太原市小店污灌区土壤重金属污染现状评价❋

杜 斌,孙 强,祁志冲,龚 娟

(中国地质大学,环境学院,湖北 武汉 430074)

在农业用水形势紧张的北方地区,污水已经成为城镇近郊农业灌溉的主要水源.污水灌溉可有效节约水资源,且水量相对稳定,易于收集.但需要注意的是,目前我国污水处理的总体水平较低,用于灌溉的污水水质通常极差,有些地区甚至直接引用未经处理的污水进行灌溉,从而引发一系列的环境问题.我国污灌区主要分布在水资源严重短缺的黄、淮、海、辽四大流域,其中天津、北京、西安、石家庄、太原、济南、沈阳是全国著名的污水灌区[1-3].污水灌溉对土壤的污染主要表现在污染物在灌溉区的残留累积方面.土壤中的污染物能够对人体的健康构成直接的影响,因为土壤很容易与人体接触并且进入人的身体[4-7].由污水灌溉造成的土壤重金属污染越来越多地引起人们的关注.国内外科研人员对污水灌溉条件下土壤中的重金属的形态、累积程度、分布特征进行了一定的研究[8-19].例如黄冠星等[20]对广东省污水灌溉地区铅的水平和化学形态进行了研究.Liu Wenhua[21]等测定了北京污水灌溉土壤中的 Cd,Cr,Cu,Zn,Pb含量,通过对污染负荷指数(PLI),富集系数(EF)和污染系数(CF)的计算来研究土壤中重金属的累积趋势.张乃明等[22]对太原市污灌区的污水与土壤中的重金属进行了研究,结果表明污水中 Hg,Cd,Pb含量的高低与污灌区土壤中重金属含量和累积程度的有较好的相关性.本文在野外调查与室内实验的基础上对太原市小店污灌区土壤中重金属的污染现状进行评价.

1 研究区概况

研究区地处太原盆地中部、汾河东岸、潇河以北,主体为两河的冲积平原区,东北角跨入太原东山,如图1所示.地形东高西低,北高南低,总趋势是由东北向西南缓缓倾斜,地貌形态可分为基岩山区、黄土丘陵及洪积扇区、汾河及潇河冲积平原区.污灌区集中分布在平原地区.小店区有长达 30多年的引污灌溉历史,污水经由小店区境内的几条大干渠,通过网罗密布的支渠、斗渠、毛渠输送到各个乡镇的农田.3条主干渠分别是东干渠(南北走向)、北张退水渠(南北走向)、太榆退水渠(东西走向).渠内污水用水主要来自太原市区的生活污水、还有部分经处理的工业废水.近年来,由于国民经济的大力发展,沿途一些企业每年向邻近退水渠排放一定数量的工业废水,使污水的成分变得更加复杂.

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of study area in the map of China

图2 耕作层土样采样点分布图Fig.2 Sampling locations for topsoil in the study area SW,surface water;S,topsoil

2 样品的采集与测试

根据研究区内灌溉渠道的分布情况,在东干渠布设了 3个取样点,北张退水渠上布设了 5个取样点,太榆退水渠布设 5个取样点,共 13个水样点 SW1～ SW13,所有采集的水样在 4℃下恒温保存.采样点分布如图 2所示.水样的微量金属元素用 ICP测定,TN,TP和氨氮分别根据 GB11894-89(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)、GB11893-89(钼酸铵分光光度法)和 GB7479-87(钠氏试剂比色法)测定.水样的 TOC含量使用德国 elementar公司的 liqui TOC分析仪测定,测量范围：0～100000 mg/L C,灵敏度为 50μ g/L.以上测试工作均在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质教育部重点实验室完成.

在土壤样点的布设上,采用均匀布点的方法.考虑到研究区土壤类型从东山山前至汾河河岸,由残坡积—洪积—冲积变化,土壤颗粒由粗到细,以及不同地方污灌历史有差别,在某些地方适当将样点加密,共布设 33个土样点 S1～ S33,采样点分布如图 2所示.土壤的采样方法参考《土壤元素的近代分析方法》,对每个样点进行 GPS定位,在 0～1 m深度范围内分别以 0～0.2 m,0.2～0.4 m,0.4～ 0.6 m,0.6～1 m的间距用洛阳铲取样.所有样品在通风避光的室内自然风干,将风干的样品粗研磨,去除碎石、杂物、作物的根茎等,用四分法分割压碎样品过孔径为 0.830 mm(20目)的尼龙筛,过筛之后将其充分混匀.然后对样品进行细研磨,通过孔径为 0.149 mm(100目)的尼龙筛,充分混合均匀后,分装于牛皮纸袋内,以备分析测试使用.选择 Cr,Cd,Hg,As,Cu,Zn,Pb等7种重金属元素进行测试,测试工作在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成.所使用的仪器和采用的方法列于表 1中.

