云南省农田表土重金属分布特征与污染评价
2024-03-04张子豪李海侠王家明胡静远王美辰叶俊民
张子豪,李海侠,王家明,胡静远,王美辰,叶俊民,王 杨
(1.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093;2.中化地质矿山总局山东地质勘查院,山东 济南 250000)
0 引言
表土是地表物质的重要组成之一,为人类的生活、生产提供了重要基础[1-3]。重金属累积污染将对表土的正常功能产生重大影响,进而以表土—植物—人体的物质迁移方式影响到人类身体健康[4-5]。2014年发布的表土污染状况调查结果显示,我国耕地表土污染状况整体表现不容乐观[6]。
GIS和地统计学是研究表土元素分布的主流工具[7],将二者相结合进行重金属含量分析可以直观有效地展示表土元素含量的分布特点。单因子指数法、内梅罗指数法通常用于重金属污染评价[8-11],Pearson相关性分析适用于识别重金属来源和关联性[12]。已有研究[13]表明,云南省表土重金属污染问题较为严重,其中Pb、Cd、Cu、Zn、Cr等重金属均存在富集现象。此前的研究大多针对矿区表土的污染状况进行分析与评价[14-16],对农田表土重金属污染状况的研究较少,尤其是大尺度范围的研究尚未见报道。基于此,本文对云南省旱地农田表土中Cu、Pb、Cr、Zn四种重金属的分布特征和生态风险进行了分析与评价,并探讨重金属污染来源,以期为农田表土重金属污染治理提供参考。
1 数据与方法
1.1 研究区概况
在云南省各市区主要旱地农田设置113个具有代表性的采样点,采样点分布见图1。
图1 采样点分布示意图
云南省属于低纬度内陆地区,介于北纬21°8′～29°15′、东经97°31′～106°11′之间,兼具低纬气候、山原气候、季风气候的特点[13]。年均降雨量在613～1 733 mm,海拔在91～3 540 m。采样的农田表土整体呈酸性。
1.2 样品采集与处理
采样时去除表层植被后采集深度为5～10 cm处的表土样品,尽量保证采样深度偏差在5 cm内,共采集113份农田表土样品。在实验室中对所有样品进行自然风干、过筛、研磨等步骤后分装保存。
1.3 测试方法
1.3.1 重金属含量
将风干表土样品剔除植被根系,过200目尼龙筛后储存于样品袋中,由云南省有色金属及制品质量监督检验站对表土样品中Cu、Pb、Cr、Zn四种重金属含量进行检测,检测方法为X射线荧光光谱法,仪器为AXiOSMAX-minerals。先以相同元素的标准样品测量600 s进行仪器标定,再用ZHY-401B压片机将表土样品铺平、压实至饱和厚度后进行重金属含量检测,检测时间为200 s,每份表土样品测量2次,取数据平均值。
1.3.2 理化参数
有机质(SOM)检测:采用20目筛网对样品进行过筛后取样30 mg,用锡纸包裹并通过制样工具压制成标准样品形状,使用有机元素分析仪进行有机碳相关参数检测。采用“Van Bemmelen因数”计算得到表土有机质含碳量为58%[17],通过换算得到SOM参数值。
pH检测:表土浸提剂为无CO2去离子水,单次使用量为25 mL;表土样品选用20目筛网过滤后取10 g,溶剂和样品的质量比为2.5∶1,分别放入50 mL烧杯中,用磁力搅拌仪均匀搅拌2 min,关闭仪器后静置30 min,在样品溶液中插入电极,待pH计数器数据稳定后,记录样品的pH。
粒度分析检测:将风干表土过60目筛网,去除表土中植被根系并取出1 g左右样品进行分散处理[18],后将表土溶液加入Mastersizer 2000激光粒度分析仪,输出各粒度的体积百分比。
1.4 表土重金属污染评价方法
采用单因子指数法分析表土样品中单一重金属的污染指数,计算公式为
Pi=Ci/Si,
(1)
式中,i表示相应编号的表土重金属,Pi表示相应编号表土中单一重金属污染指数,Ci表示相应编号表土中实测重金属含量,Si表示相应编号表土重金属含量对应的环境背景值。
采用内梅罗综合污染指数法计算综合污染指数,从整体上考虑重金属对农田表土的影响[19],计算公式为
(2)
式中:PN表示综合污染指数;avePi表示单一重金属污染指数平均值,maxPi表示最大单一重金属污染指数。
依照污染等级划分标准[20],对于Pi而言,Pi≤1为清洁,1
2 结果与分析
2.1 重金属含量统计分析
表1为重金属含量统计分析结果,图2为重金属含量超标率。采样点平均pH为6.05,中位数在6.24,表土整体呈酸性。
表1 农田表土采样点重金属含量统计结果 单位:mg/kg
