張國云，楊俊華，郭 晉，周新惟，康云昌

1. 德宏州土壤肥料工作站，云南 芒市 678400 2. 德宏州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南 芒市 678400 3. 云南省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測工作站，云南 昆明 650034

土壤是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)。隨著工業(yè)污染物和生活垃圾的大量輸入及長期使用化肥，農(nóng)藥，污水灌溉等都容易導(dǎo)致金屬元素的積累[1-2]，在初期并不表現(xiàn)出對環(huán)境的危害性，但當(dāng)其存儲量超過土壤承受能力，必將導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)危害[3]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點，因此，研究土壤重金屬污染特征，評價其潛在的生態(tài)危害十分必要[4-5]。土壤重金屬污染不僅影響土壤的生態(tài)功能，也影響植物生長、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，而且通過食物鏈傳遞進(jìn)而影響人體健康，其危害性越來越受關(guān)注[6-7]。許多學(xué)者對土壤重金屬污染做了大量研究，龍永珍等[8]對湖南省長沙-株洲-湘潭地區(qū)土壤進(jìn)行評價發(fā)現(xiàn)，Cd已達(dá)到嚴(yán)重污染程度；許學(xué)宏等[9]對江蘇蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查評價發(fā)現(xiàn)，Cd、Hg污染嚴(yán)重；馬成玲等[10]對長江三角洲常熟市農(nóng)田不同土種土壤重金屬進(jìn)行污染評價發(fā)現(xiàn)，30.6%的土壤Hg超標(biāo)；王麗娟等[11]對陜西省長武縣不同土壤利用方式剖面重金屬垂直分布特征研究發(fā)現(xiàn)，不同利用方式對不同土壤深度重金屬分布影響強度不同。目前，對種植業(yè)不同利用方式土壤重金屬污染研究較少。該文通過對德宏州不同利用方式耕地土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價分析，既有利于耕地質(zhì)量保護和提升，也為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全生產(chǎn)提供保障，為農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 樣品的采集與制備

樣品采集區(qū)域為東經(jīng)97°31′40″～98°15′0″，北緯24°24′1″～24°20′10″，位于云南西部，與緬甸毗鄰，海拔800～1 300 m，年均氣溫18.4～20.3 ℃，年降雨量1 436～1 709 mm，年日照時間2 281～2 453 h，森林覆蓋率62.8%，生態(tài)環(huán)境良好，以種植業(yè)為主，主要作物有水稻、玉米、甘蔗、茶葉等，山區(qū)一年一熟，壩區(qū)一年兩熟或三熟，工業(yè)欠發(fā)達(dá)，僅有制糖、水電、冶硅業(yè)，采樣區(qū)面積13.33萬hm2。

根據(jù)調(diào)查區(qū)基本情況，按土類及成土母質(zhì)劃分若干采樣單元，隨機布設(shè)取樣點位和點數(shù)(圖1)，GPS精確定位。2010年夏糧收獲后進(jìn)行土壤樣品采集，按“隨機”、“均等”、“混合”的原則，采用“S”形采樣法，在代表性田塊采集表層(0～20 cm，多年生作物采集0～60 cm)土壤10～15個分點，去除雜質(zhì)，充分混均后，用四分法縮分留1 kg，用塑料袋裝好，做好標(biāo)記和原始記錄，共采集土壤樣品385個，其中玉米地133個，稻田96個，蔗園58個，茶園26，膠園32個，果園27個，菜園13個。土樣風(fēng)干后，磨細(xì)，分別過0.85、0.25、0.15 mm篩，各制備土樣100 g供檢測分析pH及重金屬含量。

注：底圖源自云南地圖網(wǎng)站(http://ditu.yunnanditu.com/yunnan_dehong/)下載的1∶1 000 000云南省德宏州行政版底圖，審圖號為GS(2012)6023 號，下載日期為2013-03-16。圖1 采樣點分布圖

