北京山區(qū)土壤重金屬污染狀況評價

北京山區(qū)土壤重金屬污染狀況評價

土壤是一個復(fù)雜的歷史自然綜合體，其形狀和發(fā)展過程非常復(fù)雜。土壤屬性的空間分布特征是土壤污染治理、土地管理和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要依據(jù)之一。在自然情況下,土壤中重金屬主要來源于母巖和殘落的生物物質(zhì)。隨著城市化進(jìn)程及工業(yè)的迅速發(fā)展,礦山開采、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、污水灌溉、有機(jī)肥、化肥和農(nóng)藥施用等人類活動,均能直接或間接造成重金屬在農(nóng)田土壤中的累積。土壤中重金屬的富集可以形成環(huán)境污染,對動植物生長安全以及人體健康等構(gòu)成直接危害。隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的關(guān)注,產(chǎn)地環(huán)境主要污染因子的篩查與評價已成為關(guān)注和研究的熱點。陳同斌等對北京市土壤重金屬含量背景值進(jìn)行了系統(tǒng)研究,分析統(tǒng)計后提出了北京市土壤重金屬砷、鎘、鉻、銅、鎳、鉛和鋅的背景值,以此作為指導(dǎo)土壤重金屬污染監(jiān)測、評價與治理工作的基礎(chǔ)。北京地區(qū)表層土壤重金屬的多元地理統(tǒng)計分析已有相關(guān)報道。李曉秀等選取北京郊縣有代表性的45處基本農(nóng)田進(jìn)行取樣,分析了土壤中主要重金屬和農(nóng)藥殘留,對北京地區(qū)基本農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析與評價。區(qū)域尺度上,胡克林等在北京大興區(qū)布設(shè)70個樣點,測定了土壤中10種重金屬含量并采用地統(tǒng)計學(xué)方法分析了土壤重金屬含量的空間分布特征;付華等對北京南部地區(qū)包括通州、大興、豐臺和房山4區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤開展了重金屬分布特征與評價的研究。目前,關(guān)于北京順義區(qū)土壤中重金屬分析與評價還鮮有報道。本研究以北京順義區(qū)為研究對象,對土壤中砷、汞、鎘、鉻、銅、鉛和鋅重金屬元素含量進(jìn)行測定,并進(jìn)行重金屬分布特征分析,進(jìn)而按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。對于掌握該地區(qū)土壤重金屬含量和污染狀況,制定合理的重金屬控制標(biāo)準(zhǔn),適時調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)具有重要指導(dǎo)作用。1材料和方法1.1氣候條件及降水量順義位于北京東北部,城區(qū)距市中心30km,東西長45km,南北寬30km,總面積1021km2。地處燕山南麓,華北平原北端,屬潮白河沖積扇下段。平原面積占95.7%。地勢北高南低,北部山地最高點海拔637m,平均海拔35m。境內(nèi)有大小河流20余條,分屬北運河、潮白河、薊運河3個水系,河道總長232km。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)性氣候,年平均氣溫為11.5℃,年日照2750h,無霜期195d左右。年均相對濕度50%,年均降雨量約625mm,為華北地區(qū)降水量較均衡的地區(qū)之一,全年降水的75%集中在夏季。2004年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示農(nóng)業(yè)人口36.4萬人,全區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積6.36萬hm2,其中耕地3.35萬hm2,園地0.8萬hm2,林地1.1萬hm2,其他農(nóng)用地1.03萬hm2。1.2樣品前處理及測定土壤樣品于2009年10月采集。本次取樣采用GPS精確定位,樣點的布局和采樣點數(shù)根據(jù)田塊的利用方式和面積進(jìn)行確定,全區(qū)共布設(shè)了412個采樣點(圖1)。采樣點主要分布于水澆地(小麥,玉米)、果園、苗圃、菜地、設(shè)施農(nóng)業(yè)用地、林地以及荒地等田塊。每個樣點在直徑10m范圍內(nèi)選擇3~5個0~20cm耕層土壤混合,按四分法取分析樣品1.0kg。土壤在室內(nèi)風(fēng)干,磨碎,過100目尼龍網(wǎng)篩用來測定各重金屬元素(Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As、Hg)。樣品的混合、裝袋、研磨等前處理都采用木材、陶瓷或瑪瑙用具。土壤樣品土壤重金屬各項的分析測定按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法執(zhí)行。樣品測定采用20%樣品平行樣,并加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-1)作為質(zhì)量控制樣品,質(zhì)控樣品相對誤差小于10%。1.3單因子評價模型根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),選取重金屬Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As和Hg作為土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)。使用國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來評價研究區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量。單因子評價采用如下公式:式中:pi為第i種污染物的單因子指數(shù);Ci為第i種污染物的測定值;C1、C2、C3分別為國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級、二級和三級標(biāo)準(zhǔn)值。綜合土壤環(huán)境質(zhì)量評價采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法:式中:p為環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù);Pi為第i種污染物的單因子指數(shù);pimax為最嚴(yán)重污染物的單因子指數(shù)。這種方法的計算結(jié)果不僅考慮各種污染物的平均污染水平,也反映了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害。土壤環(huán)境質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。1.4處理數(shù)據(jù)所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS18.0和Excel2003進(jìn)行,土壤環(huán)境質(zhì)量等級分布圖的制作通過ArcGIS9.2完成。