胡秀艷, 謝紅青, 景 山, 徐 磊, 涂永明

(1. 揚州市自然資源和規(guī)劃局江都分局,江蘇揚州225200;2. 江蘇華東有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,江蘇南京210007)

0 引 言

揚州江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)位于京杭大運河沿線,是富饒的魚米之鄉(xiāng)。經(jīng)濟的快速發(fā)展使當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境惡化和生態(tài)系統(tǒng)功能弱化等一系列問題日趨嚴峻(趙其國,2001;秦麗杰等,2002;趙延治等,2006;戴科偉等,2007;宋濤等,2007;張燕等,2007)。

針對農(nóng)田土壤污染風(fēng)險問題,前人進行了大量的研究工作,吳曉麗等(2005)采用單因子污染指數(shù)法對南通常規(guī)農(nóng)田土壤重金屬污染進行了評價,張孝飛等(2006)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對高郵全域農(nóng)田土壤重金屬進行了綜合污染評價,廖啟林等(2006)對江蘇農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境進行了調(diào)查和評價,劉紹貴等(2014)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對揚州江都區(qū)水田進行了綜合環(huán)境質(zhì)量評價。

但以往的研究仍存在著一些不足:①部分研究未對農(nóng)田土壤綜合污染進行評價,或者僅采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對綜合污染進行評價,但該方法評價綜合污染時存在一定的局限性;②以往的研究主要針對省、市或縣域范圍,研究范圍較大,精度較低,對鎮(zhèn)域范圍內(nèi)高精度的農(nóng)田土壤環(huán)境綜合質(zhì)量評價涉及較少;③以往針對農(nóng)田重金屬污染的研究工作大都采用已廢止的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995),該標(biāo)準(zhǔn)與《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)》(GB 15618—2018)對農(nóng)田土壤重金屬污染的評價結(jié)果存在一定的偏差。

選取揚州江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)為研究區(qū),依據(jù)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)對農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險進行評價,并分別采用內(nèi)梅羅指數(shù)法與綜合指數(shù)法評價土壤綜合環(huán)境質(zhì)量,優(yōu)選出更能客觀準(zhǔn)確反映研究區(qū)綜合污染現(xiàn)狀的方法。對研究區(qū)土壤重金屬污染防治提出針對性建議,為揚州農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險評價、土壤重金屬污染防治、無公害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地建設(shè)、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

邵伯位于揚州江都區(qū)西部,京杭大運河?xùn)|岸,淮江公路沿線,是江都城區(qū)北上的重要通道,鎮(zhèn)域面積約123 km2,其中農(nóng)用地71.6 km2。研究區(qū)雨水、溫度、日照等自然條件較好,農(nóng)田土壤質(zhì)地適中,地勢平坦,是天然優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。

1.2 樣品采集

根據(jù)揚州江都邵伯地區(qū)農(nóng)用地的分布情況,按照1∶10 000調(diào)查的精度要求,共采集土壤樣品2 296件(圖1)。通過GPS定位采樣點,使用梅花布點法在擾動較小的農(nóng)田土壤中采樣,每采集5個分樣組合成1個混合樣品。采樣工具為竹鏟,采樣深度為0～20 cm,每個混合樣品質(zhì)量為1.5～2.0 kg。

圖1 研究區(qū)采樣點分布示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sampling pointsdistribution in the study area

1.3 樣品處理與分析方法

按相關(guān)規(guī)范要求將采集的樣品加工處理后分為2份。一份過2.0 mm的尼龍篩,用于pH值的測定;另一份用瑪瑙研缽磨細,過0.15 mm尼龍篩,進行元素全量等項目的測定。土壤樣品各項指標(biāo)測試方法及檢出限見表1。

表1 土壤樣品各指標(biāo)測試方法及檢出限

1.4 土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價方法

采用單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)法進行農(nóng)田土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價,農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值參考標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018(表2)。

表2 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值

1.4.1 單因子指數(shù)評價 在每個評價單元內(nèi),對比土壤8項重金屬元素含量的測定值與標(biāo)準(zhǔn)中該元素的污染風(fēng)險篩選值,確定單元素土壤環(huán)境質(zhì)量級別。

按公式(1)計算土壤中第i種元素的污染指數(shù)Pi:

(1)

式(1)中,Ci為土壤中第i種元素的實測含量,Si為第i種元素的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值。若Pi≥1則該元素存在污染,Pi<1則該元素不存在污染。按照表3對土壤環(huán)境質(zhì)量單因子污染指數(shù)進行等級劃分。

