994—），女，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：地下水可持续开发利用。通信作者，研究员，博士，硕士生导师，从事地下水可持续开发利用研究。
　　收稿日期 2019-10-09;修回日期 2019-10-28
　　土壤是宝贵的自然资源，也是人类赖以生存和发展的基础[1-2]。土壤作为粮食生产提供的母体，其环境质量事关食品安全，更关乎人类健康。近年来，随着工农业生产迅速发展和环境保护的疏忽，环境恶化表现在很多方面，土壤作为生态系统的主要载体，扮演着生产和纳污的双重重要角色，土壤重金属污染问题是其中最为突出的，这是因为土壤内重金属具有高毒性、难迁移、易富集等性质，有较强的累积效应，发生污染后会极大影响作物生长及产量，人体一旦摄入便很难排出体外，会对大脑和器官等造成不可逆转的损害 [3-5]，出现“致癌、致畸、致突”，更有甚者会危及生命。
　　研究显示，土壤最容易受到As、Pb、Cr、Ni和Cd等重金属污染[6-10]，其主要是在工矿企业生产和农业规模化发展过程中产生并积聚的。阜阳市多目标区域地球化学调查发现，阜东地区农田土壤重金属存在明显的异常现象，笔者利用地累积指数法、潜在生态风险指数法对该区5种重金属进行风险评价，以期为该地区土壤污染防治和农田保护提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　研究区位于安徽省阜阳市东部，全区面积约为180 km2，其中耕地面积占总面积的60%。该区地处黄淮海平原，地势平坦;属暖温带半湿润气候，四季分明，年平均降雨量为900 mm。区内沟河纵横、水系发达，颍河、济河等穿区而过，航运历史悠久;公路铁路网密布，交通便利，运输业发达。土质多样，主要为砂礓黑土、潮土和褐土。区内盛产小麦、玉米和大豆等作物，是国家重要的商品粮棉基地、皖西北重要的蔬菜供应基地以及猪、牛、羊、禽类生产基地。区内还建设有大型磷肥、氮肥厂;煤炭资源丰富，储量达15亿t，属安徽省“861”工程的口孜东矿投产后，年产煤800万～1 000万t，这些条件在为研究区提供发展的同时也为该区的土壤污染埋下了隐患。
　　1.2 样品采集
　　利用已有资料圈定了研究区范围，根据平面的分布形态和面积大小，按照2 000～2 500 m的间隔在区内均匀布设24个垂向采样剖面（图1）。利用GPS确定坐标;在每个剖面0～20、20～60、60～100、100～140和140～200 cm处分层连续采样，采样中去除土壤中的石块、动植物残体等，每层样重500 g，装入袋中密封，最终采集土壤样品120件。
　　1.3 样品处理与分析
　　所有样品保存、处理和加工都严格遵循1∶25万土壤地球化学规范操作，样品经自然风干，用无污染的行星球磨机粉碎至200目，再放入105 ℃干燥箱中烘干后备测。Cd和Pb的测定，用HF-HCl-HNO3-HClO4分解样品，电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定;Ni的测定，用HF-HCl-HNO3-HClO4分解样品，电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-OES）测定;Cr的测定，塑料环制样镶边，压力机上加压35 t，X射线荧光光谱法（XRF）测定;As的测定，用HCl-H2SO4分解样品，原子荧光光谱法（AFS）测定。样品各元素的分析质量控制采用外部质量控制和内部质量控制相结合的办法，保证了分析质量的可靠性。数据的分析采用Excel 2016和SPSS完成，图件绘制采用MAPGIS 6.7和Origin 8完成。
　　1.4 评价方法与标准
　　1.4.1 地累积指数法。 地累积指数又称Muller指数，是1969年由德国学者穆勒（Muller）提出的用于评价沉积物中重金属污染的指标，后来被广泛应用于不同重金属的污染评价[11]。计算公式：
