分析西安西郊菜园土壤重金属的污染状况

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论文摘要

  重金属污染土壤,不但会影响农作物的产量与品质,而且当人们食用被重金属污染的蔬菜等农作物时,重金属会通过食物链进入人体,造成重金属在人体内的积累,对人类的影响可能是灾难性的,故有人形象地将土壤污染称为“化学定时炸弹”。随着工业的迅速发展,我国大多数城市的近郊农田土壤都受到不同程度的重金属污染,许多地方的蔬菜、水果等作物中的镉、铬、铅、砷等重金属含量接近临界值甚至超标。因此,土壤重金属污染问题越来越受到人们的关注。

  西安市是陕西省省会,位于我国大陆腹地,关中平原中部的渭河两岸,属北半球暖温带半湿润大陆性季风气候,气候特点是温暖湿润,四季分明,雨热同期。西安地区地势复杂,地貌类型多样,地势东南高、西北与西南低,平均海拔400m左右,呈一簸箕状。西郊是西安市的老工业区,主要分布有电力机械、化学工业、冶金工业、机械制造等企业,会受到烟尘中有害重金属的污染,同时上世纪开展的污水灌溉加剧了土壤重金属污染,因此选择西郊菜园土壤为研究对象,分析区域土壤重金属的污染状况,为市郊菜园蔬菜合理种植与绿色蔬菜生产提供科学依据。

  1、材料与方法

  1.1土壤样品的采集与测定研究区内土壤为塿土,成土母质多为黄土。在保证土壤样品具有代表性的前提下,西郊菜园选择北石桥、三民村、鱼化寨西村3个采样区。在每个采样区,采用梅花形布点法各采集3个混合土壤样品,采集深度为0~20cm,用四分法将多余土壤样品弃掉,每个样品留取500g。将样品装入聚乙烯样品袋中带回实验室。

  将样品带回后,首先剔除土壤中作物根系和石砾等杂物,置于实验室内通风阴干。将风干后的土样研磨,收集过100目尼龙筛的土样,混匀后备用。土样中Zn、Pb、Cd和Cr含量的测定采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解法。对预处理后的土壤样品进行消解,用北京普析通用仪器有限公司生产的TAS-990型原子吸收分光光度计火焰法测定。

  1.2土壤重金属污染评价方法单因子指数法被用来评价土壤中重金属元素的污染程度。它以土壤重金属元素的背景值为评价标准,是国内评价大气、土壤、水和河流沉积物中重金属污染污染程度的常用方法。

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  式中,P综为重金属元素i的污染指数;Ci为重金属含量实测值,mg/kg;Si为土壤环境质量标准值,mg/kg。内梅罗综合污染指数法兼顾单因子污染指数的平均值和最高值,能够很好地突出污染较重的重金属元素的作用。

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  式中,P综为土壤内梅罗综合污染指数;P为不同重金属污染物单因子污染指数的平均值;Pimax为不同重金属污染物单因子污染指数中的最大值。

  地积累指数法近年来被国内外用于土壤重金属的污染评价。地积累指数法考虑了人为污染因素、环境地球化学背景值,而且特别考虑到自然成岩作用对背景值的影响,给出直观的重金属污染级别,是用来反映沉积物中重金属富集程度的常用指标,但其侧重的是单一重金属,没有考虑到生物的有效性、各重金属因子的不同污染贡献比及地理空间差异。

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  式中,Igeo为地积累指数;Cn为元素n在沉积物中的实测值,mg/kg;BEn为元素n的化学背景值,mg/kg;K为考虑各地岩石差异可能引起背景值的变动而取的系数,一般取值为1.5。

  2、结果与分析

  2.1土壤重金属污染分析

  2.1.1土壤重金属含量测定。该研究依据我国土壤环境质量标准(GB15618-1995)。由表1可知,研究区内100%土壤中Zn、Cd含量达到2级标准,22%土样中Pb含量达到1级标准,78%土样中Pb含量达到2级标准,100%土样中Cr含量达到1级标准。重金属Zn、Pb、Cd和Cr的变异系数分别为2%、15%、16%和19%,Zn的变异系数较小,说明全区土壤中Zn含量的离散程度较小,受到人为的影响较小,而Pb、Cd和Cr的变异系数相对较大,说明这3种元素在全区土壤中离散程度较大,受到人为活动的影响比Zn大。

  2.1.2重金属污染分析。由表2可知,在单因子指数评价中,89%土样中Zn、78%土样中Pb和67%土样中Cd的单因子指数在2~3之间,表明土壤污染程度为中度污染,污染等级为3级;11%土样中Zn、22%土样中Pb、33%土样中Cd和56%土样中Cr的单因子指数在1~2之间,表明土壤污染程度为轻度污染,污染等级2级;44%土样中Cr的单因子指数小于1,表明这些采样点的土壤没有受到Cr污染,污染等级1级。

