胡琪 劉少玉 劉鵬飛 張文強

摘要?在研究區(qū)布設24個垂向剖面，共采集0～200?cm深度范圍內農田土壤樣品120件，選擇其中As、Pb、Cr、Ni和Cd共5種重金屬進行研究，并利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法進行污染評價。結果表明，樣品中5種重金屬平均含量均超過安徽省土壤重金屬背景值;其中Cd已超過土壤質量二級標準值。剖面上元素含量由淺到深總體呈先減后增的趨勢，淺部受干擾顯著，深部較穩(wěn)定。地累積指數(shù)法評價顯示，土壤中Cd、As、Cr和Ni存在不同程度的污染;潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價顯示，該區(qū)Cd處于強風險等級，其余4種均屬于輕微等級;研究區(qū)整體屬輕微風險等級，Cd是該區(qū)土壤潛在生態(tài)風險的主要影響因子。重金屬最主要來源途徑是農田施用的化肥、農藥、采煤及交通運輸?shù)奈廴疚镝尫拧?/p>

關鍵詞?阜陽市;土壤重金屬;分布特征;地累積指數(shù)法;潛在生態(tài)風險指數(shù)法

中圖分類號?X53;X825文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）07-0068-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.022

Evaluation?of?Heavy?Metal?Pollution?of?Farmland?Soil?in?Eastern?Area?of?Fuyang?City

HU?Qi，LIU?Shaoyu，LIU?Pengfei?et?al

（Institute?of?Hydrogeology?and?Environmental?Geology，?Chinese?Academy?of?Geological?Sciences，?Shijiazhuang，Hebei??050061）

Abstract?24?vertical?sections?were?laid?in?the?study?area，?and?120?farmland?soil?samples?in?the?depth?range?of?0-200?cm?were?collected.?Five?heavy?metals?of?As，?Pb，?Cr，?Ni?and?Cd?were?selected?for?analysis?and?utilization.?The?geoaccumulation?index?method?and?the?potential?ecological?risk?index?method?were?used?for?pollution?assessment.?The?results?showed?that?the?average?content?of?five?heavy?metals?in?the?sample?exceeded?the?background?value?of?heavy?metals?in?Anhui?Province;?Cd?exceeded?the?secondary?standard?value?of?soil?quality.?The?content?of?the?elements?on?the?profile?showed?a?trend?of?decreasing?first?and?then?increasing?from?shallow?to?deep.?The?shallow?part?was?significantly?disturbed?and?the?deep?part?was?stable.?The?evaluation?of?the?geoaccumulation?index?method?showed?that?there?were?different?degrees?of?pollution?of?Cd，?As，?Cr?and?Ni?in?the?soil;?the?evaluation?of?potential?ecological?risk?index?showed?that?the?Cd?in?this?area?was?at?a?high?risk?level，?and?the?other?four?were?all?slightly?graded;?A?slight?risk?rating，?Cd?was?the?main?influencing?factor?for?the?potential?ecological?risk?of?the?soil?in?the?area.?The?main?source?of?heavy?metals?was?the?release?of?pollutants?from?fertilizers，?pesticides，?coal?mining?and?transportation.

Key?words?Fuyang?City;Soil?heavy?metals;Distribution?characteristics;Geoaccumulation?index?method;Potential?ecological?risk?index?method

基金項目?中國地質調查局地質調查項目（DD20190532）。

作者簡介?胡琪（1994—），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：地下水可持續(xù)開發(fā)利用。通信作者，研究員，博士，碩士生導師，從事地下水可持續(xù)開發(fā)利用研究。

收稿日期?2019-10-09;修回日期?2019-10-28

土壤是寶貴的自然資源，也是人類賴以生存和發(fā)展的基礎[1-2]。土壤作為糧食生產提供的母體，其環(huán)境質量事關食品安全，更關乎人類健康。近年來，隨著工農業(yè)生產迅速發(fā)展和環(huán)境保護的疏忽，環(huán)境惡化表現(xiàn)在很多方面，土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的主要載體，扮演著生產和納污的雙重重要角色，土壤重金屬污染問題是其中最為突出的，這是因為土壤內重金屬具有高毒性、難遷移、易富集等性質，有較強的累積效應，發(fā)生污染后會極大影響作物生長及產量，人體一旦攝入便很難排出體外，會對大腦和器官等造成不可逆轉的損害?[3-5]，出現(xiàn)“致癌、致畸、致突”，更有甚者會危及生命。

