不同土地利用状况下土壤重金属污染风险评估

不同土地利用状况下土壤重金属污染风险评估土壤环境的安全问题是农业生态环境安全的核心，土壤污染与防治已成为环境科学和土壤科学共同关注的热点［1］。土壤重金属污染具有潜伏性、滞留时间长、移动性差等特点，从遭受污染到产生后果有一个逐步积累的过程，因此，对于土壤重金属污染的监测已成为农业环境保护的重要内容之一。分析监测土壤重金属元素的含量变化和分布特征，可为调控土壤重金属的活性与毒性、制定合理的控制标准及选择修复技术提供必要的理论依据［2-4］。天津市滨海新区原来是农业区，自20世纪80年代以来，郊区开始出现较大规模的企业，其产生的废水、固体废弃物数量明显增加，污水排放及工业固体废弃物的扩散，导致水环境不断恶化。地下水污染、污水灌溉及碱渣扩散也使得污染物直接或间接进入土壤，影响到土壤环境质量，成为该地区土壤污染的主要原因之一［5-7］。近年来，随着滨海新区的快速发展，土地利用转型使得原有的土壤污染压力得到一定的缓解，但现有的基本农田中依旧存在污染的风险。因而，系统地开展农田重金属污染状况的调查具有重要的理论和实际意义。目前，在滨海新区的环境监测部门中，针对大气、水体和固废的监测已积累了丰富的资料，而对于土壤污染的数据还相对较少。所以，适时地补充该地区土壤中污染物含量与分布的信息显得十分必要。本研究以滨海新区现有的部分基本农田、果园、菜地和湿地土壤为研究对象，拟通过分析土壤中重金属含量，了解其主要污染物的分布特征，以期为正确认识该地区的土壤环境现状提供必要的科学依据。1材料和方法1.1样品采集按照土壤的利用现状选择了农田、蔬菜地、果园及湿地4种类型的土壤。土样采集于2009年8月，采样点分布如图1所示。采集0〜20cm的表层土壤样品，自然风干后磨细，过0.25mm土壤筛。土壤理化性质参见文献［8-10］。不同土壤样品的pH值分布为：农田土壤中6.5〜7.5之间和＞7.5的样品各占50%；菜地土壤均为6.5〜7.5之间；果园土壤均＞7.5；湿地土壤90%为6.5〜7.5之间，10%为＞7.5，并以此作为选择土壤环境质量评价标准的依据。1.2测定方法土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr、Ni全量的分析测定按照《土壤环境质量标准》(GBI5618—1995)［11］和《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166—2004)［12］规定的步骤进行。所用试剂均为优级纯或分析纯。土壤中铜、锌、镣、铅、镉、铬采用盐酸一硝酸一氢氟酸一高氯酸体系消解，原子吸收及分光光度法测定；土壤总砷和汞采用硝酸一高氯酸消解，原子荧光光度法。1.3土壤污染评价因子及方法研究区土壤为城郊土壤，根据国家标准《农产品安全质量：无公害蔬菜产地环境要求》(GB/T18407.1—2001)［13］、土壤环境质量标准(GB15618—1995)［11］，选取国标中的8种元素(Cu,Zn,Pb,Cd,As,Hg,Cr和Ni)作为评价因子。评价方法采用单项污染指数和Nemerow综合污染指数法［14］。依据土壤样本pH值测定结果，标准限值采用土壤二级指标中相应的pH值要求(pH6.57.5及＞7.5的数值)，农田和蔬菜地以农田的标准比对，果园土壤采用对应的果园标准，湿地土壤采用国家标准中相近的稻田土壤标准进行比较。土壤污染等级划分参照夏家淇［15］及姜芝萍［16］报道的方法。2结果与分析2.1不同土地利用方式土壤重金属分布特征天津市滨海新区不同利用状况下土壤中8种元素含量测定结果如表1所示。由表1可以看出，研究区域内土壤重金属含量较天津土壤重金属背景值［17］有明显的增加，Cu、Zn、Pb、As、Hg、Ni的测定平均值分别为背景值的2.19,2.30,2.39,1.66,12.46,2.47倍，Hg的增加量最大；Cd和Cr为背景值的0.87和0.99倍，与背景值相当。2.1.1土壤中Cu含量变化在4种土地利用类型中，农田土壤中铜含量的平均值达到50.10mg?kg-1，菜园土壤中为58.59mg?kg-1,果园土壤中为71.33mg?kg-1，湿地土壤中为53.90mg?kg-1。