  内梅罗综合指数评价结果为89%土样的内梅罗综合指数在2~3之间,污染程度为中度污染,污染等级为4级;11%土样的内梅罗综合污染指数≤2,污染程度为轻度污染,污染等级为3级。地积累指数统计结果为100%土样中Zn、Pb、Cd3种元素的地积累指数均在0~1之间,表明土壤污染程度为轻污染—中污染,污染等级为1级;全部土样中Cr元素的地积累指数均小于0,表明土壤没有受到污染,污染等级为0。

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  单因子指数评价法和地积累指数法都是针对土壤中单一重金属元素进行评价分析的。以土壤背景值为评价标准,发现单因子指数法中有56%采样点土壤处于Cr元素轻度污染状态,地积累指数法中所有土样都没有受到Cr元素的污染。主要原因是地积累指数考虑到自然成岩对土壤中重金属积累的作用。对于其他元素的评价结果,两者基本一致。

  从内梅罗综合污染指数法的评价结果可以看出,各采样点的重金属污染程度几乎均处在中度污染。其原因在于该方法是综合评价多种重金属元素对土壤的综合污染程度。它既兼顾单元素污染指数的平均值和最大值,又突出高浓度重金属污染物对土壤环境质量的影响,反映各种污染物对土壤环境的作用。
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  2.2土壤中重金属元素各形态分析

  重金属形态根据生物利用性的大小分为可利用态(可交换态)、潜在可利用态(包括碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态)和不可利用态(残渣态)3种。采用多步连续提取方法,提取土壤样品中不同形态的重金属。采用火焰原子法,测定各形态重金属含量。重金属土壤中Zn含量的大小顺序为残渣态(58.71mg/kg)>有机物结合态(40.11mg/kg)>铁锰氧化物结合态(33.17mg/kg)>可交换态(5.69mg/kg)>碳酸盐结合态(1.53mg/kg)。土壤中Pb含量的大小顺序为有机物结合态(24.72mg/kg)>残渣态(7.24mg/kg)>(3.25mg/kg)>可交换态(2.93mg/kg)>碳酸盐结合态(0.98mg/kg)。土壤中Cd含量的大小顺序为残渣态(0.219mg/kg)>可交换态(0.045mg/kg)>碳酸盐结合态(0.025mg/kg)>有机物结合态(0.009mg/kg)>铁锰氧化物结合态(0.002mg/kg)。土壤中Cr含量的大小顺序为残渣态(35.17mg/kg)>可交换态(32.46mg/kg)。

  重金属元素形态和生物有效性关系十分密切。生物有效性是研究不同重金属形态被植物吸收或在植物体内积累的过程。不同形态重金属在植物体内迁移和累积有差异。

  可利用态易被植物吸收。潜在可利用态不易被植物直接吸收,但在一定条件下能转化为可利用态。有研究表明,潜在可利用态的迁移活动能力受到土壤pH的影响很大,随着土壤pH的降低,移动性和生物活性显著增加,如燕麦等谷类作物根系分泌的酸性物质就可以溶解碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态,使之转化为可交换态被植物吸收,残渣态则不能被植物吸收。由图1~4可知,Zn、Pb和Cd3种元素的可利用态分别为4%、8%和15%,所占比例较小,Cr的可利用态占48%。

  这部分重金属元素易通过土壤—植物系统迁移,被蔬菜吸收并累积在植物体内,对蔬菜造成污染。Zn和Pb2种元素的潜在可利用态分别占总量的54%和74%。这部分元素不会直接被蔬菜吸收,但在一定条件下会转化为可利用态,对蔬菜污染具有潜在的威胁。Cd和Cr2种元素以残渣态为主,分别占总量的73%和52%。这部分不会转移到植物中造成污染。

  3、结论

  (1)利用单因子指数法和地积累指数法对西安市西郊菜园种植区土壤中Zn、Pb、Cd、Cr4种重金属污染进行评价,发现两者评价结果基本相同。结果还表明,除几个采样点没有受到Cr元素污染外,其余各采样点中4种元素均对土壤有着一定的污染,其中Zn为中度污染,Pb、Cd为轻度污染-中度污染,Cr为无污染-轻度污染。各个采样区受元素污染程度大小依次为北石桥Pb>Cd>Zn>Cr,三民村Pb>Zn>Cd>Cr,鱼化寨西村Zn>Pb>Cd>Cr。

  (2)利用内梅罗综合污染指数法对西郊菜园土壤中4种重金属污染程度进行综合评价,结果表明全部采样点土壤都受到不同程度的污染,44%的采样点为中度污染,大小顺序为三民村>北石桥>鱼化寨西村。

  (3)通过对各种重金属形态进行分析,发现Zn和Pb的可利用态含量较小,小部分易被植物吸收,对植物的影响不大,但潜在可利用态所占比例较大,在一定条件下如当pH降低土壤呈酸性时会通过土壤———植物系统进入植物并积累在植物体内,对植物具有潜在的威胁;Cd的残渣态占总量的3/4,可被植物吸收的很少,对植物的影响较小;虽然Cr的总含量与土壤背景值相近,但可利用态含量较大,会被植物吸收并积累在植物体内,对植物造成危害。

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