樂陵山東省樂陵河口地區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀與分布遷移規(guī)律

樂陵山東省樂陵河口地區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀與分布遷移規(guī)律

土壤、氣候、水文、照明、地形等是影響農業(yè)生態(tài)的重要因素。除各種人為因素外,土壤化學成分是影響農產品品質的重要因素。土壤的主要成分約90%來自基巖風化物或成土母質,營養(yǎng)元素與基巖、成土母質的關系尤為密切。對農作物產區(qū)進行生態(tài)地球化學調查,可以充分利用土壤的潛在資源,改造和調整不良土壤的地球化學環(huán)境,優(yōu)化種植結構,選擇并培育新的優(yōu)良品種,發(fā)展現(xiàn)代化農業(yè)。目前,國內已對土壤中化學元素的含量與分布進行了大量研究,其成果在農作物種植的應用中取得了突出的成效。樂陵—河口地區(qū)是山東省北部重要的糧棉產區(qū)和樂陵小棗生產基地,位于山東半島藍色經濟區(qū)和黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)。隨著工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展,地質與地球化學環(huán)境變化對當?shù)赜绊戄^大,導致生態(tài)環(huán)境問題不斷出現(xiàn)。筆者通過開展山東省樂陵—河口地區(qū)多目標區(qū)域地球化學調查,根據(jù)“全國土壤現(xiàn)狀調查及污染防治”項目取得的地球化學數(shù)據(jù),研究重金屬元素分布、分配特征,進行國土資源環(huán)境評價與基礎地質研究,為山東半島藍色經濟區(qū)和黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)等國家戰(zhàn)略性規(guī)劃和發(fā)展提供依據(jù)。1地表細、深基性樂陵—河口位于華北地塊南部,受斷裂活動的影響和控制,形成了眾多凹凸相間的構造格局,地表全部為第四系地層,以黃河沖積沉積物為主。區(qū)內斷裂發(fā)育,第四紀火山活動強烈,在無棣大山鎮(zhèn)形成一座中心噴發(fā)式火山錐,海拔63.4m,是華北平原唯一露頭的火山。2樣品測定和分析過程基本結果,即表生長度和基土壤是元素在地理環(huán)境中循環(huán)的一個重要介質,土壤中重金屬元素的含量直接控制著研究區(qū)的土壤質量和污染程度。多目標區(qū)域地球化學調查采用雙層網格化土壤測量方法,按照代表性、均勻性與合理性原則系統(tǒng)采集土壤表層樣品(0～0.2m)和深層樣品(厚覆蓋區(qū)1.5m以下)。表層樣品采樣密度為1個點/km2(灘涂區(qū)1個點/4km2),按1個點/4km2組合分析,深層樣品采樣密度為1個點/4km2,按1個點/16km2組合分析,主要測試54項元素指標。所有測試嚴格按照國家行業(yè)標準進行檢驗分析,分析質量和精度均符合要求。根據(jù)1∶25萬多目標區(qū)域地球化學調查結果,研究區(qū)土壤中重金屬元素的背景值均高于基準值,說明重金屬元素在表生條件下有相對富集的趨勢,尤其是Cd、Hg、Pb的表生富集趨勢較明顯,受人類活動影響最大,是區(qū)內土壤污染的主要因子。通過全國土壤基準值和背景值對比發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內Cd、Cr、F的基準值相對富集,Cd、Cr、F、Ni、As的背景值相對較高(表1)。3重金屬元素分布與地球化學環(huán)境的關系3.1hg與其他重金屬元素的空間分布利用SPSS軟件對土壤重金屬元素進行相關性分析(表2),結果表明,Cd與As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等的相關性顯著,As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的區(qū)域分布也基本一致。