基于重金属污染的太原市小店污灌区土壤综合肥力质量评价

2018-03-14韩文辉

中国水土保持 2018年3期

韩文辉，赵颖，刘娟

(山西省环境科学研究院，山西太原 030027)

土壤质量的核心之一是土壤生产力，基础是土壤肥力质量[1]。土壤肥力质量高低直接影响作物的正常生长。在农业用水形势紧张的北方地区，城镇近郊农业灌溉的主要水源为污水[2]。大范围进行污灌必然导致一系列的土壤污染[3]：土壤中盐分高浓度累积，引起土壤次生盐渍化；有毒重金属[4]被带入土壤中，产生深度的土壤污染[5]，在土壤中具有隐蔽性、长期性和不可逆性，且不易降解，土壤难以恢复[6]，尤其新老污染物质并存[7]，使得土壤肥力进一步受到严重影响。因此，对污灌区土壤进行肥力评价就具有一定的必要性。综合评价土壤肥力能够揭示土壤内在属性[8]，获取研究区土壤肥力质量现状及其空间地域分布特征，指导当地作物布局和农业产业结构调整，为研究区土壤肥力提升和土壤环境调控提供支持[9]，对进一步合理施肥与培肥地力具有重大的现实意义。

太原污灌区是我国污灌历史较长、面积较大的典型污灌区之一，长期污灌已使土壤的性质发生了较大的变化[10]。污灌区在太原市的分布主要集中在晋源区、小店区和清徐县[11]，其中以小店区最具有代表性。本研究以太原小店污灌区为研究区域，选取土壤养分及物理指标作为评价指标，依照土壤重金属综合污染指数法将35个样本点按污染程度进行分类，然后根据模糊数学和多元统计分析原理分别计算各肥力指标的隶属度和权重系数，再利用加乘法原则得出综合肥力指标(IFI)值，最终对研究区域土壤肥力质量进行分区评价。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

太原市小店污灌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，地理位置112°24′～112°43′E、37°36'～37°49′N，辖区面积295 km2，人口51万人。污灌区属暖温带大陆性气候，年均气温9.6 ℃，年均降水量495 mm左右[12]，有30多年的引污灌溉历史。目前污灌区有耕地1.37万hm2，是太原市重要的副食品生产基地，种植的主要作物是小麦、玉米和蔬菜。小店区污水经由境内的3条主干渠，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[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与制备

2015年4月在灌区的3条污灌渠附近采集供试土样，采样点位按污水渠流向采用网格布点法布设，同时考虑污水水质、土壤类型、污灌历史等因素，分别于小店区北部、中部及西南部布设7、12、16个采样点，其中：北部采样点编号为11、17、27、28、33、34、35，西南部采样点编号为2、3、4、6、7、12、14、15、16、19、20、21、22、23、25、26，中部采样点编号为1、5、8、9、10、13、18、24、29、30、31、32(采样点位置见图1)。对每个样点进行GPS定位，取其0～10 cm表层土壤，并将所取样品于通风避光的室内自然风干，再去粗研磨、去除杂物，分别过2和0.2 mm孔径尼龙筛，装袋备用。对采集的土样进行肥力指标含量测定，以评估研究区的土壤肥力水平。

1.2.2 测定项目与方法

测定项目：重金属砷、汞、镉、铅、铬、铜、锌含量，有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量，电导率，阳离子交换量，pH值。

测定方法：土壤重金属含量参照文献[14-15]中的方法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用半微量开氏法测定，全磷采用氢氧化钠熔融-钼蓝比色法测定，全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定，碱解氮、有效磷、速效钾分别采用改进的凯氏定氮仪蒸馏法[16]、碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法[17]和醋酸铵浸提-火焰光度法测定；阳离子交换量采用乙酸钠浸提-火焰光度法测定，电导率采用电极法测定[18]，pH值采用1∶2.5土水比的悬浊液法测定[19]。

图1 太原市小店污灌区采样点位置

1.2.3 土壤重金属综合污染指数法

以国家《土壤环境质量标准(修订)》(GB 15618—2008)(征求意见稿)中二级限量值作为污染评价参考值(表1)，采用单因子污染指数和综合污染指数，对7种土壤重金属污染进行评估。

表1 国家土壤环境质量标准二级限量值

单因子污染指数计算公式为

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为土壤重金属i的单项污染指数；Ci为土壤重金属i的实测值；Si为重金属i的评价标准值。

