探析長期污灌農(nóng)田土壤重金屬污染與潛在環(huán)境風(fēng)險評價

1、探析長期污灌農(nóng)田土壤重金屬污染與潛在環(huán)境風(fēng)險評價 摘要中國是世界公認(rèn)的13 個貧水國之一，同時也是水污染較為嚴(yán)重的國家。為緩解農(nóng)業(yè)用水，引污水灌溉農(nóng)田在我國北方缺水地區(qū)非常普遍。污灌不僅能顯著提高土壤肥力、促進(jìn)糧食生產(chǎn)，還能有效緩解農(nóng)業(yè)用水緊張，解決城市污水排放等問題。但與此同時，伴隨污灌，也造成各種重金屬元素在土壤中富集，通過土壤-作物系統(tǒng)中遷移和食物鏈傳輸，對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保障農(nóng)產(chǎn)品安全，眾多學(xué)者圍繞污灌區(qū)土壤重金屬環(huán)境容量、重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中賦存形態(tài)及遷移轉(zhuǎn)化、土壤生物及上覆植被重金屬污染響應(yīng)、土壤重金屬復(fù)合污染評價等方面開展了一系列研究，并取得豐碩

2、成果。但相比較而言，針對我國西北干旱半干旱地區(qū)開展污灌農(nóng)田土壤重金屬潛在環(huán)境風(fēng)險的研究則相對較少。為此，本文以某市典型污灌區(qū)為研究對象，系統(tǒng)分析長期污灌條件下土壤重金屬as、cd、cr、cu、hg、ni、pb 和zn 的含量及富集狀況，并采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和hakanson 潛在生態(tài)危害指數(shù)法對該區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀與潛在環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價，旨在為西北地區(qū)污灌農(nóng)田土壤重金屬污染防治、區(qū)域環(huán)境保護(hù)，以及土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供必要理論及決策依據(jù)。 關(guān)鍵詞污水灌溉 土壤重金屬 污染評價 潛在環(huán)境風(fēng)險評價 中圖分類號 f407.1 文獻(xiàn)碼 b 文章編號 1000-405x（2015）-7-356-3 1材料

3、與方法 1.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集 研究區(qū)位于該市西北郊灃惠渠灌區(qū)，面積14.27 km2，介于北緯34183420，東經(jīng)1082010850之間，屬暖溫帶半干旱大陸季風(fēng)性氣候，年均氣溫13.4 ，平均降水量580.17 mm，全年盛行東北風(fēng)和西南風(fēng);該區(qū)地勢平坦，海拔380385 m，成土母質(zhì)為沖積性次生黃土，土層深厚，質(zhì)地勻細(xì)，以黃綿土（按中國土壤系統(tǒng)分類為石灰干潤雛形土，calcaricustic cambosols）為主，土壤養(yǎng)分含量較高。 本研究經(jīng)多次實地走訪、查閱相關(guān)資料，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶協(xié)助下確定農(nóng)田污灌年限及離灌渠距離，于2010 年5 月小麥?zhǔn)斋@前，按隨機均勻布點方式采集農(nóng)田土壤樣

4、品52 份。在每個樣點周圍5 m5 m 正方形范圍內(nèi)設(shè)置628 個樣品采集點，在每個采集點用塑料鏟取表層土壤（020 cm）0.5 kg，均勻混合后取2 kg裝袋帶回，并用gps 記錄正方形中心位置為該采樣點坐標(biāo)，樣點分布見圖1。采集土樣在室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干，撿出石塊、根須等異物，用木棒、瑪瑙研缽等工具磨碎后過100 目尼龍網(wǎng)篩，裝瓶備用。土壤重金屬含量（as、cd、cr、cu、hg、ni、pb、zn）參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（gb 156181995）進(jìn)行測定，并在測試過程中加入標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品（gss17 和gss19）進(jìn)行質(zhì)量控制，分析過程所用試劑為優(yōu)級純;土壤ph 值按土水比12.5 比例

