天津市郊农田土壤重金属积累特征及评价

2019-11-25张又文韩建华杨永安师荣光

生态与农村环境学报 2019年11期

张又文,韩建华,涂棋,杨永安,徐艳,师荣光①

(1.沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁沈阳 110866;2.农业农村部环境保护科研监测所,天津 300191;3.天津市农业环境保护管理监测站,天津 300061;4.天津市玉米良种场,天津 301508)

近年来,随着我国工业化和城市化进程的不断加快,城市郊区是产业、人口、空间结构逐步从城市向农村过渡的承载区。受城市化、工业化发展和农村乡镇企业、农业生产等的多重影响[1],大量未经妥善处理的污水肆意排放,大气污染沉降,工业固体废弃物随意堆放,以及污水灌溉,化肥、农药、植物生长调节剂和农膜等农用化学品的不合理施用等造成城郊环境质量及生态系统功能极度退化,土壤受到严重污染。相关研究表明,我国城市郊区农田土壤重金属含量普遍高于农村土壤,人为富集特征凸显,已经产生Cd、Pb、As等重金属不断积累甚至严重污染的现象,致使城市郊区农田土壤已面临重金属污染的威胁[2]。相关研究表明,我国城市、城郊和农村均存在不同程度的农田重金属污染问题,涉及全国83.9%的省份和22.5%的地级市[3],如北京郊区海淀部分样点土壤Hg含量已经达到极高潜在风险水平,约17%的土壤样点已存在一定程度的潜在污染风险[4];北京顺义区工业和养殖业的废水排放对区域土壤环境产生了一定影响,多种重金属含量均值高于北京土壤元素背景值[5];开封市城乡交错区农田土壤总体上属于轻度污染,Cd和Hg为重度污染,处于极强和很强的生态风险水平[6];石家庄市北郊土壤中部分重金属含量明显高于河北省和全国土壤背景值,存在一定的潜在生态风险[7]。城郊土壤重金属含量特征及污染评价的相关研究备受关注,已成为环境土壤学研究的热点[8-10]。

土壤重金属能够通过地表径流和地下水迁移、大气沉降等途径迁移到其他生态系统组成部分中,并被作物吸收和富集[11],甚至通过食物链进行传输,从而产生生态环境风险,威胁生态系统的整体结构和功能。当前,常用的土壤生态风险评价方法不仅结合了环境地球化学的影响,还充分考虑了行业和国家的相关标准,主要有指数法、商值法、模糊综合评价法、地积累指数法、潜在生态风险指数法和污染负荷指数法等。这些评价方法能够直观反映土壤污染物空间变化趋势和污染程度,用于定性和定量评价土壤生态和环境风险,且根据实际情况可以将多种方法进行综合使用,从而有效解决土壤生态风险评价中的实际问题。城市郊区环境污染来源类型多样,风险暴露途径复杂[12],综合考虑城市郊区绿地、农田等土地利用类型土壤重金属的积累特征和污染指数的研究还不多。

笔者所在课题组针对天津市郊农田土壤,采用逐级格网细化方式进行规范化和系统化采样,并分析测试土壤中重金属元素,在获取土壤检测数据的基础上,结合天津市土地利用、污染源分布等相关信息对土壤中重金属的污染特征、空间分布、异常积累和风险评价等进行相关研究[13-15]。笔者从天津市郊不同土地利用类型土壤重金属积累和污染指数评价思路出发,以天津市土壤背景值和我国农用地土壤污染风险管控标准作为评价标准,运用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区不同土地利用类型土壤重金属污染特征进行分析。这不仅有助于评估工农业生产活动对土壤生态环境的影响,也可为当地居民的健康防护、城郊环境管理与生态建设规划提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

天津市位于北纬38°34′～40°l5′、东经116°43′～118°04′之间,地处华北平原东北部,环渤海湾的中心,东临渤海,北依燕山,地势以平原和洼地为主,北部有低山丘陵,海拔由南向北逐渐下降,属暖温带半湿润大陆季风型气候区,四季分明,降水集中于夏季,雨热同季。研究区包括天津城郊西青、东丽、津南和北辰“环城”4区,地处中国沿海开放前沿的环渤海经济圈内,是天津赖以生存和发展的原材料、能源和农副产品生产的承载区,高强度、集中生产和规模效应的电镀、物流、制革、电子、金属轧延、冶金和机械等工业生产以及交通活动中带来大量重金属的排放和污染,尤其是环城4区农田土壤还受到南排污河、北排污河和北京排污河3大排污体系常年污水灌溉的影响,这更加剧了农田土壤重金属污染风险。已有研究表明,天津城郊土壤已呈现不同程度的重金属积累和污染[16]。