Hg與其他元素相關性不顯著,其空間分布特征明顯不同于其他重金屬元素。Hg的高背景區(qū)主要分布在德州城區(qū)北部的二屯、長莊、東辛店—尚堂一帶及無棣縣城、信陽、水灣等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。3.2土壤重金屬污染評價3.2.1土壤質量等級評價土壤元素污染等級劃分是多目標區(qū)域地球化學調查工作的一部分,是以土壤元素基準值為基礎,對土壤含量進行等級劃分,確定外來污染物對土壤元素含量的影響程度,為土地質量等級評定、生態(tài)地球化學預警、土壤污染治理提供基礎資料。土壤重金屬污染引用原始地質地球化學背景基礎上疊加的人為污染的概念,評價標準采用區(qū)域土壤元素基準上限值(即基準值加上2倍標準差),以基準上限值的1、2、3等整數(shù)倍進行分級,具體取值見表3。3.2.2評估方法通過計算污染指數(shù)來確定土壤重金屬的污染程度,其中,單因子評價通常采用分指數(shù)法,多因子評價一般采用污染綜合指數(shù)。(1)確定污染程度分指數(shù)法是逐一計算土壤中各主要污染物的污染分指數(shù),以確定污染程度,公式為Pi=Ci/C0i?Ρi=Ci/C0i?式中Pi為土壤中i污染物的污染分指數(shù);Ci為土壤中i污染物的實測含量;C0i為i污染物的評價標準。(2)土壤污染指數(shù)p內梅羅綜合污染指數(shù)是計算土壤中各主要污染物的綜合污染指數(shù),以確定土壤環(huán)境綜合污染程度,公式為P=(Iimax)2+(1nΣi=1nI2)2???????????√?Ρ=(Ιimax)2+(1nΣi=1nΙ2)2?式中,P為土壤污染綜合指數(shù);Ii為土壤中i污染物的污染指數(shù);n為土壤中參與評價的污染物種類。P<1為未污染,P>1為已污染,P值越大,土壤污染程度越嚴重。根據(jù)P值變化幅度,結合作物受害程度和污染物累積狀況,進一步劃分為輕度污染(1<P≤2)、中度污染(2<P≤4)和重度污染(P>4)。3.2.3存在嚴重的同質污染研究區(qū)土壤中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分指數(shù)評價結果見表4。從表4可見,區(qū)內土壤以清潔型為主,As、Cr、Cu、Ni的土壤清潔率在90%以上,只有稍微的輕度污染;Zn的土壤清潔率在88%以上,有少量的輕度污染;Pb的土壤清潔率接近80%,除少量輕度污染外,在河口城區(qū)東部的采油區(qū)有點狀中度污染區(qū)和嚴重污染區(qū);Cd、Hg是區(qū)內污染較重的兩個指標,土壤清潔率大于55%,接近60%,在德州市德城區(qū)、樂陵市、無棣縣、河口區(qū)的城區(qū)及近郊有輕度污染區(qū),在河口城區(qū)、孤島油田、樂陵市城區(qū)、無棣縣城、信陽縣城區(qū)等有中度污染區(qū),嚴重污染區(qū)主要在德州城區(qū)、無棣縣城、信陽縣城等地。3.2.4污染區(qū)分布擴研究區(qū)內土壤重金屬綜合污染評價見圖1。土壤重金屬綜合污染區(qū)分布特征表明,輕污染區(qū)分布廣泛,面積達4476.3km2(表5),主要分布在德州市德城區(qū)、寧津縣、樂陵市、慶云縣、無棣縣等地,在河口區(qū)、孤島油田也有少量分布;中度污染區(qū)主要分布在德州市德城區(qū)、樂陵市、無棣縣、信陽、河口區(qū)等城區(qū),面積達53.8km2;嚴重污染區(qū)在河口區(qū)有零星分布,面積僅3.0km2;其余均為清潔區(qū)土壤,面積達5441.4km2,主要分布在無棣縣、沾化縣、河口區(qū)的濱海區(qū),位于山東半島藍色經濟區(qū)和黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)之中。4污染土壤元素異常土壤中的重金屬污染主要有Hg、Cd、Pb、Cr及類金屬As等生物毒性顯著的元素,以及有一定毒性的Zn、Cu、Ni等。農田中過量的重金屬是作物生長和人類健康的嚴重威脅。