淮河流域某镇农地土壤重金属含量特征及污染状况评估

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论文摘要

  引言

  重金属对环境的污染已经引起国际社会的广泛关注。土壤是生态环境的重要组成部分,也是人类赖以生存的主要资源之一。农业土壤重金属污染不仅会对土壤生态系统带来不利影响,同时也会关系到食品安全和潜在的健康风险问题。

  重金属污染具有长期性、累积性、隐蔽性、潜伏性和不可逆性等特点。当重金属的浓度超过允许浓度后,便会对生物造成毒性作用。重金属的潜在毒性和对土壤的污染时有报道,这些重金属主要涉及到Cd,Cr,Pb,Zn,Fe和Cu等,更好地了解重金属的来源、累积程度和对土壤污染程度的评估至关重要。土壤中重金属的来源是多途径的,首先成土母质本身含有一定量的重金属,另外,人类的工业和农业活动也会使重金属进入土壤,人类活动主要包括:垃圾焚烧、城市污水、汽车尾气排放和农业用地中化肥和废水的长期使用等。

  本文以淮河流域某镇农业土壤为研究对象,研究了农业土壤中Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn等六种被确定为农业生态环境中重点监控的有害元素的含量特征,并利用富集因子法、地累积指数法和潜在生态风险指数法对各种重金属的污染状况进行了评价。为准确掌握农产品产地土壤重金属污染状况,发展绿色农业和农业产业结构规划的发展提供基础科学依据。

  1、实验部分

  1.1研究区概况

  选择位于淮北平原南缘,淮河、颍河汇流之上的安徽省淮河流域某镇土壤为研究对象。研究区气候夏热冬冷,四季分明,雨量充沛。研究区土壤属普通砂礓黑土亚类。

  1.2样品采集

  本研究在安徽省淮河流域某镇的农业土壤上进行。在各采样断面上进行1km×1.5km网格布点,在采样点布设过程中,使采样点尽量均匀分布,总计布点79个,实际有效采样点为78个。在各采样区,根据具体情况采用蛇形取样法采取多点(5~9点),各点采集0~20cm表层土壤,将在一个采样单元内各采样分点采集的土样混合均匀制成混合样,用四分法选取1kg作为该采样单元的样品,装入聚乙烯塑料袋中,同时用GPS记录采样点的经纬度坐标。采集样品时间为2013年4月。

  1.3土壤样品的分析方法

  采集的土壤样品用木锤敲碎,摊成薄层平铺在干净的牛皮纸上,放在室内阴凉通风处风干。风干后,用木滚将样品磨碎,过20目尼龙筛,过筛的样品全部置于聚乙烯薄膜上充分混匀。分出100g左右,用木滚进一步磨碎,全部过100目尼龙筛,充分混合均匀后,分装于聚乙烯薄膜袋中,以备分析待用。

  土壤样品使用DEENA样品全自动消解前处理系统(型号DEENA,品牌Thomas Cain),酸熔法(HNO3-HF-H2O2)加热消解。采用电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤样品中Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn等六种重金属的含量,所用仪器为PerkinElmer等离子体发射仪(型号Optima 8000)。

  1.4污染评价方法

  本文利用富集因子法、地累积指数法和潜在生态风险指数法对研究区域土壤中六种重金属进行污染评价分析。

  1.4.1富集因子法富集因子(enrichment factor,EF)主要被应用于判断和识别大气、降水、土壤、湖泊沉积物等环境系统中的自然来源和人为来源。富集因子的计算公式可表示为EF=(ci/cn)土壤/(ci/cn)地壳(1)式中,ci为元素i的浓度,cn为参比元素的浓度。当EF<1时,表明没有受到人为影响;当EF>1时,表明表层土壤受到了人为影响,EF值越大,受到的人为影响越大。当1<EF<2为轻微富集,1级污染;当2≤EF<5为中度富集(扰动),2级污染;当5≤EF<20为显著富集,3级污染;当20≤EF<40为强烈富集,4级污染;当EF>40为极强富集,5级污染。

  参比元素一般选择地壳中含量丰富而人为污染来源较少、化学稳定性好的惰性元素,如Fe,Al,Si,Ti,Sc和Zn等,本文选择Zn为参比元素。地壳中元素含量采用Tay-lor的地壳中元素的丰度数据。

  1.4.2 地累积指数法地累积指数法(index of geo-accumulation,Igeo)最早是1969年由Muller提出的用于评价沉积物中重金属的含量,后来被广泛地应用于环境中不同重金属的污染评价。地累积指数的计算公式如下式Igeo=log2[Ci/1.5Bi] (2)式中,Ci为测量得到的土壤中重金属的含量,Bi为土壤中该重金属的地化学背景值。地累积指数法将重金属污染评价归为7个级别,如表1所示。

  1.4.3 潜在生态风险指数法。潜在生态风险指数法(potential ecological risk index,RI)是由瑞典科学家Hakanson提出来的用于评价土壤中重金属的方法,该方法考虑了重金属的毒性和环境中的响应,是一种综合反应土壤中重金属对生态环境影响潜力的方法。