表1 土样重金属元素测试仪器与测试方法Tab.1 Testing equipment and methods of heav y metals in soil

3 污灌水质分析

从野外检测的结果来看,污水 pH值变幅在 7.60～ 8.09之间,整体为中性或偏碱性,符合农田灌溉水质标准的要求.三大灌溉干渠总氮、总磷、氨氮含量普遍较高,农田灌溉水质标准 GB5084-92只对总磷做出上限要求 10 mg/L,而对总氮和氨氮没有相应的上限规定,在选择的几个断面的水质来看,总磷含量并不超标.对于总氮和氨氮参考地表水环境质量标准 GB3838-2002的Ⅴ 类标准对三大干渠的水质进行评价.东干渠总氮超标 18.59倍,最大值超标 22.37倍,氨氮超标 7.72倍,最高超标 9.35倍;北张退水渠总氮超标 29.52倍,最大值超标 30.71倍,氨氮超标 24.77倍,最高超标 25.02倍;太榆退水渠总氮超标 25.23倍,最大值超标 31.35倍,氨氮超标16.49倍,最高超标 22.53倍.北张退水渠的总氮、总磷、氨氮的平均含量要高于其他两大干渠,超标程度也较两者严重.

由表 2的统计结果可知,污水中 As,Cd,Cr,Cu,Pb等5种重金属离子的平均含量,北张退水渠＞太榆退水渠＞东干渠,Zn的平均含量是太榆退水渠＞北张退水渠＞东干渠,Hg的平均含量是东干渠＞太榆退水渠＞北张退水渠.值得注意的是,北张退水渠污水的 Cd含量有 3个断面超过了农田灌溉水质标准,城西村、疙瘩营、宋环村段面的含量分别为 5.2μ g/L,6.0μ g/L,5.5μ g/L,Cd离子的偏高可能与城西村附近的经济技术开发区电子工业的废水排放有很大的关系,因此需严格控制相关企业排放污水的水质.

表2 污水部分指标统计表(TN,TP,氨氮,TOC,F-,mg/L;其余各离子含量,μ g/L)Tab.2 Summary of indicators concentration detected in wasterwater of study area(TN,TP,N H+-N,TO C,F-,mg/L;Heav y metals,μ g/L)

4 土壤重金属污染现状评价

4.1 评价标准与方法

为了反映小店区农田的重金属污染实际情况,经实地调查,本文选取研究区内相同土壤类型的长期用清水灌溉的某处农田(S2点,如图 2所示)作为背景点,并以该点 60～ 100 cm深度上土样的重金属含量作为污染起始值,该背景点的7种重金属元素含量列于表 3中.

表3 土壤质量评价结果表Tab.3 Summary of soil quality evaluation results

评价方法采用单项指数法和内罗梅指数法,计算公式为

式中：PI为内梅罗指数;Ci为某污染物平均实测浓度;Pi max为单项指数最大值;Pi为某污染物单项指数;Cio为某污染物评价标准;各单项指数算术平均值.

单项指数 Pi可以反映某项污染物的累积和污染程度.若 Pi≤1.0,表明土壤重金属含量在评价标准内,土壤环境没有受到人为污染,若 Pi＞1.0,表明土壤重金属含量超过了评价标准,土壤环境已受到人为污染,指数越大表明污染程度越高,土壤环境受到人为活动影响的强度越大.在单项指数评价的基础上,选用内梅罗指数法计算土壤重金属综合污染指数,评价土壤重金属综合污染程度.通过综合污染指数的计算结果对土壤环境质量进行分级,评价指标分级标准列于表 4中.

表4 综合污染指数分级表Tab.4 Grading schedule of comprehensive pollution index

4.2 评价结果

选取 As,Cd,Cr,Cu,Hg,Pb,Zn等7种重金属元素作为土壤污染评价因子,以研究区内背景土样点S2点的重金属含量为评价标准,计算出每个取样点这7种元素的单项污染指数和综合污染指数.土壤质量评价结果列于表 3中.

从 0～20 cm,20～ 40 cm,40～ 60 cm,60～ 100 cm这 4个深度的土壤综合污染指数平均值来看,重金属污染在表层土壤中最为严重,这是由于重金属元素进入土壤后,表层的土壤颗粒和有机质首先对其进行吸附作用或者与土壤中的矿物发生反应形成难溶性盐,而最先被固定累积在表层土壤中.随着深度的增加,土壤综合污染指数也随之降低,从深度 20 cm以下的 3层土壤依次为 2.29,1.97,1.74.根据4.1节的表和土壤综合污染指数对研究区的农田进行土壤质量分级,划分为安全、警戒限、轻污染、中污染、重污染等 5个等级,并做出土壤质量分区图,如图 3所示.

