韓晉仙,李二玲,班鳳梅
(1.山西財經(jīng)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030006; 2.河南大學(xué)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展研究所/環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,河南 開封 475004)
土壤是自然地理環(huán)境的重要組成部分,也是人類賴以生存的重要資源。近年來,隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)集約化進程的加快,土壤污染呈現(xiàn)加劇趨勢,尤其是土壤重金屬污染[1-3]。據(jù)我國首次土壤污染狀況調(diào)查公報顯示,從土地利用類型看,我國耕地土壤質(zhì)量堪憂,超標點位為19.4%;從污染物類型看,以無機污染為主,Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種重金屬污染點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[4]。目前,我國每年因重金屬污染而減產(chǎn)的糧食超過1 000萬t,因重金屬污染的糧食每年多達 1 200萬t,經(jīng)濟損失合計至少200億元[5]。耕地土壤重金屬含量即與成土過程和母質(zhì)有關(guān),更與人類活動密不可分,如灌溉、農(nóng)藥、化肥、地膜、工業(yè)“三廢”、交通等,而進入耕地的重金屬很難通過自然降解,且會隨著時間的推移不斷累積[6-9]。這不僅會惡化土壤生態(tài)系統(tǒng),還會降低農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、危害人類健康,進而影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[10-14]。由此可見,當前我國耕地土壤重金屬污染問題亟待解決。
目前,關(guān)于耕地土壤重金屬污染已經(jīng)開展了大量的研究,研究的內(nèi)容涵蓋耕地土壤重金屬的累積特征[3,5-6]、來源解析[7-9]、賦存形態(tài)[15]、污染評價[3,16]、生態(tài)與健康評價[5,9,14]以及空間分布特征[17]等,研究的地域主要涉及城郊[2]、礦區(qū)[3]、典型農(nóng)區(qū)[5]、污灌區(qū)[6]和工業(yè)區(qū)[17]等,這些研究為今后開展耕地土壤重金屬累積及生態(tài)風(fēng)險評價等相關(guān)研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。這些研究大都涉及的是大尺度區(qū)域,單獨針對常規(guī)農(nóng)業(yè)村小尺度區(qū)域的耕地土壤重金屬污染的研究較少。村莊是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中最基本的單位,常規(guī)農(nóng)業(yè)是當前我國在實施運作上占主導(dǎo)地位的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式,是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化過程中的一個發(fā)展階段,而耕地土壤重金屬污染是由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型過程中所面臨的最為棘手的環(huán)境問題之一。因此,研究認識常規(guī)農(nóng)業(yè)村耕地土壤重金屬污染狀況、空間分布及原因,對摸清我國常規(guī)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染實況,推動農(nóng)業(yè)、農(nóng)村健康綠色發(fā)展以及鄉(xiāng)村振興均具有重要 意義。
壽陽縣位于山西省東部,素有“山西糧倉”之稱,是“全國糧食生產(chǎn)先進縣”和“全國無公害蔬菜生產(chǎn)示范基地縣”,旱作常規(guī)農(nóng)業(yè)是當?shù)卮迩f普遍實施的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。2017年6月21日至23日,習(xí)近平總書記在山西視察期間指出:“有機旱作是山西農(nóng)業(yè)的一大傳統(tǒng)技術(shù)特色,要堅持走有機旱作農(nóng)業(yè)的路子,完善有機旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)體系,使有機旱作農(nóng)業(yè)成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要品牌”。然而,近年來隨著人類活動的加劇,當?shù)爻R?guī)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的風(fēng)險加大,給農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型、生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來了威脅。
