沈阳沈抚灌区上游土壤重金属镉和铬的现状及潜在生态风险评价

张 娜，王嘉琦，梁晓晨，王小军，李学斌，孙丽娜，林静雯

（1.沈阳市环境保护局 东陵分局，辽宁 沈阳 110015；2.沈阳大学a.区域污染环境生态修复教育部重点实验室；b.生物与环境工程学院，辽宁 沈阳 110044）

污灌区灌溉水质不符合灌溉要求，会造成土壤污染.调查显示，我国采用污水灌溉的区域中，有65%的面积遭受不同程度的重金属污染［1］.可见，对于污灌地区重金属的调查研究和评价具有重要的现实意义.沈阳市是我国重要的工业城市，工业污水灌溉带来的土壤污染问题一直比较突出，特别是沈抚灌区污灌带来的农田石油污染问题已引起了各方面的广泛关注［2］，但对于受到石油污染的沈抚灌区，该灌区农田是否也存在着由于污灌带来的重金属的污染问题，特别是从2000年沈抚灌区停灌10多年以来土壤重金属的现状和分布状况却鲜有文献涉及.本文选择沈阳沈抚灌区上游指定区域土壤中的重金属镉和重金属铬进行监测分析和评价，目的是全面系统了解和掌握从2000年沈抚灌区停灌10多年以来土壤重金属镉和重金属铬的现状及潜在的生态风险，以期为沈抚灌区污灌土壤的规划、管理提供全面、系统、可靠的环境基础资料和科学依据，实现沈抚灌区以及其他灌区土壤的可持续发展科学保护和土壤生态环境良性循环的基础指导.

1 材料与方法

1.1 采样区概况

建于1961年的沈抚灌渠全长近百公里，位于辽宁省沈阳市和抚顺市之间.沈抚灌渠长期采用来自抚顺市各大炼油厂的石油工业污水灌溉，污水成分复杂，变化大，灌溉面积约200平方公里，灌溉历史长达40余年.20世纪90年代以来，逐步减少了污水灌溉面积，并于2000年基本实现了区内农田的改旱作业或清水灌溉作业.本次采样区域为沈阳沈抚灌区上游区域，该区域农田土壤曾遭受到沈抚灌渠严重污染，它位于沈阳市东陵区（浑南新区）核心地带，沈阳市东陵区（浑南新区）位于沈阳东南部，系浑河水系冲积而成的浑河平原上，地形平缓，平均海拔低于50米.研究区主要是农业生产用地，农作物以种植玉米、水稻为主，面积22平方公里，具体位置见图1.

图1 项目位置图Fig.1 Project location

1.2 采样点布设

根据《土壤环境监测技术规范HT／T 166—2004》［3］规定，根据污染源情况，同时考虑灌溉水污染型土壤监测布点原则，选择农田土壤曾遭受到沈抚灌渠污染较重的10个行政村为代表，布设调查采样地点.共采集了50个表层（0～20cm）土壤样品.采样点位置采用GPS定位，每一个土壤样品采用200m×200m范围内对角线法进行5点混合样的采取，混合样混匀后用四分法取1kg土样装入样品袋备用，具体采样点布设见图2.

图2 沈阳沈抚灌区上游土壤采样点布设图Fig.2 Layout diagram of sampling points of the upriver range in Shenyang－Fushun irrigation area

1.3 样品处理与分析

土壤样品经除去混杂物后风干，粗磨过孔径2mm尼龙筛，再用手工研磨到土样全部通过孔径0.25mm的尼龙筛，二分法分成二份，一份装瓶备分析用，一份继续研磨至全部通过孔径0.15 mm的尼龙筛，装瓶待测.土壤样品监测与分析方法，采用我国《土壤环境质量标准》GB 15618—2008标准［4］环境监测分析方法进行测定.

