扬州江都区邵伯农田土壤环境质量及生态风险评价

胡秀艳, 谢红青, 景 山, 徐 磊, 涂永明

(1. 扬州市自然资源和规划局江都分局,江苏扬州225200;2. 江苏华东有色地质矿产勘查开发院,江苏南京210007)

0 引 言

扬州江都区邵伯镇位于京杭大运河沿线,是富饶的鱼米之乡。经济的快速发展使当地土壤环境恶化和生态系统功能弱化等一系列问题日趋严峻(赵其国,2001;秦丽杰等,2002;赵延治等,2006;戴科伟等,2007;宋涛等,2007;张燕等,2007)。

针对农田土壤污染风险问题,前人进行了大量的研究工作,吴晓丽等(2005)采用单因子污染指数法对南通常规农田土壤重金属污染进行了评价,张孝飞等(2006)采用内梅罗指数法对高邮全域农田土壤重金属进行了综合污染评价,廖启林等(2006)对江苏农田土壤生态环境进行了调查和评价,刘绍贵等(2014)采用内梅罗指数法对扬州江都区水田进行了综合环境质量评价。

但以往的研究仍存在着一些不足:①部分研究未对农田土壤综合污染进行评价,或者仅采用内梅罗指数法对综合污染进行评价,但该方法评价综合污染时存在一定的局限性;②以往的研究主要针对省、市或县域范围,研究范围较大,精度较低,对镇域范围内高精度的农田土壤环境综合质量评价涉及较少;③以往针对农田重金属污染的研究工作大都采用已废止的《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995),该标准与《土壤环境质量:农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)对农田土壤重金属污染的评价结果存在一定的偏差。

选取扬州江都区邵伯镇为研究区,依据农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618—2018)对农田土壤环境质量和生态风险进行评价,并分别采用内梅罗指数法与综合指数法评价土壤综合环境质量,优选出更能客观准确反映研究区综合污染现状的方法。对研究区土壤重金属污染防治提出针对性建议,为扬州农田土壤环境质量和生态风险评价、土壤重金属污染防治、无公害农产品产地建设、高标准农田建设等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

邵伯位于扬州江都区西部,京杭大运河东岸,淮江公路沿线,是江都城区北上的重要通道,镇域面积约123 km2,其中农用地71.6 km2。研究区雨水、温度、日照等自然条件较好,农田土壤质地适中,地势平坦,是天然优质的农产品生产基地。

1.2 样品采集

根据扬州江都邵伯地区农用地的分布情况,按照1∶10 000调查的精度要求,共采集土壤样品2 296件(图1)。通过GPS定位采样点,使用梅花布点法在扰动较小的农田土壤中采样,每采集5个分样组合成1个混合样品。采样工具为竹铲,采样深度为0～20 cm,每个混合样品质量为1.5～2.0 kg。

图1 研究区采样点分布示意图Fig. 1 Schematic diagram of sampling pointsdistribution in the study area

1.3 样品处理与分析方法

按相关规范要求将采集的样品加工处理后分为2份。一份过2.0 mm的尼龙筛,用于pH值的测定;另一份用玛瑙研钵磨细,过0.15 mm尼龙筛,进行元素全量等项目的测定。土壤样品各项指标测试方法及检出限见表1。

表1 土壤样品各指标测试方法及检出限

1.4 土壤重金属环境质量评价方法

采用单因子指数和综合污染指数法进行农田土壤重金属环境质量现状评价,农用地土壤污染风险筛选值参考标准GB 15618—2018(表2)。

表2 农用地土壤污染风险筛选值

1.4.1 单因子指数评价 在每个评价单元内,对比土壤8项重金属元素含量的测定值与标准中该元素的污染风险筛选值,确定单元素土壤环境质量级别。

按公式(1)计算土壤中第i种元素的污染指数Pi:

(1)