1.2 檢測分析

參照《土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)[12]、《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T 395—2000)[13]、《土壤質(zhì)量Pb、Cd的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)[14]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。土壤經(jīng)硫酸-硝酸-高錳酸鉀消解，原子熒光光度法(AFS-230原子熒光光度計)測定Hg；土壤經(jīng)硫酸-硝酸-高氯酸消解，原子熒光光度法(AFS-230原子熒光光度計)測定As；土壤經(jīng)鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法(PE-1100B原子吸收分光光度計)測定Pb、Cd，火焰原子吸收分光光度法(PE-1100B原子吸收分光光度計)測定Cu；土壤經(jīng)硫酸-硝酸-氫氟酸消解，二苯碳酰二肼光度法(721分光光度計)測定Cr；玻璃電極法(0rion-210酸度計)測定土壤pH。

1.3 評價方法及標(biāo)準(zhǔn)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson[15]根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點，從沉積學(xué)角度提出的對土壤或沉積物中重金屬污染進(jìn)行評價的方法。不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起進(jìn)行評價。其表達(dá)式為

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和DPS7.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

表1 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)

2.1 土壤重金屬含量特征

由表2可以看出，各重金屬元素變異系數(shù)(CV)從大到小依次為Hg>As>Pb>Cd>Cu>Cr。變異系數(shù)是表征樣本間變異程度的重要尺度，CV<10%為弱變異，CV=10%～30%為中等變異，CV>30%為強變異，研究區(qū)6種元素均為強變異，表明分布不均勻，空間變異大，受到人類活動干擾[16-17]。

表2 耕作層土壤重金屬含量特征統(tǒng)計

注:除超標(biāo)樣本比例和CV單位為“%”外，其他指標(biāo)的單位均為“mg/kg”；ND表示未檢出；空表示無數(shù)據(jù)，下同。

用Pearson法進(jìn)行各重金屬元素相關(guān)性分析，結(jié)果表明，Cr、Pb、Cu之間呈顯著相關(guān)，As、Pb、Cr及Hg、Cu之間呈極顯著相關(guān)，元素之間的相關(guān)性表現(xiàn)為顯著或極顯著，表明元素間具有一定的同源關(guān)系或有一定的復(fù)合污染[20]。與云南省表層土壤背景值比較發(fā)現(xiàn)(表2)，6種重金屬元素均有不同比例樣本超過背景值，超標(biāo)比例依次為Pb>Cr>Hg>As>Cd>Cu，Pb含量平均值高于背景值，表明Pb有外源進(jìn)入，并有一定積累[21]。

直方圖能夠直觀地顯示重金屬元素的含量特征(見圖2)，結(jié)合表2進(jìn)行綜合分析，Hg、Cu(P=0.121、P=0.200>0.05)呈對數(shù)正態(tài)分布，指示Hg、Cu 2種元素來源相同，主要由土壤母質(zhì)分化產(chǎn)生；Pb、Cd、As、Cr呈正偏態(tài)分布，表明來源比較復(fù)雜[22]。

2.2 重金屬潛在生態(tài)危害評價結(jié)果

2.2.1 富集污染評價

由表3可以看出：整個研究區(qū)重金屬元素富集系數(shù)均在1以下，為輕微污染，各重金屬污染程度從重到輕依次為Cu>Cd>Cr>Pb>Hg>As；不同土壤利用方式污染程度從重到輕依次為菜園>稻田>蔗園>茶園>膠園>玉米地>果園；不同利用方式重金屬元素富集系數(shù)差異較大，玉米地、稻田、蔗園、茶園、膠園、果園、菜園各重金屬污染程度從重到輕依次為Cd>Cu>Cr>Hg>As>Pb、Cr>Cu>Cd>Pb>As>Hg、Cr>Cd>Cu>Pb>Hg>As、Cu>Pb>Hg>As>Cd>Cr、Cu>Cd>Cr>Hg>Pb>As、Cu>Cd>Pb>Hg>Cr>As、Hg>Cr>Cu>Cd>As>Pb。

