北京山區(qū)不同類型灌區(qū)土壤重金屬含量的分布特征

北京山區(qū)不同類型灌區(qū)土壤重金屬含量的分布特征

0農(nóng)田污水田鹽污染合理利用城市污水灌溉耕地是緩解農(nóng)業(yè)水資源緊張、培肥農(nóng)業(yè)土壤和處理城市污水的重要措施。我國自1957年就開始了污水灌溉農(nóng)田的試驗研究,先后在淡水資源緊缺的北方城市如北京、天津、西安、撫順、石家莊、保定等城市的郊區(qū)建立了大規(guī)模的農(nóng)田污水灌區(qū)。研究表明,如果長期使用未經(jīng)處理的污水進行農(nóng)田灌溉,使污水中的重金屬元素在土壤中持續(xù)積累,可能會導致土壤重金屬污染。北京東郊的鳳港減河、北運河沿岸的農(nóng)田已有近50年的污灌歷史,其土壤中重金屬元素的積累與分布特征和土壤污染-農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量-人群健康狀況已成為社會關注的熱點。本文在結(jié)合前人研究成果的基礎上,通過實地調(diào)查與采樣分析,對北京東郊污灌區(qū)、清污混合灌區(qū)、清灌區(qū)土壤、河流沉積物中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、V、Zn的含量進行比較研究,以期揭示不同類型灌區(qū)土壤-農(nóng)作物重金屬污染的特征,為污灌區(qū)土壤污染防治與修復和健康風險評估提供參考。1材料和方法1.1研究區(qū)地表和水文環(huán)境條件研究區(qū)位于北京市通州區(qū)與河北省香河縣的交接區(qū)域,這里地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),年均氣溫約10.5℃,年降水量約620mm,降水多集中在夏秋季節(jié),冬春季降水稀少且多大風天氣;在地形上研究區(qū)屬于潮白河沖積平原,其地勢由北向南微傾斜,地表主要為潮白河攜帶的黃褐色或黃棕色沙壤質(zhì)和粉沙壤質(zhì)沉積物,在上述沉積物上發(fā)育了壤質(zhì)潮土、沙質(zhì)潮土和黏質(zhì)潮土,這些土壤環(huán)境背景值相對均一;在水文條件上研究區(qū)屬于鳳港減河、北運河、潮白河并行區(qū)域,其地表水和地下水資源豐富,但水質(zhì)差異顯著。潮白河沿岸及其以北平原區(qū)水質(zhì)良好,北運河沿途接納了北京城的大量污水,因此其水質(zhì)較差,鳳港減河屬于人工挖掘的排污河流,其水質(zhì)相對更差。研究區(qū)土地利用以灌溉農(nóng)業(yè)為主,種植冬小麥、夏玉米、棉花和蔬菜等,因灌溉水源的不同,鳳港減河、北運河西岸區(qū)域為污水灌溉區(qū),北運河與潮白河之間平原區(qū)為清污混合灌區(qū),潮白河東北岸區(qū)則為清水灌區(qū),如圖1所示。1.2樣品的采集和保存2007年夏季,結(jié)合遙感影像和地形圖,實地考察了研究區(qū)土地利用狀況,在遠離公路、集中連片的農(nóng)耕區(qū)域運用帶狀布點法采集土壤樣品,在鳳港減河、北運河沿岸的污灌區(qū)采集土壤樣品25份,在北運河與潮白河之間的清污混合灌區(qū)采集土壤樣品13份,在潮白河東北沿岸清水灌區(qū)采集土壤樣品9份;同時還采集了北運河和潮白河的河底沉積物10份(鳳港減河屬人工河僅采集1份沉積物樣品)。每個采樣點分別采集表土層(0~20cm)和心土層(20~40cm)樣品各1.5kg裝入樣品袋。所有土壤和沉積物樣品及時在實驗室內(nèi)風干、壓碎、過孔徑為2.00mm(20目)的尼龍篩;用四分法將上述樣品分成4份,兩份作為20目的土壤和沉積物樣品保存于樣品袋中;一份樣品研磨到全部過孔徑為0.25mm(60目)的尼龍篩,并裝入樣品袋中保存;余下的一份研磨到全部過孔徑為0.149mm(100目)的尼龍篩,并裝入樣品袋中保存。1.3有機質(zhì)含量與生物量稱取5.00g20目的風干土壤樣品,用電位法測定土壤pH值;稱取2.000g100目的風干土壤樣品,用氣量法測定土壤中CaCO3含量;稱取約0.2000g100目的風干土壤樣品準確到0.1mg,用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定土壤中有機質(zhì)含量。