王 巖，王 楠，王素華，張樹明，甄志華，周潔瑋，周 禹

1.河北省唐山市農(nóng)作物種子管理檢驗(yàn)站，河北 唐山 063000 2.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院，河北 唐山 063000 3.河北省唐山市土壤肥料站，河北 唐山 063000

河北曹妃甸農(nóng)田土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險評價

王 巖1，王 楠2，王素華3，張樹明3，甄志華1，周潔瑋1，周 禹1

1.河北省唐山市農(nóng)作物種子管理檢驗(yàn)站，河北 唐山 063000 2.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院，河北 唐山 063000 3.河北省唐山市土壤肥料站，河北 唐山 063000

以河北曹妃甸項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，分析測定土壤基本性質(zhì)和Zn、Cu、Pb、Cd含量，并依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和模型對土壤環(huán)境質(zhì)量和潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。結(jié)果表明：農(nóng)田土壤總體偏堿性，屬壤質(zhì)和黏壤質(zhì)水稻土，有機(jī)質(zhì)含量低；土壤中Cu的污染指數(shù)最大，Zn、Pb次之，Cd雖沒超過國家標(biāo)準(zhǔn)但已出現(xiàn)污染累積現(xiàn)象。在單因子評價中，有76%的土樣中Cd元素呈中等或強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險，其余元素均無潛在生態(tài)風(fēng)險；在多因子評價中，有95%的土樣屬于無生態(tài)危害或一般生態(tài)危害，只有5%是強(qiáng)生態(tài)危害。項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量雖總體良好，但個別區(qū)域存在嚴(yán)重生態(tài)危害問題，尤其是Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險十分突出。在今后的土地整理和污染修復(fù)工程中，應(yīng)注意保護(hù)清潔農(nóng)田，防止污染交叉轉(zhuǎn)移，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

重金屬；農(nóng)田土壤；潛在生態(tài)風(fēng)險

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展及城市化進(jìn)程加快，工業(yè)“三廢”的排放、有毒垃圾及農(nóng)藥化肥的不合理使用，使得土壤重金屬污染變得越來越嚴(yán)重。重金屬是土壤環(huán)境中的重要污染物，具有積累性、隱蔽性、不可逆性和長期性的特點(diǎn)，它會影響和改變土壤的生態(tài)功能，并通過食物鏈途徑直接或間接地對生物產(chǎn)生危害，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)問題[1-3]。人體食用受重金屬污染的食物后，輕則發(fā)生惡心、嘔吐、器官受損，重則引發(fā)癌癥，危及生命。如Cd污染可造成貧血、高血壓、骨痛病等。目前我國受重金屬污染的耕地面積約2×107hm2，每年的經(jīng)濟(jì)損失至少200億元[3-4]。因此，研究土壤重金屬污染特征，評價其潛在生態(tài)危害是十分必要的。

隨著2015年“京津冀協(xié)同發(fā)展”這一重大國家戰(zhàn)略的提出，“京津冀農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)一體化”細(xì)則也隨之落實(shí)。位于東部沿海的曹妃甸因盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)稻米，而成為京津冀重要的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)基地。但曹妃甸也是冀東最大的造紙、機(jī)械制造和飼料加工基地，其工業(yè)的迅速發(fā)展對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響越來越大[5-6]。本文通過深入研究項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤性質(zhì)及重金屬分布特征，依據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)模型，對其土壤環(huán)境質(zhì)量和潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，為今后土地整理技術(shù)的實(shí)施和土壤重金屬污染的修復(fù)提供可靠依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處曹妃甸八場西北部尚莊子村，該區(qū)屬河流沖積平原，海拔高度變幅2.1～3.2 m，地跨東經(jīng)118°37′10″～118°38′23″，北緯39°46′41″～39°45′35″。境內(nèi)河網(wǎng)水渠縱橫交錯，陸域地形開闊平坦，交通便利。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受海洋性和大陸性氣候的雙重影響，年平均氣溫10.9 ℃，年均降水量608.1 mm，主要災(zāi)害為土壤鹽漬化。研究區(qū)涉及土地面積209.3 hm2，其中耕地面積166.7 hm2，以種植水稻為主，并發(fā)展蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物，農(nóng)業(yè)人口3 125人，人均農(nóng)業(yè)收入5 500元。

