松嫩平原农田土壤污染现状分析与评价——以黑龙江省绥化地区为例

王 粟，史风梅，裴占江，高亚冰，刘晓烨，左 辛，刘 杰*

（1.黑龙江省农业科学院农村能源研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319）

松嫩平原农田土壤污染现状分析与评价——以黑龙江省绥化地区为例

王 粟1，史风梅1，裴占江1，高亚冰1，刘晓烨2，左 辛1，刘 杰1*

（1.黑龙江省农业科学院农村能源研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319）

文章针对黑龙江省绥化地区，以农田土壤重金属及有机污染物为研究对象，通过布点采样，检测分析研究污染现状，利用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数方法进行评价。结果表明，研究区域内农田土壤七种重金属As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb，以及三种持久性有机污染物HCH、DDT、PAHs平均含量均较低，但其空间分布具有一定差异，并出现明显高值区域，受到污染的潜在风险较大；研究区域各元素单因子污染指数评价超标样点共18个，其中15个为轻度污染，另有3个样点为中度污染；Nemerow综合污染评价结果发现超标样点21个，各样点主要受Cr、HCH、DDT、PAHs四种物质影响，其中受Cr影响的污染样点3个，其中2个样点为警戒限，另有1个为轻度污染，主要集中于地处小兴安岭西南边缘过渡地带；受三种有机物影响的污染样点共18个，不规则分布于研究区域内多个地点，主要农田作物为玉米及大豆，农药残留及作物秸秆的任意焚烧是影响其土壤质量的主要因素，其中受HCH和DDT农药残留所致土壤污染样点共5个，均属于警戒限；多环芳烃类有机物污染样点达13个，其中警戒限污染样点共10个，轻度污染样点2个，另有1个样点为中度污染。

绥化地区；农田土壤；重金属；有机污染；评价

网络出版时间2015-4-30 14:29:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1429.002.html

王粟,史风梅,裴占江,等.松嫩平原农田土壤污染现状分析与评价——以黑龙江省绥化地区为例[J].东北农业大学学报,2015, 46(5):75-83.

Wang Su,Shi Fengmei,Pei Zhanjiang,et al.Evaluation and analysis of farmland soils pollution status of Songnen Plain: For example Suihua area of Heilongjiang Province[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(5):75-83.(in Chinese with English abstract)

受采矿活动频繁及农业生产中农药残留增加等影响，土壤环境污染日益严重[1-2]。农田土壤污染不仅会直接影响作物生长、农产品产量和质量，还会通过食物链富集、放大威胁人类健康[3-4]，也可通过径流和淋溶等作用进入地表水和地下水[5-7]，通过作物秸秆焚烧过程进入大气，引起水和大气环境质量的二次污染。

农田土壤环境污染按污染物种类，可分为有机物污染和无机物污染[8]。其中，农田土壤有机污染主要由农药化肥及秸秆燃烧引起，具有持久性、亲脂性和高毒性等特点[9]；无机污染主要为重金属污染物，具有多源性、隐蔽性、长期性和不可逆性[10-12]。Taylor研究表明，向农田施用磷肥，多年后导致当地Cd含量提高0.46 mg·kg-1[13]；Oborn等对瑞典城市土壤研究，表明其残渣态Pb含量是农田土壤的2～8倍[14]；Cornelissen等研究发现，污染土壤中多环芳烃污染来源复杂，其总量达到1 000 mg·kg-1[15]。在国内，陈玉东等对海伦市农田土壤重金属污染及分布特征进行评价[16]；张勇、郭平等研究发现，沈阳、长春土壤中Cd、Hg和Pb、Ni污染较严重[17-18]；韦秀文等利用树木对土壤中有机污染物去除与修复[19]；宋守鑫，李莉对测定和分析土壤中持久性有机污染物形态及含量进行研究[20-21]；黄艺等研究真菌通过直接分解和共代谢方式对土壤有机污染生物的降解[22]。

我国黑龙江省绥化地区地处松嫩平原腹地，地势平坦，土壤肥沃，是重要粮食产区之一[23]。

本文以黑龙江省绥化地区为研究对象，分析农田土壤中多项重要重金属元素和持久性有机物含量，评价农田土壤污染现状，以期为该区域粮食安全生产及土壤修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

绥化地区位于黑龙江省中南部（124°13'～128° 30'E，45°03'～48°02'N），全区总面积34 063 km2，东西宽305 km，南北长308 km，共辖10个县市行政区划。属大陆性季风气候，四季分明，全年平均气温1～4℃，有效积温达2 400～2 700℃，年平均降水量约为400～600 mm。其地势呈现东北高，西南低，由小兴安岭山地丘陵地带（海拔300～600 m）向松嫩平原过渡延伸（海拔160～240 m），平原面积占全区72%[24]。

