文章信息
- 陈 涛, 常庆瑞, 刘 京, 刘 钊, 刘海飞
- CHEN Tao, CHANG Qing-rui, LIU Jing, LIU Zhao, LIU Hai-fei
- 长期污灌农田土壤重金属污染及潜在环境风险评价
- Pollution and Potential Environment Risk Assessment of Soil Heavy Metals in Sewage Irrigation Area
- 农业环境科学学报, 2012, 31(11): 2152-2159
- Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31(11): 2152-2159
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文章历史
- 收稿日期:2012-05-10
2.农业部黄土高原农业资源与环境修复重点开放实验室, 陕西 杨凌 712100
2.Key Lab for Agricultural Resources and Environmental Remediation in Loess Plateau of Agriculture Ministry of China, Yangling 712100, China
中国是世界公认的 13 个贫水国之一,同时也是 水污染较为严重的国家。为缓解农业用水,引污水灌 溉田在我国北方缺水地区非常普遍 [1] 。污灌不仅能 显著提高土壤肥力、 促进粮食生产,还能有效缓解农 业用水紧张,解决城市污水排放等问题。 但与此同时, 伴随污灌,也造成各种重金属元素在土壤中富集,通 过土壤-作物系统中迁移和食物链传输,对人体健康 构成严重威胁 [2,3,4] 。
为促进区域生态环境建设和保障农产品安全,众 多学者围绕污灌区土壤重金属环境容量 [5,6,7] 、 重金属在 土壤-作物系统中赋存形态 [8,9,10] 及迁移转化 [11,12] 、 土壤 生物及上覆植被重金属污染响应 [13,14,15,16] 、 土壤重金属复 合污染评价 [17,18] 等方面开展了一系列研究,并取得丰 硕成果。但相比较而言,针对我国西北干旱半干旱地 区开展污灌田土壤重金属潜在环境风险的研究则 相对较少 [19] 。为此,本文以西安市某典型污灌区为研 究对象,系统分析长期污灌条件下土壤重金属 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb 和 Zn 的含量及富集状况,并采 用内梅罗指数法和 Hakanson 潜在生态危害指数法对 该区土壤重金属污染现状与潜在环境风险进行评价, 旨在为西北地区污灌田土壤重金属污染防治、区域 环境保护,以及土地利用结构调整提供必要理论及决 策依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况及数据采集
研究区位于西安市西北郊沣惠渠灌区,面积 14.27 km2,介于北纬 34°18'~34°20',东经 108°20'~ 108°50'之间,属暖温带半干旱大陆季风性气候,年均 气温 13.4 益,平均降水量 580.17 mm,全年盛行东北 风和西南风;该区地势平坦,海拔 380~385m,成土母 质为冲积性次生黄土,土层深厚,质地匀细,以黄绵土 (按中国土壤系统分类为石灰干润雏形土,Calcaric Ustic Cambosols) 为主,土壤养分含量较高。
本研究经多次实地走访、 查阅相关资料,在当地 农 户协助下确定农田 污灌年限及离灌 渠 距 离 ,于 2010 年 5 月小麦收获前,按随机均匀布点方式采集 农田土壤样品 52 份。在每个样点周围 5m×5m 正方 形范围内设置 6~8 个样品采集点,在每个采集点用塑 料铲取表层土壤 (0~20 cm) 0.5 kg,均匀混合后取 2 kg 装袋带回,并用 GPS 记录正方形中心位置为该采样 点坐标,样点分布见图 1。采集土样在室内阴凉处自 然风干,捡出石块、 根须等异物,用木棒、 玛瑙研钵等 工具磨碎后过 100 目尼龙网筛,装瓶备用。土壤重金 属含量 (As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn) 参照国家土壤 环境质量标准 (GB 15618—1995) [20] 进行测定,并在测 试过程中加入标准土壤样品 (GSS17 和 GSS19) 进行 质量控制,分析过程所用试剂为优级纯; 土壤 pH 值 按土水比 1颐2.5 比例混合、 搅拌、 静置,pH 计测定。