图3 土壤质量评价结果分区图Fig.3 Map of soil quality evaluation results

从图 3中可以看出在 4个深度的土壤中,污染级别均在轻污染以上,污染程度最重的是表层土.用ArcGIS面积统计功能得到,在 0～20cm的表层土壤中受到轻度污染的农田仅占总面积的 6.84%,而受到中等污染程度和重污染程度的农田分别占总面积的 54.71% 和 38.46%.其中沿殷家堡—小马村—范家堡—红寺—城西村—杨庄—薛店—宋环—梁家庄—北格一线出现了一条呈带状分布的土壤重污染分布带,综合污染指数在 3以上.总体上看这条污染带主要分布在东干渠、北张退水渠、太榆退水渠这3条研究区内的主要灌溉渠道沿线的村庄,西温庄乡内的高值区使用的是从东干渠引入的东干一支中的污水进行灌溉,所以这一重度污染分布带的分布与使用污水灌溉有着密不可分的关系.在调查的 7种重金属元素中,Hg对综合污染指数的分担率最大,因此,Hg污染必须引起人们的足够重视.

深度为 20～ 40 cm的土壤中,受到轻度污染的农田占总面积的 65.17%,而受到中等污染和重污染的农田分别减小到占总面积的 32.64%和 2.20%,土壤质量较之表层有了较大的改善.然而除了刘家堡乡、小店街办和黄陵街办的部分村庄以外,大部分农田处于中等污染级别以上.

从 40～60 cm深度的土壤质量分区图可以看出,中等污染和重污染的农田面积进一步缩小,分别占到总面积的 30.80% 和 1.77%,主要分布在小店区东南部的大部分地区和西北部的部分村镇,受到轻度污染的面积增加到 67.42%.该层土壤综合污染指数平均值是 1.97,较表层土的 3.02和 20～ 40 cm的2.29有所下降,说明污染程度总体减轻,但存在个别的异常高值点,说明某些村镇的重金属污染仍不容忽视.在耕作层的最底层 60～100 cm的深度上,土壤污染分级只有轻污染和中污染而不存在重污染的农田,分别占到总面积的 79.56% 和 20.44%.从土壤质量分区图可以看出,中等污染的农田主要分布在城西村—疙瘩营—东桥村—梁家庄一线的北张退水渠沿线村庄,以及西贾—北格—辛村—郜村一带的太榆退水渠上段附近的村镇.综合污染指数最大值出现在梁家庄附近,为 2.49.

5 结论与建议

1)小店区耕作层的表层土壤污染最为严重,受到中等污染程度和重污染程度的农田分别占总面积的 54.71% 和 38.46%.随着深度的增加,污染有所减轻,但在最底层 60～ 100 cm的深度上土壤中,中污染农田也占到总面积的 20.44%.

2)灌区要扩大污水处理能力,加强对灌溉污水的监管力度,只有在符合农田灌溉标准的情况下才能用于灌溉.

3)在改进传统的用物理、化学和生物的修复方法的前提下,积极研究新型的修复技术对农田污染进行治理.在综合应用各种研究成果的基础上,提出不同污水类型、不同土壤条件下,主要农作物的污灌方式、次数、最佳灌溉时间及灌溉定额,实现科学适度的污水灌溉.

[1]曾德付,朱维斌.我国污水灌溉存在问题和对策探讨[J].干旱地区农业研究,2004,22(4)：221-224.Zeng Defu,Zhu Weibin.Discussion on problems of sewage irrigation and counter measuresin China[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2004,22(4)：221-224.(in Chinese)

[2]宰松梅,王朝辉,庞鸿宾.污水灌溉的现状与展望 [J].土壤,2006,38(6)：805-813.Zai Songmei,Wang Zhaohui,Pang Hongbin.Situation and prospect of sewage irrigation inagriculture[J].Soils,2006,38(6)：805-813.(in Chinese)

[3]杨军.灌溉水中重金属对土壤和农作物的污染风险 [D].重庆：西南农业大学,2005.

[4]De M E,Jimenezde G M,Llamas J F,et al.Theoverlooked contribution of compost application to the trace element load in the urban soil of Madrid(Spain)[J].Sci Total Environ,1998,215：113-122.

