平陆植烟土壤重金属含量分布与安全性评价研究

陶金江， 赵铭钦， 李 慧， 许跃奇， 姜慧娟

(河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002)

随着工业、城市污染的日益加剧，农用化学物质种类和数量的不断增加，土壤重金属污染问题日益严重.重金属在土壤中的迁移性较差，降解性较低，半衰期长，残留性高，不易被微生物分解，易被植物吸收和在生物体内富集，在土壤中的高富集直接影响农作物的产量并使其品质下降，可经水、植物等介质最终影响人类健康[1～4].重金属污染具有多源性、隐蔽性、污染后果严重以及污染后难以治理等特点[5,6].为保证农作物安全，土壤重金属污染研究受到人们广泛关注[7,8].在农业上，为了提高农产品的产量，过多地施用化肥、农药及污水灌溉，施用污泥和垃圾等，都使土壤环境不同程度地遭受到了污染.据统计，1980 年全国工业“三废”污染农田266.7万hm2，1988年增加到666.7万hm2.而1992 年全国遭受不同程度污染的农田面积已达1 000万hm2，每年损失粮食120亿kg.山西是中国的能源重化工基地，超重型的产业结构及其空间分布的过度集中，使山西省环境问题尤为严重，就土壤污染而言，重金属污染比较突出[9]，晋东南污水灌区和太原市郊土壤中As，Hg，Cr，Cd的含量比清水灌区高几倍到20多倍，粮食中Cd的残留量检出率达84.2%，Pb的检出率为75%；汾河灌区粮食中Hg的检出率为41%，蔬菜中为45%，污水灌区比非污水灌区粮食中苯并(a)蓖(强致癌物质)的平均量约高4倍[10].目前，国际上还没有成熟的重金属污染治理办法，因此，重金属污染的预防和监测对作物的生产显得尤为重要[11].平陆县种植有一定规模的烟草，该区土壤重金属含量的研究未见报道，本研究通过对山西省运城市平陆县不同植烟区土壤中的重金属Pb，Cd，Cr，Hg和As的积累状况进行系统的调查及分析，用污染指数法做出重金属污染评价，揭示其在各地的分布特征，旨在探明平陆植烟区土壤重金属的分布格局，为当地烟区规划和环境治理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1采样区概况

平陆县位于山西省南端，北高南低，在全国气候区划上是北温带半湿润气候区中的渭河气候区，属暖温带大陆性气候，年平均气温为14 ℃，雨季和暖季同期，水热利用率高，雨热表现出明显的同步性.平陆县最高海拔800 m，无霜期260 d，年降雨量600～700 mm.烟区分布在三门镇、坡底乡、杜马乡、洪池乡、张店镇、常乐镇、圣人涧镇、曹川镇.

1.2样品的采集

样品于2012-06采集，采用GPS技术定位，采样点位根据该县主要植烟区的土壤区域分布，遵循均匀性、代表性的原则，全区共设采样点68个(图1).每一样点在直径100 m范围内选择5个0～20 cm耕层土样混合，在混匀之前，先剔除土内的杂质、植物活根等.混匀之后用4分法保留约1 kg，装入密封袋以备相关项目的检测.

图1 平陆县土壤取样点分布图

1.3分析测试方法

样品风干后过100目尼龙筛，Cd，Pb，Cr前处理采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，用石墨炉-原子吸收光谱法测定；Hg，As前处理采用热分解浸提法，用原子荧光法测定含量.所用试剂均为优级纯，各测定均用加标回收样和空白样来进行质量控制，5种重金属的回收率均在国标参比物的允许范围内.

土壤重金属污染的评价标准采用GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的2级标准和山西省土壤元素背景值[12]，采用单项/综合污染指数法对土壤重金属Cd，Pb，Cr，Hg，As进行评价.

1.4数据处理

采用SPSS软件进行数据资料统计分析，采用方差分析对不同植烟区土壤的重金属含量进行比较.

2 结果与分析

2.1平陆县植烟土壤的重金属含量分析

重金属在土壤中的含量具有非均匀性特点，所以在研究中采用平均值、标准差和变异系数3个统计指标来进行统计分析.在本研究中，土壤样品中的重金属Cd，Pb，Cr，Hg，As的检出率为100%.

如表1所示，Cd，Pb，Cr，Hg，As含量分别为0.01～0.36，12.4～25.51，61.54～61.73，0.07～0.15，7.88～16.13，均未超过土壤环境质量2级标准.5种重金属含量均值由大到小依次为Cr>Pb>As>Hg>Cd.变异系数反映了总体样本中各采样点的平均变异程度[13]，变异系数数值越大，土壤中重金属含量差异越大，反之，重金属含量差异就小.平陆植烟区Cd的变异系数最大，为90.15%，Cr的变异系数最小，为0.06%，5种重金属的平均变异系数由大到小依次为Cd>Hg>Pb>As>Cr.从土壤重金属含量的变异系数来看，Cd变异系数较大，其他几种均较小，表明植烟区采样点重金属含量的平均变异程度较小.

表1 平陆县植烟区土壤重金属含量分析

土壤质量评价的基本依据之一是以元素背景值为标准进行评价.以山西省土壤重金属背景值为标准进行对比(表2)，植烟区土壤样点的Pb，Hg和 As含量高于土壤背景值；Cd和Cr的平均值低于土壤背景值.重金属含量高于平均值的样品比例由大到小依次为As>Pb>Cd>Hg>Cr，其中As和Pb分别达到94.12%和70.59%，该区域大部分土壤的As和Pb含量高于山西土壤的背景值.