土壤中的重金屬含量除受成土母質影響外,主要受人類活動的影響,如化肥、農藥的施用,工業(yè)、交通和礦業(yè)污染等,造成土壤重金屬元素的表層富集。為追蹤樂陵—河口地區(qū)污染土壤中Cd、Hg、Pb等的來源,采集分析了土壤剖面、植物根系土和水等介質,其中水樣部分分析結果見表6。參照灌溉水質量標準值(GB5084-2005)和地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)的基本項目標準限值,可以看出,污染區(qū)地表水體污濁、腥臭,富營養(yǎng)化嚴重,有毒有害元素F等嚴重超標,為劣Ⅴ類水質。F含量最大為52.47mg/L,是灌溉水限量標準(2mg/L)的26倍多,最小為Ⅲ類水標準(1mg/L)的1.34倍,平均值為灌溉水標準的10倍?？侼含量除2個水樣中低于灌溉水標準外,其余水樣均超標,最小值為灌溉水標準的1.4倍,最大為4.6倍。同時,總N含量全部超過Ⅴ類水標準限值(2mg/L),最大值為Ⅴ類水標準限值的68.4倍,最小值為7.8倍,平均值為36.5倍。由此可見,異常區(qū)內地表水體污染嚴重,尤其是有毒有害元素污染程度嚴重,是區(qū)內元素異常的主要來源。橫跨土壤重金屬污染區(qū)進行土壤橫剖面采樣,可以看出,土壤橫剖面中Cd、Hg、Se、Pb的異常峰值處與污染嚴重的污灌區(qū)吻合度高(圖2),驗證了地表污染水體是土壤污染的主要供源體。5重金屬元素在秸稈桿中的生物作用研究區(qū)污染土壤中Cd、Hg、Pb等在根系土、小麥秸桿和籽實中的含量分布見表7。小麥桔桿、小麥籽實與土壤根系土中重金屬含量呈正相關關系,且有部分小麥桔桿中Cd、Hg含量相對接近根系土中的含量,D8、D20、D54樣品秸桿中Hg含量接近甚至超過了其根系土中的含量,D8樣品秸桿中Cd含量超過了其根系土中的含量。Cd、Hg在秸桿中具有明顯的生物富集作用和生物放大作用。Zn表現(xiàn)出與其他重金屬元素不同的特征,在小麥籽實中Zn含量明顯大于秸桿,相對接近其在根系土中的含量。水體和土壤中有毒、有害的重金屬,通過遷移、轉化、富集或食物鏈循環(huán),危及生物及人體健康。在自然界中,一種污染物質的毒性能夠被另一種物質所抑制,稱為拮抗作用。例如,Se能夠抑制Hg的毒性,Zn能夠抑制Cd的毒性。從污染區(qū)小麥體中元素富集特征可見,Se、Zn在小麥籽實中的含量普遍較高,人們食用這些小麥及其加工的食品時,因拮抗作用可以降低Cd、Hg等的毒性,進而緩解這些物質對生物及人體健康的危害。6生物活動特性重金屬污染物相態(tài)分布特征決定了它的活性程度和毒性大小。為研究樂陵—河口地區(qū)污染土壤中Cd、Hg、Pb等在根系土中的相態(tài)分布特征,對土壤污染區(qū)的根系土重金屬元素進行相態(tài)分析,結果見圖3。從圖中可以看出,Pb主要以鐵錳結合態(tài)和殘渣態(tài)等穩(wěn)定態(tài)形式存在,占其總量的96%,水溶態(tài)、離子交換態(tài)和碳酸結合態(tài)占4%。As、Cr多以穩(wěn)定態(tài)為主,活動態(tài)平均含量小于3%。Pb、As、Cr相對穩(wěn)定,對環(huán)境危害程度相對較小。Cd、Hg相態(tài)分布相似,其活動態(tài)含量分別達到8%和10%。Cd、Hg進入土壤溶液后通常以可溶態(tài)或懸浮態(tài)存在,它們在溶液中的遷移轉化及生物可利用性均直接與污染物的存在形態(tài)相關。例如,水俁病就是食用了含有甲基汞的魚所致。重金屬對魚類和其他水生生物的毒性,不是與溶液中重金屬總濃度相關,而主要取決于游離(水合)的金屬離子,對于Cd則主要取決于游離的Cd2+濃度,對于Cu則取決于游離的Cu2+及其氫氧化物濃度,大部分穩(wěn)定配合物及其與膠體顆粒結合的形態(tài)都是低毒的。有益元素Se的水溶態(tài)、離子交換態(tài)和碳酸結合態(tài)最高達16%,平均達9%,可見在表生環(huán)境中Se的活化遷移能力較強,不僅對富硒農產品生產的貢獻巨大,也通過拮抗作用有效抑制了Hg的毒性。7小麥種植物對重金屬污染的代