不同土地利用方式的土壤Cu含量变化如图2所示。由图2可以看出，农田和湿地土壤中不同采样点之间差异较大，而在蔬菜地之间差异较小，果园土壤中总体上大于其他类型的土壤。湿地中的S19样点含量最高，达到128.83mg?kg-1,这与其处于碱渣堆附近的位置有关。农田采样点中的S5〜S7和湿地中的S25及S26的铜含量相对较低。2.1.2不同土地利用方式土壤Zn含量变化不同利用类型土壤中，农田土壤中锌含量的平均值达到104.3mg?kg-1，菜园土壤中为160.1mg?kg-1，果园土壤中为127.0mg?kg-1，湿地土壤中为156.6mg?kg-1。不同土地利用方式的土壤锌含量变化如图3所示。由图3可以看出，农田中除S3和S4样点含量较高夕卜，其他样点集中在80mg?kg-1上下；5个菜地土样的总体含量较高，含量分布在142.87〜182.26mg?kg-1之间；2个果园土壤中锌含量分别为109.5〜144.5mg?kg-1，显著低于菜园土壤中的含量；10个湿地土壤中含量差异较大，含量在106.1〜247.4mg?kg-1之间，其中S19样点的含量最高。2.1.3不同土地利用方式土壤Pb含量不同土地利用方式的土壤铅含量变化如图4所示。由图4可以看出，农田土壤中的平均值达到29.71mg?kg-1,但S3和S4样点的含量显著高于于其他样点；菜园土壤中平均为49.23mg?kg-1，各采样点的铅含量在40.15〜53.74mg?kg-1之间，总体上含量较高；果园土壤中为35.14mg?kg-1,尽管2个样点分布在海河南北，但二者之间差别较小；湿地土壤中平均为44.01mg?kg-1，除S17和S19样点的铅含量达到73.84和85.67mg?kg-1夕卜，其他点的含量均在20.08〜49.35mg?kg-1之间。2.1.4不同土地利用方式土壤Cd含量不同土地利用方式中土壤镉含量变化如图5所示。由图5可以看出，农田土壤中的平均值达到0.086mg?kg-1，菜园土壤中为0.325mg?kg-1，果园土壤中为0.131mg?kg-1，湿地土壤中为0.137mg?kg-1。在全部25个采样点中，镉含量在0.060〜0.336mg?kg-1之间，平均值为0.139mg?kg-1，低于天津市土壤镉背景值(0.16mg?kg-1)。农田土壤的含量均较低，菜园土壤中有4个样点超出背景值且含量较高(在0.228〜0.303mg?kg-1之间)、果园和湿地土壤中，除S19样点含量较高外(0.336mg?kg-1)，其他样点均低于土壤背景值。2.1.5不同土地利用方式土壤As含量不同土地利用方式的土壤砷含量变化如图6所示。在4种土地利用类型中，农田土壤中的砷含量平均值为14.97mg?kg-1，菜园土壤为15.92mg?kg-1，果园土壤为13.54mg?kg-1，湿地土壤的砷含量最高，达到18.36mg?kg-1，但除S19样点含量较高(31.51mg?kg-1)夕卜，其他样点在11.71〜20.51mg?kg-1之间。总体上看，土壤砷含量分布比较均匀，但超出了土壤背景值。2.1.6不同土地利用方式土壤Hg含量不同土地利用方式的土壤汞含量变化如图7所示。在4种土地利用类型中，农田土壤中Hg含量平均值为0.360mg?kg-1,菜园土壤的砷含量为0.707mg?kg-1，果园土壤为0.271mg?kg-1，湿地土壤的砷含量最高，达到0.768mg?kg-1。由图7可以看出，农田超出背景值的有3个样点，菜园和果园中超出背景值的有4个样点，而在湿地土壤中，90%的样点超出背景值，表明湿地土壤中汞的累积比较显著。2.1.7不同土地利用方式土壤Cr含量不同土地利用方式的土壤铬含量变化如图8所示。4种不同土地利用类型中，菜园土壤中铬的平均浓度最高，达到75.26mg?kg-1，其次为农田73.24mg?kg-1，果园土壤中为71.06mg?kg-1，湿地土壤中为69.22mg?kg-1。在25个样点中铬含量超出背景值的点占38.5%,但总体的平均值为71.86mg?kg-1，低于背景值72.65mg?kg-1,不同样点之间的Cr含量分布比较均匀。2.1.8不同土地利用方式土壤Ni含量不同土地利用方式的土壤镣含量变化如图9所示。