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图 1 研究样区与采样点分布 Figure 1 The study area and sampling point distribution map |
本文以国家 《土壤环境质量标准》 (GB 15618— 1995) 中二级限量值作为污染评价参考值 (表 1) ,采 用单因子污染指数和综合污染指数,对 8 种土壤重金属污染进行评估。计算公式如下:


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污染评价等级划分见表 2 [21] 。
本研究采用 Hakanson 潜在生态危害指数法进行 土壤环境风险评价。 该方法综合考虑了多元素协同作 用、 毒性水平、 污染浓度以及环境对重金属污染敏感 性等因素,在环境风险评价中得到广泛应用 [19] 。计算 公式如下。

潜在环境风险指数评价结果分级见表 4 [24] 。
在本研究中,对土壤重金属数据整理和描述统计 用 Excel 2010 完成,统计分析用 SPSS 19.0 软件完成, 研究区及样点分布图用 ArcGIS 9. 3.1 软件完成。 2 结果与讨论 2.1 土壤重金属含量及富集状况
表 5 为研究区污灌田土壤重金属描述统计结 果。 8 种土壤重金属平均含量分别为 As 9.88 mg · kg-1、 Cd 1.45 mg · kg-1、 Cr 88.41 mg · kg-1、 Cu 52.24 mg · kg-1、 Hg 1.38 mg · kg-1、 Ni 34.14 mg · kg-1、 Pb 55.01 mg · kg-1和 Zn 151.16 mg · kg-1。 经与当地背景值比较发现,Cd、 Cr、Cu、 Hg、 Ni、 Pb 和 Zn7 种元素的平均含量均高于自然 背景水平,其中 Cd、 Cu、 Hg 和 Zn 的富集比例达到 100%,Cr、 Ni 和 Pb 的样品富集个数也分别有 43、 42 和 51 个; 在 8 种土壤元素中,仅有 As 的平均含量略 低于背景水平;按富集比例排序为 Cd=Cu=Hg=Zn> Pb>Cr>Ni>As,前 7 种元素在表层土壤中已呈现不同 程度累积,仅有 As 保持相对清洁。此外,通过比较各 元素富集倍数还发现,土壤 Hg 和 Cd 的平均含量分 别达到西安地区背景含量的 10 倍和 5 倍,表明该区 由于长期污水灌溉,已导致农田土壤 Hg、 Cd 元素的 显著富集,应引起业环境部门重视。
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在地球环境化学中,土壤元素的累积通常伴随变 异性的增强 [27] 。因此,作为反映环境变量总体波动特 征的参数———变异系数,在一定程度上可用于表征各 元素的累积状况 [27] 。 由表 5 可知,8 种土壤重金属变异 系 数介于 10% ~90% 之间,Cd 的变异 系数最大 ,为 85.84%,其次为 Zn 和 Hg,分别为64.29%和 61.68%, As 的变异系数最小,仅为 12.86%。土壤重金属按其 变异系数大小可排序为 Cd >Zn >Hg >Cu >Cr >Pb >Ni> As。其中,Ni 和 As 的变异系数介于 10%~15%之间, 属弱变异,反映该两种元素可能受自然成土因素长期 均一化作用,所受人为干扰较少,致使其变幅较小; 其 余 6 种元素的变异系数主要集中在 25%~100%之间, 属中等强度变异。 由此不难发现 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Pb 和 Zn 除了具有较高富集系数外,同时还具有较大变异 性,这预示着长期污灌对其含量分布存在更多人为因 素的扰乱。 2.2 土壤重金属污染评价
