王郅睿，韓朝輝，董 風(fēng)，丁廉超，田 輝，劉瀚元

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100)

0 引言

土壤是珍貴的自然資源，是農(nóng)業(yè)最基本的生產(chǎn)要素，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)依托[1-4]。近年來，全國土壤重金屬污染問題逐漸突出[5-9]，在部分區(qū)域已經(jīng)影響到食品安全[10-13]。漢江流域作為全國重要水源地和歷史悠久的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，生態(tài)和土壤環(huán)境問題日益顯現(xiàn)[14]，根據(jù)調(diào)查走訪，研究人員了解到流域內(nèi)某縣出產(chǎn)的水稻重金屬超標(biāo)，水稻作為當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物，出現(xiàn)污染已經(jīng)嚴(yán)重影響農(nóng)民的生活，因此，在該區(qū)開展土壤質(zhì)量評價工作，可以查清局部污染問題的根源，以期為該區(qū)土壤環(huán)境改善、土壤保護提供依據(jù)[15]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于漢江流域陜西段某縣城周邊，面積約100 km2。全區(qū)以第四系沖-洪積物為主，盆地地貌，地勢平坦。區(qū)內(nèi)屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，水系發(fā)育，土壤主要為黃棕壤、潮土和水稻土。研究區(qū)土地利用方式以耕地為主、其次為林地，主要作物有水稻、玉米、油菜和小麥。區(qū)內(nèi)有大型鋼鐵廠一處，中小型工礦企業(yè)較多。

2 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)報出后，以中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心制作的土地利用類型圖為底圖，利用GeoIPAS V4.2化探專業(yè)版軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖件繪制。

3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價結(jié)果

3.1 土壤養(yǎng)分多指標(biāo)評價

根據(jù)《評價規(guī)范》，在Se、Sr、F、I、N、P、K、Ca、Fe的單指標(biāo)土壤養(yǎng)分分級基礎(chǔ)上，計算了各評價單元的土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級。結(jié)果顯示(圖1)，該區(qū)域主要土壤養(yǎng)分等級以二等(較豐富)為主，占比61.53%，多分布于區(qū)內(nèi)長期耕種農(nóng)田內(nèi)，以水田為主；其余為三等(中等)，多分布于接近山區(qū)的零散農(nóng)田內(nèi)，以旱地為主?？傮w農(nóng)耕土壤養(yǎng)分較豐富，未出現(xiàn)大面積的單元素養(yǎng)分缺失，長耕水澆地情況較好。其中硒元素未出現(xiàn)大面積富集，多在三等(適量)以下。

圖1 土壤養(yǎng)分多指標(biāo)評價

3.2 土壤環(huán)境多指標(biāo)評價

根據(jù)《評價規(guī)范》，在Cd、Pb、Cr、Ni、Hg、As、Zn、Cu等重金屬元素單指標(biāo)土壤環(huán)境分級基礎(chǔ)上，計算了各評價單元的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級。結(jié)果顯示(圖2)，工作區(qū)土壤環(huán)境綜合等級以一等(清潔)為主，占比71.19%，二等(輕微污染)區(qū)域占比27.46%，三等(輕度污染)以上區(qū)域約1.8 km2，污染區(qū)域多位于圖幅北部人類活動較密集的縣城周邊。

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[17]，區(qū)內(nèi)主要污染元素為Cd，大于0.3 mg/kg的樣品多達623件，已超過風(fēng)險篩選值，占樣品總數(shù)的68.5%，其中有11件樣品大于1.5 mg/kg，已超過風(fēng)險管制值，區(qū)內(nèi)Cd峰值為7.36 mg/kg，超標(biāo)23.5倍。其余元素中Hg、As在較小范圍內(nèi)出現(xiàn)輕微污染，達到風(fēng)險篩選值的樣品均小于10件。

