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        東莞某工業(yè)鎮(zhèn)農(nóng)用地土壤鎘污染及生態(tài)風險評價

        2019-05-10 03:56:22鄧杰帆吳翠玉李軍輝曾彩明劉金環(huán)劉紀鎣賈重建
        廣東農(nóng)業(yè)科學 2019年3期
        關鍵詞:污染生態(tài)評價

        鄧杰帆,吳翠玉,盧 瑛 ,李軍輝,曾彩明,劉金環(huán),劉紀鎣,賈重建

        (1.東莞市環(huán)境科學研究所,廣東 東莞 523009;2.華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院,廣東 廣州 510642)

        【研究意義】 近年來,隨著工業(yè)的快速發(fā)展,大量工業(yè)污染物不合理排放,造成農(nóng)用地土壤重金屬污染日益嚴重[1-3]。由于重金屬不能被土壤微生物降解,在土壤中不斷積累,且可被植物富集,對環(huán)境和人體健康存在危害性[4],因此土壤重金屬污染問題已引起高度重視[5-7]。鎘(Cd)是生物毒性最強的重金屬元素之一,在環(huán)境系統(tǒng)中遷移活躍,可以通過土壤-農(nóng)產(chǎn)品途徑進入人體,影響酶系統(tǒng)活力,干擾人體微量元素代謝,引發(fā)高血壓、骨質(zhì)疏松等疾病,給人體健康帶來嚴重威脅[8]。因此,土壤Cd的環(huán)境行為以及污染控制等研究一直以來備受關注[4,9-11]。

        【前人研究進展】 根據(jù)2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[12]顯示,我國農(nóng)田土壤點位超標率為19.4%,其中以重金屬Cd最為嚴重。不同土地利用方式對土壤重金屬累積可產(chǎn)生重要影響[13]。目前國內(nèi)北京[14]、上海[15]、天津[16]、廣州[1]、深圳[17]等城市已廣泛開展了不同土地利用方式土壤重金屬研究。有研究表明我國約24.1%的菜地土壤樣本Cd含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標準(GB15618-1995)[18]?!颈狙芯壳腥朦c】 東莞作為廣東經(jīng)濟發(fā)達的城市,由于城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展,導致了“三廢”的大量產(chǎn)生,而“三廢”未得到有效處理的排放以及垃圾和河涌底泥的農(nóng)用,致使重金屬污染物直接或間接地進入農(nóng)田土壤[19],對當?shù)丨h(huán)境造成了一定的壓力。因此,有關東莞市土壤重金屬的相關研究已有眾多報道[20-22],而Cd作為一種累積性的劇毒重金屬元素,其在不同土地利用方式農(nóng)用地中相關分布狀況的研究尚不多見?!緮M解決的關鍵問題】 通過對東莞市某工業(yè)鎮(zhèn)不同土地利用方式土壤-農(nóng)產(chǎn)品系統(tǒng)Cd進行調(diào)查和評價,了解土地利用方式對土壤Cd的累積、分布及其生態(tài)影響,以期為農(nóng)用地土壤Cd污染的有效防治提供科學依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 樣品采集與處理

        充分考慮研究區(qū)域地形地貌、土壤類型和田塊大小等因素,于2017年7月在東莞市某工業(yè)鎮(zhèn)選取不同土地利用類型 ( 菜地、果園、荒地、林地)的地塊,進行樣點布設,并且利用GPS準確定位。按照梅花布點五點混合法,用竹片采集表層土壤(0~15 cm)樣品,四分法取1 kg裝入樣品袋中。共采集表層土壤樣品123個,其中菜地83個、荒地3個、果園26個、林地11個。樣品經(jīng)室內(nèi)自然風干后,使用瑪瑙研缽研磨,分別過孔徑2.00 mm和0.15 mm尼龍篩,貯存待測。

