郊外农田土壤污染评价

随着工农业生产的迅速发展，人为活动对土壤重金属分布的影响不断加强，土壤中重金属含量呈增长趋势［1］。重金属因其持久性、积累性等特性及其对生态环境存在的潜在风险，受到国内外学者的高度关注［2－6］，土壤中重金属通过迁移、转化、富集从而影响农产品的质量，最终通过食物链危害人体健康［7，8］。近几年，一些地区曾开展了城郊农田土壤重金属污染状况的研究工作，但是针对天津近郊农田土壤重金属的潜在生态风险评价尚未见报道。天津市近郊西青区农业(尤其是蔬菜种植业)已成为全市居民日常所食蔬菜的主要来源，随着农村城市化进程的加快，污泥和污水的施用，使农田(特别是菜田)土壤重金属的累积加剧，对蔬菜和农作物的品质造成很大影响，对人体健康产生潜在威胁。此外，垃圾肥的普遍使用，由于工业固体废弃物的混入，使垃圾肥中重金属含量升高，很容易通过农业生产进入食物链，危害人体健康。本文选择天津市典型近郊农业产地，对其重金属元素含量进行分析，研究重金属在土壤中的变异性、聚类性和相关性，综合评价土壤环境质量状况和生态风险，旨在研究重金属在农田土壤中的空间分布特征，分析土壤中重金属的来源，确定重金属的潜在生态风险指数，从而为该地区农产品产地建设以及土壤污染防治提供科学依据。

1实验部分

1.1研究区概况西青区位于天津市西南部，地理位置为东经116°51'～117°20'，北纬38°51'～39°51'，总面积570.8km2，总人口31万。属暖温带半湿润大陆性季风气候，全年平均气温11.6℃，自然降水总量586.1mm，无霜期203天，日照总量2810.4h。地貌受西北陆相和东南海相沉积的作用，形成境内多处封闭洼淀。地下潜水水位高，埋深为1.5～2.5m。土壤类型主要为潮土，地势平坦，耕层质地适中，灌排方便，是天津重要的农产品生产基地。多年来，由于上游拦蓄和兴修水利设施，使得一般年份全区境内河流基本无径流。长时间的水资源短缺，以致该区农业用水基本利用南排污河水系的污水为主要灌溉水源，仅少数地区以浅层地下水灌溉菜田。

1.2样品采集根据西青区农产品基地的分布特征，共设置30个调查点位，分别位于上辛口、当城、水高庄、第六埠、大沙窝、无公害基地、大南河、小南河、边村、邓店、王台等村庄，采样时间为2005年8月。采样选用梅花型布点法，采集0～20cm的表层土样。采样时，事先划定一个矩形地块，然后在地块的四角及中心位置各采1个土样，最后以5个土样的混合样作为该采样点的待测样品。采样时，先去除土壤表面的砾石和动植物残体等，5个分点混匀后用四分法取1kg土样，运回实验室进行处理。

1.3样品处理与分析土壤样品经自然风干后碾碎，去除碎石、砂砾、植物残体，然后分为两份。一份样品过孔径0.25mm尼龙筛，用于分析测试pH，另一份样品研磨到全部过孔径0.15mm尼龙筛，用于土壤重金属元素全量分析。土壤先通过王水消解，砷、汞元素分析采用原子荧光法(AF－610A原子荧光光谱仪)，镉、铅元素分析采用石墨炉原子吸收分光光度法，铬、铜、锌元素分析采用火焰原子吸收分光光度法(仪器型号Z－2000)。

1.4评价方法及标准农田土壤重金属含量评价采用单因子污染指数法和综合污染指数法进行现状评价。选用国家《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)［9］、天津市土壤背景值、全国土壤背景值［10］作为评价标准，通过比较说明西青区农田土壤重金属的环境质量状况。土壤单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法计算公式详见文献［11］，土壤重金属含量评价标准见表1、分级标准见表2。式中，Cif为单项污染系数;Ci表层为土壤重金属浓度实测值;Cin为参比值，采用土壤环境质量二级标准;Tir为重金属毒性响应系数，各重金属的生物毒性相应系数分别为Hg40，Cd30，As10，Pb5，Cu5，Cr2，Zn1［12］;Eir为潜在生态风险因子。