稱取約0.1000g100目風干土壤和沉積物樣品準確到0.1mg,運用高壓密閉HF、HNO3和HClO4分解法消解樣品,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES,ULTIMA,法國JY公司)測定樣品中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、V、Zn質(zhì)量比(即中國環(huán)境保護標準匯編2004—2006年中的土壤監(jiān)測等效方法)。在樣品消解過程中所用的試劑均為優(yōu)級純,并加入國家標準土壤樣品(GSS-1、GSS-2)進行分析質(zhì)量控制,各種重金屬元素的回收率均在國家標準參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi),其土壤樣品測定結(jié)果見表1,河流沉積物樣品測定結(jié)果見表2。2研究區(qū)表土層和清污混合類型土壤n、pn質(zhì)量比特征由表1可知,研究區(qū)表土層和心土層中有機質(zhì)質(zhì)量比均值分別為1.590g/kg和0.824g/kg,其標準差系數(shù)在43%~48%;表土層和心土層土壤的pH值(水土比為5∶1)平均值分別為8.30和8.44,標準差系數(shù)約4%;研究區(qū)表土層和心土層土壤中均含有CaCO3,且CaCO3在心土層有微弱的聚集現(xiàn)象。根據(jù)中國科學院土壤隊1961年的調(diào)查,潮白河在研究區(qū)河谷寬闊且淺平,至香河鎮(zhèn)便成為地上河,堆積了大面積均勻的沙質(zhì)沉積物,并發(fā)育了輕壤質(zhì)淺色草甸土。1960年密云水庫建成之后有效地控制了潮白河的洪澇災害和頻繁的泥沙堆積過程,自此研究區(qū)的輕壤質(zhì)淺色草甸土便在人類建設與農(nóng)耕活動影響下不斷熟化發(fā)育。在清水灌區(qū)、污水清水混合灌區(qū)和污水灌區(qū),表土層和心土層中Co質(zhì)量比平均值在16.25~17.77mg/kg之間,與研究區(qū)土壤Co背景值(15.4~20.0mg/kg)相當,高于全球黃土與粉粒沉積物發(fā)育土壤Co的背景值(11.0mg/kg),且各類樣品實測的Co質(zhì)量比變異系數(shù)均小于或等于20%;表土層和心土層中Ni質(zhì)量比平均值在28.40~32.78mg/kg之間,與研究區(qū)土壤Ni背景值(24.9~33.0mg/kg)相當,高于全球黃土與粉粒沉積物發(fā)育土壤Ni的背景值(17.0mg/kg),且各類樣品實測的Ni質(zhì)量比變異系數(shù)均小于或等于25%;表土層和心土層中V質(zhì)量比平均值在72.50~84.54mg/kg之間,與研究區(qū)土壤V背景值(76.8~96.0mg/kg)相當,低于全球黃土與粉粒沉積物發(fā)育土壤V的背景值(102.0mg/kg),且各類樣品實測的V質(zhì)量比變異系數(shù)均小于20%。污水灌區(qū)與清污混合灌區(qū)表土層和心土層中Mn質(zhì)量比平均值相當,兩者都高于清水灌區(qū),且均在研究區(qū)土壤Mn背景值范圍之內(nèi)。研究區(qū)表土層中Cr質(zhì)量比平均值表現(xiàn)為:污水灌區(qū)(84.20mg/kg)>清污混合灌區(qū)(72.94mg/kg)>清水灌區(qū)(65.45mg/kg);心土層Cr質(zhì)量比平均值也表現(xiàn)為:污水灌區(qū)(73.37mg/kg)>清污混合灌區(qū)(70.46mg/kg)>清水灌區(qū)(65.22mg/kg);在整個研究區(qū)表土層中Cr質(zhì)量比平均值大于心土層中Cr質(zhì)量比平均值,且表土層各類樣品實測的Cr質(zhì)量比變異系數(shù)均較大;只有污水灌溉區(qū)表土層中Cr質(zhì)量比平均值明顯地大于研究區(qū)土壤Cr背景值(57.3~73.9mg/kg),也顯著大于全球黃土與粉粒沉積物發(fā)育土壤Cr的背景值(55.0mg/kg),在污水灌區(qū)的25個樣點中有13個樣點表土層中Cr質(zhì)量比>75.0mg/kg。研究區(qū)表土層中Cu質(zhì)量比平均值表現(xiàn)為:污水灌區(qū)(25.67mg/kg)>清污混合灌區(qū)(24.37mg/kg)>清水灌區(qū)(22.26mg/kg),心土層Cu質(zhì)量比平均值也有類似的規(guī)律,且均與研究區(qū)土壤Cu背景值(20.7~27.3mg/kg)、全球黃土與粉粒沉積物發(fā)育土壤Cu的背景值(25.0mg/kg)相當,但是在污水灌區(qū)的25個樣點中已有7個樣點表土層中Cu質(zhì)量比大于27.5mg/kg。