        在種植有時令農(nóng)產(chǎn)品的地塊同時采集可食部分農(nóng)產(chǎn)品,共計27個,其中葉菜類(通心菜、菜心、番薯葉)10個、瓜果類(萵苣、水瓜、茄子)10個、水果類(香蕉、龍眼、木瓜、芒果)7個,放入提前準備有冰塊的儲藏箱中低溫保存,帶回實驗室后進行預處理,去除蟲咬、老殘部分,用自來水沖洗去除污泥等,用蒸餾水洗凈, 并用紗布揩干水分,可食用部分立即碾碎分析。

        1.2 分析方法

        土壤pH值采用電位法測定(水土比2.5∶1)[23], 土 壤 Cd經(jīng) HCl-HNO3-HClO4-HF消解后用石墨爐原子吸收法測定[23]。農(nóng)產(chǎn)品Cd 的測定參照 GB 5009.15-2014[24],經(jīng) HNO3-HClO4消解后用石墨爐原子吸收法測定。樣品分析過程中,土壤和農(nóng)產(chǎn)品分析通過空白、平行和標準物質(zhì)(土壤標準物質(zhì)GSS-4和GSS-24、GSB-6菠菜和GSB-26芹菜)來進行質(zhì)量控制。平行間的相對誤差均< 10 %。

        1.3 評價方法

        為分析土壤和農(nóng)產(chǎn)品Cd累積和污染程度,分別以廣東省自然土壤背景值[25]、《農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)[26]和《食品安全國家標準》(GB2762-2017)[27]食品中污染物限量為評價標準。土壤和農(nóng)產(chǎn)品Cd污染評價標準:廣東省自然土壤背景值Cd含量為0.056 mg/kg;土壤污染風險篩選值pH≤7.5時Cd含量為0.3 mg/kg,pH>7.5時Cd含量為0.6 mg/kg;土壤污染風險管制值pH≤5.5時Cd含量為 1.5 mg/kg,5.5<pH ≤ 6.5時 Cd含量為 2.0 mg/kg,6.5<pH ≤ 7.5時 Cd含 量 為 3.0 mg/kg,pH>7.5時Cd含量為4.0 mg/kg;農(nóng)產(chǎn)品限量值新鮮蔬菜和新鮮水果Cd含量均為0.05 mg/kg。

        1.3.1 污染評價 采用單因子污染指數(shù)法和地累積指數(shù)法評價研究區(qū)域土壤Cd污染狀況,單因子污染指數(shù)法和地累積污染指數(shù)法評價分級標準見表1。

        單因子污染指數(shù)法計算公式為:

        式中,Pi表示土壤重金屬元素i的污染指數(shù),Ci表示土壤重金屬元素i的實測含量(mg/kg),Si表示土壤重金屬元素i的限量標準。

        地累積污染指數(shù)法計算公式為:

        式中,Igeo表示土壤重金屬元素i的地累積指數(shù),Ci表示土壤重金屬元素i的實測值(mg/kg),Bi表示土壤重金屬元素i的背景值。

        表1 單因子污染指數(shù)法和地累積污染指數(shù)分級標準Table 1 The contamination grading standards of single factor index and geo-accumulation index

        1.3.2 潛在生態(tài)風險評價 潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典學者Hakanson[28]提出的,單一金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)計算公式為:

        式中,Eir為土壤中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù);Tir為第i種重金屬元素毒性系數(shù),反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度;Cif為第i種重金屬元素的污染系數(shù),Cis為土壤重金屬元素含量實測值(mg/kg),Cin為重金屬參比值。土壤重金屬含量越大,重金屬的毒性水平越高,潛在生態(tài)危害指數(shù)Eir值越大,表明其潛在危害也越大,其分級標準見表2。用Hakanson制定的標準化重金屬毒性系數(shù)為評價依據(jù),重金屬Cd的毒性系數(shù)Tr=30。為了相對反映特定區(qū)域的分域性,參比值采用廣東省土壤自然背景值。

        表2 Hakanson單一金屬潛在生態(tài)風險評價分級標準Table 2 Grading standards of single metal potential ecological risk assessment by Hakanson

        試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 2016軟件進行相關的圖表處理及統(tǒng)計分析。