由表1、图1可知,Cu、Pb、Cr、Zn平均含量均高于云南省土壤背景值,超过云南省土壤背景值的样点占比分别为77.88%、64.6%、80.53%、55.75%,超过农用地土壤污染风险筛选值[23]的样点占比分别为53.1%、15.04%、17.7%、7.08%,表明4种重金属元素在云南省农田中均存在不同程度的富集,其中污染最严重的是Cu、Cr。变异系数可以反映人类活动对于表土中重金属元素的影响程度[24],4种重金属元素存在不同程度的强变异,排序为Zn>Cr>Cu>Pb。
表2为采样点农田表土重金属污染指数统计结果。由表2可知,Cu、Pb、Cr、Zn的单因素污染指数表明均为轻微污染,污染程度排序为Cu>Cr>Pb>Zn,内梅罗综合指数为1.799 9,整体污染等级为轻度污染。图3为采样点表土单因素重金属污染指数分布。图3中,同一重金属元素对应的左侧柱状图以云南省背景值作单因素分析,可见Cu、Pb、Cr、Zn均存在不同程度的污染,高污染点位分别占2.65%、3.53%、3.53%、1.76%,其中Cu、Cr的污染较为严重,分别仅有22.12%、19.46%的点位为清洁态。右侧柱状图以农用地土壤污染风险筛选值作单因子分析,可见Cu、Zn高度污染点位占比分别为1.7%、0.9%;Cu、Cr、Zn中度污染点位占比分别为4.42%、0.90%、0.90%; Cu、Pb、Cr轻度污染点位占比分别为9.73%、2.65%、2.65%; Cu、Pb、Cr、Zn轻微污染点位占比分别为37.16%、12.38%、14.16%、5.30%;综上可知,Pb、Cr、Zn的极端污染情况属于个例,仅Cu污染指数整体较高,说明农田表土存在较严重的Cu污染。其余3种重金属元素的污染程度排序为Cr>Pb>Zn。
图3 采样点表土单因素污染指数分布
2.2 重金属分布特征
采用普通克里金插值法,选用log变换趋势,设置二次趋势的移除阶数,理论模型选择五球函数,对采样点重金属含量和综合污染指数进行地统计分析,得到云南省农田表土重金属含量和综合污染指数分布(见图4)。
图4 表土重金属含量和综合污染指数空间分布
由图4可知,Cu、Cr和Zn含量的空间分布格局较为一致,表明其可能有相似来源;这3种重金属元素空间分布大体呈东高西低的特征,高值区主要分布在云南省中部偏东和西北部,即曲靖、昆明、玉溪、红河、迪庆和大理等地;低值区主要分布在西南部,即德宏、保山、临沧、普洱等地。此外,Cu、Zn在西南部景洪和普洱出现了局部高值区,Pb含量高值区分布在云南省西南和南部,即德宏、临沧、普洱、景洪、红河和玉溪等地,从西南到东北逐渐降低。综合污染指数的分布特征整体上与重金属含量的分布特征较为一致,云南省农田表土整体上呈轻度污染。云南省西北部和中偏东区域的综合污染指数相对较高。迪庆、丽江、大理、昭通、曲靖、昆明、玉溪、红河和文山地区的轻度污染归因于Cu、Cr、Zn在农田表土中的富集。而云南省西南部,即保山和临沧地区的轻度污染在空间上和Pb含量分布具有一致性,推测Pb为上述地区的主要污染源。
2.3 重金属与表土理化性质的相关性及来源分析
对采样点表土SOM、pH、各种粒径占比与4种重金属元素含量进行Pearson相关性分析,结果见表3。由表3可知,Cu与Cr、Zn之间均呈正相关,Pb与Zn呈正相关,推测Cu、Cr、Zn有相同或相似的污染源。结合相关研究,Cu、Cr、Zn组合源于典型的畜禽粪肥[25]、化肥(如尿素、二胺[26]和商品有机肥)及土壤调理剂的使用[27]。结合采样点实地调查发现,采样点农田均存在长期施用畜禽粪、化肥等肥料的历史,故推测该地农田表土重金属污染主要来源为上述肥料[28]。Cu、Cr与粉粒呈负相关、与砂粒呈正相关,地统计分析结果也表明Cu、Cr在云南省表土分布情况较为一致,推测可能有部分来源于母岩风化沉积。Pb、Zn与SOM呈正相关,推测为表土SOM与表土中的Pb、Zn等离子形成络合物,降低了该重金属元素的移动性[29-30],从而导致Pb、Zn在农田中富集。
表3 采样点表土理化性质与重金属之间的相关性
3 结论
a.云南省农田表土中Cu、Pb、Cr和Zn含量与云南省土壤背景值相比均存在一定程度的富集,程度排序为Cu>Cr>Zn>Pb。与农用地土壤污染风险筛选值相比,Cu在农田表土富集最为明显。单因素污染指数法分析结果显示,4种重金属元素均为轻微污染,污染程度排序为Cu>Cr>Pb>Zn。
b.重金属含量和综合污染指数的地统计分析结果表明,Cu、Cr、Zn的分布格局具有较高的一致性,大体呈东高西低的分布特征,Pb含量由西南向东北逐渐降低。综合污染指数分布图中反映出云南省农田表土普遍处于轻度污染,污染相对严重区域为云南省西北和中部偏东区域。
c.相关性分析结果显示,云南省农田表土中Cu与Cr、Zn存在显著的正相关性,表明其可能具有相同的来源,结合已有研究及现场调查,推测其主要为有机肥料。Cu、Cr与砂粒呈正相关,推测可能有部分来源于母岩风化沉积。Pb、Zn与表土有机质呈正相关,推测为表土有机质与表土中的Pb、Zn等离子形成络合物,导致Pb、Zn在农田中富集。