3.3 土壤質(zhì)量綜合指標(biāo)評價

根據(jù)《評價規(guī)范》，結(jié)合土壤養(yǎng)分與土壤環(huán)境評價結(jié)果，得到工作區(qū)土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級。結(jié)果顯示(圖3)，工作區(qū)土壤質(zhì)量總體較好，其中一等(優(yōu)質(zhì))占比35.19%，二等(良好)占比34.88%。三等(中等)占比28.53%，主要集中在江北岸和江南部某支流沿岸的人類活動密集區(qū)域，四等(差等)和五等(劣等)占比1.39%，主要分布在縣城以北某支流兩岸。

圖2 土壤環(huán)境多指標(biāo)評價

圖3 土壤質(zhì)量綜合指標(biāo)評價

4 污染源追溯及研究

4.1 污染源追溯

對土壤質(zhì)量綜合指標(biāo)評價結(jié)果進行直觀分析，土壤質(zhì)量等級由南向北逐漸升高，且四等以上區(qū)域沿某河流向北延申，而該河流是周邊農(nóng)田的主要灌溉水來源，因此，研究人員首先將污水灌溉作為主要線索進行污染源追溯[18]。

沿主要灌溉渠向北追索，至某村后發(fā)現(xiàn)此地周邊有一處大型化工廠，且村民正在將水稻改種為中藥材等其他經(jīng)濟作物，初步認(rèn)定此地為污染較嚴(yán)重區(qū)域。為確定污染情況，研究人員以此地為核心采集表層土壤樣品10件，農(nóng)作物樣品4件(籽實、根、莖、葉各一件)，并沿灌溉渠以1點/km的密度采集表層土壤樣品3件，此次采樣工作距第一次在該區(qū)域附近采樣間隔約3個月。

根據(jù)樣品分析結(jié)果，研究人員首先通過土壤背景值進行對比分析。土壤地球化學(xué)背景值是指自然應(yīng)力和人類活動共同作用影響下區(qū)域土壤的量值，以表層土壤元素含量表征[19]。背景值的求取首先對數(shù)據(jù)頻率分布形態(tài)進行正態(tài)檢驗，服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布的，分別用算術(shù)平均值和幾何平均值代表背景值；不服從正態(tài)分布的，則按算術(shù)平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)離差反復(fù)剔除后，其平均值代表背景值[20-21]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖件繪制借助Excel、MAPGIS 和Geochem Studio 軟件完成。

表1 主要重金屬元素背景值對比表

計算結(jié)果顯示(表1),該區(qū)域表層土與植物樣品Cd、Pb背景值均高于土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價區(qū)2倍以上，說明此兩種重金屬污染在這一區(qū)域具有較強普遍性。其中Cd超標(biāo)率達到92.3%且部分樣品超標(biāo)倍數(shù)較高，除了Cu、Cr，其余元素均有超標(biāo)顯示(表2)。

表2 污染追溯區(qū)農(nóng)田表層土各元素超標(biāo)情況統(tǒng)計表

4.2 污染源區(qū)評價

由于污染源區(qū)域重金屬超標(biāo)凸顯，研究人員確定以超標(biāo)倍數(shù)指數(shù)來評價該區(qū)域重金屬綜合污染情況。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中規(guī)定的風(fēng)險篩選值，計算每件樣品各重金屬元素的超標(biāo)倍數(shù)指數(shù)C，利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算各樣品的綜合污染倍數(shù)指數(shù)P，公式如下：

(1)

考慮到樣品數(shù)較少，將05視為重度污染進行研究，若未出現(xiàn)超標(biāo)指標(biāo)，則P=0,視為清潔。

結(jié)果顯示(圖4)，選礦廠排污口上游農(nóng)田為清潔，污染自該排污口開始出現(xiàn)，污染程度總體沿灌溉渠呈下降趨勢；焦化廠排污口下游農(nóng)田P>1，為中度污染區(qū)，自該排污口污染再次加重；居民區(qū)以東多數(shù)樣品P<1，為輕度污染，有兩處樣品P>15，為重度污染，與周邊相比出現(xiàn)較為突兀。

