郭東興

（河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院河南鄭州450000）

探析長期污灌農(nóng)田土壤重金屬污染與潛在環(huán)境風(fēng)險評價

郭東興

（河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院河南鄭州450000）

中國是世界公認(rèn)的13個貧水國之一，同時也是水污染較為嚴(yán)重的國家。為緩解農(nóng)業(yè)用水，引污水灌溉農(nóng)田在我國北方缺水地區(qū)非常普遍。污灌不僅能顯著提高土壤肥力、促進(jìn)糧食生產(chǎn)，還能有效緩解農(nóng)業(yè)用水緊張，解決城市污水排放等問題。但與此同時，伴隨污灌，也造成各種重金屬元素在土壤中富集，通過土壤-作物系統(tǒng)中遷移和食物鏈傳輸，對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保障農(nóng)產(chǎn)品安全，眾多學(xué)者圍繞污灌區(qū)土壤重金屬環(huán)境容量、重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中賦存形態(tài)及遷移轉(zhuǎn)化、土壤生物及上覆植被重金屬污染響應(yīng)、土壤重金屬復(fù)合污染評價等方面開展了一系列研究，并取得豐碩成果。但相比較而言，針對我國西北干旱半干旱地區(qū)開展污灌農(nóng)田土壤重金屬潛在環(huán)境風(fēng)險的研究則相對較少。為此，本文以某市典型污灌區(qū)為研究對象，系統(tǒng)分析長期污灌條件下土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的含量及富集狀況，并采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對該區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀與潛在環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價，旨在為西北地區(qū)污灌農(nóng)田土壤重金屬污染防治、區(qū)域環(huán)境保護(hù)，以及土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供必要理論及決策依據(jù)。

污水灌溉土壤重金屬污染評價潛在環(huán)境風(fēng)險評價

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集

研究區(qū)位于該市西北郊灃惠渠灌區(qū)，面積14.27 km2，介于北緯34°18′～34°20′，東經(jīng)108°20′～108°50′之間，屬暖溫帶半干旱大陸季風(fēng)性氣候，年均氣溫13.4℃，平均降水量580.17 mm，全年盛行東北風(fēng)和西南風(fēng)；該區(qū)地勢平坦，海拔380～385 m，成土母質(zhì)為沖積性次生黃土，土層深厚，質(zhì)地勻細(xì)，以黃綿土（按中國土壤系統(tǒng)分類為石灰干潤雛形土，CalcaricUstic Cambosols）為主，土壤養(yǎng)分含量較高。

本研究經(jīng)多次實(shí)地走訪、查閱相關(guān)資料，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶協(xié)助下確定農(nóng)田污灌年限及離灌渠距離，于2010年5月小麥?zhǔn)斋@前，按隨機(jī)均勻布點(diǎn)方式采集農(nóng)田土壤樣品52份。在每個樣點(diǎn)周圍5 m×5 m正方形范圍內(nèi)設(shè)置6～28個樣品采集點(diǎn)，在每個采集點(diǎn)用塑料鏟取表層土壤（0～20 cm）0.5 kg，均勻混合后取2 kg裝袋帶回，并用GPS記錄正方形中心位置為該采樣點(diǎn)坐標(biāo)，樣點(diǎn)分布見圖1。采集土樣在室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干，撿出石塊、根須等異物，用木棒、瑪瑙研缽等工具磨碎后過100目尼龍網(wǎng)篩，裝瓶備用。土壤重金屬含量（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）進(jìn)行測定，并在測試過程中加入標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品（GSS17和GSS19）進(jìn)行質(zhì)量控制，分析過程所用試劑為優(yōu)級純；土壤pH值按土水比1∶2.5比例混合、攪拌、靜置，pH計(jì)測定。

圖1　研究樣區(qū)與采樣點(diǎn)分布

1.2數(shù)據(jù)處理

在本研究中，對土壤重金屬數(shù)據(jù)整理和描述統(tǒng)計(jì)用Excel 2010完成，統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 19.0軟件完成，研究區(qū)及樣點(diǎn)分布圖用ArcGIS 9.3.1軟件完成。

