不同农地利用方式土壤砷、汞累积特征分析及评价研究

2014-04-16朱溪桥高雪松唐世超邓良基李启权胡玉福

农业现代化研究 2014年2期

朱溪桥，高雪松，唐世超，邓良基，李启权，胡玉福

（1.四川农业大学资源环境学院，四川成都611130；2.成都市国土规划地籍事务中心，四川成都610074）

重金属具有不可降解、易富集等特征，且易通过物理、化学和生物等表生地质作用，借助地表径流、地下水和大气传输进入表生地球化学循环系统，进而进入生态链的循环中，对农田生态环境及食品安全存在潜在威胁。砷由于其化学性质和环境行为与重金属有很多相似，因此也将其包括进土壤重金属范围内。砷和汞都是引起土壤污染的重要元素，并且与人类健康关系密切，属于易致癌物质[1-2]。当土壤中的砷、汞累积到一定程度时还会减少作物的产量，降低耕地产能，从而影响社会和经济的可持续发展[3]。土壤重金属作为生态环境质量好坏的重要指示物，其含量受土壤肥力、土壤物理性质、田块地理位置、灌溉方式以及土地利用方式等自然因素和人类活动因素的共同影响[4-5]。研究表明土地利用方式对土壤重金属含量影响显著。宋成军等[6]通过前人研究，阐明了土地利用在土壤重金属污染风险预测和污染土壤修复中的重要作用。白玲玉等[7]发现土地利用方式对 As、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn的累积具有显著影响，其中设施菜地累积较显著。上述研究证明土地利用与重金属含量有密切关系。都江堰作为成都平原上重要的商品粮油、蔬菜、水果生产基地，农地利用方式多样，其生态质量水平直接关系到现代农业资源的合理利用。本文以都江堰为研究区域，分析不同农业利用方式下土壤耕层砷、汞的富集状况，并利用地累积指数法和潜在生态风险指数对农田土壤砷、汞污染状况和潜在生态风险进行评价，以期为该区现代农业中重金属监测防控、农产品安全生产提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区位于成都平原西北部，地理位置介于东经103°25'42"～103°47'，北纬 30°44'54"～31°22'9"。区域属中亚热带湿润气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，年均气温15.2℃，年均降雨量1243.80mm，年平均日照时数1016.9h，无霜期长，年均无霜期269d。成土母质主要为侏罗系自流井群岩层风化物、第四纪全新统冲洪积物，侏罗系沙溪庙组岩层风化物。土壤类型以黄壤、水稻土为主，土地利用类型以旱地、水田、果园、菜地为主。农业生产采用多熟制，主要种植玉米、小麦和水稻；种植的经济作物主要是油菜、猕猴桃等，土地垦殖率较高。

1.2 样品采集及分析

土壤采样点的布设按照网格法和分层抽样法进行设计。野外样品采集过程中利用1:5万地形图和GPS（Etrex）进行样点定位，并根据实地情况进行样点调整，共获得73个土壤样点，其中旱地29个，水田22个，果园、菜地土壤样本共22个（图1）。每个样点在同一地块内按照梅花布点法取5个小样点，制成一个混合样，每个土样最后保留0.5kg。准确称取100目干燥土壤样品0.1000g到三角烧杯中，用10mL王水半封闭在电热板上消解溶样（温度≤140℃）3h，将样品取下冷却，用超纯水将消解液转移到50mL刻度试管中定容，摇匀，静置待用，用氢化物原子荧光光谱法（HG-AFS）测定Hg含量，同时做试剂空白；取10mL澄清液至25mL的容量瓶中,加入5mL硫脲-抗坏血酸混合溶液,用水稀释至刻度，放置30-40min，用氢化物原子荧光光谱法（HG-AFS）测定As含量，同时做试剂空白。分析过程所用试剂均为优级纯，所用的水均为超纯水。土壤理化性状指标的测定采用土壤农化常规分析方法[8]检测。

图1 研究区位置和样点分布图

1.3 生态风险评价方法

为了定量评价研究区土壤砷、汞在4种不同农地利用方式下对生态安全的影响，本研究采用地累积指数（the index of geoaccumulation,Igeo）和潜在生态指数法对土壤砷、汞2种重金属污染程度及潜在生态风险进行评估。

1.3.1地累积指数法地累积指数法是在20世纪60年代晚期在欧洲发展起来的用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标[9]。其计算公式如下：

式中Cn为实测重金属含量，mg/kg；Bn为当地沉积物重金属含量背景值，mg/kg；K一般取1.5，是为消除各地岩石差异可能引起背景值变动的修正系数[9]。地累积指数的分级标准与污染程度的划分见表1。

