重庆稻田土壤重金属污染特征分析及风险评价

余鸿燕,唐子茜,王 娜,张 伟,付婷婷,曾婷婷,黄永川,阎应红

(重庆市农业科学院,重庆 401329)

【研究意义】农用地土壤是第一产业农业重要的活力源泉之一,也是人类生活和农业生产中不可或缺的重要组成部分[1]。近年来,随着工业化及城市化进程加快,人民的物质生活日益丰富的同时,也带来了一系列环境问题,其中农田土壤环境质量逐渐下降,农田土壤重金属污染问题越来越突出[2-4]。土壤重金属污染不仅会影响农作物的生长,也会给农产品质量安全及人体健康带来潜在的风险[5]。重庆作为长江中上游经济带的重要组成部分,是一个面积大、农村人口多的农业化大城市。水稻是重庆市第一大粮食作物,也是全市最重要的农作物,因此确保水稻生产安全对促进重庆市农业发展、农村经济增长、农民增收及满足社会需求等具有重要意义[6]。随着农田土壤重金属污染问题日益突出,研究重庆稻田土壤的重金属污染特征并评价其风险程度,对保障区域内粮食安全显得尤为重要。【前人研究进展】Shammi等[7]采集了孟加拉西北部的农用地土壤样品,并对其重金属(Zn、Cu、Pb、Cd、Cr等)含量进行分析评价,结果表明该区域的农用地土壤都受到了不同程度的重金属污染。牟力等[8]利用单因子指数法、综合污染指数法等评价贵州省山区河流阶地稻田土壤的重金属污染情况,发现该区域土壤已经受到重度污染,尤其是来自Cd的污染。Zhang等[9]以青海省具有代表性的农业近郊互助县的农用地土壤为研究对象,采集了120个农用地土壤样品,分析其土壤pH及Cr、Cd、Pb、As、Hg等重金属含量,结果表明该地区耕地土壤生态风险处于中低水平,其中污染比较严重的有Cr、As、Pb。姚文文等[10]对重庆市主城区土壤重金属特征进行了分析,结果表明主城区土壤的Cd污染状态处于严重污染水平,并且可能存在Hg和Cd的复合污染。【本研究切入点】目前,关于重庆市土壤污染评价的研究主要集中在主城区内,而对重庆全域稻田土壤的重金属污染情况的研究报道较少。本研究采集重庆市水稻主产区县具有代表性、广泛性和普适性点位的稻田土壤样品,检测分析全市稻田土壤重金属污染情况,有助于保障水稻生产的生态环境质量。【拟解决的关键问题】本研究采集重庆市7个水稻主产区稻田土壤样品,检测分析土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr等重金属含量,通过横向纵向比对,深入探析研究区域土壤重金属污染特征并进行风险评价,以期为区域内稻田等农用地土壤保护提供参考。

1.1 样品采制

1.1.1 采样时间 在2021年水稻收获期(8—10月)采集稻田土壤样品。

1.1.2 样点设置与布局 (1)布点原则:土壤重金属调查通常采用网格均匀布点和典型污染区密点相结合的方法。针对重庆地形复杂、土种多、分布散的特点,为使样品具有代表性,应根据各地土类分布、面积大小布点,采用系统分层抽样的方法采集土壤样品。

(2)采样、制样:在重庆7个水稻主产区县共采集土壤样品230个,其中梁平28个、大足50个、荣昌28个、永川31个、南川29个、云阳31个、彭水33个。以直接耕种的自然田块为取样单元,根据地块形状采用梅花点法或“S”形法,在每个点采集5～20个耕作层土(0～20 cm)混合,用四分法获得1个分析样品,采集后放入聚乙烯塑料袋中密封保存,带回实验室待制备。

土壤样品自然风干后,去除砂砾、植物残留物等,四分法取1 kg,经碾压后过10目筛;再用四分法取约100 g于玛瑙研钵中,研磨后全部通过100目筛,装入磨口玻璃瓶中,放置于阴凉干燥处,待检。