        2 結果與分析

        2.1 土壤pH值及Cd含量特征

        由表3可知,研究區(qū)域土壤pH值為3.81~8.29,平均值為6.08,有66.7%的樣點土壤pH<6.5,即有2/3的土壤偏酸性;不同利用方式間土壤pH平均值表現(xiàn)為:荒地>林地>菜地>果園。土壤Cd含量變化范圍為0.02~1.52 mg/kg,平均值為0.36 mg/kg,僅8.94%的樣點Cd含量未超過廣東省自然土壤背景值,表明研究區(qū)域土壤已呈現(xiàn)一定程度的Cd累積;48.78%的樣點Cd含量高于土壤污染風險篩選值,但均沒有超過管控值(GB 15618-2018)。土壤Cd含量在不同利用方式間的大小順序為:菜地>林地>果園>荒地,且菜地土壤Cd含量顯著高于其他3種利用方式。

        變異系數(shù)可以反映采樣總體中各樣點之間的平均變異程度[29]。表3表明,菜地、果園土壤Cd的變異系數(shù)達到65%以上,遠大于林地和荒地土壤的Cd變異系數(shù),說明菜地和果園土壤受人為活動的干擾比較顯著,空間變異較大。

        表3 土壤pH和Cd含量統(tǒng)計特征Table 3 Description statistics of soil pH and Cd content

        2.2 農(nóng)產(chǎn)品Cd含量及遷移特征

        從圖1A可以看出,供試農(nóng)產(chǎn)品Cd含量為0.000015~0.062 mg/kg,平均含量為 0.013 mg/kg,與《食品安全國家標準》(GB 2762-2017)農(nóng)產(chǎn)品Cd限量值相比,有11.11%的農(nóng)產(chǎn)品Cd含量超標,且超標的農(nóng)產(chǎn)品均為茄果類,說明已有部分茄果類蔬菜受到Cd污染。不同種類農(nóng)產(chǎn)品Cd含量平均值由大到小依次為:茄果類>葉菜類>水果類,單因素方差統(tǒng)計分析結果顯示3類農(nóng)產(chǎn)品之間無顯著差異。

        農(nóng)產(chǎn)品對重金屬的吸收和積累特征,眾多研究者采用農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的含量與相應土壤重金屬含量的比值表示[20,30-31],本研究將農(nóng)產(chǎn)品Cd含量與相應土壤的比值稱之為遷移系數(shù),Cd 遷移系數(shù)越大,表明農(nóng)產(chǎn)品從土壤中吸收Cd 的能力越強,抗土壤Cd污染的能力就越弱[31]。從圖1B可以看出,Cd在土壤-農(nóng)產(chǎn)品間的遷移系數(shù)為0.000031~0.46,平均值為0.055。不同種類農(nóng)產(chǎn)品Cd遷移系數(shù)平均值由大到小依次為:茄果類>葉菜類>水果類,三者間無顯著差異,這與各類農(nóng)產(chǎn)品Cd含量的大小順序一致。

        圖1 農(nóng)產(chǎn)品Cd含量(A)及遷移系數(shù)(B)Fig.1 Cd concent (A) and transfer coefficient (B) in agro-products

        2.3 土壤Cd污染評價

        2.3.1 基于單因子污染指數(shù)的土壤Cd污染評價 以《農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)中土壤污染風險篩選值為依據(jù),計算Cd污染指數(shù),結果見表4。從表4可以看出,土壤Cd污染指數(shù)為0.06~5.06,平均值為1.19,48.78%的樣點處于輕污染~重污染水平,其中93.33%的受污染樣點為菜地,荒地土壤Cd處于安全水平。菜地的Cd污染指數(shù)顯著高于其他3種利用方式。

        2.3.2 基于地累積指數(shù)的土壤Cd污染評價 由表4可知,研究區(qū)土壤Cd地累積指數(shù)為-2.19~4.17,平均值為1.55,84.55%的樣點處于輕污染以上的水平。不同利用方式土壤的Cd地累積指數(shù)平均值均大于0,菜地的Cd污染指數(shù)顯著高于其他3種利用方式??梢?,研究區(qū)菜地受人類活動的影響程度遠大于其他3種利用方式。

