菏泽市不同类型村庄土壤主要无机元素的监测与评价

陶美娟，高尚赞，汤海波，曹鲁军

菏泽市环境监测中心， 山东 菏泽 274000

由于农村经济的粗放式发展，农村土壤重金属污染问题日益突出，成为国内外十分关注的环境问题之一[1-3]。一般情况下，农村土壤是各种重金属的“汇”，但因植物收割和雨水的冲刷等，这些重金属又会被转移到其他载体中，使土壤成为重金属的“源”。因此研究土壤中重金属的含量分布和潜在生态风险对防控农村土壤环境污染有重要指导意义，对此相关人员已做了大量研究[4-6]。然而关于土壤重金属在不同类型村庄中的含量差异特点研究较少[7-11]。本文以菏泽市养殖型、蔬菜型、粮食型、工业型4种典型村庄为研究对象，分析不同类型村庄土壤重金属等主要无机元素含量及其差异特征，以了解人类活动对农村土壤重金属等无机污染产生的影响，为农村土壤环境治理以及合理制定保护对策提供参考。

1 实验部分

1.1 研究区概况

菏泽市位于山东省西南部，东经114°45′～116°25′，北纬34°39′～35°52′。光热充足，四季分明，属暖温带季风型大陆性气候。菏泽地处黄河下游，大部分耕地为黄河冲积平原，地势平坦，土层深厚，发展农业有得天独厚的条件，是山东省重要粮食产地。

1.2 分类原则

根据主要生产方式和主要污染来源，将研究区村庄分为4种类型：养殖型，指生产生活方式以畜禽、水产等养殖业为主，环境污染主要来源于此的村庄；蔬菜型，指以蔬菜种植为主，使用农膜、化肥、农药量较大的村庄；粮食型，采用传统种植方式，以小麦玉米轮作为主，无主要污染源的村庄；工业型，指村域内及周边工业企业分布密集，或村庄位于矿区周边，受工矿业废水、废气、废渣排放影响较大的村庄。

1.3 样品采集与处理

如图1所示，在菏泽市共设置11个村庄作为监测点：养殖型村庄3个，村庄代码分别为S1、S2、S3；蔬菜型村庄3个，村庄代码分别为S4、S5、S6；粮食型村庄3个，村庄代码分别为S7、S8、S9；工业型村庄2个，村庄代码分别为S10、 S11。在有代表性的农田设置采样点，每个村庄设置5个采样点，共55个土壤样本。按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)，采用对角线法(5个分点)混合取样，采样深度为 0～20 cm。每份混合样约2 kg左右，置于聚乙烯塑料袋，外套布袋。

图1 土壤主要无机元素监测分布图Fig.1 Soil inorganic elements monitoring distribution map

将样品置于风干室搪瓷盘中，自然风干，适时压碎、翻动，拣出碎石、砂砾、植物残体。在磨样室将风干的样品用木棒碾压，过0.841 mm尼龙筛，备用；取四分之一进一步用玛瑙研钵等研磨处理，过0.147 mm尼龙筛，分装于塑料袋中待测。

1.4 监测指标

以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)为基础，选择土壤pH以及农用地土壤污染风险筛选值的基本项目，包括镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌。

1.5 样品测试分析

土壤pH采用玻璃电极法测定，镉、铅采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，汞采用冷原子吸收分光光度法测定，砷采用原子荧光法测定，铜、锌、铬、镍采用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.6 数据分析与统计

采用SPSS18.0和excel软件进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤pH及主要无机元素含量特征

本次共监测了菏泽市11个村庄55个表层土壤，其pH和主要无机元素监测结果见表1。

表1 各采样点土壤pH和主要无机元素监测结果统计Table 1 Statistics of soil ph and inorganic elements monitoring results at each sampling point

从表1可以看出，监测土壤pH为7.56～8.77，平均值8.18，可见研究区土壤总体上呈弱碱性，这主要由于本研究区土壤成土母质主要是第四系沉积物及黄河冲积物，土壤类型以潮土为主，全剖面有石灰反应。主要无机元素监测结果：镉为0.01～0.53 mg/kg，平均值为0.16 mg/kg；汞为0.002～0.145 mg/kg，平均值为0.041 mg/kg；砷为5.51～15.20 mg/kg，平均值为8.59 mg/kg；铅为17.6～75.8 mg/kg，平均值为28.0 mg/kg；铬为14.5～69.9 mg/kg，平均值为49.0 mg/kg；铜为13.3～33.8 mg/kg，平均值为22.5 mg/kg；镍为18.8～46.9 mg/kg，平均值为30.3 mg/kg；锌为41.5～96.4 mg/kg，平均值为61.4 mg/kg。不同金属在样点间的变异程度不同，镉的变异系数最大(为91.0%)，汞、铅、铬、镍、锌次之，砷、铜较小(分别为20.1%、18.7%)。

据研究，土壤pH是影响主要无机元素吸附与解析、决定其迁移和有效态的重要因子[12-13],因此，本文分析了土壤pH与对应主要无机元素含量的关系，如图2。相关性分析结果显示：镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍和锌元素与pH的相关系数分别为-0.12、-0.33、0.25、0.56、0.49、0.18、-0.16和0.60。由此看出，土壤pH与主要无机元素含量之间并无相关性。