圖2 重金屬分布直方圖

表3 耕作層土壤重金屬統(tǒng)計表

注：表中數(shù)據(jù)為平均值加標(biāo)準(zhǔn)差，下同。

由表4可以看出，各重金屬元素富集系數(shù)樣本超標(biāo)比例依次從大到小依次為Hg、Cu>Cr>Cd>As>Pb。利用方式，玉米地Pb、Cd、Hg各有1.5%的樣本及Cu 0.75%的樣本達(dá)中度污染；稻田Pb 0.75%、Cu 5.21%的樣本達(dá)中度污染；茶園As、Cu各有3.85%的樣本達(dá)中度污染；果園Cd、Hg 3.7%的樣本達(dá)中度污染；膠園As、Cu各有3.13%的樣本達(dá)中度污染；蔗園Cd 1.72%、Cr 10.34%的樣本達(dá)中度污染；菜園Hg 46.15%、As 15.38%、Cu 7.69%的樣本達(dá)中度污染。表明研究區(qū)土壤重金屬已表現(xiàn)出局部污染現(xiàn)象。

表4 耕作層土壤重金屬污染程度分布頻率 %

2.2.2 單因子潛在生態(tài)風(fēng)險評價

由表5分析表明，研究區(qū)重金屬元素單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均在40以下，為輕微生態(tài)危害，各重金屬元素單因子潛在生態(tài)危害從大到小依次為Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr，這與重金屬元素富集系數(shù)排序不一致，一方面受毒性響應(yīng)系數(shù)大小影響，另一方面是某些重金屬元素污染程度較高。從不同利用方式重金屬元素單因子潛在生態(tài)危害看，玉米地、稻田、蔗園、果園Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr，茶園、膠園、菜園Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr，表明Pb、Cr 對研究區(qū)土壤生態(tài)風(fēng)險危害較小，Cd、Hg生態(tài)風(fēng)險危害較大，應(yīng)給予密切關(guān)注。

表5 耕作層土壤重金屬統(tǒng)計表

單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)超標(biāo)樣本統(tǒng)計，僅玉米地Cd、Hg分別有1.5%、0.75%樣本及菜園Hg有46.15%樣本潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到中等危害，表明研究區(qū)土壤局部已受到重金屬Cd、Hg中度生態(tài)危害，經(jīng)實地調(diào)查，采樣點周圍無工礦企業(yè)，是否因土壤背景值高所至，還是農(nóng)業(yè)投入品的投入導(dǎo)致污染，需進(jìn)一步研究。

2.2.3 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價

研究區(qū)綜合各樣本潛在生態(tài)危害指數(shù)為5.24～96.81，平均值為28.32，各樣本RI<150，均處于輕微生態(tài)危害，說明整個研究區(qū)土壤表層生態(tài)環(huán)境總體較優(yōu)越。不同利用方式綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)依次為菜園>膠園>蔗園>玉米地>茶園>稻田>果園。不同的土壤利用方式導(dǎo)致不同的耕作制度，影響著土壤重金屬來源特征。菜園土壤生態(tài)風(fēng)險危害較大，推斷主要原因是蔬菜地多位于城市郊區(qū)存在城市污水灌溉；其次，復(fù)種指數(shù)高、利用強度大，農(nóng)業(yè)投入品如有機肥、化肥、農(nóng)藥等投入量大所至[23]。

2.2.4 聚類分析

因不同利用方式重金屬元素富集系數(shù)及單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)差異較大，簡單地用平均值比較分析不能充分表現(xiàn)出土壤污染特征。因此，進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，以歐氏距離為衡量類間差異大小的依據(jù)，采用最短距離法將富集系數(shù)、單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行土壤利用方式聚類和重金屬元素聚類[24-25]。結(jié)果表明(表6)，富集污染程度，菜園污染相對較重，茶園次之，污染因子以Hg為主；單因子潛在生態(tài)風(fēng)險危害，菜園、膠園生態(tài)危害相對較重，茶園次之，研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險危害因子以Hg、Cd為主。

表6 聚類表

3 結(jié)論

1)德宏州耕作土壤重金屬分布差異較大。6種重金屬元素空間變異強烈，Hg、Cu含量呈對數(shù)正態(tài)分布，Pb、Cd、Hg、As、Cr呈正偏態(tài)分布，Pb含量平均值高于云南省背景值，Cd、As、Cr、Pb均有外源影響。

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