1.2 样品检测

土壤pH参考《土壤pH值的测定》(NY/T 1377—2007)[11]进行检测,采用电位法,水土体积比为 2.5∶1.0。土壤中重金属检测,样品前处理采用微波消解法,Cd、Pb、Cr含量参考HJ 803—2016与孙敏秀[12]等的检测方法,用电感耦合等离子体质谱法进行检测;Hg、As含量参考《土壤和沉积物 汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解/原子荧光法》(HJ 680—2013)[13],原子荧光法进行检测。

样品检测质量控制:室内分析按标准方法操作,以全程序空白值、平行样、内部质控样、加标回收等进行控制,方法空白值不高于方法检出限、允许偏差限度为:加标回收率(100±10)%,内部质控样(有证标准物质)标准值范围内,平行样按标准方法要求判定。

1.3 数据处理

离群值取舍:统计土壤重金属总体含量特征时,由运输、储存、分析的失误所造成的离群数据和可疑数据,应用Grubbs法检验剔除。

差异分析:用t检验方法作正态分布条件下平均值与理论值之间或各平均值之间的差异显著性检验。

原始数据经过异常值检验后,合格数据输入SPSS、Excel等软件进行相关统计分析。

1.4 评价方法

1.4.1 内梅罗污染指数评价法 内梅罗污染指数法(Nemerow index,P)是基于单因子指数法衍生出的综合性污染评价方法,既考虑了单因子污染的平均值及最大值,又能突出多种污染物和较严重污染物的综合作用,是常用的土壤污染评价方法之一[14-16],可以反映土壤环境的整体状况。

①单因子指数法。通过单因子污染指数评价,可以确定主要的重金属污染物及其危害程度。污染指数以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算。单因子指数法计算公式如下:

Pi= Ci/Si

(1)

式中,Pi为重金属元素i的污染指数,Ci为土壤重金属元素i含量的实测值;Si为土壤重金属元素污染限量标准值,每种重金属取值标准参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)中对应农用地(水田)土壤pH值下风险筛选值。当Pi≤1.0时,表示土壤未受到污染;当Pi>1.0时,表示土壤受到污染。

②综合污染指数法。综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值,可以突出污染较重的重金属污染物的作用。综合污染指数计算方式如下:

(2)

式中,P为土壤重金属污染综合指数,Piave为所有单因子污染指数的平均值;Pimax为所有单因子污染指数的最大值。土壤污染分级标准见表1。

表1 土壤污染评价等级划分

1.4.2 地累积指数评价法 地累积指数(Geo-accumulation index,Igeo)是目前国内外普遍使用的土壤污染评价方法之一,是基于土壤重金属含量与背景值的倍数而将其划分为不同等级(污染程度)的一种方法。该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征,而且可以评价人为活动对重金属污染的影响,是区分人为活动影响的重要参数[17]。其计算公式如下:

(3)

式中,Igeo表示地累积指数,Cn表示土壤中元素的实测值,Bn表示土壤中元素的背景值,该处按重庆市土壤背景值[18]进行计算,常数1.5为成岩过程中重金属含量自然波动的校正系数。地累积指数的分级标准如表2所示。

表2 地累积指数法污染分级标准

2.1 稻田土壤重金属含量分析

土壤中重金属元素的总量可以作为判别土壤污染程度的重要指标之一[19]。从表3及图1可知,重庆稻田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg平均含量分别为25.4、0.312、66.8、4.71、0.0827 mg/kg。重金属Cd、Hg含量的平均值超过重庆土壤背景值,分别是背景值的2.84、1.38倍。虽然Pb、Cr和As含量平均值低于重庆土壤背景值,但部分样品中的测定最大值远超重庆土壤背景值。结果表明,土壤重金属元素累积主要是来自非自然的外部条件,观察各元素的极差值发现,各元素的极差都很大。从各元素含量值变异系数分析,稻田土壤中As、Hg含量呈强变异性(CV>50),表明As、Hg的累积受某些局部污染源影响较为明显;稻田土壤中Cd、Cr含量呈中等变异性(25