1.4 评价标准

本评价标准，土壤重金属镉和重金属铬一级标准执行辽宁省土壤背景值标准［5－6］，其余执行我国《土壤环境质量标准》GB 15618—2008标准，见表1.

表1 土壤环境质量标准Table 1 Environmental quality standards for soils

1.5 评价方法

土壤重金属镉和重金属铬评价方法采用土壤单因子污染指数法、土壤内梅罗综合污染指数法和土壤潜在生态风险评价法.

（1）土壤单项污染指数法.土壤单项污染指数

（2）土壤内梅罗综合污染指数法.土壤内梅罗综合污染指数

（3）土壤潜在生态风险评价采用Hakanson潜在生态风险指数法［7］.土壤金属元素i的潜在生态风险指数：

式中，Pi为土壤重金属元素i的单项污染系数，本文以辽宁省表层土壤背景值作为参比值计算该系数；Tri为土壤重金属元素i的毒性响应系数，反映重金属元素的毒性水平以及生物对重金属污染的敏感程度，土壤各重金属毒性响应系数为Tri（Mn）＝Tri（Zn）为1；Tri（V）＝Tri（Cr）为2；Tri（Cu）、Tri（Ni）、Tri（Co）、Tri（Pb）为5；Tri（Cd）为30.

土壤单项污染指数法、土壤内梅罗综合污染指数法和土壤潜在生态风险指数法污染等级划分标准见表2.

表2 污染等级划分标准Table 2 Pollution grading standards

2 结果与分析

2.1 采样区域土壤重金属镉和重金属铬监测分析

采样区域土壤中重金属镉和重金属铬监测分析结果见表3.从表3可以看出，与《土壤环境质量标准GB 15618—2008》国家二级标准值（旱地镉质量分数≤0.45mg·kg－1、水田镉质量分数≤0.50mg·kg－1（pH＞6.5）、旱地铬质量分数≤200mg·kg－1、水田铬质量分数≤300mg·kg－1（pH＞6.5））比较，沈阳沈抚灌区上游采样区域内，每一个行政村采样点重金属镉和重金属铬均未超出国家二级标准.说明该采样区域农业土壤符合国家对一般农田土壤环境质量的标准要求，沈抚灌渠灌的污水灌溉没有给采样区域的土壤带来重金属镉和铬污染.

此次采样共10行政村，但其中4个行政村土壤重金属镉、3个行政村土壤重金属铬超出辽宁省土壤环境背景标准值（镉0.108mg·kg－1，铬57.9mg·kg－1）.虽然沈阳沈抚灌区上游采样区域土壤中重金属镉和重金属铬含量符合国家对一般农田土壤环境质量的标准要求，但土壤已表现出不同程度的重金属富集现象.有研究表明［9］土壤重金属镉或铬的富集可能主要与化肥的施用有关.旱田作业时化肥的施用对于土壤重金属镉的贡献尤其突出，尤其是磷肥的施用对土壤中镉的富集有着很大的关系.土壤重金属镉和重金属铬在上述几个村子富集原因是否为化肥的施用输入、或者周边工业或运输的输入，都值得进一步商榷.

表3 采样区域土壤中重金属镉和重金属铬监测分析结果Table 3 The monitoring and analyzing results of the Cd，Cr in the soil of sampling range

变异系数反映了总体样本中各采样点的平均变异程度.一般情况下，变异系数在0～10% 之间属于弱变异，在10%～100%之间属于中等变异，100%以上属于强变异［10－11］.沈阳沈抚灌区上游土壤重金属镉和重金属铬的变异系数在10%～100%之间属于中等变异，说明各监测点位的土壤重金属镉和重金属铬的含量差异较大，在土壤中分布不均匀.这是沈阳沈抚灌区上游采样区域土壤中重金属镉和重金属铬一个显著特征.说明该区域农业活动对土壤的扰动性较大.