2　結(jié)果與討論

2.1土壤重金屬含量及富集狀況

表1為研究區(qū)污灌農(nóng)田土壤重金屬描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果。8種土壤重金屬平均含量分別為As 9.88 mg·kg-1、Cd 1.45 mg·kg-1、Cr 88.41 mg·kg-1、Cu 52.24 mg·kg-1、Hg 1.38 mg·kg-1、Ni 34.14 mg·kg-1、Pb 55.01 mg·kg-1和Zn 151.16 mg·kg-1。經(jīng)與當(dāng)?shù)乇尘爸当容^發(fā)現(xiàn)，Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 7種元素的平均含量均高于自然背景水平，其中Cd、Cu、Hg和Zn的富集比例達(dá)到100%，Cr、Ni和Pb的樣品富集個數(shù)也分別有43、42和51個；在8種土壤元素中，僅有As的平均含量略低于背景水平；按富集比例排序?yàn)镃d=Cu=Hg=Zn>Pb> Cr>Ni>As，前7種元素在表層土壤中已呈現(xiàn)不同程度累積，僅有As保持相對清潔。此外，通過比較各元素富集倍數(shù)還發(fā)現(xiàn)，土壤Hg和Cd的平均含量分別達(dá)到本地區(qū)背景含量的10倍和5倍，表明該區(qū)由于長期污水灌溉，已導(dǎo)致農(nóng)田土壤Hg、Cd元素的顯著富集，應(yīng)引起農(nóng)業(yè)環(huán)境部門重視。

表1　污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量描述統(tǒng)計(jì)

在地球環(huán)境化學(xué)中，土壤元素的累積通常伴隨變異性的增強(qiáng)。因此，作為反映環(huán)境變量總體波動特征的參數(shù)———變異系數(shù)，在一定程度上可用于表征各元素的累積狀況。由表1可知，8種土壤重金屬變異系數(shù)介于10%～90%之間，Cd的變異系數(shù)最大，為85.84%，其次為Zn和Hg，分別為64.29%和61.68%，As的變異系數(shù)最小，僅為12.86%。土壤重金屬按其變異系數(shù)大小可排序?yàn)镃d> Zn>Hg>Cu>Cr>Pb>Ni>As。其中，Ni和As的變異系數(shù)介于10%～15%之間，屬弱變異，反映該兩種元素可能受自然成土因素長期均一化作用，所受人為干擾較少，致使其變幅較??；其余6種元素的變異系數(shù)主要集中在25%～100%之間，屬中等強(qiáng)度變異。由此不難發(fā)現(xiàn)Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn除了具有較高富集系數(shù)外，同時還具有較大變異性，這預(yù)示著長期污灌對其含量分布存在更多人為因素的擾亂。

2.2土壤重金屬污染評價

經(jīng)上述統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)Hg、Cd、Zn、Cu、Pb、Cr和Ni已在表層土壤中有不同程度富集。為合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，保障土壤資源可持續(xù)利用，本研究選用國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）作為污染評價閾值，對8種重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價，結(jié)果見表2。

由于該區(qū)土壤pH值介于7.91～8.89之間，呈微堿性環(huán)境，故選擇國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)pH>7.5的二級限量值作為污染判斷閾值。由表2可知，8種土壤重金屬中，僅有Cd、Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)平均值大于1，分別為2.42和1.38，屬中度污染和輕度污染；其余6種元素的污染指數(shù)均低于0.70，總體為清潔水平。按單因子污染指數(shù)平均值依次排序?yàn)镃d>Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr>Pb。

分別將52份土壤樣品的重金屬含量與污染限量值比較后發(fā)現(xiàn)：①所有樣品As、Ni、Pb含量均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)25、60 mg·kg-1和350 mg·kg-1，屬清潔或警戒水平；②所有樣品中，有2～3份土樣的Cr、Cu和Zn含量高于其對應(yīng)限量值，達(dá)到污染水平，其中有1份樣品的Zn含量超過污染標(biāo)準(zhǔn)（300mg·kg-1）2倍，屬中度污染，其余為輕度污染；③對于Cd、Hg而言，則分別有42份和30份樣品的污染指數(shù)大于1，其余未超過污染標(biāo)準(zhǔn)，在所有已污染樣品中，分別有38.46%和42.31%的樣品Cd、Hg含量達(dá)到所規(guī)定的輕度污染，19.23%和7.69%處于中度污染，剩余23.08%和7.69%達(dá)到重度污染；④由于該區(qū)土壤Cd、Hg污染較為普遍，已導(dǎo)致所有樣品綜合污染指數(shù)較高，其中76.92%的樣品受到不同程度污染，僅有不足5%的樣品綜合污染指數(shù)低于0.7，處于安全水平。