式(1)中,Ci为土壤中第i种元素的实测含量,Si为第i种元素的农用地土壤污染风险筛选值。若Pi≥1则该元素存在污染,Pi<1则该元素不存在污染。按照表3对土壤环境质量单因子污染指数进行等级划分。

表3 土壤重金属元素单因子污染指数分级标准

1.4.2 综合污染指数评价 选用内梅罗指数法与综合指数法对研究区内农田土壤重金属综合环境等级进行评价,对比两种方法在重金属综合污染评价中的优缺点。

(1)内梅罗指数法。内梅罗指数法是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数法(陈京都等,2012)。计算公式:

(2)

式(2)中,Pi最大为单因子污染指数的最大值,Pi平均为单因子污染指数的算数平均值,P为内梅罗综合污染指数。内梅罗指数污染分级标准见表4。

表4 土壤重金属元素内梅罗综合污染指数分级标准

(2)综合指数法。综合指数法是将重金属元素的污染种类以及单因子污染指数进行叠加,以获取多因子环境质量的方法。通过综合指数法可获取综合污染种类指数(存在哪几种元素的污染)和综合污染等级指数(单因子指数的最大值)。

(3)

式(3)中,Ka为第a种元素的污染情况赋值,P种类为综合污染种类指数。

当土壤未受到污染时,Ka=0,此时综合污染种类指数为0;当土壤存在污染时,Ka=1,K值之和即为其综合污染种类指数。

P综合=Pa最大

(4)

式(4)中,P综合为综合污染等级指数,Pa最大为各元素单因子污染指数的最大值。将单因子污染指数最大值按表4进行分级,即为综合污染等级(薛志斌等,2018)。

1.5 潜在生态风险评价

潜在生态危害系数法(Hakanson,1980)综合多种因素以评价环境生态风险,详细分级见表5。计算公式:

表5 重金属元素潜在生态风险程度评价指标与分级关系

(5)

RI=∑Er,i

(6)

式中:Er,i为单因子潜在生态风险指数;RI为综合潜在生态风险指数;Ti为第i种重金属毒性响应系数,各重金属元素的毒性响应系数分别为As 10、Cd 30、Cr 2、Cu 5、Hg 40、Pb 5、Zn 1(Hakanson,1980);Ci为第i种元素的实测含量;Cn,i为第i种元素的背景值,采用江苏土壤平均背景值。

2 农田土壤环境质量调查与评价结果

2.1 土壤重金属含量特征

研究区农田土壤pH值的平均值为6.12,最小值为3.88,最大值为8.63(表6),土壤整体偏酸性。

表6 农田土壤重金属元素含量统计结果

8种重金属元素As、Hg、Ni、Cu、Cd、Pb、Cr、Zn的含量平均值分别为10.4、0.11、28.1、27.3、0.16、27.1、91.7、88.7 mg/kg,均低于表2中的农用地土壤污染风险筛选值。

除Ni外,其余7种重金属元素的含量平均值均超过江苏土壤平均背景值,其中Hg含量的平均值为江苏土壤平均背景值的2.16倍,相较于江苏土壤重金属元素平均背景值而言,研究区农田土壤中重金属已有一定量的累积。Hg、Zn、Cr、Cu、Cd、As、Pb元素的含量高于江苏土壤平均背景值的样点占总样点的比例分别为94.73%、79.53%、64.07%、61.93%、55.92%、55.88%、36.06%。

研究区农田中Hg累积程度较高,应重视Hg污染引起的生态风险。

变异系数常用来反映农田土壤中重金属元素含量的变化(张丽红等,2010),变异系数在10%～30%之间属于中等变异,大于30%的属于强变异(湛天丽等,2017)。As、Cu、Cr、Pb、Zn属于中等变异,其余3种重金属元素属于强变异,且最大值与最小值相差较大,表明研究区农田土壤中重金属元素分布不均匀,该现象可能由灌溉、施肥、喷洒农药引起,尤以Hg最为明显。该结果与前人对江苏农田土壤生态环境的研究结果(廖启林等,2006)一致。