2.2 沈阳沈抚灌区上游土壤重金属镉和铬污染现状评价

采用辽宁省土壤环境背景标准值作为评价标准，运用单项指数法和内梅罗综合污染指数法对采样区域土壤重金属镉和重金属铬进行现状评价，单项污染指数法可以体现每一个评价指标的污染状况，综合污染指数充分考虑了高浓度物质对土壤环境质量的影响.评价结果见表4.

表4 土壤重金属镉和重金属铬污染指数评价结果Table 4 The pollution index assessment results of the Cd，Cr in the soil

从表4可以看出，此次采样共10个行政村，按照单项污染指数评价，对于土壤重金属镉，6个行政村单项污染指数小于1，属于清洁级；4个行政村单项污染指数介于1～2之间，属于轻污染级.对于土壤重金属铬，7个行政村单项污染指数小于1，属于清洁级；3个行政村单项污染指数介于1～2之间，属于轻污染级.

按照内梅罗综合污染指数评价，对于土壤重金属镉，1个行政村综合污染指数小于0.7，属于清洁级，4个行政村综合污染指数介于0.7～1，属于尚清洁级，4个行政村综合污染指数介于1～2，属于轻污染级，1个行政村综合污染指数介于2～3，属于中污染级.由此可见，对于采样区域土壤重金属镉内梅罗综合污染指数评价已经有中污染级存在，这是因为综合污染指数评价突出了高浓度污染物对环境质量的影响，说明采样区域土壤重金属镉虽然尚能达到国家土壤环境质量要求，但土壤重金属镉已存在着污染风险.

按照内梅罗综合污染指数评价，对于土壤重金属铬，4个行政村综合污染指数介于0.7～1，属于尚清洁级，6个行政村内梅罗综合污染指数介于1～2，属于轻污染级.由此可见，对于采样区域重金属铬现状评价结果都为轻污染级以下，说明采样区域土壤重金属铬一般无污染，应做好预防.

2.3 沈阳沈抚灌区上游土壤重金属镉和重金属铬潜在生态风险评价

按照Hakanson潜在生态风险指数法对沈阳沈抚灌区上游土壤中重金属镉和重金属铬潜在生态风险进行了评价，结果如表5所示.

表5 土壤重金属镉和铬潜在生态风险评价Table 5 The ecological risk assessment of the Cd，Cr in the soil

从由表5可以看出，此次采样共10个行政村，对于土壤重金属镉，按照潜在生态风险评价，2个行政村属于中等生态风险，6个行政村属于高生态风险，2个行政村属于很高生态风险.说明沈抚灌区上游采样区域土壤中重金属镉存在着一定生态风险，具有潜在危害，应引起重视.

对于土壤重金属铬，按照潜在生态风险评价，均属于轻微生态风险，说明沈阳沈抚灌区上游土壤中重金属铬生态风险不大，但要防止人类活动对土壤重金属铬带来的影响.

3 结 论

（1）沈阳沈抚灌区上游采样区域内，此次采样共10个行政村，每一个行政村重金属镉和重金属铬均未超出国家二级标准值，说明沈抚灌渠灌的污水灌溉没有给采样区域的土壤带来重金属镉和铬污染.但4个行政村土壤重金属镉、3个行政村土壤重金属铬超出辽宁省土壤环境背景标准值，说明土壤中重金属镉和重金属铬在该采样区域有富集现象，可能与化肥的施用有关.重金属镉和重金属铬在土壤中分布极不均匀，说明土壤的扰动性较大.

（2）对于沈阳沈抚灌区上游采样区域土壤，按照单项污染指数和内梅罗综合污染指数评价，虽然重金属镉现状评价结果都为中污染级以下，但该区域土壤重金属镉具有污染风险.而重金属铬现状评价结果都为轻污染级以下，说明采样区域土壤重金属铬一般无污染风险.

（3）对于沈阳沈抚灌区上游采样区域土壤，按照Hakanson潜在生态风险评价，重金属镉存在着一定的生态风险，具有潜在危害.重金属铬生态风险不大.

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