研究顯示，土壤最容易受到As、Pb、Cr、Ni和Cd等重金屬污染[6-10]，其主要是在工礦企業(yè)生產和農業(yè)規(guī)?；l(fā)展過程中產生并積聚的。阜陽市多目標區(qū)域地球化學調查發(fā)現(xiàn)，阜東地區(qū)農田土壤重金屬存在明顯的異常現(xiàn)象，筆者利用地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法對該區(qū)5種重金屬進行風險評價，以期為該地區(qū)土壤污染防治和農田保護提供科學依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省阜陽市東部，全區(qū)面積約為180?km2，其中耕地面積占總面積的60%。該區(qū)地處黃淮海平原，地勢平坦;屬暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，年平均降雨量為900?mm。區(qū)內溝河縱橫、水系發(fā)達，潁河、濟河等穿區(qū)而過，航運歷史悠久;公路鐵路網密布，交通便利，運輸業(yè)發(fā)達。土質多樣，主要為砂礓黑土、潮土和褐土。區(qū)內盛產小麥、玉米和大豆等作物，是國家重要的商品糧棉基地、皖西北重要的蔬菜供應基地以及豬、牛、羊、禽類生產基地。區(qū)內還建設有大型磷肥、氮肥廠;煤炭資源豐富，儲量達15億t，屬安徽省“861”工程的口孜東礦投產后，年產煤800萬～1?000萬t，這些條件在為研究區(qū)提供發(fā)展的同時也為該區(qū)的土壤污染埋下了隱患。

1.2?樣品采集

利用已有資料圈定了研究區(qū)范圍，根據(jù)平面的分布形態(tài)和面積大小，按照2?000～2?500?m的間隔在區(qū)內均勻布設24個垂向采樣剖面（圖1）。利用GPS確定坐標;在每個剖面0～20、20～60、60～100、100～140和140～200?cm處分層連續(xù)采樣，采樣中去除土壤中的石塊、動植物殘體等，每層樣重500?g，裝入袋中密封，最終采集土壤樣品120件。

1.3?樣品處理與分析

所有樣品保存、處理和加工都嚴格遵循1∶25萬土壤地球化學規(guī)范操作，樣品經自然風干，用無污染的行星球磨機粉碎至200目，再放入105?℃干燥箱中烘干后備測。Cd和Pb的測定，用HF-HCl-HNO3-HClO4分解樣品，電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定;Ni的測定，用HF-HCl-HNO3-HClO4分解樣品，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）測定;Cr的測定，塑料環(huán)制樣鑲邊，壓力機上加壓35?t，X射線熒光光譜法（XRF）測定;As的測定，用HCl-H2SO4分解樣品，原子熒光光譜法（AFS）測定。樣品各元素的分析質量控制采用外部質量控制和內部質量控制相結合的辦法，保證了分析質量的可靠性。數(shù)據(jù)的分析采用Excel?2016和SPSS完成，圖件繪制采用MAPGIS?6.7和Origin?8完成。

1.4?評價方法與標準

1.4.1?地累積指數(shù)法。?地累積指數(shù)又稱Muller指數(shù)，是1969年由德國學者穆勒（Muller）提出的用于評價沉積物中重金屬污染的指標，后來被廣泛應用于不同重金屬的污染評價[11]。計算公式：

Igeo=log2[Ci/（kBi）]（1）

式中，Igeo為地累積指數(shù)，Ci重金屬i的實測值（mg/kg），Bi為重金屬i的地球化學背景值（mg/kg），k為修正系數(shù)，考慮成巖作用可能引起的背景值變動，此處取1.5[3，12]。地累積指數(shù)分級標準見表1。

1.4.2?潛在生態(tài)風險指數(shù)法。潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典科學家Hakanson[13]于1980年提出的，不僅考慮了重金屬的含量，并將其生態(tài)效應、環(huán)境效應和毒理學效應聯(lián)系起來，定量地劃分出重金屬的潛在風險程度，是目前土壤重金屬研究

廣泛使用的方法之一。其計算公式：

Eir=Tir（cis/cin）?（2）

RI=Eir（3）

式中，Eir為單項重金屬污染潛在生態(tài)危害系數(shù);Tir為重金屬i的毒性系數(shù)，As、Pb、Cr、Ni和Cd的毒性系數(shù)分別為10、5、2、5、30[13];cis為土壤中重金屬i的實測值（mg/kg）;cin為重金屬i的參比值，該研究采用土壤元素的背景值;RI為重金屬綜合潛在生態(tài)風險等級。Eir和RI等級劃分見表2。

