德宏州耕作土壤表层重金属含量特征及潜在生态风险评价

2014-03-27张国云杨俊华周新惟康云昌

中国环境监测 2014年4期

张国云，杨俊华，郭晋，周新惟，康云昌

1. 德宏州土壤肥料工作站，云南芒市 678400 2. 德宏州农业科学研究所，云南芒市 678400 3. 云南省农业环境保护监测工作站，云南昆明 650034

土壤是农产品生产的基础。随着工业污染物和生活垃圾的大量输入及长期使用化肥，农药，污水灌溉等都容易导致金属元素的积累[1-2]，在初期并不表现出对环境的危害性，但当其存储量超过土壤承受能力，必将导致严重的生态危害[3]。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，因此，研究土壤重金属污染特征，评价其潜在的生态危害十分必要[4-5]。土壤重金属污染不仅影响土壤的生态功能，也影响植物生长、农产品质量，而且通过食物链传递进而影响人体健康，其危害性越来越受关注[6-7]。许多学者对土壤重金属污染做了大量研究，龙永珍等[8]对湖南省长沙-株洲-湘潭地区土壤进行评价发现，Cd已达到严重污染程度；许学宏等[9]对江苏蔬菜产地土壤重金属污染现状调查评价发现，Cd、Hg污染严重；马成玲等[10]对长江三角洲常熟市农田不同土种土壤重金属进行污染评价发现，30.6%的土壤Hg超标；王丽娟等[11]对陕西省长武县不同土壤利用方式剖面重金属垂直分布特征研究发现，不同利用方式对不同土壤深度重金属分布影响强度不同。目前，对种植业不同利用方式土壤重金属污染研究较少。该文通过对德宏州不同利用方式耕地土壤环境质量进行Hakanson潜在生态危害指数法评价分析，既有利于耕地质量保护和提升，也为农产品质量安全生产提供保障，为农业提质增效提供科学依据。

1 实验部分

1.1 样品的采集与制备

样品采集区域为东经97°31′40″～98°15′0″，北纬24°24′1″～24°20′10″，位于云南西部，与缅甸毗邻，海拔800～1 300 m，年均气温18.4～20.3 ℃，年降雨量1 436～1 709 mm，年日照时间2 281～2 453 h，森林覆盖率62.8%，生态环境良好，以种植业为主，主要作物有水稻、玉米、甘蔗、茶叶等，山区一年一熟，坝区一年两熟或三熟，工业欠发达，仅有制糖、水电、冶硅业，采样区面积13.33万hm2。

根据调查区基本情况，按土类及成土母质划分若干采样单元，随机布设取样点位和点数(图1)，GPS精确定位。2010年夏粮收获后进行土壤样品采集，按“随机”、“均等”、“混合”的原则，采用“S”形采样法，在代表性田块采集表层(0～20 cm，多年生作物采集0～60 cm)土壤10～15个分点，去除杂质，充分混均后，用四分法缩分留1 kg，用塑料袋装好，做好标记和原始记录，共采集土壤样品385个，其中玉米地133个，稻田96个，蔗园58个，茶园26，胶园32个，果园27个，菜园13个。土样风干后，磨细，分别过0.85、0.25、0.15 mm筛，各制备土样100 g供检测分析pH及重金属含量。

注：底图源自云南地图网站(http://ditu.yunnanditu.com/yunnan_dehong/)下载的1∶1 000 000云南省德宏州行政版底图，审图号为GS(2012)6023 号，下载日期为2013-03-16。图1 采样点分布图

1.2 检测分析

参照《土壤环境质量监测技术规范》(HJ/T 166—2004)[12]、《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY/T 395—2000)[13]、《土壤质量Pb、Cd的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)[14]标准进行分析。土壤经硫酸-硝酸-高锰酸钾消解，原子荧光光度法(AFS-230原子荧光光度计)测定Hg；土壤经硫酸-硝酸-高氯酸消解，原子荧光光度法(AFS-230原子荧光光度计)测定As；土壤经盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法(PE-1100B原子吸收分光光度计)测定Pb、Cd，火焰原子吸收分光光度法(PE-1100B原子吸收分光光度计)测定Cu；土壤经硫酸-硝酸-氢氟酸消解，二苯碳酰二肼光度法(721分光光度计)测定Cr；玻璃电极法(0rion-210酸度计)测定土壤pH。

1.3 评价方法及标准

潜在生态危害指数法是瑞典科学家Hakanson[15]根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法。不仅考虑土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起进行评价。其表达式为

1.4 数据处理

采用Excel2003和DPS7.0软件进行数据分析。

2 结果与讨论

表1 重金属污染潜在生态危害指标

2.1 土壤重金属含量特征

由表2可以看出，各重金属元素变异系数(CV)从大到小依次为Hg>As>Pb>Cd>Cu>Cr。变异系数是表征样本间变异程度的重要尺度，CV<10%为弱变异，CV=10%～30%为中等变异，CV>30%为强变异，研究区6种元素均为强变异，表明分布不均匀，空间变异大，受到人类活动干扰[16-17]。