1.2 布點(diǎn)采樣

在污染源調(diào)查與評價的基礎(chǔ)上，以該項(xiàng)目區(qū)的土地利用圖、土地規(guī)劃圖、土壤圖、遙感圖、水系分布圖等相關(guān)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，采用“3S”技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與空間分析，建立項(xiàng)目區(qū)基本農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫，并生成采樣單元，設(shè)置采樣點(diǎn)，繪制采樣布點(diǎn)圖(圖1)，在作物收獲后，采集38個點(diǎn)位的耕層土壤(0～20 cm)，并對樣品進(jìn)行預(yù)處理[7-10]。

圖1 土壤采樣布點(diǎn)示意圖

1.3 樣品分析方法

土壤銅鋅鎘鉛全量：王水高氯酸消化，原子吸收分光光度法測定(GB/T 17141—1997)；pH采用電位法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤黏粒含量采用比重計(jì)法[11-12]。

1.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價方法

1.4.1 污染程度分析方法

用Muller地累積指數(shù)定量評價項(xiàng)目區(qū)土壤中Zn、Cu、Cd、Pb的污染程度[13-14]，計(jì)算公式：

(1)

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險分析方法

采用被國際上廣泛應(yīng)用的Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，該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，形成具有可比的、等價屬性指數(shù)分級法進(jìn)行評價[15-16]。計(jì)算公式：

(2)

(3)

(4)

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)與分級關(guān)系

注：“空”表示在綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價中無“中等”級別。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用CAD和ArcGIS軟件制圖和空間分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)

土壤基本理化性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。研究區(qū)土壤屬于淹育型水稻土，從黏粒含量上看，有大多數(shù)土樣屬壤質(zhì)或黏壤質(zhì)，有15.79%是砂壤質(zhì)的濱海風(fēng)沙土；土壤pH分布均勻，除少數(shù)弱堿性土外，大部分均為堿性土；土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不大，均高于低水平線，其中84.21%的土樣有機(jī)質(zhì)含量處于中低水平內(nèi)。

圖2 土壤基本性質(zhì)統(tǒng)計(jì)圖

2.2 土壤中重金屬含量及其分布特征

依據(jù)圖1，對土樣中重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)，結(jié)果表明，土壤中重金屬含量均值從大到小依次為Zn>Pb>Cu>Cd，元素全量波動范圍從大到小依次為Cd>Zn>Cu>Pb。由此可知，Cd元素雖含量最少，但其數(shù)值離散程度大，分布不均勻。所有土樣的4種元素含量均超過了冀東沿海區(qū)域背景值[17]，說明該區(qū)域土壤已存在污染積累問題，其中Zn、Cu、Cd的積累較為嚴(yán)重。按照《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》(HJ 332—2006)[18]，計(jì)算污染樣本超標(biāo)率為Cu(48.95%)>Pb(28.95%)>Zn(18.42%)>Cd(0%)，Cd元素雖積累嚴(yán)重卻未超過國家標(biāo)準(zhǔn)，可能存在潛在生態(tài)風(fēng)險。

表2 土壤樣品重金屬全量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

2.3.1 污染程度評價

選擇冀東沿海區(qū)域土壤中Zn、Cu、Pb、Cd的背景值分別作為土壤背景值，采用Muller的7級地累積指數(shù)(Igeo)來定量評價項(xiàng)目區(qū)土壤重金屬污染程度，評價結(jié)果(表3)表明，所有供試土樣中Zn、Cu和Pb的Igeo均介于0～1之間，屬于輕度污染；絕大部分樣品中Cd的Igeo均介于0～1之間，也屬于輕度污染，但有2個樣品的Cd污染較大，屬于中度污染。

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

表3 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤Muller地累積指數(shù)評價結(jié)果

表4 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

依據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)和項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤的多金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果(表4)，RI均值為114.49，表明土壤總體呈一般生態(tài)危害，但RI跨度范圍較大，其中有53%的樣品屬于無生態(tài)危害，42%屬于一般生態(tài)危害，5%屬于強(qiáng)生態(tài)危害。