经上述统计,发现 Hg、 Cd、 Zn、 Cu、 Pb、 Cr 和 Ni 已 在表层土壤中有不同程度富集。为合理规划业生产 结构,保障土壤资源可持续利用,本研究选用国家 《 土 壤环境质量标准 》 (GB 15618—1995)作为污染评价阈 值,对 8 种重金属污染现状进行评价,结果见表 6。
由于该区土壤 pH 值介于 7.91~8.89 之间,呈微 碱性环境,故选择国家土壤环境质量标准 pH > 7.5 的 二级限量值作为污染判断阈值 (表 1) 。 由表 6 可知,8 种土壤重金属中,仅有 Cd、 Hg 的单项污染指数平均 值大于 1,分别为 2.42 和 1.38,属中度污染和轻度污 染; 其余 6 种元素的污染指数均低于 0.70,总体为清 洁水平。按单因子污染指数平均值依次排序为 Cd> Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr>Pb。
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分别将 52 份土壤样品的重金属含量与污染限量 值比较后发现:①所有样品 As、 Ni、 Pb 含量均低于国 家土壤环境质量二级标准 25、 60 mg · kg-1和350 mg ·kg-1,属清洁或警戒水平; ②所有样品中,有 2~3 份土 样的 Cr、 Cu 和 Zn 含量高于其对应限量值,达到污染 水平,其中有 1 份样品的 Zn 含量超过污染标准 (300 mg · kg-1) 2 倍,属中度污染,其余为轻度污染; ③对于 Cd、 Hg 而言,则分别有 42 份和 30 份样品的污染指数 大于 1,其余未超过污染标准,在所有已污染样品中, 分别有 38.46%和 42.31%的样品 Cd、 Hg 含量达到表 2 所规定的轻度污染,19.23% 和 7.69% 处于中度污 染,剩余 23.08%和 7.69%达到重度污染; ④由于该区 土壤 Cd、 Hg 污染较为普遍,已导致所有样品综合污 染指数较高,其中 76.92%的样品受到不同程度污染, 仅有不足 5%的样品综合污染指数低于 0.7,处于安全 水平。
从评价结果来看,该区田土壤 Cd、 Hg、 Cr、 Cu、 Zn5 种元素已表现出不同程度污染,其中 Cd 和Hg 污 染尤为严重。 由于国家 《 土壤环境质量标准 》 中 Pb、 Cu 和 Zn 的污染限量值分别为 350、 100 mg · kg-1和 300 mg · kg-1,尽管此 3 种元素的富集比例均已超过 98%, 但其含量仍远低于污染限量值,从而导致其污染指数 普遍较低; 而对于 Ni 而言,即使其富集倍数仅为自然 背景水平的 1.09 倍,但由于其污染限量值仅为 60 mg · kg-1,从而导致其平均污染指数仍较高于 Cu、 Zn、 Pb 等元素。 2.3 土壤重金属环境风险评价
8 种土壤重金属的环境风险系数 (Eri) 及综合危 害指数 (RI) 如表 7 所示。由表可知: ①As、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb 和 Zn6 种元素的环境风险指数 Eri 均低于 40,其污 染风险轻微; ②而对于 Cd 元素而言,仅有 30.77%的 土样污染风险处于轻微水平,其余 69.23%的 Eri ≥40, 其中,80≤Eri <160 的样品占 25.00%,Eri ≥160 的样品 达到 13.46%,总体上讲该区土壤 Cd 具有较强环境风 险; ③相对元素 Cd,Hg 的毒性响应系数则更高 (Tri = 40) ,其平均 Eri 值达到了 221.57,具有强污染风险,在 52 份土壤样品中,Hg 的 Eri 均大于 80,其中介于 80~ 160 之间的样品占 42.31%,而大于 160 的样品则有 57.69%,可见该区土壤具有极强 Hg 污染风险,应高 度重视;④按照各元素平均 Eri 大小排序为 Hg>Cd> Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn。
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本区土壤 Cd、 Hg 具有较强污染风险,从而导致 其综合环境风险增强,平均 RI 值达到 335.16,总体处 于强风险水平; 在 52 份土壤样品中,51.93%的样品呈 现 “强” 或 “极强” 环境危害。可见,长期污水灌溉已对 当地农业安全生产构成严重威胁。