5、混合、攪拌、靜置，ph 計測定。 1.2數(shù)據(jù)處理 在本研究中，對土壤重金屬數(shù)據(jù)整理和描述統(tǒng)計用excel 2010 完成，統(tǒng)計分析用spss 19.0 軟件完成，研究區(qū)及樣點分布圖用arcgis 9.3.1 軟件完成。 2結(jié)果與討論 2.1土壤重金屬含量及富集狀況 表1 為研究區(qū)污灌農(nóng)田土壤重金屬描述統(tǒng)計結(jié)果。8 種土壤重金屬平均含量分別為as 9.88 mgkg-1、cd 1.45 mgkg-1、cr 88.41 mgkg-1、cu 52.24 mgkg-1、hg 1.38 mgkg-1、ni 34.14 mgkg-1、pb 55.01 mgkg-1 和zn 151.16 mgkg-1。經(jīng)與

6、當(dāng)?shù)乇尘爸当容^發(fā)現(xiàn)，cd、cr、cu、hg、ni、pb 和zn 7 種元素的平均含量均高于自然背景水平，其中cd、cu、hg 和zn 的富集比例達(dá)到100%，cr、ni 和pb 的樣品富集個數(shù)也分別有43、42和51 個;在8 種土壤元素中，僅有as 的平均含量略低于背景水平;按富集比例排序為cd=cu=hg=znpbcrnias，前7 種元素在表層土壤中已呈現(xiàn)不同程度累積，僅有as 保持相對清潔。此外，通過比較各元素富集倍數(shù)還發(fā)現(xiàn)，土壤hg 和cd 的平均含量分別達(dá)到本地區(qū)背景含量的10 倍和5 倍，表明該區(qū)由于長期污水灌溉，已導(dǎo)致農(nóng)田土壤hg、cd 元素的顯著富集，應(yīng)引起農(nóng)業(yè)環(huán)境部門重視。

7、 在地球環(huán)境化學(xué)中，土壤元素的累積通常伴隨變異性的增強。因此，作為反映環(huán)境變量總體波動特征的參數(shù)變異系數(shù)，在一定程度上可用于表征各元素的累積狀況。由表1 可知，8 種土壤重金屬變異系數(shù)介于10%90%之間，cd 的變異系數(shù)最大，為85.84%，其次為zn 和hg，分別為64.29%和61.68%，as 的變異系數(shù)最小，僅為12.86%。土壤重金屬按其變異系數(shù)大小可排序為cdznhgcucrpbnias。其中，ni 和as 的變異系數(shù)介于10%15%之間，屬弱變異，反映該兩種元素可能受自然成土因素長期均一化作用，所受人為干擾較少，致使其變幅較小;其余6 種元素的變異系數(shù)主要集中在25%100%之

8、間，屬中等強度變異。由此不難發(fā)現(xiàn)cd、cr、cu、hg、pb 和zn 除了具有較高富集系數(shù)外，同時還具有較大變異性，這預(yù)示著長期污灌對其含量分布存在更多人為因素的擾亂。 2.2土壤重金屬污染評價 經(jīng)上述統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)hg、cd、zn、cu、pb、cr 和ni 已在表層土壤中有不同程度富集。為合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，保障土壤資源可持續(xù)利用，本研究選用國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（gb 156181995）作為污染評價閾值，對8 種重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價，結(jié)果見表2。 由于該區(qū)土壤ph 值介于7.918.89 之間，呈微堿性環(huán)境，故選擇國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)ph 7.5 的二級限量值作為污染判斷閾值。由表2 可知

9、，8種土壤重金屬中，僅有cd、hg 的單項污染指數(shù)平均值大于1，分別為2.42 和1.38，屬中度污染和輕度污染;其余6 種元素的污染指數(shù)均低于0.70，總體為清潔水平。按單因子污染指數(shù)平均值依次排序為cdhgnicuznascrpb。 分別將52 份土壤樣品的重金屬含量與污染限量值比較后發(fā)現(xiàn)：所有樣品as、ni、pb 含量均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)25、60 mgkg-1 和350 mgkg-1，屬清潔或警戒水平;所有樣品中，有23 份土樣的cr、cu 和zn 含量高于其對應(yīng)限量值，達(dá)到污染水平，其中有1 份樣品的zn 含量超過污染標(biāo)準(zhǔn)（300mgkg-1）2 倍，屬中度污染，其余為輕度

