沐川某农田土壤重金属污染特征及风险评价

2023-07-27刘俊秀蒙金伟

广州化工 2023年8期

刘俊秀，蒙金伟

(成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059)

土壤作为生物圈中最活跃的部分，是人类赖以生存和发展的重要基础，同时也易受到人类活动产生的污染所破坏[1]。随着社会经济的快速发展，化工冶炼、采矿活动、煤炭燃烧、汽车尾气排放、农业生产使用大量化肥农药和污水灌溉等人类活动使得诸多有害物质进入土壤系统，土壤重金属污染状况日益严重[2-4]。重金属污染具有隐蔽性、不可逆性、破坏性大等特点，重金属进入土壤环境后逐年积累且难以被微生物降解，导致农田土壤肥力退化，农产品的产量和质量下降，最终通过食物链方式进入人体，进而对人类健康产生危害[5-7]。

本文运用地累积指数法、潜在生态风险评价法对该地土壤重金属总量进行评价，运用次生相与原生相分布比值法评价对重金属形态进行评价，以期评价该地土壤中重金属元素的污染状况。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川沐川县，如图1所示。沐川县位于四川盆地西南地区，东接宜宾，南连山县，北靠沙湾区、犍为县，西与峨边县接壤，西南与马边县毗邻。该区地势呈东北高，西南低。研究区属典型的亚热带季风气候。土地利用类型主要以水田、旱地和林地为主，地块破碎，山间梯田多，平地少，以种植水稻、玉米和茶叶等农作物为主。

图1 采样点分布图

1.2 采样与分析

按照梅花布点法采集深度为0～20 cm表层土壤样品，将样品集中混匀后装入样品袋。样品经自然风干，将石砾和植物根系去除，研磨过100目尼龙筛备用。Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定；As通过原子荧光光谱(AFS)测定。土壤pH由水土比1∶2.5比例混匀后使用酸度计(PHS-320)测定。土壤重金属赋存形态的提取方法采用改进的BCR连续提取法[8]。

1.3 土壤重金属元素风险评价

地累积指数法是由Müller提出[9]，而后被广泛应用于土壤重金属污染评价[10-12]。其计算方式为：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(1)

式中：Igeo为地累积指数；Cn为土壤样品重金属实测值，mg/kg；Bn是重金属元素背景值(本研究采用四川省土壤背景值)，mg/kg；K为考虑各地岩石差异可能会引起背景值变动设置的系数，一般取值为1.5[13]。地累积指数等级标准如表1所示。

表1 地累积指数等级标准划分

潜在生态危害指数法是由瑞典研究人员Hakanson[14]提出的一种评价方法，而后也成为国内外土壤重金属污染评价所使用的方法。本文将采用潜在生态危害指数来评价研究区重金属综合污染。其计算方式为：

(2)

表2 潜在生态风险程度及等级标准

次生相与原生相分布比值法(RSP)可根据重金属形态评价其对环境污染的潜在污染程度[17]。该方法中原生相是指土壤重金属中的残渣态，次生相是指土壤重金属中除残渣态以外的其他形态，其计算公式为：

KRSP=MSEC/MPRIM

(3)

式中，KRSP为次生相与原生相比值；MSEC为土壤中次生相重金属元素含量；MPRIM为土壤中原生相重金属元素含量。RSP评价污染等级：KRSP≤1为无污染；13为重度污染。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

表层土壤重金属含量统计结果如表3所示，重金属含量变化范围分别为As(7.00～13.40 mg/kg)、Cd(0.26～0.46 mg/kg)、Cr(58.00～83.00 mg/kg)、Cu(16.40～49.40 mg/kg)、Ni(22.10～38.10 mg/kg)、Pb(29.30～39.00 mg/kg)、Zn(76.00～131.00 mg/kg)。其中Cd、Pb重金属元素平均值超过四川省土壤背景值，分别是四川省土壤背景值的4.13、1.07倍。与《土壤环境质量—农用地土壤污染风险管控标准》(试行)对比发现，7种重金属中仅Cd超过国家土壤环境质量标准值，是标准值的1.10倍，表明研究区Cd存在污染风险。