1.2 样品采集及制备

在地图上选定典型采样区域，野外实地考察后，采用分块随机和系统随机相结合方法在研究区域的农田布点，每个样点用GPS定位，试验共设点位200个（见图1）。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

采集样点耕层土壤（0～20 cm），采样时利用多点混合法，在其周边采集多个子样品混合称装，尽量避免在路边和沟边等特殊地形上取样，去除土壤中较大的沙粒及夹带的作物根系，放入通气塑料袋中，于0～4℃下保存，进行样品和周围环境等信息记录。

在风干室内将土样压碎、翻动，拣出杂质，随后混匀，用四分法分别取压碎样100、50、10 g，过孔径20、60、200目尼龙筛，装入密封袋待测。

1.3 分析方法

根据国家土壤环境质量标准GB15618—1995方法对土壤样品中七种重金属元素砷（As）、镉（Cd）、钴（Co）、铬（Cr）、汞（Hg）、镍（Ni）、铅（Pb）以及三种有机污染物：666总量（HCH）、滴滴涕总量（DDT）、多环芳烃总量（PAHs），进行检测分析[25]。配制不同比例标准溶液组，每批样品至少制备两个以上空白溶液。分析方法及仪器见表1。试验数据采用SPSS 19.0、Excel 2007和ArcGIS 10.0软件进行统计和分析。

表1 土壤样品检测分析方法Table 1 Test methods of the soil samples

1.4 评价方法与标准

依据《全国土壤污染状况调查评价技术规定》（试行），采用单因子污染指数法和内梅罗（Nem⁃erow）综合污染指数法，以土壤环境质量标准GB15618-1995中二级标准对该地区农田耕层土壤进行评价[25]。

土壤环境质量单项污染指数计算公式：

Pij=Cij/Si

式中，Pij为土壤样品j中污染物i的单项污染指数；Cij为样点土壤样品j中污染物i的浓度测值；Si为污染物i的评价标准。

根据单项污染指数大小，对土壤中污染物的污染程度进行分级，共分为四级（见表2）。

土壤污染并非单一污染元素所致，而是多种污染物共同作用结果，Nemerow综合污染指数法反映污染程度，突出污染指数最大污染物对环境质量影响和作用。

Nemerow综合污染指数法计算公式为：

Nemerow综合污染指数污染评价分级标准见表2。

表2 土壤污染指数评价分级Table 2 Soil quality grading standard based on pollution indices

2 结果与分析

2.1 土壤理化性状分析

研究区域农田土壤类型及作物种类见图2。

研究区域内土壤类型主要为黑土、黑钙土及草甸土，其理化性状好，有机质含量高，颗粒结构好，养分含量丰富，自然肥力高[26]；种植的作物以玉米为主，研究区北部有部分大豆种植区，南部有部分水稻种植。

研究区域农田耕层土壤理化性质如表3所示。pH为5.03～8.94，标准差为0.91，样点间有一定差异，涵盖酸性、中性和碱性土壤。土壤机械组成中，砂粒所占比例达91.82%，粉粒和黏粒分别占6.11%和2.07%。农田耕层土壤中有机质含量较高，所占比例为3.56%，最高达8.20%；全氮、全钾分别占0.20%和2.06%；全磷平均含量相对较低，仅为0.08%，这可能是由于土壤中磷的含量相对较低，而该区域磷肥施用时间较短，且该区域多以玉米种植为主，磷肥需用量较小，并未造成磷在土壤中大量残留；长期大量施用磷肥会造成土壤酸化，从该区域平均pH可证明。早春低温也会导致磷有效性降低[27]。

2.2 土壤重金属元素含量分析土壤样品中各重金属元素平均含量见表4。

图2 采样点土壤类型及作物种类Fig.2 Soil types and typical crops of the sampling sites

表3 土壤基本理化性质Table 3 Basic properties of the soil samples

表4 土壤样品中重金属含量Table 4 Contents of heavy metals in soil samples

由表4可知，土壤中各重金属元素平均含量分别为：As 9.52 mg·kg-1，Cd 0.11 mg·kg-1，Co 12.71 mg·kg-1，Cr 66.11 mg·kg-1，Hg 0.59 mg·kg-1，Ni 28.67 mg·kg-1，Pb 22.27 mg·kg-1。与国内现遵循第一次全国土壤普查背景值结果相比，重金属含量相对较低[28-30]，但与松嫩平原背景值比较，Cr和Hg明显高于背景值[30]，其他各重金属元素含量也均略高于背景值。