研究區(qū)表土層中Zn質(zhì)量比平均值表現(xiàn)為:污水灌區(qū)(105.20mg/kg)>清污混合灌區(qū)(98.36mg/kg)>清水灌區(qū)(88.89mg/kg);心土層Zn質(zhì)量比平均值也表現(xiàn)為:污水灌區(qū)(89.88mg/kg)>清污混合灌區(qū)(84.67mg/kg)>清水灌區(qū)(76.14mg/kg);在整個研究區(qū)表土層中Zn質(zhì)量比平均值大于心土層中Zn質(zhì)量比平均值,且表土層各類樣品實測的Zn質(zhì)量比變異系數(shù)均較大;只有在污水灌區(qū)和清污混合灌區(qū)的表土層中Zn質(zhì)量比平均值明顯地大于研究區(qū)土壤Zn背景值(67.3~88.5mg/kg),也顯著地大于全球黃土與粉粒沉積物發(fā)育土壤Zn的背景值(58.5mg/kg),在污水灌區(qū)的25個樣點中有20個樣點表土層中Zn質(zhì)量比大于88.5mg/kg,在清污混合灌區(qū)的13個樣點中有8個樣點表土層中Zn質(zhì)量比大于88.5mg/kg,這些結(jié)果與楊軍等2005年所測定的涼鳳灌區(qū)土壤中重金屬元素含量相吻合。進一步的統(tǒng)計分析表明,土壤中的有機質(zhì)含量與重金屬元素Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Zn含量呈顯著正相關(P<0.05),與V含量呈正相關,但相關性不顯著。這可能由于土壤中有機質(zhì)能與重金屬產(chǎn)生吸附作用,并且污水中有機質(zhì)含量偏高,重金屬大多以與有機質(zhì)吸附的方式隨污灌進入土壤等有關系。統(tǒng)計分析亦表明,土壤中碳酸鈣含量與各重金屬元素呈正相關,其中與Cu、Mn、Zn呈顯著正相關(P<0.05)。且從研究中可知,在污水灌區(qū)和清污混合灌區(qū),表土層中Cr、Cu、Zn含量明顯地高于心土層中Cr、Cu、Zn的含量,這表明在研究區(qū)堿性環(huán)境條件下,土壤中CaCO3和有機質(zhì)對這些重金屬具有一定的吸附和固結(jié)作用,從而降低了這些重金屬元素的活性。由表2可知,潮白河沉積物中Co、Cr、Cu、Mn、Ni和V含量的平均值均在研究區(qū)土壤各元素背景值的變化范圍之內(nèi),潮白河沉積物中Zn含量的平均值是研究區(qū)土壤Zn含量背景值的約1.5倍。北運河及鳳港減河沉積物Co、Mn和V含量的平均值均在研究區(qū)土壤各元素背景值的變化范圍之內(nèi);沉積物中Ni含量的平均值是研究區(qū)土壤Ni背景值的約1.5倍;沉積物中Cr含量的平均值是研究區(qū)土壤Cr背景值的約2.0倍;沉積物中Cu和Zn含量的平均值是研究區(qū)土壤Cu、Zn背景值的約6.0~7.0倍。與李蓮芳等的研究結(jié)果的相比,北運河沉積物中重金屬含量平均值顯著高于北運河上游溫榆河段沉積物中重金屬平均含量。3污水灌溉對土壤重金屬含量的影響1)與研究區(qū)土壤背景值相比,北京市東郊的鳳港減河、北運河、潮白河并行區(qū)域的污水灌區(qū)、清污混合灌區(qū)、清水灌區(qū)表土層和心土層中重金屬元素Co、Ni、Mn和V沒有出現(xiàn)明顯積累現(xiàn)象;污水灌區(qū)和清污混合灌區(qū)表土層中重金屬元素Cr、Cu和Zn有明顯的積累現(xiàn)象。參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995),污灌區(qū)和清污混合灌區(qū)土壤主體還維持在國家一級標準,個別地段的土壤達到了國家二級標準,因此其土壤暫可保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和維護人體健康,但如果繼續(xù)實行污水灌溉,會增加未來土壤遭受重金屬污染的風險。2)在污水灌區(qū)、清污混合灌區(qū)和清水灌區(qū),表土層與心土層Co、Mn、Ni和V含量無明顯差異,在受地下水及氧化還原過程影響的局部地段表土層與心土層中Mn含量則有差異,這表明無外界向研究區(qū)土壤中注入Co、Mn、Ni和V重金屬元素。在污水灌區(qū)和清污混合灌區(qū),表土層中Cr、Cu、Zn含量明顯高于心土層中Cr、Cu、Zn的含量,這表明研究區(qū)堿性的環(huán)境條件、土壤中CaCO3和有機質(zhì)對這些重金屬具有一定的吸附和固結(jié)作用,從而降低了這些重金屬元素的活性。3)潮白河沉積物中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、V和Zn含量均與研究區(qū)土壤背景值相當,北運河