[5]Mielke H W,Gonzales C R,Smith M K,et al.The urban environment and children health：soils as an integrator of lead,zinc and cadmium in New Orleans,Louisiana,USA[J].Environ Res,1999,81：117-129.

[6]Madrid L,D í az-Barrientos E,Madrid F.Distribution of heavy metals contents of urban soils in parks of Seville[J].Chemosphere,2002,49：1301-1308.

[7]Cui Y J,Zhu Y G,Zhai R H,et al.Transfer of metals from soil to vegetables in an area near a smelter in Nanning,China[J].Environ Int,2004,30(6)：785-791.

[8]胡文,王海燕,查同刚,等.北京市凉水河污灌区土重金属累积和形态分析[J].生态环境,2008,17(4)：1491-1497.Hu Wen,Wang Haiyan,Zha Tonggang,et al.Soil heavy metal accumulation and speciation in a sewage-irrigated area along the Liangshui River,Beijing[J].Ecology and Environment,2008,17(4)：1491-1497.(in Chinese)

[9]Hu W,Wang H Y,Zha T G,et al.M etal contamination and fractionation in sewage-irrigated soils along the Liangshui River,Beijing,China[J].Soil and Sediment Contamination,2010,19(4)：487-503.

[10]段飞舟,高吉喜,何江,等.灌溉水质对污灌区土壤重金属含量的影响分析[J].农业环境科学学报,2005,24(3)：450-455.Duan Feizhou,Gao Jixi,He Jiang,et al.Impact of irrigation water quality on heavy metals′concentrations in surface soil of paddy field[J].Journal of agro-Environment Science,2005,24(3)：450-455.(in Chinese)

[11]Zhang Y L,Dai J L,Wang R Q,et al.Effects of long-term sewage irrigation on agricultural soil microbial structural and functional characterizations in Shandong,China[J].European Journal of Soil Biology,2008,44(1)：84-91.

[12]陈丽华,雒晓芳,哈斯其美格.油区土壤重金属污染状况及相关性分析[J].中北大学学报(自然科学版),2011,32(2)：189-194.Chen Lihua,Luo Xiaofang,Hasi Qimeige.Pollute situation and correlation analysis of soil heavy metals in oil field[J].Journal of North University of China(Natural Science Edition),2011,32(2)：189-194.(in Chinese)

[13]Khurana M P S,Bansal R L.Impact of sewage irrigation on speciation of nickel in soils and its accumulation in crops of industrial towns of Punjab[J].Journal of Environmental Biology,2008,29(5)：793-798.

[14]Li P J,Stagnitti F,Allinson G,et al.Sorption and fractionation of copper in soil at a sewage irrigation farm in australia[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2006,37(7-8)：1031-1042.

[15]Abdel S M.Impact of wastewater reuse on cobalt status in Egyptian environment[J].Journal of Environmental Sciences,2003,15(3)：388-395.

[16]Da Fonseca A F,Melfi A J,Montes C R.Maize growth and changes in soil fertility after irrigation with treated sewage effluent.I.plant dry matter yield and soil nitrogen and phosphorus availability[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2005,36(13-14)：1065-1081.

[17]Kirpichtchikova T,Manceau A,Lanson B.Speciation and mobility of Zn,Cu and Pb in a truck farming soil contaminated by sewage irrigation[J].Journal de Physique IV,2003,107：695-698.

[18]王雄军.太原盆地土壤重金属元素分布特征及预警模型研究[D].长沙：中南大学,2005.

[19]常芳,郭翠花,张红.汾河太原段土壤重金属污染的潜在风险评价 [J].山西大学学报(自然科学版),2009,32(2)：304-307.Chang Fang,Guo Cuihua,Zhang Hong.Ecdogical risk assessment of Cr and Hg in soil of the Taiyuan section Fenhe river Shanxi[J].Journal of Shanxi University(Nat.Sci.Ed.),2009,32(2)：304-307.(in Chinese)

[20]Huang G X.Level and chemical forms of lead in soil of sewage irrigation area in Guangdong province,South China.[C]iCBBE.20104th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering.Chengdu,2010：1-5.

[21]Liu W H,Zhao J Z,Ouyang Z Y,et al.Impacts of sewage irrigation on heavy metal distribution and contamination in Beijing,China[J].Environment International,2005,31(6)：805-812.

[22]张乃明,张守萍,武丕武.山西太原污灌区农田土壤汞污染状况及其生态效应 [J].土壤通报,2001,32(2)：95-96.Zhang Naiming,Zhang Shouping,Wu Peiwu.Soil mercury pollution and its ecological effect in the waste water irrigation area of Taiyuan[J].Chinese Journal of Soil Science,2001,32(2)：95-96.(in chinese)