3 結(jié)論

曹妃甸項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤總體偏堿性，屬壤質(zhì)和黏壤質(zhì)水稻土，有機(jī)質(zhì)含量低；土壤中Zn、Cu、Pb、Cd 4種元素的含量均超過了冀東背景值，表明研究區(qū)土壤已存在重金屬積累問題，而且部分樣品中Zn、Cu、Pb含量超過食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，其中Cu最多， Pb、 Zn次之，Muller地累積指數(shù)評價結(jié)果表明，Zn、Cu、Pb元素均處于輕度污染；Cd元素雖未超標(biāo)，但地累積指數(shù)評價結(jié)果表明，有部分Cd元素呈中度污染，應(yīng)引起充分重視。

項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤單因子Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明，有76%土壤樣品中Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險呈中等或強(qiáng)級，其余元素均無潛在生態(tài)風(fēng)險；土壤多因子潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明， 95%的土壤樣品屬于無生態(tài)危害或一般生態(tài)危害，只有5%是強(qiáng)生態(tài)危害。綜合上述評價結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量雖總體良好，但應(yīng)注意個別區(qū)域的嚴(yán)重生態(tài)危害問題，尤其是Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險十分突出。

鑒于項(xiàng)目區(qū)為水稻主產(chǎn)區(qū)，土壤中的Cd元素會對稻米質(zhì)量產(chǎn)生直接威脅。因此，在實(shí)施土壤污染治理工程前，應(yīng)充分進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價，因地制宜地選用污染修復(fù)技術(shù)，重點(diǎn)保護(hù)無生態(tài)危害地塊免受外來污染，利用原位修復(fù)技術(shù)治理一般生態(tài)危害地塊，最后結(jié)合土地整理技術(shù)，采用異位隔離法處理強(qiáng)生態(tài)危害地塊，防止污染轉(zhuǎn)移擴(kuò)散，從而達(dá)到在提高土地利用率的同時，改善土壤環(huán)境質(zhì)量的雙重目的，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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The Evaluation of Heavy Metals Pollution and Potential Ecological Risk of Farmland in Caofeidian,Hebei

WANG Yan1, WANG Nan2, WANG Suhua3, ZHANG Shuming3, ZHEN Zhihua1, ZHOU Jiewei1, ZHOU Yu1

1.Crop Seed Management and Inspection Station of Tangshan City, Tangshan 063000, China 2.Affiliated Hospital of North China University of Science and Technology,Tangshan 063000, China 3.Soil and Fertilizer Station of Tangshan City, Tangshan 063000, China

As the farmland soil in Caofeidian project area for study object, it had been measured the fundamental nature of the soil and the contents of Zn, Cu, Pb, Cd in soil. And in accordance with relevant standards and models, it had been evaluated the quality and potential ecological risk of soil. The results showed that: the soil was slightly alkaline, loamy or clay loamy paddy soil, low organic matter content; the pollution index of Cu was the largest, Zn、Pb followed, Cd did not pollute according to national standards, but the cumulative phenomenon had occurred. Potential ecological risk level was moderate or strong for Cd element which had accounted for 76% of all soil samples in single-factor evaluation, and the remaining elements were risk-free. However, potential ecological risk level was free or general ecological harm which had accounted for 95% of all soil samples in multi-factor evaluation, whereas only 5% was strong ecological harm. So it showed that the quality of soil was overall good in project area,but individual areas appeared serious ecological hazard problem, especially the potential ecological risk of Cd was very prominent. Therefore, it should be considered that protection the clean farmland and prevention of new pollution in the projects of land consolidation and pollution remediation in the future, to promote the sustainable development of agriculture.

heavy metals; farmland soil; potential ecological risk

2015-10-27;

2015-12-28

河北省唐山市科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“基于土地整理工程的農(nóng)田污染綜合防治技術(shù)研究”(14120202a)

王 巖(1986-)，男，河北唐山人，碩士，農(nóng)藝師。

甄志華

X820.4；X53

A

1002-6002(2016)04- 0058- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.11