　　Igeo=log2[Ci/（kBi）]（1）
　　式中，Igeo为地累积指数，Ci重金属i的实测值（mg/kg），Bi为重金属i的地球化学背景值（mg/kg），k为修正系数，考虑成岩作用可能引起的背景值变动，此处取1.5[3，12]。地累积指数分级标准见表1。
　　1.4.2 潜在生态风险指数法。潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson[13]于1980年提出的，不仅考虑了重金属的含量，并将其生态效应、环境效应和毒理学效应联系起来，定量地劃分出重金属的潜在风险程度，是目前土壤重金属研究
　　广泛使用的方法之一。其计算公式：
　　Eir=Tir（cis/cin） （2）
　　RI=Eir（3）
　　式中，Eir为单项重金属污染潜在生态危害系数;Tir为重金属i的毒性系数，As、Pb、Cr、Ni和Cd的毒性系数分别为10、5、2、5、30[13];cis为土壤中重金属i的实测值（mg/kg）;cin为重金属i的参比值，该研究采用土壤元素的背景值;RI为重金属综合潜在生态风险等级。Eir和RI等级划分见表2。 　　2 结果与分析
　　2.1 土壤重金属分布特征
　　2.1.1 表层土壤重金属含量特征 。研究区表层土壤（0～20 cm）重金属含量见表3。As、Pb、Cr、Ni元素的变异系数均小于0.25，在区内呈均匀分布;Cd元素变异系数为0.25～050，属较均匀分布，5种重金属空间分布差异较小。As、Pb、Cr、Ni和Cd的平均含量均超过安徽省土壤重金属背景值，说明其在表层土壤中产生了明显富集，且Cd已超过土壤质量二级标准值，表明区域土壤中存在Cd污染。
　　图2为5种土壤重金属含量在区内分布特征，其高值区在杨楼孜镇附近均有分布，在新乌江镇仅存在Pb、Cr、Ni的高值区。5种重金属含量分布均呈现以杨楼孜镇为高值中心，向周边逐渐减小的趋势。
　　2.1.2 土壤重金属垂向分布特征。垂直颍河方向和平行颍河方向分别选取剖面a-a′和b-b′，随机选取3个采样点进行垂向分布特征分析，采样点依次为PM17、PM20、PM33和PM21、PM29、PM40（图1）。5种元素的垂向分布特征见图3、4，由图3、4可以看出，随着深度增加，各重金属元素含量总体呈现出先减后增的趋势，深层土壤重金属含量通常低于表层土壤。0～100 cm土壤重金属含量变化较大，说明受到自然与人为因素次生干扰较大;140～200 cm土壤重金属含量变化较小，且与土壤背景值较为接近，反映受到外界影响较小，原生沉积为主。距离颍河越近，重金属含量越高，可能是由于靠近颍河地区土壤多为黏性土，易吸附重金属，使得重金属迁移能力降低，从而产生积聚。
　　2.2 土壤重金属相关性分析 根据土壤中各重金属元素的相关性可大致判断出其是否同源，若存在显著正相关，则说明来源可能相同，若相关性较小，则可能存在多个来源[16-17]。由研究区土壤重金属相关系数（表4）可以看出，As、Pb和Cr这3种元素两两之间均存在显著相关性，Cr和Cd、Ni和Cd、Ni和As之间存在极显著相关性，说明这5种元素部分来源可能一致。
　　2.3 地累积指数法评价
　　图5为5种土壤重金属的地累积指数的范围，根据平均值，5种重金属污染程度由强到弱依次为Cd>As>Ni>Cr>Pb。大部分样点的As和Cd地累积指数大于0，个别样点的As为0.5～1.0，Cd为1～2;Cr和Ni元素地累积指数多数小于0，仅有个别样点略大于0;Pb元素所有样点的地累积指数均小于0。，As、Cr和Ni处于轻度—中等污染水平，Cd存在中等污染，Pb则未对土壤造成污染。
　　2.4 潜在风险指数法评价 表5为土壤重金属潜在生态风险指数，从单因子潜在生态风险指数可以看出，研究区5种重金属平均风险指数由大到小依次为Cd>As>Ni>Pb>Cr。Cd的风险指数在33.71～97.73，平均值为66.91，处于强风险等级;其余4种重金属风险指数均未超过40，处于轻微等级。