從評價結(jié)果來看，該區(qū)農(nóng)田土壤Cd、Hg、Cr、Cu、Zn 5種元素已表現(xiàn)出不同程度污染，其中Cd和Hg污染尤為嚴(yán)重。由于國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Pb、Cu和Zn的污染限量值分別為350、100mg·kg-1和300mg·kg-1，盡管此3種元素的富集比例均已超過98%，但其含量仍遠(yuǎn)低于污染限量值，從而導(dǎo)致其污染指數(shù)普遍較低；而對于Ni而言，即使其富集倍數(shù)僅為自然背景水平的1.09倍，但由于其污染限量值僅為60mg·kg-1，從而導(dǎo)致其平均污染指數(shù)仍較高于Cu、Zn、Pb等元素。

2.3土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險評價

8種土壤重金屬的環(huán)境風(fēng)險系數(shù)（Eir）及綜合危害指數(shù)（RI）如表3所示。由表可知：①As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn 6種元素的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)Eir均低于40，其污染風(fēng)險輕微；②而對于Cd元素而言，僅有30.77%的土樣污染風(fēng)險處于輕微水平，其余69.23%的Eir≥40，其中，80≤Eir<160的樣品占25.00%，Eir≥160的樣品達(dá)到13.46%，總體上講該區(qū)土壤Cd具有較強(qiáng)環(huán)境風(fēng)險；③相對元素Cd，Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)則更高（Tir=40），其平均Eir值達(dá)到了221.57，具有強(qiáng)污染風(fēng)險，在52份土壤樣品中，Hg的Eir均大于80，其中介于80～160之間的樣品占42.31%，而大于160的樣品則有57.69%，可見該區(qū)土壤具有極強(qiáng)Hg污染風(fēng)險，應(yīng)高度重視；④按照各元素平均Eir大小排序?yàn)镠g>Cd>Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn。

表2　污灌區(qū)土壤重金屬污染狀況

表3　污灌區(qū)各土壤重金屬的潛在環(huán)境風(fēng)險指數(shù)統(tǒng)計(jì)

本區(qū)土壤Cd、Hg具有較強(qiáng)污染風(fēng)險，從而導(dǎo)致其綜合環(huán)境風(fēng)險增強(qiáng)，平均RI值達(dá)到335.16，總體處于強(qiáng)風(fēng)險水平；在52份土壤樣品中，51.93%的樣品呈現(xiàn)“強(qiáng)”或“極強(qiáng)”環(huán)境危害。可見，長期污水灌溉已對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

在本研究中，土壤重金屬污染評價結(jié)果與環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果之間存在一些差異，主要區(qū)別在As、Pb和Zn 3種元素。As雖在本研究中富集倍數(shù)最低，尚未受到污染，但由于其生物毒性效應(yīng)較高（Tir=10），其環(huán)境風(fēng)險也隨之上升；反之，由于Zn是一種重要的植物營養(yǎng)元素，其毒性響應(yīng)系數(shù)最?。▋H為1），其環(huán)境風(fēng)險亦降至最低；而元素Pb由于其風(fēng)險評價參比值較低（Cin=25 mg·kg-1），導(dǎo)致其在環(huán)境風(fēng)險中的排序相對污染排序有所上升。

在本研究中，污染評價是通過實(shí)測值與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限量值比較而實(shí)現(xiàn)的，主要側(cè)重揭示外源重金屬的土壤累積程度，強(qiáng)調(diào)農(nóng)田土壤按照國家限量標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)到污染水平；而環(huán)境風(fēng)險評價則除了考慮工業(yè)化以來各種人為因素引起表層土壤重金屬累積程度外，還側(cè)重考慮了不同元素對生物的毒性影響，并通過加權(quán)求和突出了多元素污染風(fēng)險的協(xié)同效應(yīng)，這為決策者從作物安全角度理解重金屬污染、進(jìn)行科學(xué)決策提供了更豐富的信息。

3　結(jié)論

（1）在長期污灌條件下，灌區(qū)土壤重金屬按污染指數(shù)由強(qiáng)至弱依次為Cd>Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr>Pb，其中，Cd和Hg污染尤為嚴(yán)重。

（2）各種重金屬污染對灌區(qū)農(nóng)田土壤構(gòu)成潛在環(huán)境風(fēng)險由強(qiáng)至弱排序?yàn)镠g>Cd>Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn；其中Cd和Hg的影響占據(jù)主導(dǎo)，導(dǎo)致該區(qū)總體上具有很強(qiáng)環(huán)境風(fēng)險，對農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

（3）污灌歷史、與渠距離遠(yuǎn)近均對土壤重金屬的污染狀況及潛在環(huán)境風(fēng)險構(gòu)成顯著影響。鑒于該區(qū)土壤重金屬已表現(xiàn)出較強(qiáng)生態(tài)危害性，應(yīng)及時采取必要防治措施，調(diào)整土壤利用結(jié)構(gòu)，確保農(nóng)田環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)。

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-356-3