综合污染指数计算公式为

(2)

式中：Pimean和Pimax分别为单因子平均污染指数和单因子最大污染指数。

污染评价等级划分见表2。

表2 污染评价分级标准

1.2.4 土壤肥力质量综合评价

首先选取评价指标。评价指标体系的选择和建立，是土壤肥力质量评价的重要内容，也是保证整个肥力质量评价的基础。评价指标选取参照主成分分析结果进行，应用SPSS统计软件对土壤肥力质量评价10项主要指标(有机质、总氮、总磷、总钾、碱解氮、有效磷、速效钾、电导率、阳离子交换量、pH值)进行主成分分析，分别选取第一和第二主成分包含的土壤肥力因子——有效磷、速效钾、碱解氮、阳离子交换量、有机质和pH值作为评价指标。

然后确定隶属度函数。利用隶属度函数可以对土壤肥力质量评价指标进行标准化处理。隶属度函数实质是评价肥力质量指标与作物生长效应曲线之间关系的数学表达式，它可以将肥力质量评价指标标准化，继而将隶属度转变成范围为0～1的无量纲值。根据前人研究经验，结合所研究区域的实际情况，确定以戒上型隶属度函数作为表示土壤有效磷、速效钾、碱解氮、阳离子交换量和有机质的隶属度函数。其表达式为

(3)

代入上述隶属度函数来确定隶属度值，须先确定各评价指标的转折点x1、x2的取值。结合已有相关文献和研究区域耕作实际情况，养分指标转折点的取值参照北京市耕地土壤养分分等定级标准，x1的值取标准中低水平的0.5倍，x2的值取高水平的下限值，则各指标隶属度函数转折点x1、x2的值见表3。

表3 土壤肥力各项指标隶属度曲线转折点取值

此外，在pH值为6.5～7.5的土壤中农作物生长最为适宜，过碱或过酸都会抑制农作物生长。pH值隶属度值的确定采用经验法[9](见表4)。

表4 土壤pH值隶属度取值

小店污灌区各区的土壤肥力质量评价指标实测平均值见表5。由各分区的评价指标实测平均值，根据式(3)和表4，可得出各评价指标的隶属度值(见表6)。隶属度值反映了评价指标隶属的程度，其值在0.1～1.0之间，其中：1.0为最大值，表示土壤肥力性能最好，完全适宜作物生长；0.1为最小值，表示土壤肥力性能最差，养分指标严重缺乏。

表5 土壤肥力质量指标实测平均值

表6 土壤肥力质量指标隶属度值

由表6可以看出，北部及中部地区各指标隶属度值中：阳离子交换量均为最低，有效磷次之，表明土壤的有效磷和阳离子交换量是北部及中部地区土壤肥力质量主要的限制因子；有机质的隶属度值均为最高，pH值次之，说明这两个地区土壤的有机质和pH值不是限制因子。而在西南部地区各指标隶属度值中：阳离子交换量为最低，pH值次之，表明西南部地区阳离子交换量及pH值为土壤肥力质量主要的限制因子；有机质和速效钾的隶属度值最高，说明该区域土壤的有机质和速效钾不是限制因子。

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 19.0进行土壤肥力特性的描述性统计分析，计算其平均值及标准差；采用土壤重金属综合污染指数法，计算污染指数及污染等级；采用主成分分析法对土壤各参评因子进行主成分分析，计算各分区肥力指标公因子方差；用Excel进行相关数据的处理。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属综合污染指数

土壤是一个复杂的综合体，使用综合污染指数值更具有科学性和合理性，根据式(1)(2)可计算得到污灌区各采样点的重金属综合污染指数，见表7。

由表7可以看出，污灌区根据污染指数高低可以分为三类：土壤污染程度较低的北部地区，重金属综合污染指数范围为0.39～0.47，以安全等级为主；重金属综合污染程度中等的西南部地区，污染指数范围为0.40～0.88，以警戒和安全等级为主；污染程度较高的中部地区，重金属综合污染指数范围为0.47～1.17，呈现轻度污染趋势。

