基于重金屬污染的太原市小店污灌區土壤綜合肥力質量評價

韓文輝，趙 穎，劉 娟

(山西省環境科學研究院，山西 太原 030027)

土壤質量的核心之一是土壤生產力，基礎是土壤肥力質量[1]。土壤肥力質量高低直接影響作物的正常生長。在農業用水形勢緊張的北方地區，城鎮近郊農業灌溉的主要水源為污水[2]。大范圍進行污灌必然導致一系列的土壤污染[3]：土壤中鹽分高濃度累積，引起土壤次生鹽漬化；有毒重金屬[4]被帶入土壤中，產生深度的土壤污染[5]，在土壤中具有隱蔽性、長期性和不可逆性，且不易降解，土壤難以恢復[6]，尤其新老污染物質并存[7]，使得土壤肥力進一步受到嚴重影響。因此，對污灌區土壤進行肥力評價就具有一定的必要性。綜合評價土壤肥力能夠揭示土壤內在屬性[8]，獲取研究區土壤肥力質量現狀及其空間地域分布特征，指導當地作物布局和農業產業結構調整，為研究區土壤肥力提升和土壤環境調控提供支持[9]，對進一步合理施肥與培肥地力具有重大的現實意義。

太原污灌區是我國污灌歷史較長、面積較大的典型污灌區之一，長期污灌已使土壤的性質發生了較大的變化[10]。污灌區在太原市的分布主要集中在晉源區、小店區和清徐縣[11]，其中以小店區最具有代表性。本研究以太原小店污灌區為研究區域，選取土壤養分及物理指標作為評價指標，依照土壤重金屬綜合污染指數法將35個樣本點按污染程度進行分類，然后根據模糊數學和多元統計分析原理分別計算各肥力指標的隸屬度和權重系數，再利用加乘法原則得出綜合肥力指標(IFI)值，最終對研究區域土壤肥力質量進行分區評價。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

太原市小店污灌區地處太原盆地中部、汾河東岸、瀟河以北，主體為兩河的沖積平原區，東北角跨入太原東山，地理位置112°24′～112°43′E、37°36'～37°49′N，轄區面積295 km2，人口51萬人。污灌區屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫9.6 ℃，年均降水量495 mm左右[12]，有30多年的引污灌溉歷史。目前污灌區有耕地1.37萬hm2，是太原市重要的副食品生產基地，種植的主要作物是小麥、玉米和蔬菜。小店區污水經由境內的3條主干渠，通過網羅密布的支渠、斗渠、毛渠輸送到各個鄉鎮的農田。3條主干渠分別是東干渠(南北走向)、北張退水渠(南北走向)、太榆退水渠(東西走向)，渠內污水主要來自太原市區的生活污水，還有部分經處理的工業廢水[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與制備

2015年4月在灌區的3條污灌渠附近采集供試土樣，采樣點位按污水渠流向采用網格布點法布設，同時考慮污水水質、土壤類型、污灌歷史等因素，分別于小店區北部、中部及西南部布設7、12、16個采樣點，其中：北部采樣點編號為11、17、27、28、33、34、35，西南部采樣點編號為2、3、4、6、7、12、14、15、16、19、20、21、22、23、25、26，中部采樣點編號為1、5、8、9、10、13、18、24、29、30、31、32(采樣點位置見圖1)。對每個樣點進行GPS定位，取其0～10 cm表層土壤，并將所取樣品于通風避光的室內自然風干，再去粗研磨、去除雜物，分別過2和0.2 mm孔徑尼龍篩，裝袋備用。對采集的土樣進行肥力指標含量測定，以評估研究區的土壤肥力水平。

1.2.2 測定項目與方法

測定項目：重金屬砷、汞、鎘、鉛、鉻、銅、鋅含量，有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，電導率，陽離子交換量，pH值。

測定方法：土壤重金屬含量參照文獻[14-15]中的方法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用半微量開氏法測定，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬藍比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定，堿解氮、有效磷、速效鉀分別采用改進的凱氏定氮儀蒸餾法[16]、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法[17]和醋酸銨浸提-火焰光度法測定；陽離子交換量采用乙酸鈉浸提-火焰光度法測定，電導率采用電極法測定[18]，pH值采用1∶2.5土水比的懸濁液法測定[19]。