10、污染;對于cd、hg 而言，則分別有42 份和30 份樣品的污染指數(shù)大于1，其余未超過污染標(biāo)準(zhǔn)，在所有已污染樣品中，分別有38.46%和42.31%的樣品cd、hg 含量達(dá)到所規(guī)定的輕度污染，19.23%和7.69%處于中度污染，剩余23.08%和7.69%達(dá)到重度污染;由于該區(qū)土壤cd、hg 污染較為普遍，已導(dǎo)致所有樣品綜合污染指數(shù)較高，其中76.92%的樣品受到不同程度污染，僅有不足5%的樣品綜合污染指數(shù)低于0.7，處于安全水平。 從評價結(jié)果來看，該區(qū)農(nóng)田土壤cd、hg、cr、cu、zn 5 種元素已表現(xiàn)出不同程度污染，其中cd 和hg 污染尤為嚴(yán)重。由于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中pb、cu和

11、zn 的污染限量值分別為350、100 mgkg-1 和300mgkg-1，盡管此3 種元素的富集比例均已超過98%，但其含量仍遠(yuǎn)低于污染限量值，從而導(dǎo)致其污染指數(shù)普遍較低;而對于ni 而言，即使其富集倍數(shù)僅為自然背景水平的1.09 倍，但由于其污染限量值僅為60mgkg-1，從而導(dǎo)致其平均污染指數(shù)仍較高于cu、zn、pb 等元素。 2.3土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險評價 8 種土壤重金屬的環(huán)境風(fēng)險系數(shù)（eir）及綜合危害指數(shù)（ri）如表3 所示。由表可知：as、cr、cu、ni、pb 和zn 6 種元素的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)eir 均低于40，其污染風(fēng)險輕微;而對于cd 元素而言，僅有30.77%的土樣污染風(fēng)

12、險處于輕微水平，其余69.23%的eir40，其中，80eircdpbcuasnicrzn。 本區(qū)土壤cd、hg 具有較強污染風(fēng)險，從而導(dǎo)致其綜合環(huán)境風(fēng)險增強，平均ri 值達(dá)到335.16，總體處于強風(fēng)險水平;在52 份土壤樣品中，51.93%的樣品呈現(xiàn)“強”或“極強”環(huán)境危害?？梢?，長期污水灌溉已對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。 在本研究中，土壤重金屬污染評價結(jié)果與環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果之間存在一些差異，主要區(qū)別在as、pb 和zn 3 種元素。as 雖在本研究中富集倍數(shù)最低，尚未受到污染，但由于其生物毒性效應(yīng)較高（tir =10），其環(huán)境風(fēng)險也隨之上升;反之，由于zn 是一種重要的植物營養(yǎng)元素，

13、其毒性響應(yīng)系數(shù)最?。▋H為1），其環(huán)境風(fēng)險亦降至最低;而元素pb 由于其風(fēng)險評價參比值較低（cin =25 mgkg-1），導(dǎo)致其在環(huán)境風(fēng)險中的排序相對污染排序有所上升。 在本研究中，污染評價是通過實測值與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限量值比較而實現(xiàn)的，主要側(cè)重揭示外源重金屬的土壤累積程度，強調(diào)農(nóng)田土壤按照國家限量標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)到污染水平;而環(huán)境風(fēng)險評價則除了考慮工業(yè)化以來各種人為因素引起表層土壤重金屬累積程度外，還側(cè)重考慮了不同元素對生物的毒性影響，并通過加權(quán)求和突出了多元素污染風(fēng)險的協(xié)同效應(yīng)，這為決策者從作物安全角度理解重金屬污染、進(jìn)行科學(xué)決策提供了更豐富的信息。 3結(jié)論 （1）在長期污灌條件下，灌區(qū)土壤重金屬按污染指數(shù)由強至弱依次為cdhgnicuznascrpb，其中，cd 和hg 污染尤為嚴(yán)重