引言
重金屬對環境的污染已經引起國際社會的廣泛關注。土壤是生態環境的重要組成部分,也是人類賴以生存的主要資源之一。農業土壤重金屬污染不僅會對土壤生態系統帶來不利影響,同時也會關系到食品安全和潛在的健康風險問題。
重金屬污染具有長期性、累積性、隱蔽性、潛伏性和不可逆性等特點。當重金屬的濃度超過允許濃度后,便會對生物造成毒性作用。重金屬的潛在毒性和對土壤的污染時有報道,這些重金屬主要涉及到Cd,Cr,Pb,Zn,Fe和Cu等,更好地了解重金屬的來源、累積程度和對土壤污染程度的評估至關重要。土壤中重金屬的來源是多途徑的,首先成土母質本身含有一定量的重金屬,另外,人類的工業和農業活動也會使重金屬進入土壤,人類活動主要包括:垃圾焚燒、城市污水、汽車尾氣排放和農業用地中化肥和廢水的長期使用等。
本文以淮河流域某鎮農業土壤為研究對象,研究了農業土壤中Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn等六種被確定為農業生態環境中重點監控的有害元素的含量特征,并利用富集因子法、地累積指數法和潛在生態風險指數法對各種重金屬的污染狀況進行了評價。為準確掌握農產品產地土壤重金屬污染狀況,發展綠色農業和農業產業結構規劃的發展提供基礎科學依據。
1、實驗部分
1.1研究區概況
選擇位于淮北平原南緣,淮河、潁河匯流之上的安徽省淮河流域某鎮土壤為研究對象。研究區氣候夏熱冬冷,四季分明,雨量充沛。研究區土壤屬普通砂礓黑土亞類。
1.2樣品采集
本研究在安徽省淮河流域某鎮的農業土壤上進行。在各采樣斷面上進行1km×1.5km網格布點,在采樣點布設過程中,使采樣點盡量均勻分布,總計布點79個,實際有效采樣點為78個。在各采樣區,根據具體情況采用蛇形取樣法采取多點\\(5~9點\\),各點采集0~20cm表層土壤,將在一個采樣單元內各采樣分點采集的土樣混合均勻制成混合樣,用四分法選取1kg作為該采樣單元的樣品,裝入聚乙烯塑料袋中,同時用GPS記錄采樣點的經緯度坐標。采集樣品時間為2013年4月。
1.3土壤樣品的分析方法
采集的土壤樣品用木錘敲碎,攤成薄層平鋪在干凈的牛皮紙上,放在室內陰涼通風處風干。風干后,用木滾將樣品磨碎,過20目尼龍篩,過篩的樣品全部置于聚乙烯薄膜上充分混勻。分出100g左右,用木滾進一步磨碎,全部過100目尼龍篩,充分混合均勻后,分裝于聚乙烯薄膜袋中,以備分析待用。
土壤樣品使用DEENA樣品全自動消解前處理系統\\(型號DEENA,品牌Thomas Cain\\),酸熔法\\(HNO3-HF-H2O2\\)加熱消解。采用電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤樣品中Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn等六種重金屬的含量,所用儀器為PerkinElmer等離子體發射儀\\(型號Optima 8000\\)。
1.4污染評價方法
本文利用富集因子法、地累積指數法和潛在生態風險指數法對研究區域土壤中六種重金屬進行污染評價分析。
1.4.1富集因子法富集因子\\(enrichment factor,EF\\)主要被應用于判斷和識別大氣、降水、土壤、湖泊沉積物等環境系統中的自然來源和人為來源。富集因子的計算公式可表示為EF=\\(ci/cn\\)土壤/\\(ci/cn\\)地殼\\(1\\)式中,ci為元素i的濃度,cn為參比元素的濃度。當EF<1時,表明沒有受到人為影響;當EF>1時,表明表層土壤受到了人為影響,EF值越大,受到的人為影響越大。當1
參比元素一般選擇地殼中含量豐富而人為污染來源較少、化學穩定性好的惰性元素,如Fe,Al,Si,Ti,Sc和Zn等,本文選擇Zn為參比元素。地殼中元素含量采用Tay-lor的地殼中元素的豐度數據。
1.4.2 地累積指數法地累積指數法\\(index of geo-accumulation,Igeo\\)最早是1969年由Muller提出的用于評價沉積物中重金屬的含量,后來被廣泛地應用于環境中不同重金屬的污染評價。地累積指數的計算公式如下式Igeo=log2[Ci/1.5Bi] \\(2\\)式中,Ci為測量得到的土壤中重金屬的含量,Bi為土壤中該重金屬的地化學背景值。地累積指數法將重金屬污染評價歸為7個級別,如表1所示。
1.4.3 潛在生態風險指數法。潛在生態風險指數法\\(potential ecological risk index,RI\\)是由瑞典科學家Hakanson提出來的用于評價土壤中重金屬的方法,該方法考慮了重金屬的毒性和環境中的響應,是一種綜合反應土壤中重金屬對生態環境影響潛力的方法。
RI的計算公式如下Cif=Ci/Cin\\(3\\)Eir=Tir×Cif\\(4\\)RI =∑mi=1Eir\\(5\\)式中,Cif為重金屬的單項污染指數,Eif為重金屬的單項潛在生態風險指數,為單種重金屬的毒性相應參數,元素Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn的毒性系數分別為30,2,5,5,5和1。金屬毒性污染的潛在生態風險指數和分級情況如表2所示。