為此,本文對壽陽縣7個典型常規(guī)農(nóng)業(yè)村土壤耕作層進行了采樣,分析了Cd、Hg、As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 8種重金屬的含量。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用單因子污染指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險評價法和GIS技術(shù)對區(qū)域耕地重金屬污染現(xiàn)狀、空間分布及潛在生態(tài)影響進行了分析,旨在促進當?shù)鼐用窈侠砝酶刭Y源,推動有機旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展,保護人類身體健康,并為常規(guī)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染防治提供一個研究案例。
黑水村、石河村、山底村、馮家寨、平頭村、路家河村、孫家莊村(以下簡稱研究區(qū))隸屬于山西省壽陽縣,位于山西省晉中市東北部,地處東經(jīng)112°49′~112°56′,北緯37°55′~37°58′,地勢平坦,屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量570 mm,年平均氣溫7.4℃,日照時數(shù) 2 725 h。春季干燥多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季天晴氣爽,冬季寒冷少雪,春、秋短促,冬、夏較長。土壤類型為褐土性土壤,本研究測定的土壤平均pH值為8.03。研究區(qū)種植歷史悠久,是典型的旱作常規(guī)農(nóng)業(yè)村,自20世紀90年代以來蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為該區(qū)的一項富民產(chǎn)業(yè)。
本次研究中每個采樣地塊地勢平坦,面積約0.067 hm2,采集樣品為種植玉米和茴子白、西葫蘆等作物的耕作層土壤。在采樣時選取距離廠礦企業(yè)、公路、建設(shè)用地等較遠的地塊兒,而且研究區(qū)屬于小區(qū)域氣候,區(qū)域內(nèi)部的自然因素如氣候、成土母質(zhì)等條件差異較小,這樣可以最大程度地降低自然因素以及周邊環(huán)境對耕地重金屬含量造成的影響。采樣時每個地塊采用蛇形布點,土壤樣品的采集深度為0~20 cm,每個地塊采集5個子土樣,將其均勻混合成一個樣品裝入聚氯乙烯塑料袋密封后帶回實驗室。實際采樣過程中應(yīng)用GPS對采樣點進行定位,采樣點分布見圖1。
圖1 研究區(qū)位置及樣點分布
所有樣品在實驗室自然風(fēng)干,剔除磚瓦塊、植物根系和垃圾等雜物,然后取50 g用木棍將樣品碾碎,全部通過2 mm尼龍篩,之后將其充分混合,用瑪瑙研缽進一步研磨,使之全部通過0.149 mm尼龍篩,保存在自封袋內(nèi),待測。
用電子稱稱量0.100 0 g左右保存在自封袋內(nèi)研磨好的土壤樣本,采用“HNO3-HF-HClO4”消解樣本后,使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國X-Series型ICP-MS)測定土壤樣本Cr、Pb、Cu、Ni含 量(GB/T 17137-1997、GB/T 17141-1997、GB/T 17138-1997、GB/T 17139-1997),使用原子吸收分光光度計(安捷倫240FS-AA)測定土壤樣本中Cd和Zn含量(GB/T 17141-1997和GB/T 17138-1997)。用電子稱稱量0.200 0 g左右保存在自封袋內(nèi)研磨好的土壤樣本,采用王水在水浴鍋中消解樣本后,使用原子熒光光譜法(GB/T 22105.1-2008,北京海光KYS02型原子熒光光度計)測定土壤樣本中Hg和As含量。在測定過程中,所使用的試劑均為優(yōu)級純,所有樣品均平行試驗2次,并用國家標準土樣GSS-8和GSS-13進行回收試驗,國家標準土樣的檢測結(jié)果均在給定的范圍內(nèi),說明所有土樣的檢測結(jié)果準確可靠。
1.4.1 單因子污染指數(shù)法
利用實測值與標準值對比,能簡單直觀反映土壤各重金屬的污染程度。計算公式為:
式中:Pi為土壤中重金屬i的單因子污染指數(shù);Ci為土壤中重金屬i的實測值;Cn為重金屬i的標準值,本研究采用山西省元素背景值,Ci和Cn單位為mg/kg。關(guān)于P的分級標準為P≤0.7為無污染/清潔(Ⅰ),0.7
3.0為重度污 染(Ⅴ)。
1.4.2 污染負荷指數(shù)法
綜合考慮了土壤各重金屬污染指數(shù),可以綜合反映研究區(qū)土壤重金屬污染狀況。計算公式為:
式中:PLI為各樣點土壤污染負荷指數(shù),Pi同上。關(guān)于PLI的污染分級標準,Tomlinson等最初將PLI<1定為無污染,PLI>1定為污染[18]。之后有學(xué)者對其進行了進一步劃分[19]:PLI<1.0屬 無污染,1.0
采用瑞典科學(xué)家(H?kanson)提出的潛在生態(tài)風(fēng)險評價法[21]對研究區(qū)進行土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險評價。其計算公式如下:
表1 本研究與Hkanson研究中RI和E分級標準的比較
在SPSS 19.0中對原始數(shù)據(jù)進行單樣本K-S檢驗,符合正態(tài)分布的采用算術(shù)均值,符合對數(shù)正態(tài)分布的采用幾何均值,不符合正態(tài)和對數(shù)正態(tài)分布的采用中位數(shù)描述重金屬的平均含量。在SPSS 19.0中對研究區(qū)8種土壤重金屬綜合污染指數(shù)(PLI)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)原始數(shù)據(jù)分別進行單樣本K-S檢驗(表2),均符合正態(tài)分布,故在Arcmap 10.0支持下采用Kriging(普通克里格)空間插值技術(shù),揭示研究區(qū)8種土壤重金屬綜合污染指數(shù)(PLI)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)的空間分布。
土壤重金屬元素含量的統(tǒng)計特征見表2。對比山西省元素背景值(表2)可知,除As的平均含量低于背景值外,其余重金屬元素平均含量均高于背景值,Cu、Ni、Pb、Zn、Cr、Hg和Cd的平均含量分別為山西省元素背景值的1.03、1.03、1.13、1.15、1.72、2.26和1.55倍,說明研究區(qū)內(nèi)由于人類活動的影響,耕地土壤已經(jīng)出現(xiàn)不同程度重金屬累積的現(xiàn)象。對比《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準》(GB 15618-2018,pH>7.5)可知,所有重金屬的含量均未超出該標準限值。從變異系數(shù)(CV)來看,Hg、Zn、As為高度變異(CV>36%),其中Hg CV最高,達82%,Cu、Ni、Pb、Cr和Cd為 中 等 強 度 變 異(15% 表2 土壤重金屬元素含量的統(tǒng)計特征 與山西省晉中市其他縣城[22-25]耕地土壤重金屬含量相比(表3),研究區(qū)耕地土壤平均As含量遠低于其他縣城,Hg、Pb和Ni含量稍低于其他縣城,而Cu和Zn含量稍高于其他縣城,Cr和Cd含量分別是其他縣城平均含量的2.08和1.54倍。這與各區(qū)域土壤元素背景和人類活動差異有關(guān)。 表3 晉中市內(nèi)不同縣城的耕地土壤重金屬含量比較 (mg·kg-1) 以山西省土壤元素背景值為參考,研究區(qū)耕地土壤單個重金屬污染指數(shù)(P)平均值的順序依次為:Hg(2.255)>Cr(1.781)>Cd(1.549)>Zn(1.211)> Pb(1.131)>Cu(1.072)>Ni(1.052)>As(0.211),對比P分級標準可知,研究區(qū)土壤Hg為中度污染,Cr、Cd、Zn、Pb、Cu、Ni為 輕 度 污 染,As為清潔無污染。不同污染程度樣點數(shù)占總樣點數(shù)的比例(表4)能詳細地說明研究區(qū)各重金屬元素的污染狀況。研究區(qū)8種重金屬元素中As處于清潔水平的樣點比例為100%;Cu、Ni和Pb輕度污染的樣點比例分別為53.97%、54.76%和66.67%,三者處于清潔-警戒水平的樣點占比分別為44.44%、43.65%和33.33%,Ni和Cu出現(xiàn)個別 中度污染樣點,無重度污染樣點,Pb則未出現(xiàn)中度污染以上樣點;Cr和Cd絕大多數(shù)樣點污染較輕,輕度污染樣點占比均為88.89%,但分別有11.11%和8.73%的耕地土壤出現(xiàn)了中度-重度污染;Zn和Hg的P較其他重金屬分散,在各個污染程度都有樣點分布,其中Zn占比最多的為輕度污染樣點,達62.70%,清潔-警戒水平的樣點占比為31.74%,中、重度污染占比分別為3.97%和1.59%;而Hg占比最多的為清潔-警戒水平的樣點,為34.13%,輕、中度污染的樣點占比分別為11.90%和26.19%,重度污染樣點達27.78%。說明該區(qū)域耕地土壤Hg、Cr和Cd污染較為嚴重,除As外其余重金屬的污染也要引起 關(guān)注。 表4 不同污染程度樣點數(shù)占總樣點數(shù)的比例 (%) 參照公式(2)計算,研究區(qū)耕地土壤8種重金屬綜合污染指數(shù)PLI平均為1.09,屬于輕度污染。從研究區(qū)耕地土壤8種重金屬綜合污染指數(shù)不同污染程度樣點數(shù)占總樣點數(shù)的比例(表4)看,輕度污染樣點數(shù)占總樣點數(shù)的60.32%,警戒、清潔的樣點分別占37.30%和2.38%,說明該區(qū)域多數(shù)土壤樣點已經(jīng)被重金屬污染,但總體污染較輕。 