表7 污灌区各采样点重金属综合污染指数

2.2 土壤肥力质量综合评价

土壤肥力质量评价中权重系数的确定是非常重要的一个环节，权重系数代表不同指标对土壤肥力的影响程度，所以应对不同指标赋予不同的权重系数[20]。权重系数的确定方法很多，常用的有相关系数法、经验法、主成分分析法、因子分析法和灰色关联分析法等。本研究采用主成分分析法来确定各评价指标的权重系数。

以特征值>1且累积贡献率>80%为选取主因子的条件，经过统计分析可得出符合条件的主因子，再通过计算各评价因子主成分的特征值和贡献率，求出各项评价指标的公因子方差，其大小表示该指标对土壤肥力质量总体变异的贡献，由此可得到各项肥力指标的权重系数(见表8)。

表8 分区肥力指标公因子方差及权重

本次所选取的土壤肥力质量评价指标的权重系数中，有效磷、阳离子交换量、碱解氮和有机质在三区域的土壤肥力质量评价中占的比例较大，这说明有效磷、阳离子交换量、碱解氮和有机质在土壤肥力质量评价中影响较大，而其他2项指标影响相对较小。

2.3 土壤肥力质量综合评价指标值

各指标综合评价值是土壤肥力质量等级的反映，同时也是该区域土壤质量状况的体现。将上述求得的各评价指标的隶属度值及其权重系数代入公式(4)，可进一步计算出各土壤样品的IFI值。数学表达式为

IFI=∑Qi·Xi

(4)

式中：Qi为第i种评价指标的隶属度值；Xi为第i种评价指标的权重系数。

参考华北平原土壤肥力质量实际情况，以IFI值作为依据，将研究区土壤肥力划分为5个等级[21]，结果见表9。

表9 土壤肥力质量综合指标值等级

经过分析计算，该研究区各区IFI值结果见表10。

表10 分区土壤肥力质量综合评价指标值

由表10可以看出：三区域的IFI值均大于0.5，属于一级肥力水平，IFI值为西南部>中部>北部。

3 讨论

以太原市小店污灌区为研究区域，根据土壤重金属污染综合指数法，按数值大小将样本点分为三类：以安全等级为主的北部地区、以安全与警戒等级为主的西南部地区和有轻度污染的中部地区。采用主成分分析法选取前两个主成分的6项理化性质作为评价指标，并确定其相应权重系数，应用土壤肥力综合评价指标法计算相应隶属度，定量评价土壤肥力质量，结果显示：

(1)污灌区土壤肥力质量状况总体较好，北部地区土壤碱解氮和有效磷含量偏低，阳离子交换量尤其低；西南部地区除阳离子交换量偏低外各项指标都属上等水平，土壤肥力质量良好；中部地区阳离子交换量和有效磷含量偏低。

(2)从隶属度值来看，有机质均为三区域重要的土壤肥力质量评价因子，土壤阳离子交换量与有效磷是土壤肥力质量的主要限制因子。

(3)从土壤肥力质量综合评价指标值来看，三区域均属一级土壤肥力水平，但不同区域土壤肥力质量之间存在差异，污灌区西南部土壤肥力质量总体优于中部及北部地区，其中北部地区土壤肥力综合评价指标值最低。

三区域肥力水平间存在的差异性与污灌区种植制度和耕作习惯有关：中部地区为3条污水主干渠汇集处，是主要的耕作区域，受污水中重金属污染和盐分长期累积影响，土壤污染程度加大，土壤肥力质量受到很大影响；西南部地区处于污灌渠下游，在污水中的营养盐及规律性施肥作用下，土壤质量较之中部地区偏高；北部地区为生态开发区域，耕地较少，土壤肥力水平低，这与田间实地调查结果相一致。

4 结论

(1)太原市小店污灌区土壤重金属污染程度不同，北部地区污染程度最低，以安全等级为主；西南部地区污染程度中等偏上，以安全和警戒等级为主；中部地区污染程度最高，有轻度污染倾向。

(2)污灌区土壤阳离子交换量、氮素和磷素整体较为缺乏，阳离子交换量值的偏低在一定程度上代表小店污灌区土壤保肥能力较低，这将直接影响施肥效果。因此，在小店污灌区的耕作应配合相应的保肥措施，并有针对性地施加氮肥和磷肥，以补充全量养分，提高土壤的保肥能力。

(3)受重金属污染影响，污灌区土壤肥力水平西南部地区最高，中部地区次之，北部地区最低。

该结果可为污灌区土壤的精准施肥及科学管理提供参考依据。

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