韓城農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染現(xiàn)狀研究

摘要：為研究關(guān)中灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的累積與分布特征，評(píng)價(jià)土壤污染現(xiàn)狀，以陜西省韓城市農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，按照地理信息要求布點(diǎn)采樣，分析了表層土壤中5種重金屬的含量，并運(yùn)用單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，Cr、Cu的污染情況較嚴(yán)重，Pb處于輕度污染，Zn、Mn的污染程度較低。從綜合污染指數(shù)來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤重金屬處于重度污染水平。從空間分布來(lái)看韓城西南部地區(qū)重金屬污染最為嚴(yán)重，西北部地區(qū)最輕。建議當(dāng)?shù)夭扇∵m當(dāng)措施，加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)污染的防治工作，避免對(duì)人體健康造成危害。

關(guān)鍵詞：韓城；土壤重金屬；空間分布特征；污染評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：S163.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）04-0798-04

Situation of Heavy Metals Pollution in the Agricultural Soil of Hancheng City

HU Ming

（College of Chemistry and Life Science，Weinan Normal University / Key Laboratory for Eco-environment of Multi-River Wetlands in Shaanxi Province，Weinan 714000，Shaanxi， China）

Abstract： In order to study the soil distribution characteristics of heavy metals in Hancheng city， contents of 5 heavy mentals in surface sediments were sampled and analyzed. The single factor pollution index and comprehensive pollution index were used to evaluate the data. The results showed that the pollution of Cr， Cu were serious. Pb was in the state of light pollution and the levels of Zn， Mn were the lowest. Analyzed with the comprehensive pollution index， the heavy metal pollution of agricultural soil in Hancheng city was in the state of high pollution. With the view of spatial distribution， heavy metal pollution in the southwest area of Hancheng was the most serious， and the northwest area was the lightest. It was suggested that appropriate measures should be taken to prevent and control metal pollution in the region to avoid making harm to human health.

Key words： Hancheng city； soil heavy metal； spatial distribution characteristics； pollution assessment

農(nóng)田土壤重金屬污染狀況、污染機(jī)理及其修復(fù)直接關(guān)系到人們的身體健康與社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展，倍受各級(jí)政府的關(guān)注，是當(dāng)今土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究所面臨的重要課題。農(nóng)田土壤污染因素很多，在自然條件下土壤中重金屬含量高低受到成土母質(zhì)以及生物殘落物的影響。除此以外，在現(xiàn)代社會(huì)背景下，土壤處在自然環(huán)境的中心位置，承納著來(lái)自工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活污水、固體廢棄物、農(nóng)藥化肥、大氣降塵及其酸雨等多方面的約90%的污染物[1]。農(nóng)田土壤中重金屬含量的高低直接影響到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。全國(guó)大約有20%的糧食、34%的農(nóng)畜產(chǎn)品和56%的蔬菜因質(zhì)量安全問(wèn)題危及著人們的身體健康[2]。

關(guān)中灌區(qū)在工業(yè)的影響下，河流重金屬污染相對(duì)比較嚴(yán)重，根據(jù)汪新生等[3]的研究，陜西省2007年工業(yè)重金屬，主要是重金屬鉛、鎘、六價(jià)鉻被排放到渭河流域，而關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)依賴(lài)渭河灌溉，這對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量勢(shì)必產(chǎn)生較大影響。已有學(xué)者對(duì)關(guān)中灌區(qū)土壤污染狀況開(kāi)展過(guò)研究，鄭國(guó)璋[4]以背景值為指標(biāo)，對(duì)于關(guān)中地區(qū)寶雞峽灌區(qū)、交口灌區(qū)、洛惠東灌區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中Cd、As、Cr、Pb等重金屬元素的污染程度進(jìn)行研究，得出關(guān)中灌區(qū)土壤重金屬綜合累積程度從高到低依次為交口灌區(qū)、寶雞峽灌區(qū)、洛惠東灌區(qū)，灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Pb的累積程度普遍較高，主要是長(zhǎng)期污水灌溉所致。易秀等[5]對(duì)涇惠灌區(qū)土壤中Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn等7種重金屬含量的研究發(fā)現(xiàn)部分點(diǎn)位屬于中度污染。

