山東省臨沭縣北部農用地土壤重金屬分布特征及生態風險評價

張永帥,榮玉偉,李付全,劉孝峰,郭海鵬,于福興,段友春

(山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊,山水林田湖草修復和保護院士工作站,山東 臨沂 276006)

0 引言

土壤是地表生態系統中與人類生產生活直接相關的最重要的一種生態資源,其環境質量的優劣可對農產品質量、人類健康造成直接影響[1-2]。近年來,受工農業生產、人類生活等因素的影響,土壤中重金屬累積趨勢日益嚴重,且具有持久性、隱蔽性和累積性的特點[3],可通過農產品攝入等方式對人類身體健康造成影響,生態風險危害極大[4-5]。

目前,國內外對土壤中重金屬污染生態風險評價的方法主要有地累積指數法、單因子指數法、內梅羅綜合指數法、綜合響應因子法、富集系數法、潛在生態危害指數法、生物效應濃度法等[6-10]。例如李瑞等[11]對東北及黃淮海平原土壤重金屬利用潛在生態指數法分析了其生態風險,提出Cd、Hg兩種元素的污染高風險較為突出;李秋燕等[12]運用單因子污染指數法、內梅羅綜合指數法、地累積指數法和潛在生態風險指數法對錦州土壤重金屬污染生態風險進行了評價,該地局部Cd含量過高導致土壤潛在生態風險較高;孫志佳等[13]采用內梅羅綜合污染指數法和潛在生態危害指數法評價了湛江東北部農用地土壤重金屬污染狀況和生態風險;劉瑞雪等[14]利用潛在生態危害指數法評價了湘潭縣農田土壤重金屬生態風險,結果表明土壤中Cd污染較嚴重,導致該地土壤重金屬整體呈現出高生態風險狀態。

本文以2020—2022年開展的山東省地質勘查項目“山東省臨沭縣北部土地質量地質調查評價”為依托,選取了山東省東南部臨沭縣北部5個街道鎮的農業生產區為研究范圍,對該區域土壤中的8種重金屬含量進行調查研究,分析各元素空間分布特征,并采用地累積指數法和潛在生態危害指數法對該區的土壤環境生態風險進行評價,以期為該地區農產品產地安全管理和土壤污染防治提供一定的參考依據[15-16]。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于山東省臨沂市的東南部,包括臨沭縣北部的5個鎮、街道,總面積600.29km2。區內地勢東北部高,西部和南部低,境內地貌以緩坡丘陵為主,大致分為低山、丘陵、平原3種類型。屬暖溫帶季風氣候,年平均氣溫在12.7℃,年日照時數為2459h,無霜期220d左右,多年平均降雨量為852mm。研究區土壤主要包括粗骨土、棕壤、褐土、潮土和砂姜黑土5個土類,農用地面積耕地面積382.1km2,占土地面積的63.65%,主要為耕地,農作物一般為一年兩熟或兩年三熟,主要農作物為小麥、玉米、花生、地瓜等。研究區內化肥化工產業發達,是全國優質復合肥生產基地。

1—采樣點位;2—居民區;3—水域圖1 研究區土壤采樣點位圖

1.2 樣品采集與處理

本次工作于2020年在研究區農用地內采集了3669件0～20cm表層土壤樣品(圖1)。樣品點位根據土地利用現狀圖斑進行布設,野外樣品采集表層土壤,去除地表雜物,自地表垂直向下20cm連續均勻采集樣品,野外采樣以GPS定位點為中心,采用“X”形或“S”形向四周輻射15～50m確定4個分樣點,5點等份組合成一個混合樣。將土壤樣品自然風干,掰碎,并去除雜質,經研磨過2mm尼龍篩后裝密封袋備用。