表3 土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2 綜合污染指數(shù)評價 選用內(nèi)梅羅指數(shù)法與綜合指數(shù)法對研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤重金屬綜合環(huán)境等級進行評價,對比兩種方法在重金屬綜合污染評價中的優(yōu)缺點。

(1)內(nèi)梅羅指數(shù)法。內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法(陳京都等,2012)。計算公式:

(2)

式(2)中,Pi最大為單因子污染指數(shù)的最大值,Pi平均為單因子污染指數(shù)的算數(shù)平均值,P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。內(nèi)梅羅指數(shù)污染分級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 土壤重金屬元素內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

(2)綜合指數(shù)法。綜合指數(shù)法是將重金屬元素的污染種類以及單因子污染指數(shù)進行疊加,以獲取多因子環(huán)境質(zhì)量的方法。通過綜合指數(shù)法可獲取綜合污染種類指數(shù)(存在哪幾種元素的污染)和綜合污染等級指數(shù)(單因子指數(shù)的最大值)。

(3)

式(3)中,Ka為第a種元素的污染情況賦值,P種類為綜合污染種類指數(shù)。

當(dāng)土壤未受到污染時,Ka=0,此時綜合污染種類指數(shù)為0;當(dāng)土壤存在污染時,Ka=1,K值之和即為其綜合污染種類指數(shù)。

P綜合=Pa最大

(4)

式(4)中,P綜合為綜合污染等級指數(shù),Pa最大為各元素單因子污染指數(shù)的最大值。將單因子污染指數(shù)最大值按表4進行分級,即為綜合污染等級(薛志斌等,2018)。

1.5 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)危害系數(shù)法(Hakanson,1980)綜合多種因素以評價環(huán)境生態(tài)風(fēng)險,詳細分級見表5。計算公式:

表5 重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險程度評價指標(biāo)與分級關(guān)系

(5)

RI=∑Er,i

(6)

式中:Er,i為單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Ti為第i種重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),各重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為As 10、Cd 30、Cr 2、Cu 5、Hg 40、Pb 5、Zn 1(Hakanson,1980);Ci為第i種元素的實測含量;Cn,i為第i種元素的背景值,采用江蘇土壤平均背景值。

2 農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查與評價結(jié)果

2.1 土壤重金屬含量特征

研究區(qū)農(nóng)田土壤pH值的平均值為6.12,最小值為3.88,最大值為8.63(表6),土壤整體偏酸性。

表6 農(nóng)田土壤重金屬元素含量統(tǒng)計結(jié)果

8種重金屬元素As、Hg、Ni、Cu、Cd、Pb、Cr、Zn的含量平均值分別為10.4、0.11、28.1、27.3、0.16、27.1、91.7、88.7 mg/kg,均低于表2中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值。

除Ni外,其余7種重金屬元素的含量平均值均超過江蘇土壤平均背景值,其中Hg含量的平均值為江蘇土壤平均背景值的2.16倍,相較于江蘇土壤重金屬元素平均背景值而言,研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬已有一定量的累積。Hg、Zn、Cr、Cu、Cd、As、Pb元素的含量高于江蘇土壤平均背景值的樣點占總樣點的比例分別為94.73%、79.53%、64.07%、61.93%、55.92%、55.88%、36.06%。

研究區(qū)農(nóng)田中Hg累積程度較高,應(yīng)重視Hg污染引起的生態(tài)風(fēng)險。

變異系數(shù)常用來反映農(nóng)田土壤中重金屬元素含量的變化(張麗紅等,2010),變異系數(shù)在10%～30%之間屬于中等變異,大于30%的屬于強變異(湛天麗等,2017)。As、Cu、Cr、Pb、Zn屬于中等變異,其余3種重金屬元素屬于強變異,且最大值與最小值相差較大,表明研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬元素分布不均勻,該現(xiàn)象可能由灌溉、施肥、噴灑農(nóng)藥引起,尤以Hg最為明顯。該結(jié)果與前人對江蘇農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的研究結(jié)果(廖啟林等,2006)一致。