2?結果與分析

2.1?土壤重金屬分布特征

2.1.1?表層土壤重金屬含量特征?。研究區(qū)表層土壤（0～20?cm）重金屬含量見表3。As、Pb、Cr、Ni元素的變異系數(shù)均小于0.25，在區(qū)內呈均勻分布;Cd元素變異系數(shù)為0.25～050，屬較均勻分布，5種重金屬空間分布差異較小。As、Pb、Cr、Ni和Cd的平均含量均超過安徽省土壤重金屬背景值，說明其在表層土壤中產生了明顯富集，且Cd已超過土壤質量二級標準值，表明區(qū)域土壤中存在Cd污染。

圖2為5種土壤重金屬含量在區(qū)內分布特征，其高值區(qū)在楊樓孜鎮(zhèn)附近均有分布，在新烏江鎮(zhèn)僅存在Pb、Cr、Ni的高值區(qū)。5種重金屬含量分布均呈現(xiàn)以楊樓孜鎮(zhèn)為高值中心，向周邊逐漸減小的趨勢。

2.1.2?土壤重金屬垂向分布特征。垂直潁河方向和平行潁河方向分別選取剖面a-a′和b-b′，隨機選取3個采樣點進行垂向分布特征分析，采樣點依次為PM17、PM20、PM33和PM21、PM29、PM40（圖1）。5種元素的垂向分布特征見圖3、4，由圖3、4可以看出，隨著深度增加，各重金屬元素含量總體呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，深層土壤重金屬含量通常低于表層土壤。0～100?cm土壤重金屬含量變化較大，說明受到自然與人為因素次生干擾較大;140～200?cm土壤重金屬含量變化較小，且與土壤背景值較為接近，反映受到外界影響較小，原生沉積為主。距離潁河越近，重金屬含量越高，可能是由于靠近潁河地區(qū)土壤多為黏性土，易吸附重金屬，使得重金屬遷移能力降低，從而產生積聚。

2.2?土壤重金屬相關性分析?根據(jù)土壤中各重金屬元素的相關性可大致判斷出其是否同源，若存在顯著正相關，則說明來源可能相同，若相關性較小，則可能存在多個來源[16-17]。由研究區(qū)土壤重金屬相關系數(shù)（表4）可以看出，As、Pb和Cr這3種元素兩兩之間均存在顯著相關性，Cr和Cd、Ni和Cd、Ni和As之間存在極顯著相關性，說明這5種元素部分來源可能一致。

2.3?地累積指數(shù)法評價

圖5為5種土壤重金屬的地累積指數(shù)的范圍，根據(jù)平均值，5種重金屬污染程度由強到弱依次為Cd>As>Ni>Cr>Pb。大部分樣點的As和Cd地累積指數(shù)大于0，個別樣點的As為0.5～1.0，Cd為1～2;Cr和Ni元素地累積指數(shù)多數(shù)小于0，僅有個別樣點略大于0;Pb元素所有樣點的地累積指數(shù)均小于0。，As、Cr和Ni處于輕度—中等污染水平，Cd存在中等污染，Pb則未對土壤造成污染。

2.4?潛在風險指數(shù)法評價?表5為土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)，從單因子潛在生態(tài)風險指數(shù)可以看出，研究區(qū)5種重金屬平均風險指數(shù)由大到小依次為Cd>As>Ni>Pb>Cr。Cd的風險指數(shù)在33.71～97.73，平均值為66.91，處于強風險等級;其余4種重金屬風險指數(shù)均未超過40，處于輕微等級。

研究區(qū)重金屬RI均值為99.96，為56.58～136.01，屬輕微風險等級?？傮w看屬輕微污染，其中Cd是該區(qū)域土壤潛在生態(tài)風險的主要影響因子。