本研究以陜西省韓城市農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，對(duì)受到渭河灌溉以及金礦開(kāi)采影響下的農(nóng)業(yè)土壤污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，并繪制出農(nóng)田土壤中重金屬累積與空間分布狀況圖，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全及其土壤管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究對(duì)象為韓城，區(qū)域地理坐標(biāo)34°37′-35°19′N(xiāo)，110°17′-110°29′E，屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 在研究區(qū)域內(nèi)共選取了25個(gè)采樣地塊，采樣點(diǎn)布局見(jiàn)圖1，每個(gè)地塊設(shè)置15個(gè)重復(fù)，采集0～20 cm耕層的土壤樣并充分混合，用四分法取500 g樣品放入聚乙烯塑料袋。

1.2.2 樣品前處理 將采集的土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，風(fēng)干前盡可能剔除枯枝落葉、根莖、石子、動(dòng)物殘?bào)w等雜質(zhì)，待完全風(fēng)干后，用木棒碾碎過(guò)2 mm篩，將每個(gè)樣品取出100 g左右，供測(cè)定土樣有機(jī)質(zhì)和重金屬的含量用。

1.2.3 樣品分析 土壤樣品經(jīng)過(guò)濃硝酸、濃鹽酸、氫氟酸、高氯酸消解后，利用原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定[6]。

1.2.4 評(píng)價(jià)方法 采用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法相結(jié)合的方法，評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤重金屬的污染程度。單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)，即以介質(zhì)中某污染物含量值與該污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比作為污染指數(shù)；通常用來(lái)評(píng)價(jià)單污染元素對(duì)土壤質(zhì)量的污染程度，單項(xiàng)污染指數(shù)愈小，說(shuō)明環(huán)境介質(zhì)中受這種元素的污染程度愈輕[7]，其計(jì)算公式為：

式中，Pi為i污染物的污染指數(shù)；Ci為i污染物的實(shí)測(cè)值；Si為i污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Pi≤1，表示未受污染；Pi>1表示已受污染，其值越大受污染程度越嚴(yán)重。根據(jù)式（1）計(jì)算出的污染指數(shù)可以對(duì)元素污染程度進(jìn)行分級(jí)，單項(xiàng)污染指數(shù)的評(píng)價(jià)方法，其實(shí)是計(jì)算超出背景值的倍數(shù)。本研究以當(dāng)?shù)赝寥乐性乇尘爸礫8]作為污染指數(shù)的基數(shù)進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)。

綜合污染指數(shù)采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)[7]，計(jì)算公式如下：

式中，Piave和Pimax分別是平均單項(xiàng)污染指數(shù)和最大單項(xiàng)污染指數(shù)。內(nèi)梅羅污染指數(shù)較多地強(qiáng)調(diào)了最大污染指數(shù)對(duì)環(huán)境的影響，易造成計(jì)算結(jié)果的失真，而采用姚志麒[9]對(duì)平均值賦予較大權(quán)系數(shù)（X/Y）的方法可解決該問(wèn)題。X代表最大單項(xiàng)污染指數(shù)，Y代表平均單項(xiàng)污染指數(shù)，則公式（2）可寫(xiě)成公式（3）：

在式（3）中，P綜為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；Pi為單因子污染指數(shù)；Pimax為最大單項(xiàng)污染指數(shù)；n為污染項(xiàng)目數(shù)。

空間分析利用ARCGIS 9.3地理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析模塊獲取研究區(qū)域土壤重金屬的空間分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬統(tǒng)計(jì)與對(duì)比

對(duì)所采樣品進(jìn)行一定的篩選，剔除可能因?yàn)榉治鍪д`所造成的可疑數(shù)據(jù)，然后把選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。表1為韓城土壤中5種重金屬含量基本統(tǒng)計(jì)信息。從表1可以看出，Zn、Pb、Cr、Cu、Mn 5種元素的變異系數(shù)介于0.21～0.40之間。變異系數(shù)反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，其值越大表示數(shù)據(jù)離散度越高，其值越小越離散度越小。由此可見(jiàn)，這5種重金屬各樣點(diǎn)間具有一定的離散度，Cu的離散程度相對(duì)于其他4種重金屬元素較高。

研究區(qū)綜合污染指數(shù)的范圍為2.49～5.97，平均值為3.61。劃分等級(jí)后，研究區(qū)土壤樣點(diǎn)主要集中在重度污染，占到了總樣本數(shù)的64%，其余36%為中度污染，說(shuō)明當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)土壤重金屬污染情況較為嚴(yán)重，在農(nóng)業(yè)操作當(dāng)中應(yīng)該重視重金屬對(duì)土壤的污染。有研究表明土壤中的重金屬污染的原因主要有礦石開(kāi)采、城市化建設(shè)、固體廢棄物堆積、施用化肥、污水灌溉等原因[10，11]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤又主要依賴(lài)黃河、渭河的污水漫灌以及長(zhǎng)期施用化學(xué)肥料，這些是造成當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)土壤重金屬污染程度較高的主要原因。總體而言，韓城市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染較為嚴(yán)重。