1.3 樣品測定與分析

土壤樣品中的As、Hg采用氫化物發生-原子熒光光譜法(HG—AFS)測試,測試儀器為北京海光儀器有限公司生產的AFS—933型原子熒光光度計;Cr、Ni、Cu、Zn、Pb采用X-射線熒光光譜法(XRF)測試,測試儀器為荷蘭帕納克有限公司生產的Axios型X-射線熒光光譜儀;Cd采用電感耦合等離子體質譜法測定,測試儀器為美國themofisher公司生產的iCARQ型電感耦合等離子體質譜儀;pH采用離子選擇電極測試,測試儀器采用上海精密科學儀器有限公司生產的PHS—3C型pH計。同時,樣品在測試過程中通過平行雙樣分析,空白樣品分析、加標樣分析等方式進行全程質量控制。同時,樣品的全量分析檢測過程采用12個國家一級標準物質進行質量監控,經統計計算所采用分析方法的檢出限、準確度、精密度均能達到規定的要求[17]。

1.4 土壤重金屬評價方法

1.4.1 地積累指數法

地積累指數法主要利用土壤中重金屬含量與其土壤背景值的相對關系來定量確定土壤重金屬污染富集情況[18]。該方法于1969年由Muller[19]提出,以往評價方法未考慮到地質背景成土母巖成土作用可能導致的背景值變動,而地積累指數法加入了對該因素的修正參數,因此是對以往評價方法的一種改進,被廣泛應用于對沉積物中重金屬污染的評價中。其計算公式(1)：

Igeo=log2[Ci/(m×Bi)]

(1)

式中：Igeo為地積累指數;Ci是土壤樣品中重金屬元素i的實測值(mg·kg-1);Bi是該重金屬元素的土壤背景值(mg·kg-1),本文取值山東省臨沂市表層土壤地球化學背景值[20];m為修正系數,即考慮到自然成巖作用可能引起的地球化學背景值的變動,主要用來表示成巖作用、沉積特征等對其影響程度[21],本文取值1.5。地累積指數的分級標準與污染程度的劃分見表1[22]。

1.4.2 潛在生態風險指數法

潛在生態危害指數法于20世紀80年代由瑞典學者Hakanson提出[23],該方法以重金屬的土壤背景值為基礎,結合重金屬的生物毒理性水平、污染濃度、生態環境敏感性及多元素協同效應通過定量計算得出重金屬的潛在生態風險指數(RI值),該方法被廣泛應用于土壤重金屬污染評價[24]。其計算公式(2)：

表1 地累積指數和潛在生態風險指數評價指標及分級

1.5 數據分析與統計

運用Excel 2010和SPSS 22.0,對土壤重金屬含量數據進行描述性統計和相關性分析,利用ArcGIS10.6中Geostatistical Analyst模塊,通過普通克里格插值,對重金屬空間分布特征進行地統計分析并制圖。

2 測試結果與討論

2.1 農用地表層土壤重金屬含量特征分析

研究區表層土壤pH在4.14～8.84,均值為5.55,整體處于中酸性土壤環境,少部分為弱堿性。8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為5.32mg·kg-1、0.09mg·kg-1、45.46mg·kg-1、16.61mg·kg-1、0.021mg·kg-1、18.62mg·kg-1、26.70mg·kg-1、52.70mg·kg-1,其中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn的平均含量低于山東省臨沂市表層土壤地球化學背景值,Pb的平均含量略高于臨沂市土壤背景值,表現出一定程度的富集效應。就樣品個數而言,As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素分別有841、505、314、385、615、302、1642、774件樣品超過臨沂市表層土壤背景值,占全部3369件樣品的比例分別為24.96%、14.99%、9.32%、11.43%、18.25%、8.96%、48.74%、22.97%,其中Pb超背景值的樣品數量最多,有近一半樣品超過背景值。各重金屬元素中Hg元素含量最大值超背景值倍數最多,為背景值的23倍,其次為Cd,含量最大值為背景值的10.5倍,而Pb元素含量最大值超背景值倍數最少,僅為背景值的2.8倍。

