阳新县浮屠镇农田土壤重金属含量评价

王浩森,赵丽娅

(湖北大学资源环境学院, 湖北 武汉 430062)

0 引言

农田土壤重金属污染评价是当前的研究热点之一,在我国农田土壤污染的情况也屡有发生,如2013年的“镉大米”事件就引发了社会对于农田土壤重金属污染问题的担忧。农田土壤重金属污染因隐蔽性强、毒性高、容易富集且难以去除,引起了人们广泛关注[1-2]。过量重金属在土壤中会改变土壤的理化性质,破坏微生物群落,降低农产品产量[3]。土壤中的农作物吸收重金属并通过食物链转移到人体,甚至土壤颗粒直接通过空气被肺部吸入,从而影响人体健康[4]。我国作为人口大国,人均农用地资源紧张,为了粮食安全和人体健康,需重视农田土壤重金属污染的问题以保障农用地的安全[5]。

农田土壤重金属指的是Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn,也是我国农用地土壤重金属污染评价检测的基本项目。生态环境部在《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中发布了风险筛选值和风险管制的标准,农用地污染风险管控从此有了更明确的参照,便于科学评价农用地使用安全,对于保护和指导农田土壤具有十分积极的意义。有研究显示,中国受到重金属污染的农田土壤面积不断扩大,重金属含量不断增加[6]。重金属点位超标率呈现出Cd >As >Ni >Hg >Zn >Pb >Cu >Cr[7],且我国重金属空间分布具有明显的区域特征,西南、中南地区重金属超标区域较大[8-9]。以长江流域来看,土壤质量总体良好,受污染严重的土壤成星点状分布在流域内,重金属污染主要来自于矿业开发和工业“三废”排放[10]。以长江流域内的黄石市来看,农田土壤整体上属于轻度污染水平,Cu超标率达到了40%,综合污染指数为中度污染水平,且超标点位主要分布在工矿业附近[11]。

本研究根据农田土壤8项重金属含量和分布,综合采用多种评价方法研究阳新县浮屠镇的农田土壤重金属污染情况,旨在为当地土壤重金属污染的控制和管理提供依据。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况研究区位于黄石市阳新县浮屠镇,地处幕阜山向长江冲积平原的过渡地带,地形多为低山丘陵,面积187.46 km2。属北亚热带季风气候区,年平均气温16.8 ℃,无霜期263 d,降雨量1 390 mm。镇内金属矿藏丰富,其中铜的贮量最大。

1.2 研究方法利用国家监控的10个点位取样,采样点分布情况见图1。每个采样点通过五点采样法采取表层0～20 cm的农田土壤混合为一个样品。所采集土样在室温下风干,挑拣出植物根系、石块等杂物,使用四分法选取出定量的土壤,研磨过10目、100目的尼龙筛,装入自封袋中标记、保存待测。

图1 研究区范围及点位

使用国标法测定8项重金属(Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn)的全量。土壤pH值按照2.5∶1土水比,使用pH计进行测定土壤的pH值。重金属检测分析方法详见下表1。土壤重金属检测分析中所使用的试剂均为优级纯,同时设立平行样品和空白样品进行全程质量控制。

表1 农田土壤重金属分析方法及引用标准

1.3 数据处理

1.3.1 环境评价方法

1)地积累指数法。

地质累积指数(Igeo)又称为Muller指数,在注重了自然地质活动造成的背景值的影响的同时,也充分考虑到了人类活动所造成的重金属污染[12-13]。所以,该指数在反映了重金属分布的自然变化特征的同时,还能解析人类活动对环境所造成的影响,可以以此指数为依据来区分人类活动的影响。计算公式如下:

式中Igeo为地积累指数,代表土壤的污染状况,分级标准详见表2;Ci为重金属i的实际检测含量;Bi为重金属i的当地土壤背景值;1.5为成岩作用对背景值的影响所取系数值。

表2 Igeo污染等级划分

2)潜在生态风险指数法。

潜在生态风险指数法统筹考虑了重金属的毒性和生态效应,注重重金属的独立评价。计算公式如下:

Ei=Ti×Pi,RI=∑Ei,

式中:Ei为重金属i的潜在生态风险指数;Ti为重金属i的毒性响应系数,Hg、Cd、As、Ni、Pb、Cu、Cr、Zn的Ti值依次为40、30、10、5、5、5、2、1[14];Pi为重金属i的单因子污染指数;RI为全部重金属对所研究区域整体造成的潜在生态风险;Ei和RI值代表潜在生态风险的等级,分级标准详见表3。

表3 潜在生态风险分级标准

1.3.2 主成分分析 使用主成分分析(principal component analysis,PCA),通过降维的思想,用少数的因子去描述多因素之间的联系,从而用少数的综合指标反映整体的特点[15-16]。首先需要KMO检验,来展现主成分提取的数据情况,在KMO系数值大于0.6时,认为样本符合数据结构合理的要求,可以使用主成分分析。

本研究使用软件SPSS19对各点位的8项重金属含量进行主成分分析检验,得出不同重金属之间的关联性,并结合当地污染源的分布情况分析重金属污染的来源。

2 结果与分析

2.1 农田土壤重金属含量阳新县浮屠镇的10个农田土壤点位的pH平均值为6.25,可见当地农田土壤以酸性土为主。大多数区域pH值处于6～7之间,西北方向土壤酸性较强,农田土壤pH值分布详见图2。

图2 农田土壤pH值分布图

土壤中Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn的含量均值依次为0.12、57.30、47.01、0.30、106.83、17.82、36.53、116.59 mg/kg,利用ArcGIS通过克里金插值得到农田土壤重金属含量分布图,详见图3。对比《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)可知,除Cu外,均未超过农用地土壤污染风险筛选值,农用地土壤污染风险低。

图3 农田土壤重金属含量分布图

2.2 地积累指数评价根据湖北省土壤重金属背景值计算地积累指数Igeo(表4和图4)。重金属的Igeo平均值依次为:Cu(0.97) >Cd(0.17) >Hg(-0.05) >As(-0.14) >Zn(-0.15) >Pb(-0.21) >Ni(-0.28) >Cr (-1.18)。除Cu和Cd属于轻微污染水平以外,其他重金属的Igeo平均值均低于0,属无污染状态。根据Igeo污染等级划分标准,被重金属污染的点位比例依次是:Cu(80%) >Cd(60%) >Zn(40%) =As(40%) >Hg(30%) >Pb(20%) =Ni (20%) >Cr(0%)。研究区内所有点位均没有出现Cr污染,Cu和Cd出现了一定程度的积累。

表4 农田土壤重金属地积累指数Igeo

图4 阳新县浮屠镇农田土壤重金属地积累指数箱线图

以地积累指数Igeo为基础,使用反距离加权法插值,详见图5。不难看出,浮屠镇东北方向重金属含量普遍偏高。

图5 地积累指数Igeo插值

2.3 潜在生态风险评价从表5看出,8种重金属的Ei平均值分别为Hg (59.55) >Cd (55.10) >Cu (17.40) >As (14.49) >Pb (6.84) >Ni (6.30) >Zn (1.39) >Cr(1.33)。可见只有Hg与Cd的Ei平均值超过了40,呈现为中等生态风险。Hg的Ei值处于43.5～80.25之间,属于中等风险和重度风险范围。80%的点位中Cd属于中等风险水平,其余重金属属轻微生态风险。

表5 农田土壤重金属潜在生态风险评价结果

所有样品点位的潜在生态风险指数位于0.93～80.25之间,RI均值为159.41,略高于轻微风险(< 150)的标准,整体处于中等风险水平。其中轻微、中等和重度生态风险水平的样点占比依次为77.5%、21.25%、1.25%。由图6可知,Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Ni、Hg对于RI的平均贡献为别为32.68%、4.29%、9.09%、10.91%、0.87%、0.84%、3.95%、37.36%。受重金属浓度含量和毒性响应系数共同影响,RI的主要贡献元素为Hg和Cd,总贡献率高达70.04%。

图6 农田土壤重金属潜在生态风险平均贡献图

2.4 主成分分析评价使用SPSS 19对各点位的8项重金属含量进行主成分分析检验,得到KMO统计量值为0.619,相伴概率为0.001,可做因子分析。提取2个特征值大于1的主成分,这2个主成分总体解释了8个指标所有方差的77.30%,可以解释所研究区域的土壤重金属的大部分信息,结果详见表6。