1.2 样品采集与分析

在对历史监测点位布设和监测数据进行分析的基础上,采用逐级格网细化采样方法对研究区进行样点布设,将研究区共划分为362个格网,每个格网约4 km2(2 km×2 km),每个格网内布设1个监测点位。实际采样时,避开人为活动密集的城镇区域和微域地貌代表性差的格网,在每个格网内随机选择典型地块进行采样,在农田集中的区域适当补充采样点位,实际共采集土壤样点327个(图1),样点主要分布于旱地、水浇地和园地3种农田地块。旱地为无灌溉设施、主要靠天然降水种植旱生农作物的耕地,主产玉米、小麦、豆类等粮食作物和棉花;水浇地为有水源保证和灌溉设施、种植旱生农作物的耕地,包括露地或温室大棚种植的蔬菜;园地主要集约经营多年生木本和草本作物,如苹果园、葡萄园等。采样时,分别采用对角线法、梅花法或棋盘法等,以木铲或竹铲等非金属采样器采集 0～20 cm耕层土壤,使用 GPS定位,记录经纬度坐标。每个土壤样点由5个取样点混合而成,经四分法缩分至1.5 kg,填写采样登记表后,置于双层塑料袋中。

图1 研究区监测点位分布Fig.1 Map of soil sampling location

土壤样品采回后,在室内常温条件下风干,去除动植物残体、石块等杂物,过1 mm孔径尼龙筛,用四分法缩分,过0.15 mm孔径尼龙筛备用,样品的混合、装袋、粉碎和研磨等处理过程均采用木头、塑料和玛瑙等非金属工具,避免与金属器具接触。取过筛后的土壤样品,经 HNO3-HF消解后,用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent Technologies 7900 ICP-MS)测定As、Pb、Cr、Ni和Cd含量。实验过程中所用试剂均为优级纯,实验用水为超纯水,分析质量控制措施采取空白样、平行样和标准物质控制法,在分析过程中加入国家土壤标准样品(GSS-8、GSS-23和GSS-27)进行分析质量控制,回收率和精密度(RSD)见表1。土样pH值采用去离子水提取,电位法测定〔V(水)∶m(土)为1∶1〕。

表1 分析质量控制的回收率和精密度Table 1 Analysis of quality control recovery and precision

1.3 土壤重金属污染评价方法

采用国内外关于土壤重金属污染研究广泛应用的单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对天津市郊农田土壤重金属污染程度进行评价。

1.3.1单因子污染指数法

单因子污染指数[17]为土壤中重金属含量实测值与其评价标准的比值,其计算公式为

Pi=Cs,i/Cn,i。

(1)

式(1)中,Pi为土壤中某种重金属的单因子污染指数;Cs,i为土壤中重金属含量实测值,mg·kg-1;Cn,i为土壤重金属评价标准,mg·kg-1。

采用GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》的土壤污染风险筛选值[18]作为评价依据(表2),将单因子污染指数(Pi)分为5个级别:Pi≤0.7,安全;0.73.0,重度污染。

表2 农用地土壤污染风险筛选值Table 2 Risk screening values for agricultural land soil contamination

1.3.2内梅罗综合污染指数评价法

内梅罗综合污染指数法兼顾了单因子污染指数平均值和最高值,突出了污染最严重的污染物对环境质量的影响,其计算公式为

(2)

式(2)中,P综为内梅罗综合污染指数;Pi为土壤中某种重金属的单因子污染指数;Pi,max为土壤中各重金属元素单因子污染指数中的最大值;n为测定的土壤重金属种类数。P综评价标准划分等级与单因子污染指数法评价标准相同。

1.4 数据分析与处理

在进行数据统计分析之前,对所有数据均进行正态分布检验,采用SPSS 19.0软件进行描述性统计分析和正态检验,采用SPSS 19.0和ESRI ArcMap 13.0软件制图。