以山西省土壤元素背景值作參比,計算得到研究區(qū)耕地土壤8種重金屬E值和各樣點RI值,并根據(jù)表1所列分級標準進行潛在生態(tài)風(fēng)險評價 (表5)。 表5 不同潛在生態(tài)風(fēng)險級別樣點數(shù)占總樣點數(shù)的比例 (%) 研究區(qū)耕地土壤各重金屬平均E值的排序為:Hg(90.190)>Cd(46.482)>Pb(5.656)>Cu(5.359)>Ni(5.262)>Cr(3.562)>As(2.105)>Zn(1.211)。參照E值分級標準,研究區(qū)耕地土壤Hg含量總體上處于強烈生態(tài)風(fēng)險水平以上,其中強烈-很強烈-極強烈生態(tài)風(fēng)險水平樣點占比為53.97%,輕度-中度生態(tài)風(fēng)險水平樣點占比為46.03%;土壤Cd含量總體處于中度生態(tài)風(fēng)險水平,輕度、中度和強烈生態(tài)風(fēng)險水平的樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的26.98%、71.43%和1.59%;其他重金屬的生態(tài)風(fēng)險很低,Zn、Pb、Cu、Ni、Cr、As所有樣點均屬于輕度生態(tài)風(fēng)險水平。研究區(qū)耕地土壤8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險等級差異較大,造成這一現(xiàn)象的主要原因有兩方面,一方面是由于各種重金屬的毒性系數(shù)差異所致,毒性系數(shù)較大的重金屬對E值具有更大的貢獻,如Hg毒性系數(shù)為40,Cd毒性系數(shù)為30,而Zn毒性系數(shù)為1,Cr毒性系數(shù)為2;另一方面則是由于Hg和Cd的平均含量高出山西省元素背景值比較多,造成其單因子污染指數(shù)相對其他重金屬較高,因而導(dǎo)致Hg和Cd單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)突出,其他重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較低。 參照公式(3)計算,研究區(qū)耕地土壤8種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)平均為151.470,對比RI的分級標準,屬于中度生態(tài)風(fēng)險水平。從研究區(qū)耕地土壤不同RI生態(tài)風(fēng)險級別樣點數(shù)占總樣點數(shù)的比例(表5)來看,中度生態(tài)風(fēng)險水平的樣點數(shù)占比較高,為52.38%,輕度和強烈生態(tài)風(fēng)險水平的樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的35.71%和11.90%。因此,該區(qū)域耕地土壤重金屬污染呈現(xiàn)一定程度的潛在生態(tài)危害,Hg和Cd是主要生態(tài)風(fēng)險貢獻因子。 空間插值是通過已知樣點的特征值及樣點間的空間位置,采用一定的方法,推斷出未知樣點的特征值,從而將離散點的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面。對各樣點的土壤綜合污染指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行空間插值可以直觀地反映出研究范圍內(nèi)的重金屬污染程度及分布情況。目前,常用的空間插值法有Kriging(克里金插值法)和IDW(反距離加權(quán)插值法)。采用SPSS的K-S法檢驗發(fā)現(xiàn)研究區(qū)8種重金屬PLI值符合正態(tài)分布(在P=0.05水平下,Sig.=0.615),且RI值亦符合正態(tài)分布(在P=0.05水平下,Sig.=0.106),故本研究在Arcmap 10.0支持下,采用Kriging(普通克里格)插值技術(shù)[26]得到研究區(qū)耕地土壤8種重金屬綜合污染指數(shù)(PLI)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)的空間分布圖(圖2和圖3)。從中可以看出,研究區(qū)耕地土壤8種重金屬PLI和RI的空間分布格局基本一致,在個別村莊存在一定的污染和生態(tài)風(fēng)險峰值,并向周邊呈遞減趨勢,這有可能對當?shù)厥卟朔N植和居民身體健康產(chǎn)生危害,應(yīng)引起 關(guān)注。 圖2 研究區(qū)耕地土壤重金屬PLI的空間分布 圖3 研究區(qū)耕地土壤重金屬RI的空間分布 耕地土壤重金屬含量既受到土壤母質(zhì)的影響,也受到人為活動的擾動,尤其是人為活動導(dǎo)致耕地土壤重金屬含量增加,而進入土壤的重金屬在堿性條件下(研究區(qū)土壤呈堿性反應(yīng)),很難發(fā)生垂直遷移,但會隨著時間的推移逐漸富集,給農(nóng)作物和人類健康帶來風(fēng)險。