變異系數常用來反映土壤重金屬含量的空間分布均勻變化程度,一般將變異系數>30%劃為強變異,將10%～30%劃為中等變異[28]。8種重金屬的變異系數從大到小排序依次為：Hg(98.80%)>Cr(62.83%)>Cu(49.67%)>Ni(48.42%)>As(47.94%)>Zn(47.68%)>Cd(35.35%)>Pb(17.72%)。變異系數最小的元素為Pb,屬于中等變異程度,且明顯低于其他元素,說明研究區農用地土壤中Pb元素含量變化較小,空間分布較為均勻,另外7種元素變異系數都超過了30%,屬于強變異程度,尤其是Hg和Cr元素,變異系數超過60%,說明這2種元素含量變化極大,且空間分布極不均勻,這種現象一般是受外界因素如人類的生產生活活動干擾造成的(表2)。

表2 農用地土壤重金屬含量統計

2.2 土壤重金屬含量空間分布

利用ARCGIS地統計模塊中的普通克里金插值法對樣本進行插值,得到8種土壤重金屬含量的空間分布情況(圖2)。由圖2中可知,Cr、Ni有相似的空間分布,Cr和Ni含量高的區域均出現在中北部,表明Cr、Ni的來源有相同的地方。一般認為土壤中Cr、Ni含量與成土母巖有關[29],研究區中北部地質背景主要為中性的巖漿巖,土壤中Cr、Ni高值應是繼承自母巖的風化沉積富集作用;As、Pb的空間分布也是相似的,高含量區域主要出現在中部,其分布規律都呈現出從南北到中間逐漸增大的趨勢,研究表明,土壤中Pb、As元素含量異常與人類生產活動有關,研究區中部為主要的農業耕作區,且分布有一定數量的養殖場,不當的肥藥施用、動物飼料和廣泛用煤應是造成研究區表層土壤中Pb、As元素局部異常富集的主要原因;Hg的高含量區域主要在中部地區,呈散點狀,土壤中Hg元素異常高值集聚主要來自于燃料燃燒、垃圾焚燒等途徑;Cu元素含量空間分布較為散亂,高值異常主要分布在中南部地區,與該區域工農業生產活動較多有關;Cd元素含量高值主要分布于中部區域,該區域為主要工業生產區,其中化肥化工、機械制造等產業生產活動產生的工業三廢會導致土壤中Cd異常集聚;Zn元素空間分布呈現出北部低中南部高的趨勢,主要與中南工農業生產活動有關。

圖2 研究區農用地表層土壤重金屬含量分布圖

2.3 土壤重金屬含量相關性分析

利用SPSS 22.0軟件對土壤中8種重金屬進行相關性分析,結果如表3所示。從表3可知,研究區表層土壤中Ni與Cr的相關系數為0.8907,為極顯著相關,則可以推斷這兩種重金屬有相同的背景來源,與2種元素含量空間分布的結果一致,主要為地質背景母巖來源;As與Pb之間呈顯著性相關,其相關系數為0.3385,說明兩者有一定的同源性;而Cd、Cu、Zn三種元素兩兩之間都表現出了顯著性的相關關系,表明三者應該有共同的背景來源,也解釋了三者高值異常都處于研究區中南部工農業生產集中區的空間分布特征;Hg與其他7種金屬元素的相關性都較低,說明研究區土壤中Hg來源背景較為單一,與其他元素關聯性不大。