4种土地利用类型中，菜地土壤的镣含量平均浓度达到最高76.10mg?kg-1，其次为湿地土壤71.90mg?kg-1，农田和果园土壤含量分别为59.36mg?kg-1和50.28mg?kg-1。与天津市土壤背景值比较，在供试的25个土样中Ni含量均远远超出背景值，反映出土壤Ni含量的变化是影响该区土壤环境质量的要素之一。与其他元素类似，在农田中的S3〜S4样点、菜地中的S10〜S13样点及湿地中的S17〜S25样点检出的Ni含量显著高于其他样点，反映出其污染途径具有相似性。2.2土壤环境质量状况评价以国家土壤环境质量标准为基础，通过计算单项污染指数和Nemerow综合污染指数，得出滨海新区不同土地利用方式下不同重金属对土壤环境质量的影响现状（表2）。依据土壤样本pH值测定结果，标准限值采用土壤二级指标值，农田和蔬菜地以农田的标准比对，果园土壤采用对应的果园标准，湿地土壤采用国家标准中相近的稻田土壤标准进行比较。从单项污染指数来看，采样区的25个土壤样本中Cu、Zn、Pb及Cr的Pi值均小于1,表现为清洁；除湿地土壤中S19样品夕卜，Cd和As在其他24个样本中也达到清洁水平。样品S19的PCd和PAs分别为1.121及1.260,属于轻度污染，这与该采样点位于过去的晒盐场地附近有关。Hg和Ni是该地区污染率较高的元素，在25个样本中有16个达到轻度以上的污染水平，污染率均为64%其中S19的Hg污染达到中度污染水平，表明该地区的Hg和Ni存在较大的污染风险，并且Hg和Ni的污染分布具有同步性。从不同利用类型土壤中的分布来看，农田的轻度污染率为37.5%，蔬菜地为80%，果园属于清洁，湿地土壤中为90%。分析其污染的原因，Hg和Ni污染与该地区污水中Hg和Ni排放有密切关系。湿地土壤主要分布在盐场'河口区域,排污河及海河水质污染是导致超标的主要原因。蔬菜地灌溉量大，灌溉水污染可导致土壤中累积量增大。从样点分布看，农田中的S3和S4'菜地中的S10〜S13均分布在海河附近，所以存在较大的污染风险。从综合污染指数看，25个样本中8%属于轻度污染，包括菜园土壤S10和湿地土壤S19;综合指数超过警戒级阈值（＞0.7）的样本数占52%包括了农田中的S3和S4样本，菜地土壤中的S11〜S13，湿地土壤中的S17'S20〜S26样本；样本中达到安全级别的占40%，以农田和果园土壤为主。3结论与讨论土壤重金属的来源受成土母质、气候、人类活动等多种因素的影响，不同地区、不同种类的土壤、特别是人类活动较为频繁、容易受到扰动和污染的各种农用土地［18］。在针对土壤环境问题的研究和管理过程中，我国相继公布了土壤元素背景值和土壤环境质量标准，确定了Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr及Ni等8种重金属和类金属元素的含量限值，为土壤污染评估提供了必要的判别参考依据。由试验结果可知，除Cd和Cr外，其他元素的平均值均超出公布的天津市土壤元素背景值，其原因一方面与这些元素在土壤中的现存浓度或许较30年前有所增加有关，另一方面也与当年背景值测定时选取的采样地点和土壤类型有关。本研究主要是以滨海新区的土壤为研究对象，而背景值可能包括天津市较大的土壤范围，其土壤类型会有一定差别，因此，利用背景值仅仅是一种评估污染状况时的参考，而更主要的是以国家土壤环境质量标准为依据。在监测的数据中，滨海新区不同类型土壤中Hg和Ni存在较大的污染风险，在25个样本中的污染率均为64%，污染分布具有同步性，并且主要分布在菜地和湿地土壤中。这一现象或许与人为活动导致的水污染有一定关系。在滨海新区特定的土壤环境下，其土壤以砂质为主，土层薄，导致水与土壤交换过程加剧，海河水系带入的污染物及过去晒盐过程引起的水与土壤中物质交换增加也许是其土壤中Hg和Ni元素积累量变化的重要原因。同时土地利用类型对土壤重金属含量分布的影响具有一定差异，农田的轻度污染率为37.5%，蔬菜地为80%，果园属于清洁，湿地土壤中为90%。综合污染指数评价的结果表明，25个样本中8%属于轻度污染，超过警戒级阈值的样本数占52%，达到安全级别的样本占40%。总体上表现为农田和果园