2 结果与讨论

2.1 天津市郊农田土壤重金属含量分析

天津市郊农田土壤重金属含量的描述性统计分析结果见表3,可以看出,天津市郊农田土壤中As、Pb、Cd、Cr和Ni平均含量分别为10.01、33.71、0.32、56.95和33.50 mg·kg-1。其中,除Cr平均含量低于天津市土壤背景值[19]外,As、Pb、Cd和Ni平均含量分别为天津市土壤背景值的1.04、1.61、3.56和1.01倍。与农用地土壤污染风险管控标准筛选值相比,采集的327个点位中Cd元素有46个点位超标,超标率为14.07%;Pb元素有10个点位超标,超标率为3.06%;As元素仅有1个点位超标,超标率为0.31%;Cr和Ni元素的超标率为0。与农用地土壤污染风险管控标准管制值(表4)相比,Cd、As、Pb和Cr含量均远未达到管制值,Ni元素未设有管制值。这表明天津市郊一些农田土壤存在Cd和Pb污染,极个别农田土壤存在As污染,污染程度介于筛选值和管制值之间,其余重金属元素对农田土壤造成污染的风险很低。

表3 天津市郊农田土壤重金属含量统计Table 3 Statistic of heavy metal concentrations in the farmland soil of Tianjin suburb

表4 农用地土壤污染风险管制值Table 4 Risk intervention values for soil contamination of agricultural land

变异系数是用来衡量样本离散程度的一个指标,能够反映土壤中污染物分布的均匀程度。变异系数越大,说明受人类活动干扰作用越强烈,在空间分布上有较大差异。从天津市郊农田土壤中5种重金属的变异系数来看,Cd含量变异系数最高,达1.20,为强变异性,反映出土壤Cd含量在空间分布上有较大差异,表明人为活动已经对天津市郊农田土壤Cd含量分布产生显著影响。Pb含量变异系数为0.70,为中等变异性,As、Cr和Ni含量变异系数较小,分别为0.36、0.29和0.28,其空间分布差异较小,表明这3种元素受土壤背景环境的影响,分布相对均一。

研究区土壤中5种重金属含量的空间分布见图2。

图2 天津市郊土壤中5种重金属含量空间分布Fig.2 Spatial distributions of five heavy metals in soils from the suburb of Tianjin

农用地风险筛选值用黄色标记,超过该值为红色,低于该值为绿色至灰色(图2)。可以看出Ni和Cr元素在整个研究区域内无超标点位,对该区域土壤环境影响较低。As元素在个别采样点处存在超标情况,其中,最高值来自津南的园地土壤,另外,北辰的旱地和东丽的水浇地也有个别点位出现较高值,这可能是受到人为活动的影响。Pb的污染点位集中在津南区西南部和中部,以旱地和园地为主。这部分区域主要为比较密集的村镇,因此Pb污染可能来源于人为活动的影响,如生活垃圾(电池、油漆和塑料制品)的倾倒和汽车尾气的排放。另外,农化产品的施用也会造成土壤中Pb含量升高。Cd污染较为明显,在其他4种重金属含量均未超标的西青区存在点位超标,东丽区污染最突出,东丽区北部与北辰区相接处表现为明显的面源污染。这可能与这些区域频繁的工业活动有关。该地聚集着较多的乡镇工业,形成电镀、物流、电子、汽车部件、冶金和机械等多种产业。另外,东丽区Cd污染也可能来自北塘排污河的污水灌溉及污泥施用历史。

2.2 天津市郊不同土地利用方式土壤重金属含量的累积特征

对天津市郊水浇地、旱地和园地3种土地利用方式土壤5种重金属含量累积情况进行统计,采用单因素方差分析(ANOVA)对3种土地利用类型土壤中各重金属含量进行显著性检验,结果见表5。

表5 天津市不同土地利用方式土壤重金属含量统计Table 5 Statistical table of soil heavy metal content under different land use types in Tianjin

1)同一列数据后英文小写字母不同表示不同土地利用类型间某种重金属元素含量差异显著(P<0.05)。

表5显示,除3种土地利用类型Cr含量和水浇地Ni含量外,其他土地利用类型土壤As、Pb、Cd含量和旱地、园地Ni含量均超过天津土壤背景值,呈现出一定程度的累积,尤其是Pb和Cd累积程度较高。就3种土地利用类型而言,园地土壤As含量显著高于水浇地和旱地(P<0.05),园地和旱地土壤Ni含量显著高于水浇地(P<0.05),园地、水浇地和旱地土壤Cr含量差异未达显著水平。3种土地利用类型土壤Pb、Cd含量的方差齐性检验P<0.05,无法使用单因素方差分析法进行比较,但可以看出除Cr含量在不同利用类型土壤中分布较均衡外,其余4种重金属元素含量均值均以园地为较高。此外,由表3可知,土壤Pb和Cd含量变异系数也远高于其他元素,对照表5的统计结果可知,人为活动不但已经对天津市郊农田土壤Pb、Cd含量分布产生一定影响,而且已经影响到不同的土地利用类型。