表1 地累积指数法分级标准

1.3.2潜在生态指数法潜在生态指数法是Hakanson应用沉积学原理建立的评价重金属污染和潜在生态风险的方法。该方法兼顾了环境中各项污染物影响和污染物综合影响，并定量划分出重金属的潜在生态风险程度，是目前评价重金属潜在生态风险广泛应用的方法[5]，其计算式如下：

根据Hakanson的分级标准[5]，重金属潜在生态风险评价指标见表2。

表2 潜在生态危害系数、危害指数与生态危害程度分级

2 结果与分析

2.1 不同农地利用方式土壤pH、有机质和土壤砷、汞含量分析

研究选择对重金属含量有较大影响的pH和有机质作为理化指标进行分析（表3）。pH是影响土壤重金属形态与含量的重要指标，大部分采样点土壤pH呈酸性，仅23.29%的样点土壤pH呈弱碱性，其中pH最高值出现在水田土壤中，而菜地所有样点均小于7；有机质含量最高的是果园土壤，菜地次之，水田最低。

表3 研究区不同农地利用方式土壤理化性质分析

4种农地利用方式下土壤砷、汞含量存在差异（表4）。研究区土壤As平均含量为7.24mg/kg，不同农地利用下其含量由高到低的顺序排列为：果园＞水田＞菜地＞旱地。果园中As平均含量最高，为8.61mg/kg，分别高出旱地、水田和菜地土壤的1.28倍，1.14倍和1.21倍。As在果园土壤中含量高，这与该用地方式下肥料的施用量有关。果园由于其生物量大，因此施肥量显著高于其他粮田[10]。实地调查发现研究区果园主要施加磷肥及钾肥，有研究表明磷肥的含砷量最高，有的甚至高达273mg/kg[11]。除此之外，果园中大量施用的杀虫剂也是果园土壤中重金属的重要来源，这些杀虫剂除直接与果树叶片、作物粘结外，大部分均散落在土壤表面，并在土壤中残留累积[12]。对4种农地利用方式土壤砷含量进行单因素方差分析，果园土壤中砷同旱地土壤中的砷存在显著性差异(p<0.05)。与背景值比较，研究区73个样点土壤砷含量平均值（7.46mg/kg）并未达到国家背景值（11.20mg/kg）和川西平原背景值（7.79mg/kg）。旱地、水田、菜地中土壤砷含量平均值低于川西平原背景值，而果园中土壤砷含量低于国家背景值，高于川西平原背景值11.5%。4种不同农地利用方式均有样点超出川西平原背景值，其比例分别为31.03%，45.45%，55.56%以及75%。与国家土壤环境质量标准(GB156l8～1995)相比，4种农地利用方式土壤砷都处于一级标准，并未造成污染。

土壤Hg平均含量为0.29mg/kg，不同土地利用下其含量由高到低依次为：果园＞菜地＞旱地＞水田。果园土壤中Hg含量为0.330mg/kg，分别是旱地、水田和菜地土壤的1.22倍，1.26倍和1.19倍。土壤Hg在菜地中含量也较高，这是因为菜地利用强度大，复种指数高，因此其化肥和有机肥的投入量远高于粮田[13]。对4种农地利用方式土壤砷含量进行单因素方差分析，果园和旱地以及果园和水田差异显著(p<0.05)。与背景值比较，研究区73个样点土壤汞含量平均值（0.29mg/kg）高于川西平原背景值（0.18mg/kg）61.1%，高于国家背景值（0.07mg/kg）314.3%。旱地、水田、果园和菜地中土壤汞含量平均值分别高于川西平原背景值50.0%、44.4%、83.3%和55.6%。4种不同农地利用方式均有90%以上样点数超出川西平原背景值。与国家土壤环境质量标准(GB156l8～1995)相比，仅在旱地利用方式中有1处样点处于一级标准，占旱地样点3.4%，其余96.6%为二级标准，水田、果园和菜地样点均处于二级标准，但并未危害人体健康。与土壤砷比较，土壤中汞的富集更明显一些。

变异系数是统计数波动的参数，在一定程度上反映了该元素的分布特征。4种不同农地利用方式，土壤砷、汞的变异程度都比较弱，说明在这4类土地利用中其空间分异较小或污染程度具有相似性。