表3 研究區農用地土壤重金屬元素相關性分析

2.4 土壤重金屬地累積指數評價

根據公式(1)計算研究區農用地表層土壤重金屬的地質累積指數Igeo。Igeo的樣品點數分布和數值分布分別表示在圖3、表4中。

圖3 重金屬地質累積指數Igeo值的數據統計箱線圖

8種重金屬地累處于清潔級別的樣品個數占全部樣品個數的比例都在94%以上,說明研究區表層土壤中金屬累積程度整體上相對較輕,但所有重金屬元素都有一定數量的樣品至少在輕度累積級別,研究區土壤各種重金屬元素出現輕度累積級別及以上級別的點位占比分別為Hg 5.58%>As 5.02%>Zn 4.39%>Cd 3.53%>Cu 2.40%>Ni 1.63%>Cr 1.42%>Pb 1.34%,說明這幾種重金屬在土壤中累積程度由強到弱順序為Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb,各元素出現累積的點位大多都處于輕度累積和偏中度積累級別,Cd、Cu、Hg、Ni、Zn這5種元素有少量點位在中度累積級別以上,其中Cd元素相比其他4種元素,其偏中度累積和中度累積的比重要比輕度累積大的多,說明Cd元素雖然清潔等級樣品占比較大,但非清潔等級樣品有更為嚴重的累積程度。8種重金屬元素中Hg的平均地累積指數(-1.258)最小,范圍處于-5.129～3.937之間,但分別有4.63%、0.65%、0.24%、0.06%的樣品依次屬于輕度累積、偏中度累積、中度累積、偏重度累積,是唯一一種有偏重度累積級別樣品的重金屬,說明Hg元素累積程度最為嚴重,在局部可能存在一定程度的嚴重污染狀況。Pb元素的Igeo均值(-0.57)最大,但其變化幅度(-1.61～0.93)是最小的,且僅出現少量樣品的輕度累積,說明土壤中Pb元素雖然地累積指數均值較高,在整體變化幅度較小,且累積程度最低,相對較為穩定。

表4 研究區域農用地土壤重金屬污染地積累指數樣點等級分布統計

3 土壤重金屬潛在生態風險評價

表5 土壤重金屬單因子潛在生態風險及綜合潛在風險指數結果統計

表6 土壤重金屬潛在生態風險系數樣品等級分布頻數統計

1—輕度生態風險(RI≤150);2—中度生態風險(150

綜合潛在生態風險指數RI的平均值為75.17,整體處于輕度風險級別,但分別有60件、11件、1件樣品的RI值依次達到了中度、強、很強風險等級,占全部樣品的比例分別為1.78%、0.33%、0.03%,這說明研究區表層土壤中仍存在局部的點狀的綜合潛在生態風險,從前文可知,這主要是受Hg和Cd這2種元素的影響。從空間分布狀況(圖4)來看,中度生態風險呈散點狀分布于研究區中部、西部和東北部,強生態風險區分布范圍較小,呈零星狀分布于研究區西部,該區域鄰近臨沭縣鄭山街道工業生產區,主要是受工業生產活動影響導致土壤出現強生態風險。

4 結論

(1)研究區臨沭縣北部地區農用地表層土壤中8種重金屬中除Pb元素略高于臨沂市土壤背景值,其余7種元素都低于背景值,重金屬含量的變異系數大小依次為Hg>Cr>Cu>Ni>As>Zn>Cd>Pb,Hg和Cr元素的變異系數都超過60%,其含量受人類活動干擾較大,空間分布極不均勻。

(2)Cr、Ni元素含量的空間分布格局較為相似,兩者為極顯著相關,其空間分布主要受成土母質的地質背景控制;As、Pb元素高值區域出現在中部,主要受農業生產活動影響;Hg元素高值分布呈散點狀;Cu、Cd、Zn這3種元素之間相關性較強,高值都分布于中南部,主要與該區域的工農業生產活動有關。

(3)對研究區農用地累積評價結果可知,研究區表層土壤中金屬累積程度整體上相對較輕。幾種重金屬在土壤中累積程度由強到弱順序為Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb,Hg元素有0.30%的樣品屬于中度累積以上級別,是累積程度最嚴重的元素,在局部可能存在一定程度的嚴重污染狀況。

(4)單因子潛在生態風險評價結果表明,Cr、Cu、Ni、Pb、Zn這5種元素的潛在生態風險較小,Hg和Cd元素為單因子潛在生態風險評價重危害程度最嚴重的2種元素,綜合潛在生態風險指數評價結果表明,研究區整體處于輕度風險級別,但有72件樣品達到了中度風險等級以上,表明研究區內仍存在局部的點狀的綜合潛在生態風險,應是受Hg和Cd這2種元素的影響,因此該區應對土壤中Hg、Cd污染來源進行嚴格控制,防止局部的過度累積對生態環境和人類健康造成危害。