2.2 土壤重金属单因子环境质量评价

研究区土壤重金属单因子环境质量(表7)由差到好(污染程度由大到小)依次为Hg>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb=Zn>As。①Hg轻度污染等级以上样本占比最高达2.22%,轻、中、重度污染等级样本占比分别为1.92%、0.17%、0.13%,无污染等级样本占97.78%;②Cd无污染等级样本占99.48%,轻度污染等级样本占0.52%;③Cu无污染等级样本占99.87%,轻度污染等级样本占0.09%,重度污染等级样本占0.04%;④Ni无污染等级样本占99.87%,轻度污染等级样本占0.13%;⑤Cr无污染等级样本占99.91%,轻、中度污染等级样本占比均为0.04%;⑥Pb无污染等级样本占99.91%,轻度污染等级样本占0.09%;⑦Zn无污染等级样本占99.91%,轻度污染等级样本占0.09%;As无污染等级样本占100.00%。

表7 土壤重金属单因子环境质量评价结果

综上,研究区农田无As污染风险,其余重金属元素污染样本比例均<3%;Hg、Cd轻度污染等级以上样本数明显高于其余元素,以往研究(易强等,2011;周杰,2017)表明,土壤中Hg、Cd的来源可能为居民生活、金属冶炼、煤炭燃烧等。实地调查发现,研究区南部有较为集中且具有一定规模的制造类企业,在生产过程中多用煤炭,零部件的电镀、喷漆均有可能引起Hg、Cd的污染。

2.3 土壤重金属综合环境质量评价

2.3.1 内梅罗指数法 根据土壤重金属单因子污染指数计算内梅罗指数,结果(图2、图3)显示,研究区轻度污染及以上样本仅占总样本的0.87%。其中,轻度污染样本占0.70%,中度污染样本占0.13%,重度污染样本占0.04%。

图2 土壤重金属综合污染指数分级(内梅罗指数法)1-安全区;2-警戒线;3-轻度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 2 Comprehensive metal pollution index classification in soil (by Nemerow index method)

图3 基于内梅罗指数法的土壤重金属综合污染等级分布1-安全区;2-警戒线;3-轻度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 3 Classification distribution of soil heavy metal comprehensive pollution based on Nemerow index method

2.3.2 综合指数法 (1)综合种类指数。将土壤重金属单因子污染指数进行叠加得出综合种类指数,无污染样本占总样本的97.65%,单一元素污染样本占总样本数的2.35%,研究区内无2种以上组合元素污染。

(2)综合等级指数。将重金属单因子污染指数最大值进行叠加,得出综合等级指数(图4、图5)。研究区轻度污染及以上样本占总样本数的2.35%,其中,轻度污染样本占2.00%,中度污染样本占0.22%,重度污染样本占0.13%。轻度以上污染主要分布在邵伯镇区及工业较集中的邵伯镇南部。

图4 土壤重金属综合污染指数分级(综合指数法)1-安全区;2-警戒线;3-轻度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 4 Comprehensive metal pollution index classification in soil (by comprehensive index method)

图5 基于综合指数法的土壤重金属污染等级分布1-安全区;2-警戒线;3-轻度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 5 Classification distribution of soil heavy metal pollution based on comprehensive index method

2.4 潜在生态风险评价

研究区重金属元素潜在生态风险指数的平均值依次为:Hg(89.10)>Cd(35.22)>As(11.50)>Cu(5.35)>Pb(5.32)>Ni(4.42)>Cr(2.43)>Zn(1.25)(表8)。其中,As、Ni、Pb、Cr、Zn的潜在生态风险指数最大值均<40;Cu、Cd中度风险样本数分别占总样本数的0.04%、20.56%,其余均为轻微风险;Hg强风险等级以上样本数占总样本数的75.09%,风险因子最大值可达3 972.83,平均值为89.10,因此Hg是江都区邵伯镇农田土壤生态风险的主要贡献因子。