在本研究中,土壤重金属污染评价结果与环境风 险评价结果之间存在一些差异,主要区别在 As、 Pb 和 Zn3 种元素。 As 虽在本研究中富集倍数最低,尚未受 到污染,但由于其生物毒性效应较高 (Tri =10) ,其环境 风险也随之上升; 反之,由于 Zn 是一种重要的植物营 养元素,其毒性响应系数最小 (仅为 1) ,其环境风险 亦降至最低;而元素 Pb 由于其风险评价参比值较低 (Cni =25 mg · kg-1) ,导致其在环境风险中的排序相对污 染排序有所上升。
在本研究中,污染评价是通过实测值与国家土壤 环境质量标准限量值比较而实现的,主要侧重揭示外 源重金属的土壤累积程度,强调农田土壤按照国家限 量标准是否达到污染水平; 而环境风险评价则除了考 虑工业化以来各种人为因素引起表层土壤重金属累 积程度外,还侧重考虑了不同元素对生物的毒性影 响,并通过加权求和突出了多元素污染风险的协同效 应,这为决策者从作物安全角度理解重金属污染、进行科学决策提供了更丰富的信息 [28,29] 。 2.4 污灌年限及距离灌渠远近的影响
由于污灌史长短不同,土壤重金属污染及其环 境风险存在较大差异。 图 2 为不同污灌年限的农田土 壤重金属污染指数及风险指数的多重比较结果。 由图 可知,污灌 20 年的土壤重金属平均污染指数仅为 1.04,远低于污灌 40 年和 50 年的土壤重金属污染指 数 1.68 和 2.58,并且存在显著性差异; 同样,具有 20 年污灌史的农田土壤重金属也仅表现出“中等” 环 境风险,而污灌 40 年、 50 年的农田土壤则表现出 “强” 等级生态危害。可见,污灌史长短对土壤重金 属的累积及环境风险存在明显差异性影响。
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图 2 不同污灌年限农田土壤重金属污染及环境风险比较 Figure 2 The pollution status and its environment risk of soil heavy metals under different sewage irrigation history |
除污灌年限外,离灌渠远近也对土壤重金属污染 及其环境风险存在显著影响。图 3 为土壤重金属污 染、 环境风险与灌渠距离间的相关性分析结果。由图 可知,该区土壤重金属污染指数、 环境风险指数分别 与灌渠距离远近之间存在显著或极显著负相关,相关 系数分别为-0.307* 和-0.385** (** 为 0.05 显著水 平);并且与灌渠距离之间存在显著的指数非线性回 归关系 (图 3) 。这表明距离污灌渠越近,农田土壤的 污染程度及环境风险越高,当距离灌渠大于 1200m 时,其污染指数接近于 1,具有 “中等程度” 潜在生态 危害。
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图 3 不同离渠距离农田土壤重金属污染及环境风险 Figure 3 The pollution status and its environment risk of soil heavy metal under different distances from sewage irrigation canal |
(1) 在长期污灌条件下,灌区土壤重金属按污染 指数由强至弱依次为 Cd>Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr >Pb, 其中,Cd 和 Hg 污染尤为严重。
(2) 各种重金属污染对灌区农田土壤构成潜在环 境风险由强至弱排序为 Hg >Cd >Pb >Cu >As >Ni >Cr> Zn; 其中 Cd 和 Hg 的影响占据主导,导致该区总体上 具有很强环境风险,对农业安全生产构成严重威胁。
(3) 污灌史、 与渠距离远近均对土壤重金属的 污染状况及潜在环境风险构成显著影响。 鉴于该区土 壤重金属已表现出较强生态危害性,应及时采取必要 防治措施,调整土壤利用结构,确保田环境及农产 品安全生产。
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