        2.3.3 基于潛在生態(tài)危害指數(shù)的土壤Cd污染風險評價 從土壤Cd潛在生態(tài)危害指數(shù)結果(表4)來看,研究區(qū)土壤Cd潛在生態(tài)危害指數(shù)為9.88~812.64,處于輕微、中等、強、很強、極強水平的比例分別為13.82%、13.82%、23.58%、30.89%、17.89%,表明研究區(qū)土壤Cd的生態(tài)風險較高,其中菜地土壤Cd的生態(tài)風險最高,有97.59%的樣點土壤處于中等以上的生態(tài)風險水平。方差分析結果顯示,菜地土壤Cd潛在生態(tài)危害指數(shù)與其他3種利用方式差異顯著。

        表4 土壤Cd 污染評價結果Table 4 The results of Cd contamination assessement in soils

        3 討論

        在自然情況下,土壤重金屬主要來源于母巖和殘落的生物物質(zhì),但隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的發(fā)展,人為活動對土壤重金屬分布的影響不斷加強,污水灌溉、農(nóng)藥、無機和有機肥料(包括城市垃圾、污泥)的施用等管理措施均會導致土壤重金屬的積累[4,8,13,32]。本研究中,有 90% 以上的樣點土壤Cd含量高于廣東省自然背景值,累積現(xiàn)象明顯。土地利用方式不同,管理措施通常也不同[13],從而導致土壤重金屬含量及污染特征產(chǎn)生差異。本研究中通過對研究區(qū)域菜地、林地、果園以及荒地土壤取樣分析表明,不同利用方式對土壤中Cd的含量有不同程度的影響,其中菜地土壤最為顯著,Cd污染程度最嚴重,這與前人研究基本一致[1,13-14]。這是由于菜地土壤耕作強度大、肥料農(nóng)藥使用量大、投入和產(chǎn)出高、受人類活動影響最為強烈[18],而Cd作為一種較為典型的因人類活動進入環(huán)境的元素[14],在菜地土壤中的積累程度較其他利用方式強烈。

        土壤中重金屬是造成蔬菜重金屬污染的主要因素,且通過食物鏈被動物富集,直接或間接地威脅人類安全和健康[22,33],由于作物主要是通過根系從土壤溶液中吸收元素[30],不同農(nóng)產(chǎn)品因?qū)λ值男枨蟛煌鴮е聦χ亟饘俚奈找约绑w內(nèi)運移效率有很大差異。本研究中11.11%的農(nóng)產(chǎn)品 Cd超標,Cd在土壤-農(nóng)產(chǎn)品間的遷移系數(shù)較高,不同種類農(nóng)產(chǎn)品Cd遷移系數(shù)平均值由大到小依次為:茄果類>葉菜類>水果類,茄果類及葉菜類等蔬菜較水果類對環(huán)境產(chǎn)生風險效應強。農(nóng)用地土壤重金屬污染物不僅對農(nóng)作物生長造成影響,還可通過食物鏈的傳遞作用對人體健康造成危害。因此,不同種類農(nóng)產(chǎn)品累積Cd的差異可指導實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中作物種類的選擇與種植,就研究區(qū)域而言,水果類更適宜于該研究區(qū)域種植。

        4 結論

        (1)研究區(qū)91.06%的樣點土壤Cd含量高于廣東省自然背景值,呈現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象;48.78%的樣點Cd含量高于農(nóng)用地土壤污染風險管控標準篩選值,存在土壤污染風險,處于輕污染~重污染水平;地累積指數(shù)法評價結果為84.55%的樣點Cd處于輕污染~較強污染水平;潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果為86.18%的樣點土壤Cd的生態(tài)風險處于中等~極強水平。

        (2)研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品Cd含量平均值均低于食品安全國家標準中規(guī)定的蔬菜 Cd 含量限值,但有11.11%的蔬菜超標,對人群存在健康風險。

        (3)利用方式影響土壤Cd的累積,土壤Cd含量、污染指數(shù)、地累積指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值大小順序均為:菜地>林地>果園>荒地,且菜地與其他3種利用方式差異顯著。

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