表2 耕作层土壤重金属含量特征统计

注:除超标样本比例和CV单位为“%”外，其他指标的单位均为“mg/kg”；ND表示未检出；空表示无数据，下同。

用Pearson法进行各重金属元素相关性分析，结果表明，Cr、Pb、Cu之间呈显著相关，As、Pb、Cr及Hg、Cu之间呈极显著相关，元素之间的相关性表现为显著或极显著，表明元素间具有一定的同源关系或有一定的复合污染[20]。与云南省表层土壤背景值比较发现(表2)，6种重金属元素均有不同比例样本超过背景值，超标比例依次为Pb>Cr>Hg>As>Cd>Cu，Pb含量平均值高于背景值，表明Pb有外源进入，并有一定积累[21]。

直方图能够直观地显示重金属元素的含量特征(见图2)，结合表2进行综合分析，Hg、Cu(P=0.121、P=0.200>0.05)呈对数正态分布，指示Hg、Cu 2种元素来源相同，主要由土壤母质分化产生；Pb、Cd、As、Cr呈正偏态分布，表明来源比较复杂[22]。

2.2 重金属潜在生态危害评价结果

2.2.1 富集污染评价

由表3可以看出：整个研究区重金属元素富集系数均在1以下，为轻微污染，各重金属污染程度从重到轻依次为Cu>Cd>Cr>Pb>Hg>As；不同土壤利用方式污染程度从重到轻依次为菜园>稻田>蔗园>茶园>胶园>玉米地>果园；不同利用方式重金属元素富集系数差异较大，玉米地、稻田、蔗园、茶园、胶园、果园、菜园各重金属污染程度从重到轻依次为Cd>Cu>Cr>Hg>As>Pb、Cr>Cu>Cd>Pb>As>Hg、Cr>Cd>Cu>Pb>Hg>As、Cu>Pb>Hg>As>Cd>Cr、Cu>Cd>Cr>Hg>Pb>As、Cu>Cd>Pb>Hg>Cr>As、Hg>Cr>Cu>Cd>As>Pb。

图2 重金属分布直方图

表3 耕作层土壤重金属统计表

注：表中数据为平均值加标准差，下同。

由表4可以看出，各重金属元素富集系数样本超标比例依次从大到小依次为Hg、Cu>Cr>Cd>As>Pb。利用方式，玉米地Pb、Cd、Hg各有1.5%的样本及Cu 0.75%的样本达中度污染；稻田Pb 0.75%、Cu 5.21%的样本达中度污染；茶园As、Cu各有3.85%的样本达中度污染；果园Cd、Hg 3.7%的样本达中度污染；胶园As、Cu各有3.13%的样本达中度污染；蔗园Cd 1.72%、Cr 10.34%的样本达中度污染；菜园Hg 46.15%、As 15.38%、Cu 7.69%的样本达中度污染。表明研究区土壤重金属已表现出局部污染现象。

表4 耕作层土壤重金属污染程度分布频率 %

2.2.2 单因子潜在生态风险评价

由表5分析表明，研究区重金属元素单因子潜在生态风险指数均在40以下，为轻微生态危害，各重金属元素单因子潜在生态危害从大到小依次为Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr，这与重金属元素富集系数排序不一致，一方面受毒性响应系数大小影响，另一方面是某些重金属元素污染程度较高。从不同利用方式重金属元素单因子潜在生态危害看，玉米地、稻田、蔗园、果园Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr，茶园、胶园、菜园Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr，表明Pb、Cr 对研究区土壤生态风险危害较小，Cd、Hg生态风险危害较大，应给予密切关注。

表5 耕作层土壤重金属统计表

单因子潜在生态风险指数超标样本统计，仅玉米地Cd、Hg分别有1.5%、0.75%样本及菜园Hg有46.15%样本潜在生态危害指数达到中等危害，表明研究区土壤局部已受到重金属Cd、Hg中度生态危害，经实地调查，采样点周围无工矿企业，是否因土壤背景值高所至，还是农业投入品的投入导致污染，需进一步研究。

2.2.3 综合潜在生态风险评价

研究区综合各样本潜在生态危害指数为5.24～96.81，平均值为28.32，各样本RI<150，均处于轻微生态危害，说明整个研究区土壤表层生态环境总体较优越。不同利用方式综合潜在生态危害指数依次为菜园>胶园>蔗园>玉米地>茶园>稻田>果园。不同的土壤利用方式导致不同的耕作制度，影响着土壤重金属来源特征。菜园土壤生态风险危害较大，推断主要原因是蔬菜地多位于城市郊区存在城市污水灌溉；其次，复种指数高、利用强度大，农业投入品如有机肥、化肥、农药等投入量大所至[23]。

2.2.4 聚类分析

因不同利用方式重金属元素富集系数及单因子潜在生态风险指数差异较大，简单地用平均值比较分析不能充分表现出土壤污染特征。因此，进一步进行系统聚类分析，以欧氏距离为衡量类间差异大小的依据，采用最短距离法将富集系数、单因子潜在生态风险指数进行土壤利用方式聚类和重金属元素聚类[24-25]。结果表明(表6)，富集污染程度，菜园污染相对较重，茶园次之，污染因子以Hg为主；单因子潜在生态风险危害，菜园、胶园生态危害相对较重，茶园次之，研究区生态风险危害因子以Hg、Cd为主。

表6 聚类表

3 结论

1)德宏州耕作土壤重金属分布差异较大。6种重金属元素空间变异强烈，Hg、Cu含量呈对数正态分布，Pb、Cd、Hg、As、Cr呈正偏态分布，Pb含量平均值高于云南省背景值，Cd、As、Cr、Pb均有外源影响。

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