图1 重庆稻田土壤重金属含量

表3 重庆稻田土壤重金属含量特征

根据样点土壤 pH(表4),对该稻田土壤重金属污染状况进行评价,发现重庆稻田土壤总体呈偏酸性,土壤pH范围在4.02～8.22。

表4 重庆稻田土壤pH调查结果

以所调查的稻田重金属含量均值为代表,与《土壤环境质量—农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)的风险筛选值进行比对,发现研究区域中5种重金属含量平均值均小于对应的农用地土壤风险筛选值(表5)。

表5 重庆稻田土壤重金属含量与风险筛选值比对结果

2.2 稻田土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数 从表6可以看出,研究区域土壤的5种重金属单因子污染指数均小于风险筛选值,具体表现为Cd(0.74)>Pb(0.30)>Cr(0.26)>As(0.17)>Hg(0.15)。Cd、Pb、Cr、As、Hg单因子污染指数变化范围分别为0.17～1.9、0～0.79、0.14～0.68、0～0.73、0.01～2.94;平均值的最高值为Cd(0.74),处于Cd轻度污染状态的土壤点位占19.57%;平均值的最小值为Hg(0.15),但其变异系数高达137.8%,最大值达到2.94,处于中污染状态的土壤点位占0.43%,这表明虽然土壤受到Hg污染的风险最低,但存在个别点位、个别地区Hg污染情况异常高的极端情况,这可能与周围环境、建筑设施的影响有关。此外,Pb、Cr、As 3种重金属的单因子污染指数的变化范围、平均值、最大值均小于1,处于无污染等级。

表6 重庆稻田土壤重金属元素单因子污染指数及综合污染指数

2.2.2 内梅罗综合污染指数 由表6可见,综合污染指数P变化范围为0.19～2.15,平均值为0.59,小于警戒线值(0.70),总体评价处于无污染级别,但存在一定比例的警戒线以上的土壤点位。其中土壤无污染点位为72.61%,处于警戒线(尚未污染)的点位为22.17%,轻度污染点位为4.78%,中度污染的点位为0.44%,无重度污染点位存在。

根据单因子污染指数及内梅罗综合污染指数评价结果,研究区土壤总体处于清洁水平,但存在一定程度的轻度、中度土壤重金属污染,主要污染因子为Cd、 Hg元素。

2.2.3 地累积指数评价法 从表7可知,5种重金属元素的地累指数变化范围为Cd在0.68～2.7,Hg在-3.61～4.03,Pb在-3.00～0.27,Cr在-1.8～0.5,As在-6.33～1.37,地累积指数的平均值由高到低排序为:Cd(0.8)>Hg(-0.54)>Pb(-0.62)>Cr(-0.84)>As(-0.98),Cd处于轻污染等级,其余4种重金属元素处于无污染等级。

表7 重庆稻田土壤地累积指数及其分级点位数量

根据地累积指数分级标准可知,研究区域土壤以无污染为主,但Cd、Hg、As、Pb、Cr均存在一定比例的轻污染等级点位,分别有130、54、28、9、1个点位;Cd、Hg、As存在一定比例的中污染等级点位,分别有72、5、3个点位;Cd、Hg存在一定比例的中-强污染等级点位,分别有6、1个点位;Hg还有1个强污染等级点位,表明部分稻田土壤存在Hg元素污染的较高风险;As污染风险最低,但有5个点位处于中污染状态。采集的稻田土壤中,Pb、Cr元素总体处于无污染等级,仅存在部分轻污染点位。

根据地累积指数评价结果,重庆稻田土壤总体处于无污染等级,小部分处于轻污染等级,存在Cd、Hg中污染及以上的风险。此结论与通过单因子污染指数及综合污染指数评价法得出的结论基本吻合,元素平均值均存在以下特征,即Cd>Pb>Cr>As,但两种方法对Hg的评价结果存在一定的差异性:单因子污染指数及内梅罗综合污染指数评价Hg为中污染等级,地累积指数评价Hg处于强污染等级,原因可能是评价方法不同,所得出的结论也不完全一致。