2.3 土壤重金属含量相关性分析

相关性分析可以用来检验成对数据之间的相近性,已被广泛应用于环境中监测数据的分析统计。土壤中重金属来源极为复杂,主要受成土母质及人类活动的影响,其来源主要包括工业污染源排放、污水灌溉和大气沉降以及污泥、农药、肥料和农膜等的使用[20]。通过对研究区土壤重金属含量之间相关性的分析,可以推测土壤中各重金属的来源是否相同。如果几种重金属含量之间存在显著相关性,那么说明其同源性较高,反之,其来源就可能比较复杂,受多种因素的干扰[21]。

对天津市郊及不同土地利用类型土壤重金属相关性进行分析,结果见表6。可以看出,东丽区Pb-Cd、Pb-Cr、Cd-Cr和Cr-Ni之间相关显著;西青区Pb-Cd、Pb-Cr、Pb-Ni、Cd-Cr、Cd-Ni、Cr-Ni之间相关显著;津南区As-Cd、As-Cr、Pb-Ni、Cd-Cr之间相关显著;北辰区Pb-Cd、Cr-Ni之间相关显著。西青区除As外,其余各重金属元素之间都存在显著相关性,而北辰区土壤重金属相关性最不明显,说明北辰区土壤重金属同源性较低。从土地利用类型上来看,旱地中Pb-Ni、Cd-Cr之间相关显著,水浇地中Pb-Cr、Cr-Ni之间相关显著;园地中As-Pb、As-Cd、Pb-Cd、Pb-Ni、Cd-Cr之间相关显著,其中,Cd-Cr之间呈强显著相关。各区域各土地利用类型土壤Pb含量与其他重金属含量之间均存在显著相关性:在东丽、西青、北辰Pb含量与Cd、Cr含量间有较高的相关系数,水浇地Pb含量与Cr含量、旱地和园地Pb含量与Ni含量有较高的相关系数。Pb与其他重金属的同源性较高,这也证实了天津郊区Pb污染主要来源于人为活动的影响。土壤中Cd主要来源于含Cd矿物的开采、冶炼,煤、石油的燃烧,工业排放及汽车尾气排放等[22-23]。东丽区Cd含量和Pb含量间相关性较高,由图2可知，东丽区存在两者同时超标的点位,这说明东丽区重金属Cd和Pb污染来源于相同工业源的可能性较高。研究区不同区域、不同土地利用类型土壤各重金属相关系数的复杂性表明研究区土壤中重金属的构成和来源情况比较复杂。

表6 研究区土壤重金属相关性分析Table 6 The relationship analysis of heavy metals in soil of the studied areas

*表示在α=0.05水平上相关显著;**表示在α=0.01水平上相关显著。

2.4 土壤重金属污染水平评价

依据单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法,计算天津市郊东丽、津南、西青和北辰4区不同土地利用类型土壤中5种重金属的单因子污染指数和综合污染指数,结果见表7。

表7 土壤重金属单因子污染指数(Pi)和综合污染指数(P综)Table 7 Single factor pollution index and comprehensive pollution index of soil heavy metals

由表7可知,所调查的5种重金属单因子污染指数平均值从大到小依次为Cd(0.88)、As(0.39)、Cr(0.24)、Pb(0.21)和Ni(0.19)。根据单因子污染指数与污染程度分级关系可知,Cd元素在天津市郊农田土壤中总体污染水平达到警戒限水平,其中,Cd元素在旱地处于安全水平,在水浇地处于警戒限水平,在园地Cd单因子污染指数为1.01,达到轻度污染水平。Cd元素在津南、东丽、西青3区均处于警戒限水平,在北辰区处于安全水平。在各个区域和各土地利用类型土壤中Pb、Cr和Ni元素单因子污染指数均较小(小于0.3),总体处于安全水平。As的单因子污染指数稍大,在津南区为0.50,但也处于安全水平。

由表7可知,按不同区域划分天津市郊农田土壤中5种重金属综合污染指数(P综)依次为园地(0.78)>水浇地(0.68)>旱地(0.45),东丽区(0.72)>西青区(0.59)=津南区(0.59)>北辰区(0.42)。按土地利用类型划分,园地处于警戒限水平,旱地和水浇地处于安全水平;按行政区域划分,东丽区处于警戒限水平,津南、西青和北辰3区处于安全水平。天津市郊农田土壤重金属除Cd元素存在一定水平的污染以外,其他各重金属均处于安全等级,污染水平很低。