農業土壤重金屬污染分析

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1樣品的采集與處理

1.1樣品的采集

本分析根據重金屬的空間變異性,采用非均勻性布點方法,在貴州省部分地區(包含9個地區的34個縣市)采集1014個土壤樣品(樣品采集點位置見圖1),每個樣品從10m×10m正方形4個頂點和中心共5處各采集1kg表土(0~20cm),均勻混合后,用四分法選取1kg作為該點樣品。另按土壤發育層次在土壤剖面采集耕作層、心土層和母質層每層29個樣品,三層共87個。

1.2樣品制備

土壤在室內風干,過100目尼龍網篩,為防止采樣人為因素影響,樣品混合、裝袋、粉碎、研磨等處理過程均使用木頭、塑料、瑪瑙等用具。

1.3評價因子

選擇生物毒性顯著的汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)以及類金屬砷(As)作為評價因子。

1.4樣品分析

土壤樣品采用美國國家環保局相關標準(USE2PA)[4]抽提消煮,用原子熒光測定砷(As),用冷原子吸收法測定汞(Hg),石墨爐原子吸收光譜儀(AASVario6)測定鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)。分析過程加入國家標準土壤樣品(GSS22、GSS25)進行分析質量控制,分析樣品重復數10%~15%。所用水均為二次去離子水,試劑采用優級純。測定結果精密度滿足所用方法的允許值,準確度符合95%置信水平下置信區間要求。

2數據處理

2.1統計分析

分析數據采用Crabbs檢驗法進行異常值的剔除,對選出的有效樣點數據作對數轉換并進行正態分布檢驗:所采集的樣品除鉻(Cr)含量符合正態分布外,砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)含量并不符合正態分布,但經過對數轉換之后,5種重金屬元素含量均符合正態分布。同時計算重金屬砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)5%和95%統計量及平均值等。

2.2污染評價方法

土壤重金屬污染評價通常采用尼梅羅(N.L.Nemerow)綜合污染指數法[5]:P綜=(1n∑Pi)2+P2i最大2(a)式中,P綜為尼梅羅綜合污染指數;Pi為土壤中i元素標準化污染指數,Pi=Ci/Si,Ci為i元素的實際濃度,Si為i元素的評價標準,此值依據GB1561821995[5]的土壤質量標準(表3)的二級旱地標準中各元素含量上限確定;n為樣品個數;Pi最大為所有元素污染指數中的最大值。但上式過分強調了極大值的作用,易造成評價結果的失真。為克服此缺點,采用姚志麒對平均值賦予較大權系數(x/y)的方法[7]。其中:x表示單一指數的最大值;y表示單一指數的平均值。本文的評價方法是:首先計算單項污染指數,然后根據單項污染指數,采用(b)式分別計算各個元素的綜合污染指數(稱之為單因子污染指數)及土壤的綜合污染指數。

3結果分析與討論

3.1重金屬的分布特點

對樣品的各種重金屬含量散點圖分析可見:貴州省土壤重金屬鎘(Cd)含量在地域上呈非均勻性分布特征。貴陽市砷(As)、鉛(Pb)及鉻(Cr)含量明顯高于其它地區。Hg>0.5mg/kg分布地區主要在貴州汞礦區域,有明顯的地理特征。

3.2重金屬元素統計對比從表2可見:貴州省土壤中砷(As)含量平均值為17.5mg/kg、鉛(Pb)為45.0mg/kg、鎘(Cd)為0.34mg/kg、鉻(Cr)為48.2mg/kg、汞(Hg)為0.201mg/kg。本研究結果中砷(As)、鉛(Pb)含量比較接近前人研究的土壤背景值(平均值),差異在-30%~20%之間;鎘(Cd)及鉻(Cr)的含量低于前人研究的土壤背景值,差異約達50%;汞(Hg)含量及最大值遠遠高于前人研究的土壤背景值和最大值。全球土壤鎘(Cd)含量背景值為0.35mg/kg[6,7],中國土壤鎘(Cd)背景值為0.074mg/kg,通過《農用環境監測實用手冊》(參考文獻[5])可見全國其它地區鎘(Cd)土壤背景值均低于0.30mg/kg,而貴州鎘(Cd)背景值為0.659mg/kg。陳同斌等人[8]和Li等人[9]分別對全香港地區的土壤樣品(其中包括未受到污染的自然保護區土壤)進行了相對獨立的取樣和分析測定,兩者的測定結果中鎘(Cd)的數值基本相同,但是卻明顯高于80年代所測得的深圳市(毗鄰香港)土壤鎘(Cd)含量背景值以及全國土壤鎘(Cd)含量背景值[6];1999年開始,陳同斌等人[10]對北京市土壤重金屬含量進行了大規模的系統取樣研究,測定結果中北京市土壤鎘(Cd)背景值與夏增祿等人[11]調查北京市226個農業土壤后所得土壤鎘(Cd)含量平均值完全一致,但也明顯高于80年代所測得的北京市土壤鎘(Cd)含量背景值。國外土壤鎘(Cd)分析結果明顯高于我國80年代所測定的土壤鎘(Cd)含量背景值。從本研究中貴州省土壤中的鎘(Cd)含量平均值與前人研究的土壤中的鎘(Cd)含量背景值的巨大差異來看,筆者同意陳同斌等人的推測[10]:這可能是由于以前我國土壤背景值調查中鎘(Cd)含量的測定方法和取樣方法(樣點)不同所致,并且應對我國土壤中的鎘(Cd)含量從取樣方法、測定方法等進行深入的、系統的研究。