表2 平陆县植烟土壤重金属与山西省土壤重金属背景值比较

2.2平陆县不同乡镇植烟土壤重金属含量差异性分析

由表3可以看出，就各乡镇植烟土壤的Cd含量而言，三门镇最高，且与较低的圣人涧镇和曹川镇之间的差异达到极显著水平，其他乡镇间差异不明显；就各乡镇植烟土壤的Pb含量而言，杜马乡、洪池乡和常乐镇含量较高，圣人涧镇、张店镇和三门镇含量次之，坡底乡含量较低，3组之间的差异性均达到了极显著水平，组内差异不明显，曹川镇与杜马乡、洪池乡和常乐镇含量差异达到极显著水平，与坡底乡含量差异达到显著水平；就各乡镇植烟土壤的Cr含量而言，各乡镇之间含量差异不明显；就各乡镇植烟土壤的Hg含量而言，三门镇、圣人涧镇含量较高，坡底乡、常乐镇、曹川镇次之，杜马乡、洪池乡、张店镇含量较低，杜马乡、张店镇和坡底乡、常乐镇、曹川镇含量之间的差异达到极显著水平；就各乡镇植烟土壤的As含量而言，曹川镇、坡底乡>圣人涧镇、张店镇>三门镇、杜马乡>洪池乡、常乐镇，除三门镇、杜马乡和曹川镇、坡底乡之间差异不明显外，其他组间差异均达到极显著水平，但组内差异不明显.

2.3土壤背景值条件下平陆植烟土壤污染状况评价

以相关元素背景值为参照标准，参考土壤污染评价分级划分标准(表4)，对土壤重金属的单项/综合污染指数值的计算与评价结果(表5)表明，平陆县植烟土壤已有不同程度的重金属富集.对于Cd的单项污染指数来说，张店镇、常乐镇、圣人涧镇、曹川镇处在无富集区；对于Pb的单项污染指数来说，除了坡底乡处在无富集区外，其余采样区域均处在轻度富集区；对于Cr的单项污染指数来说，采样区域均处在无富集区域；对于Hg的单项污染指数来说，三门镇、圣人涧镇处于采样区域的中度富集区，其他乡镇均处于轻度富集区，Hg的单因子污染指数相对最高，在环境中的富集也相对最多；对于As的单项污染指数来说，除了常乐镇处在无富集区域外，其余采样区域均处在轻度富集区域.

表3 平陆县不同乡镇植烟土壤重金属含量分析

表4 土壤污染评价分级标准

表5 平陆县不同乡镇土壤重金属污染评价

各乡镇综合污染指数分析结果表明，在以山西省土壤背景值为参照标准的情况下，三门镇采样区域综合污染程度为中度富集，其他乡镇采样区域综合污染程度为轻度富集，综合富集程度由大到小为三门镇>圣人涧镇>坡底乡>常乐镇>洪池乡>曹川镇>杜马乡>张店镇.平陆县植烟区土壤已经有相当程度的重金属富集.

3 结论与讨论

1)研究结果表明，平陆县烟区土壤中重金属Cd，Pb，Cr，Hg和As含量均值分别为0.12，18.30，61.58，0.10，12.50 mg·kg-1.与董清雷[14]测试的全国表层土壤重金属含量平均值相比，Hg，As含量高于全国均值，Cd，Pb和Cr含量低于全国均值；与张乃明等[9]1991年测试的运城盆地农业土壤重金属含量平均值相比，Cd含量低于运城盆地均值，Pb，Cr，Hg和As的含量均高于运城盆地均值；与土壤环境质量2级标准(GB 15618—1995)相比，5种重金属含量均未超过该标准；与山西省土壤背景值相比，Pb，Hg和 As含量的平均值高于该背景值.该区土壤重金属有一定程度的富集，但尚未超出土壤环境质量2级标准.虽然目前并未对土壤造成污染，但随着时间的推移，重金属含量有增高的趋势，应给予充分重视，尽快找出和控制污染源，防止外源污染物继续进入，从而保护生态环境和人体健康.

2)各乡镇植烟区土壤重金属含量比较而言，三门镇土壤的Cd含量最高；杜马乡、洪池乡和常乐镇Pb含量最高；三门镇、圣人涧镇的Hg含量最高；曹川镇、坡底乡的As含量最高，不同乡镇之间不同重金属含量差异明显.从各乡镇的综合污染指数看，全县三门镇采样区域综合污染指数大于2，富集程度为中度富集，其他乡镇采样区域综合污染指数大于1，小于2，富集程度为轻度富集，土壤和作物开始受到影响.平陆植烟区内土壤Hg的单因子污染指数较高，产生极高的贡献率，使得各地综合污染指数较高，平均值达1.60.

3)研究区土壤重金属单因子污染指数值由大到小依次为Hg，As，Pb，Cd，Cr，其中采样区域的土壤As，Pb，Cd为轻度富集，Cr无富集，Hg为中度富集.Hg是平陆县植烟土壤中富集较为严重的重金属元素，富集面积大，几乎在平陆县植烟区的大部分土壤中都存在着不同程度的富集.重金属对土壤的主要污染途径是工业废渣、废气中重金属的扩散、沉降、累积，含重金属废水灌溉农业，以及含重金属农药或磷肥的大量施用[15].山西省是煤炭大省，矿质资源丰富，大量工业用煤、冶金生产等是人类活动导致局部土壤环境出现重金属污染的直接原因[16]，造成Hg富集的原因可能是矿区燃煤造成的大气Hg沉降而引起的地表土Hg的富集[17].但由于影响条件众多，平陆县土壤中重金属的主要来源及其富集的深层次机理还需要进一步研究.

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