2.3 稻田土壤重金属来源特征分析

2.3.1 皮尔逊相关性分析 从表8可知,Cr-Cd和As-Cr之间存在显著正相关,但相关系数较低(绝对值<0.3);Cd-Pb、Cr-Pb和As-Pb之间存在极显著正相关(绝对值>0.3),说明Cd、Pb、Cr和As这4种元素可能有相似的污染来源;Hg与其他4种重金属元素的相关性均不明显,表明Hg与其他元素的来源不同,这与农用地土壤重金属Hg的相对孤立性一致,可能与Hg的低温挥发性有关,导致与其他重金属元素的相关性较弱。

表8 重庆稻田土壤重金属皮尔逊相关性分析

2.3.2 聚类分析 从图2可知,Cd、Hg和As聚为一类,说明这3种元素在重庆稻田土壤中有相似的来源和相近的释放规律。结合重金属含量变异系数结果分析,其含量受人为源影响较大,如农业耕种中农家肥、化肥、无机农药的施用,以及汽车尾气排放和工业活动等短距离迁移沉降等;Pb为一类,此结论与重金属含量变异系数分析结果一致,受外源影响相对较小,主要源于成土过程;Cr为一类,Cr含量变异系数(CV)为26.27,稍高于元素Pb,其含量受成土影响较大,其次为人为源影响。

图2 重庆稻田土壤重金属含量聚类分析

比较重庆7个水稻主产区稻田土壤的5种重金属含量水平,发现Cd、Hg含量平均值超过了重庆土壤背景值,分别为背景值的2.84、1.38倍,Cd、Hg最大值分别是背景值的9.7、24.5倍,说明Cd、Hg均存在累积现象,可能受人类活动影响较大,此项结论与牟力等[8]、徐梦琪等[20]的研究结论基本一致。牟力等[8]对贵州省镇远县清溪镇鸡鸣村的稻田土壤重金属分析评价结论为,该地区Cd污染最严重。徐梦琪等[20]对黔西北山区耕地重金属进行评价,结果表明该区域的水稻土壤受到不同程度的重金属污染,其中Cd污染最严重。此项结论也与姚文文等[10]对重庆市主城区土壤重金属特征分析结论基本相似,表明重庆市主城区土壤的Cd污染状态处于严重污染水平,并且可能存在Hg和Cd的复合污染。Khanam等[21]通过对6个国家(印度、中国、日本、美国、韩国、孟加拉国)的土壤重金属含量比较发现,中国的稻田土壤中Cd、Pb、Hg含量均位于6个国家中的高值。本研究中Hg的平均值和最大值均超过了重庆土壤背景值,这也与Amin等[22]通过对近年全球土壤污染物调研发现的趋势一致,即Hg逐渐成为了一种全球污染物,并且矿产退化地区受到Hg污染的可能性较高。其余3种元素(Pb、Cr、As)含量平均值虽然低于重庆土壤背景值,但部分样品中的测定值远超重庆土壤背景值,Pb、Cr、As含量最大值分别是重庆土壤背景值的1.8、2.1、3.9倍。与农用地土壤风险筛选值比对发现,研究区土壤中5种重金属含量平均值均小于对应的农用地土壤风险筛选值,因此利用农用地土壤风险筛选值评价土壤重金属污染时,只考虑平均值会忽略最大值对环境的污染影响,应对极值存在的稻田土壤区域引起重视,探明原因,制定有效的保护措施。杨安等[23]对青藏高原表层土壤重金属评价时考虑最大值后,提升了污染等级,并指出在评估和治理土壤重金属污染时,只考虑均值会忽略极值对环境的影响,从而低估污染程度。