3.3土壤各層重金屬環境質量分析

土壤作為開放的緩沖動力學體系,在與周圍的環境進行物質和能量交換過程中,不可避免地會有外源重金屬進入這個體系。外來重金屬多富集在土壤表層[12]。從概念上理解,土壤元素背景值就是不受或者很少受人類活動影響,保持土壤原來固有的元素含量水平,故心土層和母質層受人類活動影響較小,能近似地反映原生環境元素分布、賦存狀態,而耕作層是20cm淺層土壤,與生態環境聯系密切,受人類干擾最嚴重。然而在分層采集的樣品中,只有鎘(Cd)元素符合這一規律,耕作層含量普遍高于心土層和母質層。從表5可見:從含量上看,鉛(Pb)和鉻(Cr)在三層中的含量幾乎相等,而砷(As)和汞(Hg)母質層含量卻高于耕作層及心土層,含量最低的是心土層。

3.4貴州省重金屬污染狀況

a)貴州省綜合污染指數為2.81,污染等級為中污染。b)從單因子污染指數看,全省無鉻(Cr)污染;除貴陽市外其余地區無砷(As)污染;除黔南州及安順市有鉛(Pb)的輕污染以外,其余7個地區均無鉛(Pb)污染。貴州省主要污染物為鎘(Cd)和汞(Hg)。污染物超標率鎘(Cd)的最大,占45.48%,其次為汞(Hg),占20.24%。鎘(Cd)污染尤其嚴重,全省無一地區未遭受鎘(Cd)污染,其中貴陽市及黔南州的鎘(Cd)的單因子污染指數超過了3.0,污染等級為重污染,鎘(Cd)最高,含量達4.52mg/kg,超標倍數達14.07倍。六盤水市鎘(Cd)的污染等級為中污染,其余各地區均為鎘(Cd)的輕污染地區。全省鎘(Cd)超標率達到36.79%,所有地區鎘(Cd)超標率都在20%以上,黔南州的鎘(Cd)超標率達到了73.91%。汞(Hg)污染主要存在于貴陽市、黔東南州、銅仁地區以及黔南州。c)從各地區的綜合污染指數看,全省只有畢節地區綜合污染指數0.79<1.0,污染等級為警戒級,污染水平為尚清潔。貴陽市、黔東南州和黔南州的綜合污染指數都大于2.0,污染等級為中污染,污染水平為土壤、作物受到中度污染。貴陽市綜合污染指數為3.03,污染等級為重污染,污染水平為土壤、作物受污染已相當嚴重。其余地區污染等級為輕污染,土壤、作物開始受污染。d)從全省的各種重金屬的單因子污染指數看,汞(Hg)單因子污染指數為2.19,污染等級為中污染,污染水平為土壤、作物受到中度污染;貴州省重金屬污染狀況中鎘(Cd)的污染最嚴重,單因子污染指數達到了4.05,遠大于3.0,說明貴州省屬于鎘(Cd)的重污染區。

4結論

重金屬對土壤的主要污染途徑是工業廢渣、廢氣中重金屬的擴散、沉降、累積,含重金屬廢水灌溉農業,以及含重金屬農藥、磷肥的大量施用。重金屬污染具有隱蔽性和潛伏性、不可逆性和長期性等特點。目前,國際上還沒有成熟的重金屬污染的治理辦法,因此,重金屬污染的預防和監測對農作物的生產顯得尤為重要[13]。農業產地土壤環境評價,其重要依據是土壤背景值和土壤環境質量的標準,是制定人為原因導致土壤重金屬積累的基礎,有助于確定土壤重金屬的來源。中國幅員遼闊,地質情況及經濟發展情況復雜,建立全國統一的、科學的、合理的土壤環境質量標準是一項艱巨而又重要的工作。本研究中貴州省土壤中砷(As)含量平均值為17.5mg/kg、鉛(Pb)為45.0mg/kg、鎘(Cd)為0.34mg/kg、鉻(Cr)為48.2mg/kg、汞(Hg)為0.201mg/kg。砷(As)和鉛(Pb)含量平均值與以前研究的貴州省土壤背景值差異在-30%~20%,鎘(Cd)及鉻(Cr)的差異約為50%,汞(Hg)的差異達-82.8%。說明應對貴州省重金屬背景值(尤其是鎘(Cd))作深入研究。并且從目前分析來看,貴州省綜合污染指數為2.81,污染等級為中污染。貴州省存在鎘(Cd)的重污染,汞(Hg)的中污染及砷(As)的輕污染,應盡早采取措施,盡可能減輕污染程度,防止情況進一步惡化。