圖1 太原市小店污灌區采樣點位置

1.2.3 土壤重金屬綜合污染指數法

以國家《土壤環境質量標準(修訂)》(GB 15618—2008)(征求意見稿)中二級限量值作為污染評價參考值(表1)，采用單因子污染指數和綜合污染指數，對7種土壤重金屬污染進行評估。

表1 國家土壤環境質量標準二級限量值

單因子污染指數計算公式為

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為土壤重金屬i的單項污染指數；Ci為土壤重金屬i的實測值；Si為重金屬i的評價標準值。

綜合污染指數計算公式為

(2)

式中：Pimean和Pimax分別為單因子平均污染指數和單因子最大污染指數。

污染評價等級劃分見表2。

表2 污染評價分級標準

1.2.4 土壤肥力質量綜合評價

首先選取評價指標。評價指標體系的選擇和建立，是土壤肥力質量評價的重要內容，也是保證整個肥力質量評價的基礎。評價指標選取參照主成分分析結果進行，應用SPSS統計軟件對土壤肥力質量評價10項主要指標(有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、電導率、陽離子交換量、pH值)進行主成分分析，分別選取第一和第二主成分包含的土壤肥力因子——有效磷、速效鉀、堿解氮、陽離子交換量、有機質和pH值作為評價指標。

然后確定隸屬度函數。利用隸屬度函數可以對土壤肥力質量評價指標進行標準化處理。隸屬度函數實質是評價肥力質量指標與作物生長效應曲線之間關系的數學表達式，它可以將肥力質量評價指標標準化，繼而將隸屬度轉變成范圍為0～1的無量綱值。根據前人研究經驗，結合所研究區域的實際情況，確定以戒上型隸屬度函數作為表示土壤有效磷、速效鉀、堿解氮、陽離子交換量和有機質的隸屬度函數。其表達式為

(3)

代入上述隸屬度函數來確定隸屬度值，須先確定各評價指標的轉折點x1、x2的取值。結合已有相關文獻和研究區域耕作實際情況，養分指標轉折點的取值參照北京市耕地土壤養分分等定級標準，x1的值取標準中低水平的0.5倍，x2的值取高水平的下限值，則各指標隸屬度函數轉折點x1、x2的值見表3。

表3 土壤肥力各項指標隸屬度曲線轉折點取值

此外，在pH值為6.5～7.5的土壤中農作物生長最為適宜，過堿或過酸都會抑制農作物生長。pH值隸屬度值的確定采用經驗法[9](見表4)。

表4 土壤pH值隸屬度取值

小店污灌區各區的土壤肥力質量評價指標實測平均值見表5。由各分區的評價指標實測平均值，根據式(3)和表4，可得出各評價指標的隸屬度值(見表6)。隸屬度值反映了評價指標隸屬的程度，其值在0.1～1.0之間，其中：1.0為最大值，表示土壤肥力性能最好，完全適宜作物生長；0.1為最小值，表示土壤肥力性能最差，養分指標嚴重缺乏。

表5 土壤肥力質量指標實測平均值

表6 土壤肥力質量指標隸屬度值

由表6可以看出，北部及中部地區各指標隸屬度值中：陽離子交換量均為最低，有效磷次之，表明土壤的有效磷和陽離子交換量是北部及中部地區土壤肥力質量主要的限制因子；有機質的隸屬度值均為最高，pH值次之，說明這兩個地區土壤的有機質和pH值不是限制因子。而在西南部地區各指標隸屬度值中：陽離子交換量為最低，pH值次之，表明西南部地區陽離子交換量及pH值為土壤肥力質量主要的限制因子；有機質和速效鉀的隸屬度值最高，說明該區域土壤的有機質和速效鉀不是限制因子。

1.3 數據處理與分析

采用SPSS 19.0進行土壤肥力特性的描述性統計分析，計算其平均值及標準差；采用土壤重金屬綜合污染指數法，計算污染指數及污染等級；采用主成分分析法對土壤各參評因子進行主成分分析，計算各分區肥力指標公因子方差；用Excel進行相關數據的處理。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬綜合污染指數