  RI的计算公式如下Cif=Ci/Cin(3)Eir=Tir×Cif(4)RI =∑mi=1Eir(5)式中,Cif为重金属的单项污染指数,Eif为重金属的单项潜在生态风险指数,为单种重金属的毒性相应参数,元素Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn的毒性系数分别为30,2,5,5,5和1。金属毒性污染的潜在生态风险指数和分级情况如表2所示。

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  2、结果与讨论

  2.1土壤中重金属的含量分布特征

  研究区域土壤重金属质量分数的统计特征值如表3所示。

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  由表3可知,不同部位土壤重金属质量分数差异显著,如土壤w(Cd)为0.048 7~0.213 2 mg·kg-1,w(Cr)为39.23~90.89mg·kg-1。测量得到的Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn六种重金属元素中,除Ni的一个采样点数据超出土壤环境质量国家二级标准值以外,其他各元素的数据均在土壤环境质量国家二级标准值以内,未超出土壤环境质量国家二级标准值。研究区域农业土壤中Cd的含量最大值为0.213 2mg·kg-1,最 小 值 为0.048 7 mg·kg-1,变 异 系 数 为32.39,变幅较大,Cd的平均值为0.113 5mg·kg-1,稍微超出了安徽省Cd含量的背景值,为bc1的1.17倍;Cu的平均值为22.09,稍微超出了安徽省Cu含量的背景值,为bc1的1.08倍。其他元素的平均值均比较低,未超出bc1。因此,研究区域农业土壤环境质量状况总体良好,除土壤中的Cd和Cu存在轻微程度的富集和污染,其他四种重金属均未超过安徽省土壤重金属背景值。

  2.2富集因子法评价

  本文以土壤中比较稳定且人为污染较小的惰性元素Zn为参比元素,土壤中c(Zn)参照Taylor给出的地壳成分数据。研究了研究区域农业土壤中Cd,Cr,Cu,Ni和Pb等五种重金属的富集因子,研究结果如图1所示。由图1可知,各采样点土壤中Cd,Cr,Ni和Cu四种重金属的富集因子均在1附近,Pb的富集因子均大于1,由此可知,土壤中Cd,Cr,Ni和Cu四种重金属主要来源于自然源,而Pb受到一定的人为源的影响。

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  2.3地累积指数法评价

  图2显示了研究区域农业土壤中每种重金属的地累积指数值的范围和平均值。从地累积指数的平均值来看,研究区域农业土壤中重金属污染的强弱依次为:Cd>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni,由图中可以看到,Pb,Cr,Zn和Ni四种重金属的所有采样点的地累积指数均小于零,大部分采样点的Cd和Cu的地累积指数小于零,仅存在个别采样点的Cd和Cu在0~1之间的范围,由地累积指数分级标准可以判别,土壤中的Pb,Cr,Zn和Ni四种重金属未对土壤造成污染,Cd和Cu两种重金属存在轻度-中等污染。

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  2.4潜在生态风险指数法评价

  研究区域农业土壤中六种重金属的潜在生态风险系数的统计特征值及频数分布如表4所示。由表中可以看到,六种重金属的平均潜在生态风险系数的大小顺序依次Cd>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn。六种重金属中除了Cd有少量采样点的超过40以外,其他五种重金属的均未超过40,这表明部分采样点土壤中的Cd对于生态系统存在轻微的风险,其他五种重金属均未对采样点生态系统造成风险。 RI可以表征重金属元素对当地的生态系统的影响,可以反映总的污染造成的生态风险。为了鉴别六种重金属对采样区域的综合潜在生态风险,本文对研究区域土壤的RI进行了研究,研究结果表明,六种重金属的综合潜在生态风险指数RI在27.310 2~89.337 1之间,均属轻度综合潜在生态风险程度。

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  地统计学的结果显示,除重金属Cd以外,少量的采样点的Cu存在中等-轻度污染,但是由于Cu本身毒性相对较低,因此Cu未对采样点造成生态系统的风险。由此可以看到,地累积指数法主要是考虑了各种重金属的累积程度,而没有把重金属的响应因素考虑在内。潜在生态风险指数可以同时考虑到由单种污染物造成的生态风险和来自不同污染物对生态系统的总风险。

  3、结论

  (1)研究区域采样土壤中,除w(Cd)和w(Cu)的平均值超过了安徽省土壤重金属背景值以外,w(Cr),w(Ni),w(Pb)和w(Zn)等四种重金属的平均值均低于安徽省土壤重金属背景值。

  (2)富集因子评价法的研究结果表明,研究区域土壤中Cd,Cr,Ni和Cu等四种重金属主要来源于自然源,而Pb受到一定的人为源的影响。

  (3)地累积指数评价法的研究结果表明,研究区域土壤中重金属污染的强弱依次为:Cd>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni,土壤中的Pb,Cr,Zn和Ni四种重金属未对土壤造成污染,Cd和Cu两种重金属存在轻度-中等污染。

  (4)潜在生态风险指数评价法的研究结果表明,六种重金属的平均潜在生态风险系数的大小顺序依次Cd>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn。部分采样点土壤中的Cd对于生态系统存在轻微的风险,其他五种重金属均未对采样点生态系统造成风险。整个研究区域土壤属于轻度综合潜在生态风险程度。

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