表8 土壤重金属元素潜在生态风险因子及潜在风险指数

研究区农田综合潜在风险指数(RI)以中度生态风险为主,占61.94%;轻微风险占28.44%,强风险和很强风险的样本数(9.62%)小于总样本数的10%;风险因子平均值为200.56,属于中度生态风险水平。

3 分析与讨论

分别采用内梅罗指数法和综合指数法对研究区农田土壤中的重金属元素综合污染等级进行评价,由图2—图5可知,内梅罗指数法评价结果显示轻度污染及以上样本仅占总样本数的0.87%,而综合指数法评价结果显示轻度污染及以上样本占总样本数的2.35%,综合指数法评价结果的污染等级和污染区面积明显高于内梅罗指数法评价结果。

由内梅罗指数的计算公式(2)可知,内梅罗指数的变量为重金属元素单因子污染指数的平均值和最大值,当重金属元素单因子污染指数的最大值较大,甚至远大于单因子污染指数平均值时,采用该指数法会降低综合污染等级,减少综合污染区面积。

由综合指数法的计算公式(3)、(4)可知,综合指数法通过对各重金属元素的污染种类以及单因子污染指数进行叠加,从而获取多因子综合环境质量。综合污染指数的变量因素为重金属元素单因子污染指数的最大值,该方法得出的结果不会因评价过程中数据的计算及分布等问题造成污染等级、污染面积的改变。

内梅罗综合污染指数≤单因子污染指数最大值,而综合等级指数=单因子污染指数最大值,因此内梅罗综合污染指数≤综合等级指数;当单因子污染指数最大值普遍较大且接近分级临界值,而其他单因子污染指数值均较小时,会造成单因子污染平均值远低于最大值。故采用内梅罗指数法时可能会降低综合污染指数,掩盖存在轻度污染的事实,造成内梅罗法综合污染面积小于综合指数法评价结果。该结果与前人采用内梅罗指数法和综合指数法对土壤重金属污染评价对比研究的结果(薛志斌等,2018;杨冰雪等,2020)一致。

综合指数法不仅能对存在污染的重金属元素综合污染程度等级进行划分,而且能判断存在污染的重金属元素的数量及种类,可以更真实客观地反映重金属元素在农田土壤中的污染情况。因此认为,采用综合指数法评价研究区农田土壤的综合环境质量更为适宜,结果也更加真实准确。

4 结 论

(1)依据GB 15618—2018标准对农田土壤重金属单因子污染风险进行评价,得出As无污染风险,其余重金属元素污染等级样本占总样本的比例均<3%。Hg、Cd轻度污染等级及以上样本数明显高于其余元素。以往的研究表明,土壤中Hg、Cd的污染来源可能为居民生活、金属冶炼、煤炭燃烧等;实地调查发现,研究区南部有较为集中且具一定规模的制造类企业,在生产中多会使用煤炭,同时机械零部件的电镀、喷漆均有可能引起Hg、Cd的污染。

(2)采用内梅罗指数法及综合指数法对研究区单因子污染指数评价结果进行了土壤综合环境质量评价,对比两种方法在区内环境质量评价中的优缺点,得出在确定污染物的种类、综合污染位置及面积等方面,综合指数法比内梅罗指数法更有优势,评价结果更为真实客观,该法可在江苏土壤环境质量评价中根据实际情况推广应用。研究区农田土壤重金属污染综合种类指数显示,无污染样本占总样本数的97.65%,单一元素污染样本占总样本数的2.35%,区内无2种以上组合元素污染。研究区综合等级指数显示,轻度污染及以上样本占总样本数的2.35%,轻度以上污染主要分布在邵伯镇区及工业较集中的南部地区。

(3)研究区内农田土壤综合潜在风险指数属于中度生态风险(平均值为200.56),主要贡献因子为Hg。研究区潜在生态风险程度较低,不会对农产品产生较大影响,但仍应严格控制Hg污染的来源,警惕污染的发生及面积的扩大。