兩處高值點通過植物樣品進行驗證，根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食物中污染物限量》[22]中規(guī)定的界限,居民區(qū)南部P=20.1處農(nóng)田種植物為玉米，其籽實未出現(xiàn)重金屬超標(biāo)，而居民區(qū)東北P=16.9處農(nóng)田種植物為藥材商陸，其根、莖、葉均出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)。植物樣品超標(biāo)元素與該區(qū)域表層土壤樣品相近，以Cd、Pb為主，商陸入藥部位為根部，根部 Cd超標(biāo)22.1倍，污染較嚴(yán)重。由于兩處農(nóng)田作物差異較大，且與周邊農(nóng)田耕作方式不同，周邊P<1處農(nóng)田都為水田，長期種植水稻，灌溉流量較大，相對自凈能力較好，而此兩處農(nóng)田為旱地，作物密度小，重金屬易殘留。綜合推斷，此兩處高值是由耕作方式差異引發(fā)的污染累積效應(yīng)所導(dǎo)致的。

圖4 污染追溯區(qū)超標(biāo)倍數(shù)綜合評價示意圖

綜上所述，此區(qū)域可確定存在重金屬污染源，污染元素為Cd、Pb，污染自選礦廠排污口開始出現(xiàn)，至焦化廠排污口再次加重，因此，選礦廠與焦化廠為兩處主要污染源。該區(qū)域已采取改種作物的方式規(guī)避食品安全問題，改種后的玉米籽實雖未出現(xiàn)重金屬超標(biāo)，但土壤重金屬污染情況仍在累積，另一種作物藥材商陸對Cd、Pb有一定吸收作用，但本身超標(biāo)嚴(yán)重導(dǎo)致無法食用，因而無法產(chǎn)生經(jīng)濟效益，以致面對持續(xù)污染保持土壤清潔壓力較大，難以治本。

5 結(jié)語

(1)工作區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分以較豐富為主，未出現(xiàn)大面積的營養(yǎng)缺乏現(xiàn)象，說明該區(qū)域農(nóng)田總體營養(yǎng)情況較好，施肥措施較為合理。

(2)區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境問題主要為重金屬污染，主要污染元素為Cd，有一定區(qū)域出現(xiàn)輕微污染，且有小部分農(nóng)田已到達到重度污染。

(3)區(qū)內(nèi)總體土壤質(zhì)量較好，但在重金屬污染影響下，縣城周邊農(nóng)田出現(xiàn)了一定面積的中等以下區(qū)域，該區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物為水稻、玉米和油菜，土壤質(zhì)量關(guān)乎食品質(zhì)量，而區(qū)內(nèi)部分水稻樣品已出現(xiàn)重金屬超標(biāo)，33件農(nóng)作物籽實樣品Cd超標(biāo)率為61%，食品安全問題已經(jīng)顯現(xiàn)。

(4)區(qū)內(nèi)重金屬污染呈現(xiàn)明顯的分帶特征，總體污染程度在空間上以漢江為界，北岸大于南岸，在局部總體近水系大于遠水系，初步確定污染物質(zhì)與灌溉水相關(guān)。

(5)通過追溯發(fā)現(xiàn)兩處工礦業(yè)污染源，主要途徑為污水灌溉，在時間上有較強持續(xù)性，在空間上沿灌溉水向下游延伸，簡單的改種作物并不能有效的解決問題，需要對污染源進行進一步治理和監(jiān)控。

(6)該項工作尚存在不足：由于污染源調(diào)查工作較為敏感，相關(guān)灌溉水樣品未采集，不能直觀的分析各個排污口對灌溉水的影響；區(qū)內(nèi)大氣污染這一因素尚未分析，缺少大氣沉降物樣品。