表3 研究区土壤重金属含量特征

2.2 土壤重金属地累积指数法评价

根据公式计算出研究区土壤重金属地累积指数Igeo，评价结果如图2所示。As的Igeo值变化区间为-1.16～0.56；Cd的Igeo值变化区间为1.12～1.94；Cr的Igeo值变化区间为-0.51～-1.03；Cu的Igeo值变化区间为-1.51～0.08；Ni的Igeo值变化区间为-1.15～-0.36；Pb的Igeo值变化区间为-0.25～-0.66；Zn的Igeo值变化区间为-0.76～0.03。所有采样点中Cd的Igeo值均大于1，处于中度污染；As的GS09点位、Cu的GS02点位、Zn的GS05和GS11点位Igeo值大于0，处于轻微污染，其余样点土壤重金属均为无污染。因此，该区土壤中Cd污染风险程度较大，各重金属元素污染程度大小以次为Cd>Zn>Pb>Cu>Ni>As>Cr。

图2 土壤重金属地累积指数箱形图

2.3 土壤重金属潜在生态风险评价

根据公式计算出研究区农田土壤中7种重金属中As的Ei为6.73～12.88，Cd的Ei为98.73～174.68，Cr的Ei为1.47～2.10，Cu的Ei为2.64～7.94，Ni的Ei为3.39～5.84，Pb的Ei为4.74～6.31，Zn的Ei为0.89～1.53。研究区土壤重金属潜在生态风险指数评价结果如表4所示，平均潜在生态风险程度为Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，其中Cd的平均潜在生态风险达到了强度风险程度，其余6种重金属都属于轻微风险程度。综合潜在风险指数(RI)值为122.87～199.50，平均值为152.44，风险程度属于中等风险，其中贡献率最高的是Cd元素，占总贡献率的82.43%，说明该地区土壤主要存在Cd污染。

表4 土壤重金属综合潜在生态风险指数结果

2.4 土壤重金属赋存形态分布特征与评价

通过改进的BCR连续提取法对土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn六种重金属进行形态分析，结果如图3所示。除Cd外，其余重金属元素主要以残渣态为主，其中As的酸可提取态和可氧化态占比为0.97%、3.42%，可还原态占比为12.97%，残渣态为85.65%，稳定性较高。土壤中Cd主要以酸可提取态和残渣态为主，占比分别为37.77%和38.12%，可还原态占比为19.25%，可氧化态占比为4.86%。土壤中Cr以残渣态为主，占比为81.57%，其次是可氧化态(16.79%)，可还原态(0.87%)和酸可提取态(0.78%)最少。土壤中Cu以残渣态为主，占比76.70%，其次为可氧化态(16.36%)，酸可提取态(3.28%)和可氧化态(3.67%)占比最少。土壤中Ni主要以残渣态为主，其占比为89.16%，其余酸可提取态、可还原态及可氧化态占比分别为2.69%、1.82%、6.32%。

图3 土壤重金属形态分布特征

RSP评价结果显示，土壤重金属Cd的RSP值波动范围显著高于其余重金属，其范围为0.99～3.10，而As、Cr、Cu、Ni和Zn的范围为0.13～0.29、0.16～0.34、0.13～0.51、0.08～0.17、0.12～0.54。对于As、Cr、Cu、Ni和Zn而言，RSP值均不超过1，说明这五种重金属的生态风险相对较小。根据RSP数据统计平均值可以看出，该研究区土壤重金属的生态风险程度依次为：Cd(1.62)>Cu(0.30)>Cr(0.23)>As(0.21)=Zn(0.21)>Ni(0.12)，除Cd为轻度污染风险外，As、Cr、Cu、Ni和Zn均为无污染。