研究區(qū)耕地土壤中除As外,Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、Cr和Hg均有產(chǎn)生不同程度的累積,這與王宣等[27]常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的土壤重金屬污染明顯較高的研究結(jié)論一致。雖然總體污染較輕,但仍存在一定的生態(tài)風(fēng)險,而研究區(qū)耕地土壤重金屬含量較山西省土壤元素背景值增加的原因主要有:(1)21世紀以來每年約有30多次覆蓋整個晉中盆地的重霧霾天氣現(xiàn)象,霧霾往往也是各種重金屬污染物的載體;(2)研究區(qū)內(nèi)有一家始建于1983年、設(shè)計能力6萬t·年-1地方國營煤礦(圖1),雖然該煤礦已經(jīng)在2000年破產(chǎn)關(guān)閉,但該煤礦在近20年生產(chǎn)過程中排放的含重金屬的廢氣通過大氣沉降進入了土壤表層中;(3)研究區(qū)人口密集且屬典型的燃煤型地域,家庭取暖和日常生活采用傳統(tǒng)燃煤技術(shù),煙囪較矮且沒有除塵技術(shù),原煤燃燒廢氣中含Cd、Cr、Hg、Pb等重金屬的氣溶膠隨固相、液相沉降進入土壤[28],富集于土壤表層;(4)化肥、農(nóng)藥、有機肥以及除草劑的大量施用是常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要手段,其中含有不同量值的重金屬元素[29-31],耕地土壤中的重金屬含量會隨著化肥、農(nóng)藥及有機肥等的長期施用而不斷積累[32-33]。研究區(qū)自然地理條件基本一致,土壤質(zhì)地均勻,母質(zhì)差異很小,因此,上述因素可能是造成該區(qū)土壤重金屬含量全面增高的重要原因。 從研究區(qū)8種重金屬PLI和RI的空間分布來看,該區(qū)存在一定的污染和生態(tài)風(fēng)險峰值。這說明該區(qū)土壤重金屬含量出現(xiàn)了空間差異,而在局部環(huán)境條件基本一致的情況下,農(nóng)戶行為差異可能是造成部分地塊土壤重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險突出的原因之一。如不同農(nóng)戶的施肥、農(nóng)藥噴灑、對環(huán)境保護的認知水平等均影響土壤重金屬的含量[34-35]。這與閆姣等[36]對村級土壤重金屬空間分布及原因分析的研究結(jié)論一致。實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),污染突出的地塊上化肥和農(nóng)藥施用強度較其他地塊大,且農(nóng)戶在作物種植過程中會施用雞糞,絕大多數(shù)農(nóng)戶未參加過農(nóng)業(yè)技術(shù)培訓(xùn),影響了其在農(nóng)業(yè)投入選擇上的科學(xué)性,提高了土壤重金屬污染的風(fēng)險。 因此,使用清潔的能源,指導(dǎo)農(nóng)戶合理施用化肥、農(nóng)藥和有機肥并接受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)等是防止土壤重金屬累積、促進土壤健康可持續(xù)利用、保障綠色有機旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要舉措。 研究區(qū)耕地土壤中8種重金屬含量除As的平均含量低于山西省土壤元素背景值外,其余重金屬元素平均含量均高于背景值,Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、Cr和Hg的平均含量分別為山西省元素背景值的1.03、1.03、1.13、1.15、1.55、1.72和2.26倍,表明該常規(guī)農(nóng)業(yè)村耕地存在不同程度重金屬累積的現(xiàn)象,應(yīng)引起重視。 從單因子污染指數(shù)看,該區(qū)土壤Hg處于中度污染,Cd、Cu、Ni、Pb、Zn、Cr處于輕度污染。從綜合污染指數(shù)看,該區(qū)所有樣點8種重金屬總體上屬于輕度污染。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)看,該區(qū)總體屬于中度生態(tài)風(fēng)險水平,其中Hg和Cd生態(tài)危害突出,其他重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險較低。 從研究區(qū)8種重金屬PLI和RI的空間分布來看,二者分布格局基本一致,存在一定的污染和生態(tài)風(fēng)險峰值。說明在局部自然地理條件差異不大的情況下,該區(qū)耕地土壤重金屬累積與霧霾、燃煤、煤礦生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動密切相關(guān)。2.2 土壤重金屬污染的特征
2.3 土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險評價
2.4 土壤重金屬污染和潛在生態(tài)風(fēng)險的空間分布
3 討論
4 結(jié)論