变异系数可反映各样点元素含量平均变异程度，变异系数越大，受到外界影响越大。本研究中各重金属元素变异系数大小依次为：Hg＞Cd＞Co＞Ni＞As＞Pb＞Cr，其中 Hg变异系数最大为0.95，其次为Cd，达0.55，Cr最小为0.09。另外，Cd和Hg峰态系数较大，分别为34.40和12.75，说明Hg、Cd两种元素含量在各样点间差异性较大。

本研究通过ArcGIS 10.0软件，采用克里金插值方法研究各无机污染物元素空间分布情况，是对离散变量进行连续无偏插值的可靠方法，插值结果见图3，可直观地呈现重金属元素空间分布特征[31]。

由图3可知，各重金属元素在研究区域内分布具有一定差异，其中，Cd在研究区域中部含量较高；Cr于南部含量较高，东南部为其相对低值区；而As、Co、Ni、Pb四种元素含量相对高值区均分布于研究区域西北部；Hg其相对高值区较为分散，在研究区域中部、西北部、东南部均有分布。

另外，对研究区域不同土壤类型中重金属含量进行比较，结果表明，各重金属元素含量在不同土壤类型中较均匀，含量范围变化不大。

2.3 土壤持久性有机物含量分析

土壤持久性有机物HCH，DDT，PAHs含量分析见表5。

图3 区域土壤各重金属元素空间分布Fig.3 Spatial distributions of soil heavy metal in the test areas

表5 土壤有机物含量Table 5 Contents of organic compound in soil samples

由表5可知，土壤有机污染物HCH含量为1.61～105.91 μg·kg-1；DDT含量为 0.94～109.23 μg·kg-1；PAHs含量为2.53～354.98 μg·kg-1，三种有机污染物含量范围差异很大，变异系数也分别达到HCH 1.84，DDT 2.34，PAHs 2.80。

三种有机污染物平均含量分别为：HCH 5.60 μg·kg-1，DDT 4.32 μg·kg-1，PAHs 13.75 μg·kg-1，偏度系数分别为6.23、8.23和5.35，反映出有机污染物含量由于个别数值较大样品，造成总体正态分布密度曲线对称性呈分布式右偏，而其他样点含量低值相对较多；峰态系数分别达到45.86、74.72和35.96，反映三种有机污染物分布密度曲线呈窄狭峰，峰值附近陡峭程度较大，说明各样点含量均相对较低，仅有个别样点含量出现高值。

采用克里金插值方法，通过ArcGIS 10.0制作各持久性有机物含量空间分布，由图4可知，研究区域西部大部分地区为HCH含量相对低值区，东北部为其相对高值区；DDT、PAHs在区域内含量分布较为均匀，但有个别样点含量较高，零星分布于研究区域内，其中PAHs于西南部有小范围高值区分布。

图4 区域土壤持久性有机物空间分布Fig.4 Spatial distributions of persistence organic compound in soil

2.4 土壤污染元素相关性分析

利用SPSS 19.0软件对研究区域七种无机重金属元素及三种有机污染物进行相关性分析，结果显示，As、Co、Cr、Ni、Pb，五种元素两两均在P＜0.01水平上呈现显著正相关，可见各元素之间在土壤中有密切关系。而Cd、Hg、HCH、DDT、PAHs 5项有机无机污染元素与其他元素相关性未达到显著水平，可能因其在土壤中含量较低，且受其污染的样点较少，污染来源所含成分较为单一。

2.5 土壤污染评价

2.5.1 单因子污染评价

单因子评价是对土壤中某一污染物的污染程度进行评价，如图5所示。

图5 土壤单因子污染评价Fig.5 Assessment of single factor pollution in soil

由图5可知，研究区域重金属及无机物各元素平均单因子污染指数从大到小依次为：Ni＞Cd＞Cr＞Co＞As＞Pb＞PAHs＞Hg＞HCH＞DDT，各元素单因子污染超标样点共18个，其中重金属元素Cd超标样点3个，分别为1.21和1.05，属于轻度污染，另有中度污染超标样点1个，污染指数达到2.02；三种有机污染元素平均单因子污染指数均较低，但共有15个超标样点，可见各样点该元素差异性极大，但污染状况不容忽视，其中HCH超标样点3个，均为轻度污染，分别为1.02、1.01和1.06；DDT超标样点2个，污染指数为1.09和1.08，属于轻度污染；PAHs超标样点达10个，其中8个样点污染指数1＜Pij≤2，属于轻度污染，另有2个样点，污染指数分别为2.04和3.54，属于中度污染。

2.5.2 Nemerow综合污染评价

利用Nemerow综合污染评价方法，对各样点土壤污染进行综合评价，结果见图6。可知，属于安全等级的样点达179个；0.7＜PNj≤1处于警戒限的超标样点共17个；1＜PNj≤2的样点共3个，属于轻度污染；2＜PNj≤3属于中度污染的样点仅1个，样点综合污染指数为2.54。