2.2 土壤重金屬單因子環(huán)境質(zhì)量評價

研究區(qū)土壤重金屬單因子環(huán)境質(zhì)量(表7)由差到好(污染程度由大到小)依次為Hg>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb=Zn>As。①Hg輕度污染等級以上樣本占比最高達2.22%,輕、中、重度污染等級樣本占比分別為1.92%、0.17%、0.13%,無污染等級樣本占97.78%;②Cd無污染等級樣本占99.48%,輕度污染等級樣本占0.52%;③Cu無污染等級樣本占99.87%,輕度污染等級樣本占0.09%,重度污染等級樣本占0.04%;④Ni無污染等級樣本占99.87%,輕度污染等級樣本占0.13%;⑤Cr無污染等級樣本占99.91%,輕、中度污染等級樣本占比均為0.04%;⑥Pb無污染等級樣本占99.91%,輕度污染等級樣本占0.09%;⑦Zn無污染等級樣本占99.91%,輕度污染等級樣本占0.09%;As無污染等級樣本占100.00%。

表7 土壤重金屬單因子環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果

綜上,研究區(qū)農(nóng)田無As污染風(fēng)險,其余重金屬元素污染樣本比例均<3%;Hg、Cd輕度污染等級以上樣本數(shù)明顯高于其余元素,以往研究(易強等,2011;周杰,2017)表明,土壤中Hg、Cd的來源可能為居民生活、金屬冶煉、煤炭燃燒等。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)南部有較為集中且具有一定規(guī)模的制造類企業(yè),在生產(chǎn)過程中多用煤炭,零部件的電鍍、噴漆均有可能引起Hg、Cd的污染。

2.3 土壤重金屬綜合環(huán)境質(zhì)量評價

2.3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法 根據(jù)土壤重金屬單因子污染指數(shù)計算內(nèi)梅羅指數(shù),結(jié)果(圖2、圖3)顯示,研究區(qū)輕度污染及以上樣本僅占總樣本的0.87%。其中,輕度污染樣本占0.70%,中度污染樣本占0.13%,重度污染樣本占0.04%。

圖2 土壤重金屬綜合污染指數(shù)分級(內(nèi)梅羅指數(shù)法)1-安全區(qū);2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 2 Comprehensive metal pollution index classification in soil (by Nemerow index method)

圖3 基于內(nèi)梅羅指數(shù)法的土壤重金屬綜合污染等級分布1-安全區(qū);2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 3 Classification distribution of soil heavy metal comprehensive pollution based on Nemerow index method

2.3.2 綜合指數(shù)法 (1)綜合種類指數(shù)。將土壤重金屬單因子污染指數(shù)進行疊加得出綜合種類指數(shù),無污染樣本占總樣本的97.65%,單一元素污染樣本占總樣本數(shù)的2.35%,研究區(qū)內(nèi)無2種以上組合元素污染。

(2)綜合等級指數(shù)。將重金屬單因子污染指數(shù)最大值進行疊加,得出綜合等級指數(shù)(圖4、圖5)。研究區(qū)輕度污染及以上樣本占總樣本數(shù)的2.35%,其中,輕度污染樣本占2.00%,中度污染樣本占0.22%,重度污染樣本占0.13%。輕度以上污染主要分布在邵伯鎮(zhèn)區(qū)及工業(yè)較集中的邵伯鎮(zhèn)南部。

圖4 土壤重金屬綜合污染指數(shù)分級(綜合指數(shù)法)1-安全區(qū);2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 4 Comprehensive metal pollution index classification in soil (by comprehensive index method)

圖5 基于綜合指數(shù)法的土壤重金屬污染等級分布1-安全區(qū);2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 5 Classification distribution of soil heavy metal pollution based on comprehensive index method

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

研究區(qū)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值依次為:Hg(89.10)>Cd(35.22)>As(11.50)>Cu(5.35)>Pb(5.32)>Ni(4.42)>Cr(2.43)>Zn(1.25)(表8)。其中,As、Ni、Pb、Cr、Zn的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最大值均<40;Cu、Cd中度風(fēng)險樣本數(shù)分別占總樣本數(shù)的0.04%、20.56%,其余均為輕微風(fēng)險;Hg強風(fēng)險等級以上樣本數(shù)占總樣本數(shù)的75.09%,風(fēng)險因子最大值可達3 972.83,平均值為89.10,因此Hg是江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)農(nóng)田土壤生態(tài)風(fēng)險的主要貢獻因子。

表8 土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險因子及潛在風(fēng)險指數(shù)

研究區(qū)農(nóng)田綜合潛在風(fēng)險指數(shù)(RI)以中度生態(tài)風(fēng)險為主,占61.94%;輕微風(fēng)險占28.44%,強風(fēng)險和很強風(fēng)險的樣本數(shù)(9.62%)小于總樣本數(shù)的10%;風(fēng)險因子平均值為200.56,屬于中度生態(tài)風(fēng)險水平。