表4 研究区不同农地利用方式下土壤砷、汞含量描述性统计表

2.2 土壤重金属及其与pH、有机质的相关关系

土壤As、Hg含量与土壤pH、有机质之间的相关性分析可知(表5)，土壤pH与土壤As和Hg含量呈负相关，其中与土壤Hg相关性显著（p＜0.05），这一结果与佘加平[16]研究结果一致。土壤中有机质与土壤中As呈显著负相关（p＜0.05），土壤Hg含量与有机质含量呈显著正相关（p＜0.05），这是因为土壤对砷的吸附主要是通过带正电荷的微粒和带负电荷的砷络阴离子之间的相互作用实现，有机质是土壤中普遍存在的带负电荷的胶体，它与土壤间吸附反映往往优先于砷络阴离子，因此土壤中有机质含量越高，土壤颗粒所带正电荷就相应减少，最终结果反映出土壤中砷和有机质之间的负相关[17]；而有机质含量高说明土壤腐殖质含量高，土壤腐殖质对Hg2+有很强的螯合能力和吸附能力，通过生物小循环和土壤上层腐殖质的形成，使得土壤中的Hg积累[18]。As与Hg相关性不显著，说明研究区土壤As和Hg来源可能并不一致。

2.3 不同农地利用方式土壤砷、汞地累积指数评价

本文以四川省砷、汞土壤环境背景值分别作为研究区土壤砷、汞的背景值，以4种农地利用方式下的砷、汞的平均含量作为研究区农用土壤的代表性含量进行地累积指数计算，从而评估其土壤砷、汞的总体污染富集程度。

表5 研究区土壤砷、汞与土壤pH和有机质的相关性分析

地累积指数分析结果见表6，反映了土壤砷、汞在不同农地利用方式下的污染程度。按照地累积指数分级标准（表1），4种土地利用方式中土壤As含量均处于安全水平，而土壤Hg存在污染，这与之前的结论一致。土壤汞污染在果园内最严重，菜地次之，旱地最小，而在水田中土壤汞地累积指数小于0，还未受到污染。研究区汞污染程度仅在1级，属于轻度污染。

表6 研究区土壤中砷、汞的地累积指数及其污染级别

运用木桶定理，引入了综合地累积指数Itot，将研究区所有重金属地累积指数Igeo的最大值定位为Itot，并根据综合地累积指数进行评估。从表6数据分析可以得出研究区综合地累积指数Itot值最高仅为1，除水田土壤没有出现重金属砷、汞的富集外，其他三种农业用地均出现富集现象。

2.4 不同农地利用方式土壤砷、汞的潜在生态风险评价

根据Hakanson归一化处理后的毒性系数，本研究将砷和汞的毒性系数分别取值为10和40[10]，对研究区不同农地利用方式砷和汞潜在生态风险因子及指数进行计算，并选取川西平原土壤砷、汞环境背景值为参比值，结果列于表7。

表7 不同农地利用方式土壤中重金属的潜在生态因子（Ei）和潜在生态风险指数（RI）统计

4种农地利用方式下土壤砷、汞综合潜在危害指数顺序为 R果园＞R菜地＞R旱地＞R水田，分别为 68.63、67.57、84.33和70.82，均小于150，属轻度污染。从单元素角度分析可知：土壤As在果园中值最大，为 11.06，旱地中最小，为 8.63；土壤Hg在果园中值最大，为73.27，水田中最小，为57.89。两者比较，土壤As在4种农地利用方式中值均小于40，风险等级属于A级，潜在生态风险低；土壤Hg在不同农地利用方式中值均高于40小于80，风险等级属于B级，其潜在生态风险程度高于As。上述结果表明，不同农地利用方式中，土壤重金属元素砷和汞含量存在差异，并均存在富集趋势，对该区生态环境存在潜在威胁。

3 结论

（1）4种不同的农地利用方式下，土壤砷含量从高到低依次为：果园＞水田＞菜地＞旱地；土壤汞含量由高到低依次为：果园＞菜地＞旱地＞水田。土壤砷和汞在果园土壤中含量最高，分别为8.61mg/kg、0.33mg/kg，与川西平原背景值相比，分别高出10.5%、83.3%。这与不同农地利用方式下土地利用强度以及不科学的化肥、农药施加有关。

（2）研究区土壤pH与Hg含量呈显著负相关（p＜0.05）；土壤有机质与As含量呈显著负相关（p＜0.05），与Hg含量呈显著正相关（p＜0.05）。

（3）研究区耕地除水田土壤以外，其余三种农业利用方式土壤砷、汞污染属于1级污染，污染程度属于轻度污染。其中不同农地利用方式下土壤表层汞污染程度主要为轻度污染，而砷污染级别均为0级，即还没有出现砷污染。

（4）综合潜在风险指数表明研究区两种重金属的潜在生态风险值较低，生态危害程度为轻微污染。从单元素角度分析，汞的潜在生态危害程度高于砷，在现代化农业生产活动中应注意合理施肥及耕作，以避免重金属的进一步富集。

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