　　研究区重金属RI均值为99.96，为56.58～136.01，属轻微风险等级。总体看属轻微污染，其中Cd是该区域土壤潜在生态风险的主要影响因子。
　　3 讨论
　　研究区主要发展农业种植和畜禽养殖，在规模化种植、养殖过程中，为了提高产量，农户长期以来都不同程度地施用大量的化肥、农药、地膜及饲料等，这些直接混入农田土壤中，参与了生产作用过程，并形成累积性重金属污染。张晓艺[18]的农药化肥中主要污染物是Cd、As和Cr等研究证实这一情况;同时宋玉婷等[19]、郭振等[20]研究也证明了塑料大棚和地膜等农用薄膜中使用含Cd等重金属的热稳定剂会造成土壤污染;此外，Li等[21]研究发现集约化奶牛场饲料样品中都含有重金属，且Cd、Cr和Pb的浓度均高于我国饲料标准，同时，在牛粪中也检测到了重金属的存在，进一步验证了重金属污染的多途径来源。据阜阳统计年鉴显示[22]，2017年阜阳市种植面积达125.86万hm2，牧业养殖数量为528.63万头（只），比2016年增加了3.1%。同时，2017年阜阳化肥施用量为35.72万t，农药使用量为6 770 t，农用塑料薄膜使用量为2.03万t，虽比2016年有所减少，但用量仍较大。因此可大致判断出，研究区中Cd、Cr的污染来源为化肥农药、地膜及饲料等大量使用。
　　其次，研究区内农业机械化较为普遍，田间车辆尾气排放及轮胎磨损会产生Pb、Ni和As等有害气体和粉尘，经过降雨的淋滤和大气沉降进入周边耕地内，对土壤造成污染。研究表明，汽车尾气含铅量为0.02～0.05 mg/L，最高可达01 mg/L。研究显示，车流量大的地区，土壤中Pb、As、Cr和Ni含量会有明显增加[23-24]。据阜阳市统计年鉴，2017年阜阳市大中小型拖拉机达15.13万台，联合收割机、脱粒机等共有5.98万台，车辆总数呈上升趋势，汽车尾气排放量也会随之增长，使得土壤中重金属浓度升高。因此，区内Pb、As、Cr和Ni集聚与汽车尾气排放具有密切关系。
　　此外，该区农田土壤重金属污染也与煤矿开采和燃煤活
　　动密切相关，煤炭中含有Cd、Ni和Pb等重金属，在开采和
　　燃烧过程中會产生大量粉尘并沉降在矿区附近的土壤中，类似采煤区的研究资料可作相关旁证证明。崔东等[25]研究发现，伊犁河谷煤矿区土壤重金属污染严重，其中Cd超标最为明显，煤矿周边的农用地均达到重度污染。徐玉霞等[26]研究发现，宝鸡市麟游县煤矿区周边农田Hg元素的污染较严重，Cd元素次之。姚盛翔等[27]对某燃煤电厂废弃灰场土壤中重金属进行测定分析，发现Cu、Cd、Ni污染严重。资料显示，2017年阜阳市共消耗煤炭606.71万t，占能源消耗总量的78.41%。煤炭的大量开采及使用，也可能是该区Cd、Ni等重金属污染的一大来源，需要进一步调查研究。 　　4 结论
　　（1）研究区采样土壤中As、Pb、Cr、Ni和Cd的平均含量均超过安徽省土壤重金属背景值，仅Cd超过土壤质量二级标准值，区域土壤中Cd存在污染。5种元素在浅部含量变化较大，深部含量变化较小，且随着深度增加，重金属含量总体呈先减后增的趋势，深层土壤重金属含量通常低于表层土壤。
　　（2）地累积指数评价法研究结果表明，研究区土壤重金属污染程度由强到弱依次为Cd>As>Ni>Cr>Pb。土壤中As、Cr和Ni处于轻度—中等污染水平，Cd存在中等污染，未受到Pb污染。
　　（3）潜在生态风险指数评价法研究结果表明，研究区5种重金属平均风险指数由大到小顺序为Cd>As>Ni>Pb>Cr，Cd处于强风险等级，其余4种重金属均属于轻微等级。整个研究区域属轻微风险等级，Cd是该区域土壤潜在生态风险的主要影响因子。
　　（4）通过土壤污染源成因的相关性分析可知，研究区内重金属来源存在部分一致性，主要包括农药化肥、地膜的使用，汽车尾气排放，煤矿开采以及燃煤活动等。
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