探析长期污灌农田土壤重金属污染与潜在环境风险评价
时间：2022-07-12 09:01:37
[摘要]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，引污水灌溉农田在我国北方缺水地区非常普遍。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。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、重金属在土壤-作物系统中赋存形态及迁移转化、土壤生物及上覆植被重金属污染响应、土壤重金属复合污染评价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农田土壤重金属潜在环境风险的研究则相对较少。为此，本文以某市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农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。
[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-7-356-3
1材料与方法
1.1研究区概况及数据采集
研究区位于该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 ℃，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380～385 m，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，CalcaricUstic 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5 m×5 m 正方形范围内设置6～28 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）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∶2.5 比例混合、搅拌、静置，pH 计测定。
1.2数据处理
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1 为研究区污灌农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Zn 7 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本地区背景含量的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，应引起农业环境部门重视。
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。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。由表1 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。为合理规划农业生产结构，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2。
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。由表2 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。
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（300mg・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，该区农田土壤Cd、Hg、Cr、Cu、Zn 5 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300mg・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60mg・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（Eir）及综合危害指数（RI）如表3 所示。由表可知：①As、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn 6 种元素的环境风险指数Eir 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Eir≥40，其中，80≤Eir<160 的样品占25.00%，Eir≥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（Tir =40），其平均Eir 值达到了221.57，具有强污染风险，在52 份土壤样品中，Hg 的Eir 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Eir 大小排序为Hg>Cd>Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn。
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Zn 3 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（Tir =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（Cin =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。
3结论
（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）污灌历史、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，确保农田环境及农产品安全生产。