土壤是一個復雜的綜合體，使用綜合污染指數值更具有科學性和合理性，根據式(1)(2)可計算得到污灌區各采樣點的重金屬綜合污染指數，見表7。

由表7可以看出，污灌區根據污染指數高低可以分為三類：土壤污染程度較低的北部地區，重金屬綜合污染指數范圍為0.39～0.47，以安全等級為主；重金屬綜合污染程度中等的西南部地區，污染指數范圍為0.40～0.88，以警戒和安全等級為主；污染程度較高的中部地區，重金屬綜合污染指數范圍為0.47～1.17，呈現輕度污染趨勢。

表7 污灌區各采樣點重金屬綜合污染指數

2.2 土壤肥力質量綜合評價

土壤肥力質量評價中權重系數的確定是非常重要的一個環節，權重系數代表不同指標對土壤肥力的影響程度，所以應對不同指標賦予不同的權重系數[20]。權重系數的確定方法很多，常用的有相關系數法、經驗法、主成分分析法、因子分析法和灰色關聯分析法等。本研究采用主成分分析法來確定各評價指標的權重系數。

以特征值>1且累積貢獻率>80%為選取主因子的條件，經過統計分析可得出符合條件的主因子，再通過計算各評價因子主成分的特征值和貢獻率，求出各項評價指標的公因子方差，其大小表示該指標對土壤肥力質量總體變異的貢獻，由此可得到各項肥力指標的權重系數(見表8)。

表8 分區肥力指標公因子方差及權重

本次所選取的土壤肥力質量評價指標的權重系數中，有效磷、陽離子交換量、堿解氮和有機質在三區域的土壤肥力質量評價中占的比例較大，這說明有效磷、陽離子交換量、堿解氮和有機質在土壤肥力質量評價中影響較大，而其他2項指標影響相對較小。

2.3 土壤肥力質量綜合評價指標值

各指標綜合評價值是土壤肥力質量等級的反映，同時也是該區域土壤質量狀況的體現。將上述求得的各評價指標的隸屬度值及其權重系數代入公式(4)，可進一步計算出各土壤樣品的IFI值。數學表達式為

IFI=∑Qi·Xi

(4)

式中：Qi為第i種評價指標的隸屬度值；Xi為第i種評價指標的權重系數。

參考華北平原土壤肥力質量實際情況，以IFI值作為依據，將研究區土壤肥力劃分為5個等級[21]，結果見表9。

表9 土壤肥力質量綜合指標值等級

經過分析計算，該研究區各區IFI值結果見表10。

表10 分區土壤肥力質量綜合評價指標值

由表10可以看出：三區域的IFI值均大于0.5，屬于一級肥力水平，IFI值為西南部>中部>北部。

3 討 論

以太原市小店污灌區為研究區域，根據土壤重金屬污染綜合指數法，按數值大小將樣本點分為三類：以安全等級為主的北部地區、以安全與警戒等級為主的西南部地區和有輕度污染的中部地區。采用主成分分析法選取前兩個主成分的6項理化性質作為評價指標，并確定其相應權重系數，應用土壤肥力綜合評價指標法計算相應隸屬度，定量評價土壤肥力質量，結果顯示：

(1)污灌區土壤肥力質量狀況總體較好，北部地區土壤堿解氮和有效磷含量偏低，陽離子交換量尤其低；西南部地區除陽離子交換量偏低外各項指標都屬上等水平，土壤肥力質量良好；中部地區陽離子交換量和有效磷含量偏低。

(2)從隸屬度值來看，有機質均為三區域重要的土壤肥力質量評價因子，土壤陽離子交換量與有效磷是土壤肥力質量的主要限制因子。

(3)從土壤肥力質量綜合評價指標值來看，三區域均屬一級土壤肥力水平，但不同區域土壤肥力質量之間存在差異，污灌區西南部土壤肥力質量總體優于中部及北部地區，其中北部地區土壤肥力綜合評價指標值最低。

三區域肥力水平間存在的差異性與污灌區種植制度和耕作習慣有關：中部地區為3條污水主干渠匯集處，是主要的耕作區域，受污水中重金屬污染和鹽分長期累積影響，土壤污染程度加大，土壤肥力質量受到很大影響；西南部地區處于污灌渠下游，在污水中的營養鹽及規律性施肥作用下，土壤質量較之中部地區偏高；北部地區為生態開發區域，耕地較少，土壤肥力水平低，這與田間實地調查結果相一致。