1-安全；2-警戒限；3-轻度污染；4-中度污染；5-重度污染1-Security;2-Warning;3-Light pollution;4-Moderate pollution;5-Heavy pollution

图6 Nemerow综合污染评价分级Fig.6 Assessment results of soil samples according to the Nemerow method

从综合污染指数结果可知，各样点受最大单因子指数污染物影响较大，主要是Cr、HCH、DDT、PAHs四种物质。受Cr影响的污染样点3个，其中2个超标样点为警戒限，另有1个为轻度污染。超标样点主要集中于研究区域东部，地处小兴安岭西南边缘过渡地带，土壤类型属于草甸土，其农田土壤污染可能是由于周围地区含Cr废弃物污染或其废水灌溉造成。

受三种有机物影响的污染样点共18个，不规则分布于研究区域内多个地点，主要农田作物为玉米及大豆。HCH和DDT残留造成土壤污染样点共5个，均属于警戒限，污染特点具有明显持久性，多为农药大量长期施用。我国自1983年开始禁止施用有机氯农药，除个别样点依然残留部分有机污染物或违规施用，其他多数样点含量均较低；而多环芳烃类有机物污染样点达13个，其中属于警戒限污染样点共10个，轻度污染样点2个，另有中度污染样点1个，PAHs污染一般多为农田秸秆大量就地燃烧及个别区域矿产开采所致。

3结论

研究表明，我国黑龙江省绥化地区重金属元素及有机污染物平均含量均较低，空间分布具有差异性，出现明显高值区域，受污染潜在风险较大。研究区域各元素单因子污染指数评价超标样点共18个，重金属元素Cd超标样点3个，其中2个为轻度污染，中度污染超标样点1个；三种有机污染元素共有15个超标样点，各样点该元素差异性极大，污染状况不容忽视，其中HCH超标样点3个，均为轻度污染；DDT超标样点2个，属于轻度污染；PAHs超标样点达10个，其中8个为轻度污染，另有2个样点属于中度污染。

利用Nemerow综合污染评价方法进行评价，各样点受最大污染物影响较大。受三种有机物影响的污染样点共18个，不规则分布于多个地点，HCH和DDT残留所造成土壤污染样点共5个，均属于警戒限；多环芳烃类有机物污染样点达13个，其中属于警戒限污染样点共10个，轻度污染样点2个，另有中度污染样点1个。各污染样地主要农田作物为玉米及大豆，受农药残留及作物秸秆焚烧的影响较大。

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Evaluation and analysis of farmland soils pollution status of Songnen Plain:For example Suihua area of Heilongjiang Province

WANG Su1,SHI Fengmei1,PEI Zhanjiang1,GAO Yabing1,LIU Xiaoye2,ZUO Xin1,LIU jie1(1.Rural Energy Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China;2.School of Agriculture, Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing Heilongjiang 163319,China)

Heavy metal and organic pollutants in farmland soil of Suihua area were investigated andevaluated.The results showed that the average concentration of As,Cd,Co,Cr,Hg,Ni,Pb,HCH,DDT and PAHs in farmland soil in the study area were all low.But the average concentration of pollutants showed some differences of the spatial distribution and samples with high average concentration which meant high potential risk of contamination appeared.The pollution indices of 18 soil samples exceeded the standard,in which 15 soil samples were lightly polluted and the other three soil samples were at the moderate level of pollution.Then Nemerow method was used to make a comprehensive pollution assessment and the results showed that the pollution index of 21 soil samples exceeded the standard,which was mainly polluted by Cr，HCH,DDT or PAHs.Three samples mainly from the southwest edge areas of Lesser Khingan Range were polluted by Cr.And 18 soil samples contaminated by three organic pollutants were distributioned irregularly in study areas where Corn and soybeans were the typical crops and the residue of pesticide and the uncontrolled burning of crop straw were the main factors affecting the soil quality.Among these 18 soil samples,5 soil samples were contaminated by HCH and DDT and were all at the alert level of pollution.The other 13 soil samples were contaminated by PAHs,in which the number of soil samples at alarming,lightly and moderate level of pollution were 10,2 and 1,respectively.

Suihua area;farmland soil;heavy metal;organic pollution;assessment

X53

A

1005-9369（2015）05-0075-09

2014-11-19

农业部行业专项（3-038）；哈尔滨市科技创新人才项目（2014RFQYJ141）；黑龙江省青年科学基金项目（QC 2014C031）

王粟（1984-），男，助理研究员，硕士，研究方向为可再生能源、土壤肥料。E-mail:bgp88@126.com

刘杰，研究员，博士，研究方向为可再生能源、土壤肥料。E-mail:liujie1677@126.com