表6 土壤重金属主成分分析矩阵

第1主成分(PC1)解释方差变量的55.492%,主要反映了Cd、Pb、As、Cu、Zn、Ni的组分信息,其载荷依次为0.932、0.856、0.800、0.678、0.963、0.838。Cd-Pb-As-Cu-Zn-Ni之间显著正相关,说明他们的来源相近。又因为第1主成分的重金属变异系数(均大于0.15)相对较高,受到了人为活动一定的影响。

第2主成分(PC2)解释方差变量的21.809%,主要反映了Cr和Hg的组分信息,其载荷分别是0.793和0.907。Cr-Hg之间显著正相关,说明两者来源相近。第2主成分的重金属变异系数低于0.15,受到人为影响很小。

3 讨论

在阳新县浮屠镇农田土壤中,Cu的含量较高,是湖北省土壤背景值的3.5倍;Cr的含量很低,低于土壤背景值;其他重金属含量均在土壤背景值1～2倍之间。根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),仅Cu含量超过了风险筛选值,当地农用地污染风险低,但仍需加强土壤Cu含量和农产品的协同监测。

地积累指数法被广泛应用于重金属污染评价,如李龙利用该方法评价了金尾矿库重金属污染的情况[17],李杨利用该方法评价了某市土壤重金属的污染情况[18]。本研究显示,当地农田土壤中Cu和Cd达到了轻度污染水平,其他重金属均处于轻微污染和无污染水平,当地存在人为活动导致Cu和Cd积累的情况,且在东北方出现了点源富集。吕典等研究阳新网湖流域显示,Cd污染最严重,水稻田的地积累指数达到了3.91,属重度污染水平[19]。而浮屠镇Cd的地积累指数只达到了0.17,属轻微污染水平,但其生态风险值得关注。孝义市工矿区农田土壤重金属的研究中,也出现了Hg含量低,但其生态风险高的情况[20]。同样在鄱阳湖平原的农田土壤研究中,Hg的含量低于限值,但Hg的生态风险仍呈现中等风险[21]。该方法的潜在生态风险分级存在些许争议[22],因此Hg的潜在威胁在此评价方法中有被高估的可能性。

农田土壤重金属来源于自然因素和人类活动。农田土壤重金属的自然源多种多样,如火山爆发、成土母质、水土流失等都会影响农田土壤重金属的含量。从全国土壤背景值中可以看出我国土壤条件差异较大,胶东棕壤的背景值就显著低于黔中的黄壤[23]。人为活动所造成的重金属污染同样来源众多,其中金属矿产的开采和冶炼会释放大量重金属,导致附近土壤重金属污染严重[24-25]。李顺湘[26]对阳新县矿区复垦农田土壤重金属的研究中,得出了As、Cu、Cd、Pb、Zn、Ni来源相似且污染来自工矿业的结论,这与我们的研究结果相似。但浮屠镇农田土壤中Hg和Cr接近无污染水平,几乎没有受到人为活动的影响。

4 结论

1)阳新县浮屠镇境内农田土壤中,Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、As、Pb、Zn的含量均值依次为0.12、57.30、47.01、0.30、106.83、17.82、36.53、116.59 mg/kg,仅Cu超过了国家农用地土壤重金属污染风险筛选值。除Cr含量没有超过当地土壤背景值,其他七种重金属含量都出现了不同程度的积累,其中As、Cd和Cu的点源污染比较明显。

2)从地积累指数来看,除Cu和Cd属于轻微污染水平以外,其他重金属均属于无污染状态。其中,Cu的污染范围广,且不同点位污染差异较大。污染以潜在生态污染风险指数来看,整体处于中等风险水平。潜在生态风险的主要贡献元素为Hg和Cd,贡献度达到了70%以上,而其他重金属均属于轻微污染水平。总之,Cu的污染尤为突出,Cd的污染虽未超标但需要警惕。

3)依据主成分分析,Cd、Pb、As、Cu、Zn、Ni来源相近,主要受当地采矿业的影响。Cr和Hg来源相近且受人为因素影响较小。