2.3 土壤重金屬污染分布情況

從圖2中Zn的分布可以看出，在研究區(qū)的西南部地區(qū)土壤Zn的富集程度較高，整個(gè)北部地區(qū)的含量較低，其他地區(qū)都處于中間水平。但從整體上來(lái)看，農(nóng)業(yè)土壤中Zn的污染水平較低，仍處于一個(gè)相對(duì)安全的范圍內(nèi)。圖3中土壤Pb的污染范圍及程度與Zn相近。

農(nóng)業(yè)土壤中Cr的分布為西南部地區(qū)污染程度較高，中部偏東污染程度相對(duì)較高，其他地區(qū)污染程度較一致（圖4）。但從表2可以看出，研究區(qū)Cr污染已經(jīng)非常嚴(yán)重，再結(jié)合Cr的空間分布情況可以得到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)土壤中Cr的污染在西部及西南部地區(qū)最為嚴(yán)重。從圖5可以看出韓城農(nóng)業(yè)土壤中Cu的污染現(xiàn)狀，其空間分布為南部地區(qū)污染最為嚴(yán)重，向東北部污染程度逐漸降低，但在中部偏東土壤中Cu含量相對(duì)較高，中部及西北部地區(qū)的Cu污染程度最低。結(jié)合表2來(lái)看，研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中Cr、Cu的污染程度非常高，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cr和Cu的治理。

從Mn在研究區(qū)的空間分布情況（圖6）來(lái)看，土壤中Mn污染較以上幾種重金屬有所差異，除南部地區(qū)污染嚴(yán)重外，其他地區(qū)也有污染相對(duì)嚴(yán)重的點(diǎn)，但并未造成較大面積的集中污染。結(jié)合表2可以看出， Mn只在少部分采樣地塊出現(xiàn)了輕度污染，其他大部分樣地仍然處于清潔、尚清潔水平。

由于受到Cr、Cu兩種重金屬的影響，研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤重金屬的綜合污染指數(shù)分布規(guī)律也與Cr、Cu的分布規(guī)律相似，即西南部地區(qū)污染嚴(yán)重，西北部地區(qū)污染相對(duì)較輕，其他地區(qū)的污染程度處于兩者之間（圖7）。

3 結(jié)論

1）研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤重金屬中Cr、Cu污染情況最為嚴(yán)重，污染指數(shù)平均值分別為4.93、4.55，已達(dá)到重度污染水平。在所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，Cr、Cu重度污染點(diǎn)分別占100%和84%。Pb在研究區(qū)內(nèi)主要為輕度污染。Zn、Mn處于較安全的范圍。

2）從農(nóng)業(yè)土壤中Zn、Pb、Cr、Cu的空間分布可以看出，西南部地區(qū)重金屬的積累程度較高。

3）從綜合污染指數(shù)空間分布來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤的重金屬污染處于重度污染水平，且研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤西南部污染較為嚴(yán)重，西北部污染較輕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邢光熹，朱建國(guó).土壤微量元素和稀土元素化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2] 夏家淇.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)詳解[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[3] 汪新生，郭 琦.陜西省重金屬污染特征分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2011，27（4）：22-27.

[4] 鄭國(guó)璋.關(guān)中灌區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].土壤通報(bào)，2010，41（2）：473-478.

[5] 易 秀，谷曉靜，侯燕卿，等.陜西省涇惠渠灌區(qū)土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28（6）：217-221.

[6] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[7] 陳玉娟，溫琰茂，柴世偉.珠江三角洲農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量特征研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（3）：75-77.

[8] 中國(guó)環(huán)境檢測(cè)總站.中國(guó)土壤元素背景值[M]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

[9] 姚志麒.關(guān)于采用環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的幾個(gè)問(wèn)題[J].環(huán)境科學(xué)，1979（2）：37-45.

[10] CHEN H M， ZHENG C R， TU C， et al. Heavy metal pollution in soils in China：status and countermeasures[J]. Ambio，1999，28（2）：130-134.

[11] NICHOLSON F A， SMITH S R， ALLOWAY B J， et al. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J]. The Science of the Total Environment， 2003，311（1-3）：205-219.