3 分析與討論

分別采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和綜合指數(shù)法對研究區(qū)農(nóng)田土壤中的重金屬元素綜合污染等級進行評價,由圖2—圖5可知,內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果顯示輕度污染及以上樣本僅占總樣本數(shù)的0.87%,而綜合指數(shù)法評價結(jié)果顯示輕度污染及以上樣本占總樣本數(shù)的2.35%,綜合指數(shù)法評價結(jié)果的污染等級和污染區(qū)面積明顯高于內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果。

由內(nèi)梅羅指數(shù)的計算公式(2)可知,內(nèi)梅羅指數(shù)的變量為重金屬元素單因子污染指數(shù)的平均值和最大值,當(dāng)重金屬元素單因子污染指數(shù)的最大值較大,甚至遠大于單因子污染指數(shù)平均值時,采用該指數(shù)法會降低綜合污染等級,減少綜合污染區(qū)面積。

由綜合指數(shù)法的計算公式(3)、(4)可知,綜合指數(shù)法通過對各重金屬元素的污染種類以及單因子污染指數(shù)進行疊加,從而獲取多因子綜合環(huán)境質(zhì)量。綜合污染指數(shù)的變量因素為重金屬元素單因子污染指數(shù)的最大值,該方法得出的結(jié)果不會因評價過程中數(shù)據(jù)的計算及分布等問題造成污染等級、污染面積的改變。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)≤單因子污染指數(shù)最大值,而綜合等級指數(shù)=單因子污染指數(shù)最大值,因此內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)≤綜合等級指數(shù);當(dāng)單因子污染指數(shù)最大值普遍較大且接近分級臨界值,而其他單因子污染指數(shù)值均較小時,會造成單因子污染平均值遠低于最大值。故采用內(nèi)梅羅指數(shù)法時可能會降低綜合污染指數(shù),掩蓋存在輕度污染的事實,造成內(nèi)梅羅法綜合污染面積小于綜合指數(shù)法評價結(jié)果。該結(jié)果與前人采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和綜合指數(shù)法對土壤重金屬污染評價對比研究的結(jié)果(薛志斌等,2018;楊冰雪等,2020)一致。

綜合指數(shù)法不僅能對存在污染的重金屬元素綜合污染程度等級進行劃分,而且能判斷存在污染的重金屬元素的數(shù)量及種類,可以更真實客觀地反映重金屬元素在農(nóng)田土壤中的污染情況。因此認為,采用綜合指數(shù)法評價研究區(qū)農(nóng)田土壤的綜合環(huán)境質(zhì)量更為適宜,結(jié)果也更加真實準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

(1)依據(jù)GB 15618—2018標(biāo)準(zhǔn)對農(nóng)田土壤重金屬單因子污染風(fēng)險進行評價,得出As無污染風(fēng)險,其余重金屬元素污染等級樣本占總樣本的比例均<3%。Hg、Cd輕度污染等級及以上樣本數(shù)明顯高于其余元素。以往的研究表明,土壤中Hg、Cd的污染來源可能為居民生活、金屬冶煉、煤炭燃燒等;實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)南部有較為集中且具一定規(guī)模的制造類企業(yè),在生產(chǎn)中多會使用煤炭,同時機械零部件的電鍍、噴漆均有可能引起Hg、Cd的污染。

(2)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法及綜合指數(shù)法對研究區(qū)單因子污染指數(shù)評價結(jié)果進行了土壤綜合環(huán)境質(zhì)量評價,對比兩種方法在區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量評價中的優(yōu)缺點,得出在確定污染物的種類、綜合污染位置及面積等方面,綜合指數(shù)法比內(nèi)梅羅指數(shù)法更有優(yōu)勢,評價結(jié)果更為真實客觀,該法可在江蘇土壤環(huán)境質(zhì)量評價中根據(jù)實際情況推廣應(yīng)用。研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染綜合種類指數(shù)顯示,無污染樣本占總樣本數(shù)的97.65%,單一元素污染樣本占總樣本數(shù)的2.35%,區(qū)內(nèi)無2種以上組合元素污染。研究區(qū)綜合等級指數(shù)顯示,輕度污染及以上樣本占總樣本數(shù)的2.35%,輕度以上污染主要分布在邵伯鎮(zhèn)區(qū)及工業(yè)較集中的南部地區(qū)。

(3)研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤綜合潛在風(fēng)險指數(shù)屬于中度生態(tài)風(fēng)險(平均值為200.56),主要貢獻因子為Hg。研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險程度較低,不會對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)生較大影響,但仍應(yīng)嚴格控制Hg污染的來源,警惕污染的發(fā)生及面積的擴大。