2、結果與討論
2.1土壤中重金屬的含量分布特征
研究區域土壤重金屬質量分數的統計特征值如表3所示。
由表3可知,不同部位土壤重金屬質量分數差異顯著,如土壤w\\(Cd\\)為0.048 7~0.213 2 mg·kg-1,w\\(Cr\\)為39.23~90.89mg·kg-1。測量得到的Cd,Cr,Cu,Ni,Pb和Zn六種重金屬元素中,除Ni的一個采樣點數據超出土壤環境質量國家二級標準值以外,其他各元素的數據均在土壤環境質量國家二級標準值以內,未超出土壤環境質量國家二級標準值。研究區域農業土壤中Cd的含量最大值為0.213 2mg·kg-1,最 小 值 為0.048 7 mg·kg-1,變 異 系 數 為32.39,變幅較大,Cd的平均值為0.113 5mg·kg-1,稍微超出了安徽省Cd含量的背景值,為bc1的1.17倍;Cu的平均值為22.09,稍微超出了安徽省Cu含量的背景值,為bc1的1.08倍。其他元素的平均值均比較低,未超出bc1。因此,研究區域農業土壤環境質量狀況總體良好,除土壤中的Cd和Cu存在輕微程度的富集和污染,其他四種重金屬均未超過安徽省土壤重金屬背景值。
2.2富集因子法評價
本文以土壤中比較穩定且人為污染較小的惰性元素Zn為參比元素,土壤中c\\(Zn\\)參照Taylor給出的地殼成分數據。研究了研究區域農業土壤中Cd,Cr,Cu,Ni和Pb等五種重金屬的富集因子,研究結果如圖1所示。由圖1可知,各采樣點土壤中Cd,Cr,Ni和Cu四種重金屬的富集因子均在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四種重金屬主要來源于自然源,而Pb受到一定的人為源的影響。
2.3地累積指數法評價
圖2顯示了研究區域農業土壤中每種重金屬的地累積指數值的范圍和平均值。從地累積指數的平均值來看,研究區域農業土壤中重金屬污染的強弱依次為:Cd>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni,由圖中可以看到,Pb,Cr,Zn和Ni四種重金屬的所有采樣點的地累積指數均小于零,大部分采樣點的Cd和Cu的地累積指數小于零,僅存在個別采樣點的Cd和Cu在0~1之間的范圍,由地累積指數分級標準可以判別,土壤中的Pb,Cr,Zn和Ni四種重金屬未對土壤造成污染,Cd和Cu兩種重金屬存在輕度-中等污染。
2.4潛在生態風險指數法評價
研究區域農業土壤中六種重金屬的潛在生態風險系數的統計特征值及頻數分布如表4所示。由表中可以看到,六種重金屬的平均潛在生態風險系數的大小順序依次Cd>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn。六種重金屬中除了Cd有少量采樣點的超過40以外,其他五種重金屬的均未超過40,這表明部分采樣點土壤中的Cd對于生態系統存在輕微的風險,其他五種重金屬均未對采樣點生態系統造成風險。 RI可以表征重金屬元素對當地的生態系統的影響,可以反映總的污染造成的生態風險。為了鑒別六種重金屬對采樣區域的綜合潛在生態風險,本文對研究區域土壤的RI進行了研究,研究結果表明,六種重金屬的綜合潛在生態風險指數RI在27.310 2~89.337 1之間,均屬輕度綜合潛在生態風險程度。
地統計學的結果顯示,除重金屬Cd以外,少量的采樣點的Cu存在中等-輕度污染,但是由于Cu本身毒性相對較低,因此Cu未對采樣點造成生態系統的風險。由此可以看到,地累積指數法主要是考慮了各種重金屬的累積程度,而沒有把重金屬的響應因素考慮在內。潛在生態風險指數可以同時考慮到由單種污染物造成的生態風險和來自不同污染物對生態系統的總風險。
3、結論
\\(1\\)研究區域采樣土壤中,除w\\(Cd\\)和w\\(Cu\\)的平均值超過了安徽省土壤重金屬背景值以外,w\\(Cr\\),w\\(Ni\\),w\\(Pb\\)和w\\(Zn\\)等四種重金屬的平均值均低于安徽省土壤重金屬背景值。
\\(2\\)富集因子評價法的研究結果表明,研究區域土壤中Cd,Cr,Ni和Cu等四種重金屬主要來源于自然源,而Pb受到一定的人為源的影響。
\\(3\\)地累積指數評價法的研究結果表明,研究區域土壤中重金屬污染的強弱依次為:Cd>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni,土壤中的Pb,Cr,Zn和Ni四種重金屬未對土壤造成污染,Cd和Cu兩種重金屬存在輕度-中等污染。
\\(4\\)潛在生態風險指數評價法的研究結果表明,六種重金屬的平均潛在生態風險系數的大小順序依次Cd>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn。部分采樣點土壤中的Cd對于生態系統存在輕微的風險,其他五種重金屬均未對采樣點生態系統造成風險。整個研究區域土壤屬于輕度綜合潛在生態風險程度。