4 結 論

(1)太原市小店污灌區土壤重金屬污染程度不同，北部地區污染程度最低，以安全等級為主；西南部地區污染程度中等偏上，以安全和警戒等級為主；中部地區污染程度最高，有輕度污染傾向。

(2)污灌區土壤陽離子交換量、氮素和磷素整體較為缺乏，陽離子交換量值的偏低在一定程度上代表小店污灌區土壤保肥能力較低，這將直接影響施肥效果。因此，在小店污灌區的耕作應配合相應的保肥措施，并有針對性地施加氮肥和磷肥，以補充全量養分，提高土壤的保肥能力。

(3)受重金屬污染影響，污灌區土壤肥力水平西南部地區最高，中部地區次之，北部地區最低。

該結果可為污灌區土壤的精準施肥及科學管理提供參考依據。

[1] 蔡崇法,丁樹文,史志華，等.GIS支持下鄉鎮域土壤肥力評價與分析[J].生態環境學報,2000,9(2):99-102.

[2] 劉利軍,趙穎,黨晉華,等.不同改良劑對污灌區鎘砷和多環芳烴復合污染土壤的修復研究[J].中國農學通報,2013,29(26):132-136.

[3] NJUGUNA S M,YAN X,GITURU R W,et al.Assessment of macrophyte,heavy metal,and nutrient concentrations in the water of the Nairobi River,Kenya[J].Environmental Monitoring & Assessment,2017,189(9):454.

[4] HUANG Guanxing,SUN Jichao,ZHANG Ying,et al.Distribution of arsenic in sewage irrigation area of Pearl River Delta,China[J].Journal of Earth Science,2011,22(3):396-410.

[5] 李曉婧,鄭向群,鄭順安.污灌區鹽漬化土壤重金屬Cd的形態分析及其影響因素[J].中國農學通報,2017,33(12):43-47.

[6] 陳雯,龍翔,王寧濤,等.福州市土壤重金屬污染現狀評價與分析[J].安全與環境工程,2015,22(5):68-72.

[7] 劉文慶,祝方,馬少云.重金屬污染土壤電動力學修復技術研究進展[J].安全與環境工程,2015,22(2):55-60.

[8] 李靜鵬,徐明鋒,蘇志堯,等.不同植被恢復類型的土壤肥力質量評價[J].生態學報,2014,34(9):2297-2307.

[9] 韓平,王紀華,潘立剛,等.北京郊區田塊尺度土壤質量評價[J].農業工程學報,2009,25(2):228-234.

[10] 張乃明,常曉濱.太原污灌區土壤重金屬污染研究[J].農業環境保護,1996,15(1):21-23.

[11] 解文艷,樊貴盛,周懷平,等.太原市污灌區土壤重金屬污染現狀評價[J].農業環境保護,2011,30(8):1553-1560.

[12] 郭曉君.太原市污灌區土壤重金屬生態風險評價研究[D].太原:山西大學,2010:1-51.

[13] 韓文輝.污灌區重金屬和多環芳烴復合污染及其對農田土壤微生物數量的影響[J].生態環境學報,2016,25(9):1562-1568.

[14] 鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京:中國農業出版社,2005:278-301.

[15] 陸欣.土壤肥料學[M].北京:中國農業大學出版社,2002:193-213.

[16] 王曉嵐,卡麗畢努爾,楊文念.土壤堿解氮測定方法比較[J].北京師范大學學報(自然科學版),2010,46(1):76-78.

[17] 國家林業局.森林土壤磷的測定:LY/T 1233—2015[S].北京:中國標準出版社,2015:6-11.

[18] 環境保護部.土壤 電導率的測定 電極法:HJ 802—2016[S].北京:中國環境科學出版社,2016:1-4.

[19] 中華人民共和國農業部.土壤pH的測定:NY/T 1377—2007[S].北京：農業部,2007:1-2.

[20] 陳星峰,李娟,陳朝陽.南平煙區植煙土壤適宜性的綜合評價[J].中國農學通報,2013,29(6):124-130.

[21] 崔瀟瀟,高原,呂貽忠.北京市大興區土壤肥力的空間變異[J].農業工程學報,2010,26(9):327-333.