2.2 不同类型村庄土壤主要无机元素分布规律

自然条件下，土壤重金属等主要来源于成土母质及残落的生物物质，其含量和分布规律相对稳定，但在人类活动强烈干扰下，土壤中某些元素含量和分布特征将产生较大影响[14-17]。由图2可以看出，镉元素最大值出现在S4(蔬菜型)监测点，在各类型村庄中的平均值大小表现为蔬菜型>养殖型>粮食型>工业型；汞元素最大值出现在S4(蔬菜型)监测点，在各类型村庄中的平均值大小表现为蔬菜型>粮食型>工业型>养殖型；铅元素最大值出现在S6(蔬菜型)监测点，在各类型村庄中的平均值大小表现为蔬菜型>粮食型>养殖型>工业型；砷、锌元素最大值分别出现在S3(养殖型)、S4(蔬菜型)监测点，在各类型村庄中的平均值大小均表现为养殖型>蔬菜型>粮食型>工业型；铬、铜、镍元素最大值分别出现在S9(粮食型)、S8(粮食型)、S7(粮食型)监测点，在各类型村庄中的平均值大小均表现为：粮食型>工业型>养殖型>蔬菜型。对元素在11个村庄的含量变化进行差异性分析结果表明，镉、砷、铅、铬、铜、锌和镍元素的含量均呈极显著性差异(P<0.01)；汞元素的含量差异性不显著(P>0.05)。

可见，蔬菜型村庄镉、汞、铅元素含量最高(平均值在4类村庄中均排名第1)；粮食型村庄铬、铜、镍含量最高(平均值在4类村庄中均排名第1)；养殖型村庄砷、锌元素含量最高(平均浓度在4类村庄中均排名第1)；工业型村庄铬、铜、镍元素含量较高(平均浓度在4类村庄中均排名第2)，其余元素的含量都较低(汞平均浓度在4类村庄中均排名第3，砷、锌、镉和铅平均浓度在4类村庄中均排名第4)。

分析原因认为：菏泽市属于传统农业大市，农村地区长期以种植业为主，即粮食型村庄居多，蔬菜型和养殖型村庄较少，工业型村庄起步较晚。粮食型村庄最主要的特征是频繁的机械化耕作和大量使用化肥农药。传统深耕可以增加土壤表层有机碳储量、增强土壤酶活性[18]，而有机碳与重金属的含量呈显著相关性。有研究表明，铜的含量随有机碳含量升高而升高[19-20]，这一结论可以部分解释粮食型村庄铜含量较高的现象。蔬菜型村庄以高投入、高产出为主要特征，包括有机肥、化肥的大量投入。化肥中通常携带微量镉，有机肥、尤其是商品有机肥也呈现出重金属含量升高、种类增加的趋势[21、22]，这些因素在集约化种植模式下使重金属在土壤中存在一定积累[23-26]。养殖型村庄重金属的积累主要来源于畜禽粪尿。一些新型饲料添加剂中含有砷、铜、汞、硒等元素，特别是近几年来含有机砷制剂的饲料备受推崇[27、28]。这些饲料经过畜禽的消化吸收，绝大部分无机元素随粪便排放到环境中，造成土壤重金属积累。而工业型村庄起步较晚，规模较小，且近几年在环保政策高压态势下，三废污染问题得到有效控制，使工业型村庄重金属积累较不明显。

2.3 不同类型村庄土壤主要无机元素的污染风险

菏泽市不同类型村庄土壤主要无机元素的平均值见表2。由于菏泽市大部分属于黄河主河道迁徙游动而遗留下来的地理单元，因此土壤背景值取2008年刘江生等[29]研究的黄河故道区域土壤环境背景值，农用地土壤污染筛选值来自《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)。由表2可以看出，本次监测的8种元素平均值均低于农用地土壤污染筛选值，说明该研究区对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可以忽略。但对比发现，除各类型村庄汞、工业型村庄镉、蔬菜型村庄铬外，其他元素在各类型村庄土壤中的含量均超过黄河故道土壤背景值，其中蔬菜型村庄镉含量达到了土壤背景值的5.23倍，其余元素含量为土壤背景值的1.16～2.70倍。由此可以看出，在人为活动影响下，研究区农田土壤主要无机元素产生了一定积累。其中镉受人为影响积累程度相对最高，砷、铅、铬、镍次之，铜、锌积累程度较小，汞含量呈下降趋势。研究表明，农田土壤重金属的积累人为源是主要因素，主要包括施肥、动物粪便和生物固体应用、污水灌溉、大气沉降等[30-31]。汞的易挥发性导致其可以在大气-土壤系统中循环，燃煤是大气汞的主要来源之一[32]，由于近几年节能减排、煤改气等措施的实施，一定程度上减少了汞的排放，使土壤汞含量随时间的推移呈下降趋势。

3 结论

1)4类典型村庄中土壤pH为7.56～8.77，平均值8.18，为碱性土壤。镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌质量分数分别为0.01～0.53、0.002～0.145、5.51～150.20、17.6～75.8、14.5～69.9、13.3～33.8、18.8～46.9、41.5～96.4 mg/kg。相关分析结果表明，土壤pH与主要无机元素含量之间并无相关性。

2)不同类型村庄主要无机元素含量不同。其中蔬菜型村庄镉、汞、铅元素含量最高；粮食型村庄铬、铜、镍含量最高；养殖型村庄砷、锌元素含量最高；工业型村庄铬、铜、镍元素含量较高，其余元素的含量都较低。

3)研究区农村土壤中各主要无机元素含量的平均值均未超过农用地土壤污染筛选值，污染风险可忽略。但除汞外，均超过了黄河故道区域土壤环境背景值。表明在人为活动影响下研究区农田土壤主要无机元素产生了一定积累，但对主要无机元素污染仍有一定的环境容量。其中镉受人为影响积累程度相对最高，砷、铅、铬、镍次之，铜、锌积累程度较小，汞含量呈下降趋势。

4)通过细化农村类型开展土壤主要无机元素监测与评价，可有效评估各类型村庄土壤主要无机元素污染风险，揭示主要无机元素累积成因，是深入进行污染源分析、提出具有针对性污染防治对策的基础。