2结果与讨论

2.1土壤重金属污染评价西青区农田土壤重金属含量统计结果见表4。通过数据统计分析，西青区农田土壤As、Cr平均含量均低于我国《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)一级标准，而Hg、Zn、Pb、Cu和Cd的平均含量高于一级标准，但低于二级标准。Cd、Cu、Hg在个别点位超过土壤二级标准，超标率分别为6.7%、3.3%和3.3%。As、Hg、Zn、Pb、Cu、Cr、Cd等7种重金属元素算术均值均超过天津土壤背景值和全国土壤背景值，其中Hg的均值为天津背景值的5.86倍，Cd和Pb的均值分别为2.72倍、2.01倍，表明重金属已在土壤中有一定的积累。各点位中，Cd和Pb的含量均高于天津土壤背景值和全国土壤背景值，Cu、Hg、Zn、As、Cr高于天津背景值的样点占总样点的比例分别为80.0%、76.7%、76.7%、70.0%、43.3%。各项重金属单项污染指数由大到小顺序为Hg＞As＞Zn=Cu＞Cd＞Cr＞Pb。各点位土壤内梅罗综合污染指数有23个处于清洁水平，占76.7%;6个点位处于尚清洁水平，但污染程度接近警戒线，占20.0%;1个点位处于轻度污染水平，占3.3%。各采样区土壤均处于清洁水平。各种重金属的变异系数由大到小顺序为Hg＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞As。Hg、Cd的变异系数相对较大，表明这两种元素在农田土壤中空间分布不均匀，在李七庄街出现高值区;Zn、Cu、Pb、Cr和As的变异系数均小于0.5，表明在农田土壤中空间分布较为均匀。

2.2土壤重金属聚类分析采用SPSS15.0软件对西青区农田土壤中的7种重金属单项污染指数进行了聚类分析(见图1)。由图1可见，7种重金属共分为4组，第1组包括Zn、Cu、As和Hg，它们的污染指数分列前4位;第2组为Cd;第3组为Cr;第4组为Pb，其污染指数为最小值。西青区农田土壤重金属聚类特征，与柴世伟等［13］关于广州市郊农业土壤重金属污染聚类研究趋势大致相同，均表现出污染指数数值接近的重金属元素被聚为一类，但两地土壤重金属污染特征不同，前者表现为污染指数较大的Zn、Cu、As、Hg4种重金属被聚为一类，说明本区域土壤主要受多种重金属的影响，而后者仅有污染指数较大的Hg被聚为一类，说明土壤仅受单一重金属的影响。图1西青区农田土壤中重金属污染指数系统树状聚类图

2.3土壤重金属含量相关分析研究土壤中重金属之间的相关性可以推测重金属的来源是否相同，若它们之间存在相关性，则它们的来源可能相同，否则来源可能不同［14］。利用SPSS15.0软件对西青区农田土壤7种重金属进行Pearson相关分析，分析结果见表5。土壤重金属含量相关性分析结果表明，西青区农田土壤中Cd、Zn、Pb、Cu元素两两之间具有极显著的正相关关系，Hg和Zn呈极显著的正相关关系，Hg和Pb、Hg和Cd、Cu和Cr呈显著正相关关系。这至少可以说明西青区农田土壤重金属Cd、Zn、Pb、Cu污染具有同源性，这与杨刚等［15］研究雅安市耕地土壤污染特征结论相同。推断污染来源于历史上的污水灌溉、污泥的施用和含重金属农药的施用。

2.3土壤重金属生态风险评价西青区农田重金属潜在生态风险因子及潜在风险指数统计见表6。通过数据统计分析，各点土壤重金属潜在生态风险指数(RI)为12.96～104.49，其余均处于轻微生态风险水平。各点重金属潜在生态风险因子除了Hg在1个点位处于中等生态风险水平外(Eir=60.80)，其余均处于轻微生态风险水平。各村庄潜在生态风险指数由大到小排序依次为邓店＞上辛口＞边村＞小南河＞王台＞大南河＞当城＞大沙窝＞无公害基地＞水高庄＞第六埠。邓店、边村、小南河等地历史上常年使用大沽排污河、陈台子排水河、程村排水河灌溉，重金属潜在生态风险指数相对较高;而大沙窝、水高庄、第六埠等村庄常年使用井水灌溉，是西青区农业的清灌区，水质状况较好，重金属潜在生态风险指数较低。此外，无公害基地对灌溉水源有着严格的要求，因此潜在生态风险指数比较低。

3结论

(1)西青区耕地土壤7种重金属平均含量均低于《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准，但高于天津土壤背景值和全国土壤背景值。Cd、Cu、Hg在个别点位超过土壤二级标准，应引起一定的重视。(2)多数点位土壤内梅罗综合污染指数处于清洁水平。统计分析表明，Cd、Zn、Pb、Cu4种重金属两两之间具有极显著的正相关，推断污染可能来源于历史上的污水灌溉、污泥的施用和含重金属农药的使用。(3)各点土壤重金属潜在生态风险指数(RI)为12.96～104.49，均处于轻微生态风险水平。研究发现，历史上常年使用污水灌溉的耕地，其重金属潜在生态风险指数相对较高;而使用井水灌溉的农田和对灌溉水源有着严格要求的无公害基地，其潜在生态风险指数较低。