3?討論

研究區(qū)主要發(fā)展農業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖，在規(guī)?；N植、養(yǎng)殖過程中，為了提高產量，農戶長期以來都不同程度地施用大量的化肥、農藥、地膜及飼料等，這些直接混入農田土壤中，參與了生產作用過程，并形成累積性重金屬污染。張曉藝[18]的農藥化肥中主要污染物是Cd、As和Cr等研究證實這一情況;同時宋玉婷等[19]、郭振等[20]研究也證明了塑料大棚和地膜等農用薄膜中使用含Cd等重金屬的熱穩(wěn)定劑會造成土壤污染;此外，Li等[21]研究發(fā)現(xiàn)集約化奶牛場飼料樣品中都含有重金屬，且Cd、Cr和Pb的濃度均高于我國飼料標準，同時，在牛糞中也檢測到了重金屬的存在，進一步驗證了重金屬污染的多途徑來源。據(jù)阜陽統(tǒng)計年鑒顯示[22]，2017年阜陽市種植面積達125.86萬hm2，牧業(yè)養(yǎng)殖數(shù)量為528.63萬頭（只），比2016年增加了3.1%。同時，2017年阜陽化肥施用量為35.72萬t，農藥使用量為6?770?t，農用塑料薄膜使用量為2.03萬t，雖比2016年有所減少，但用量仍較大。因此可大致判斷出，研究區(qū)中Cd、Cr的污染來源為化肥農藥、地膜及飼料等大量使用。

其次，研究區(qū)內農業(yè)機械化較為普遍，田間車輛尾氣排放及輪胎磨損會產生Pb、Ni和As等有害氣體和粉塵，經過降雨的淋濾和大氣沉降進入周邊耕地內，對土壤造成污染。研究表明，汽車尾氣含鉛量為0.02～0.05?mg/L，最高可達01?mg/L。研究顯示，車流量大的地區(qū)，土壤中Pb、As、Cr和Ni含量會有明顯增加[23-24]。據(jù)阜陽市統(tǒng)計年鑒，2017年阜陽市大中小型拖拉機達15.13萬臺，聯(lián)合收割機、脫粒機等共有5.98萬臺，車輛總數(shù)呈上升趨勢，汽車尾氣排放量也會隨之增長，使得土壤中重金屬濃度升高。因此，區(qū)內Pb、As、Cr和Ni集聚與汽車尾氣排放具有密切關系。

此外，該區(qū)農田土壤重金屬污染也與煤礦開采和燃煤活

動密切相關，煤炭中含有Cd、Ni和Pb等重金屬，在開采和

燃燒過程中會產生大量粉塵并沉降在礦區(qū)附近的土壤中，類似采煤區(qū)的研究資料可作相關旁證證明。崔東等[25]研究發(fā)現(xiàn)，伊犁河谷煤礦區(qū)土壤重金屬污染嚴重，其中Cd超標最為明顯，煤礦周邊的農用地均達到重度污染。徐玉霞等[26]研究發(fā)現(xiàn)，寶雞市麟游縣煤礦區(qū)周邊農田Hg元素的污染較嚴重，Cd元素次之。姚盛翔等[27]對某燃煤電廠廢棄灰場土壤中重金屬進行測定分析，發(fā)現(xiàn)Cu、Cd、Ni污染嚴重。資料顯示，2017年阜陽市共消耗煤炭606.71萬t，占能源消耗總量的78.41%。煤炭的大量開采及使用，也可能是該區(qū)Cd、Ni等重金屬污染的一大來源，需要進一步調查研究。

4?結論

（1）研究區(qū)采樣土壤中As、Pb、Cr、Ni和Cd的平均含量均超過安徽省土壤重金屬背景值，僅Cd超過土壤質量二級標準值，區(qū)域土壤中Cd存在污染。5種元素在淺部含量變化較大，深部含量變化較小，且隨著深度增加，重金屬含量總體呈先減后增的趨勢，深層土壤重金屬含量通常低于表層土壤。

（2）地累積指數(shù)評價法研究結果表明，研究區(qū)土壤重金屬污染程度由強到弱依次為Cd>As>Ni>Cr>Pb。土壤中As、Cr和Ni處于輕度—中等污染水平，Cd存在中等污染，未受到Pb污染。

（3）潛在生態(tài)風險指數(shù)評價法研究結果表明，研究區(qū)5種重金屬平均風險指數(shù)由大到小順序為Cd>As>Ni>Pb>Cr，Cd處于強風險等級，其余4種重金屬均屬于輕微等級。整個研究區(qū)域屬輕微風險等級，Cd是該區(qū)域土壤潛在生態(tài)風險的主要影響因子。

（4）通過土壤污染源成因的相關性分析可知，研究區(qū)內重金屬來源存在部分一致性，主要包括農藥化肥、地膜的使用，汽車尾氣排放，煤礦開采以及燃煤活動等。

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