科学的土壤重金属污染评价方法能较准确地评价土壤重金属的污染程度,方法的计算方式、参数选择、分级标准不同,会导致评价结果略有差异。为了科学合理评价研究区域土壤重金属元素污染情况,本研究将单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和地累积指数评价结合使用。单因子污染指数及内梅罗综合污染指数评价结果:重庆稻田区土壤总体处于清洁水平,但也存在一定程度的轻度、中度土壤重金属污染,主要污染因子为Cd、Hg元素。此结论与梁晓曼等[22]对唐山南部稻田土壤中重金属含量的单因子污染指数及内梅罗综合污染指数评价结果基本一致;但与Shammi等[7]、Fredrick等[25]对孟加拉国、尼日利亚等地的稻田土壤分析得出的结论不一致,原因可能是不同国家的土壤环境与该国的生产生活及产业发展等活动有关。地累积指数评价结果:Cd处于轻污染等级,其余4种重金属处于无污染等级,地累积指数平均值均小于1,由大到小依次为Cd>Hg>Pb>Cr>As。这与李章平等[26]、陈雅丽等[27]得出的结论相似,即Cd为我国土壤中主要污染重金属元素;这也与Xiao等[28]通过地累积指数对陕西省汉中市稻田土壤分析得出的结论相似,即Cd为主要污染物,同时Hg也可能对该区域造成潜在的生态危险。此结论也与前面提到的姚文文等[10]对重庆市主城区土壤重金属特征分析得出的结论基本相似。

皮尔逊相关性分析发现,Cd-Pb、Cr-Pb和As-Pb之间存在极显著正相关(绝对值>0.3),说明Cd、Pb、Cr、As这些元素之间可能有相似的污染来源途径,既可能出自成土过程,也可能是人为活动造成的复合污染,结论与通过单因子污染指数及综合污染指数评价法得出的结论基本吻合;Hg与其他重金属含量的相关性整体较弱,表明Hg与其他几种元素来源不同,这种弱相关与国内许多研究结果基本一致[30-32];土壤中不同元素之间的相关性可以作为判别土壤中元素是否同源的重要依据,当两个元素间呈显著正相关时,认为二者有相似的来源[29]。仅用土壤元素的相关性分析不足以解释其来源,需结合其他方法进一步验证,如聚类分析:Cd、Hg和As聚为一类,说明这3种元素在稻田土壤中有相似的来源和相近的释放规律,其含量受人为源影响较大。研究表明,近30年来我国菜地Cd、Hg和As含量超出国家土壤环境质量标准[33],研究区作为重庆重要的水稻生产基地,长期施用肥料,结合平时的检测数据,发现过磷酸钙和磷肥中Cd、Hg、As等重金属含量明显偏高,因此化肥的不合理施用也是造成土壤中重金属元素污染的途径之一[34];Pb、Cr各为一类,可能主要源于成土过程,其含量受外源影响相对较小,但要注意有的点位检测值偏高,说明人为外源增加趋势十分明显。

重庆稻田土壤以无污染状态为主,也存在一定程度的轻微污染和中度污染,其主要污染元素为Cd、Hg。

重庆稻田土壤重金属污染主要受自然源影响,但人为外源增加趋势不容忽视,需要从源头控制污染源。在粮食主产区合理使用化肥农药等,减少过磷酸钙和磷肥中Cd、Hg、As在土壤中的富集。

猜你喜欢 平均值稻田重金属 平均值的一组新不等式武汉工程职业技术学院学报(2022年1期)2022-04-13稻田摸鱼记趣味(作文与阅读)(2021年5期)2021-08-19重金属对膨润土膨胀性的影响矿产综合利用(2020年1期)2020-07-24稻田里的写真作文大王·低年级(2019年2期)2019-01-23稻田里的稻草人创新作文(小学版)(2018年19期)2018-11-30测定不同产地宽筋藤中5种重金属中成药(2018年8期)2018-08-29稻田迷宫启蒙（3-7岁）(2018年8期)2018-08-13ICP-AES、ICP-MS测定水中重金属的对比研究当代化工研究(2016年6期)2016-03-20再生水回灌中DOM对重金属迁移与保留问题研究中国资源综合利用(2016年3期)2016-01-22平面图形中构造调和平均值几例中学数学杂志(高中版)(2014年2期)2014-05-26