2結(jié)果與分析2.1重金屬含量分布情況研究區(qū)土壤重金屬基本參數(shù)統(tǒng)計描述如表2所示。結(jié)果表明,土壤樣本中As、Cd、Cr、Hg、Cu、Pb和Zn含量平均值分別為7.85、0.136、61.47、0.073、22.43、20.38mg·kg-1和69.75mg·kg-1,As、Cd、Cr、Cu和Zn含量平均值超過了北京地區(qū)環(huán)境背景值,但所有元素含量的平均值均未超出土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)。全區(qū)412份土壤樣品中,各重金屬元素含量超出土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)的比例為0.24%~10.19%,其中Cr和Pb超標(biāo)率最低,Cd超標(biāo)率最高。各重金屬元素含量最大值分別是最小值的2.88~122.5倍,Hg元素含量最大值與最小值差距最大,Cr元素含量最大值與最小值差距最小。研究區(qū)7種重金屬的變異系數(shù)在0.150~0.674范圍內(nèi),變異程度屬于中等。Cr元素變異程度最小,表明在整個研究區(qū)域其含量相對比較均一。土壤樣品中Hg元素變異程度最大,表明其受外界因子干擾尤其是人為活動影響最大。As含量在5~10mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的89.0%;Cd含量在0.05~0.20mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的87.6%;Cr含量在50~75mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的81.1%;Hg含量在0.02~0.10mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的75.5%;Cu含量在15~30mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的85.7%;Pb含量在15~30mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的81.6%;Zn含量在50~80mg·kg-1濃度范圍土壤樣本占到總體樣本的75.0%。Shapiro-Wilk非參數(shù)檢驗(P<0.05)表明,只有Cr元素呈正態(tài)分布,其他元素均不服從正態(tài)分布而呈正偏態(tài)分布,表明這些元素均出現(xiàn)升高值,這些含量值的升高來自自然富集積累或者來自人為活動。對各重金屬元素之間的線性關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性檢驗。在0.05和0.01顯著性水平,所有變量間皮爾遜相關(guān)系數(shù)如表3所示。As與Cd、Cr、Cu、Pb之間存在顯著正相關(guān)性,表明As和Cd、Cr、Cu、Pb之間緊密相關(guān);Zn與Cd、Cr、Cu之間存在顯著正相關(guān)性;Hg與Cd、Cu之間存在顯著正相關(guān)性。2.2土壤環(huán)境質(zhì)量研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)如表4所示。研究結(jié)果表明,研究區(qū)土壤中重金屬As、Cd、Cr、Hg、Cu、Pb和Zn單因子污染指數(shù)的平均值分別為0.524、0.662、0.683、0.468、0.636、0.582和0.694。按照土壤環(huán)境質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)均屬于“安全”等級。重金屬元素Cd和Hg單因子污染指數(shù)達(dá)到輕度污染水平的分別占總采樣點個數(shù)的10.19%和5.58%;重金屬元素Cr和Pb單因子污染指數(shù)達(dá)到輕度污染水平的占0.24%。按照單因子污染指數(shù)超出Ⅱ級水平的比例,研究區(qū)土壤重金屬由高到低排序為:Cd>Hg>Zn>Cu>As>Cr>Pb;處于Ⅰ級水平比例由高到低排序為:As>Hg>Pb>Cu>Cd>Zn>Cr。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)考慮最大值對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。研究區(qū)土壤環(huán)境內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)達(dá)到了0.745,達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級水平(“警戒線”級)。412份土壤樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)處于Ⅰ級水平的占總采樣點個數(shù)的43.45%,處于Ⅱ級水平的占51.70%,處于Ⅲ級水平的受到輕度污染的占4.85%。依據(jù)土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),采用軟件ArcGIS中反距離方法,對研究區(qū)域進(jìn)行插值,得到土壤環(huán)境質(zhì)量等級空間分布如圖2所示,圖中顏色越淺,土壤綜合污染指數(shù)越小,土壤環(huán)境質(zhì)量越好,反之,顏色越深,土壤環(huán)境質(zhì)量相對越差。研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量共分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級。其中Ⅰ級和Ⅱ級土壤占主導(dǎo),Ⅲ級土壤有零星分布。結(jié)果表明,研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量雖有一定程度的輕度污染,但總體質(zhì)量安全。應(yīng)嚴(yán)格控制人為因素引進(jìn)重金屬污染土壤,特別是Cd和Hg元素。2.3土壤環(huán)境質(zhì)量研究區(qū)不同土地利用類型土壤重金屬單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅指數(shù)如表5所示。結(jié)果表明,菜地、果園、荒地、林地、苗圃、設(shè)施農(nóng)業(yè)和水澆地的內(nèi)梅羅指數(shù)分別為0.809、0.765、0.720、0.669、0.781、0.786和0.729,表現(xiàn)為菜地>設(shè)施農(nóng)業(yè)>苗圃>果園>水澆地>荒地>林地。其中,菜地土壤內(nèi)梅羅指數(shù)最大,與其他土地利用類型相比,其土壤環(huán)境質(zhì)量較差,達(dá)到了土壤環(huán)境質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級,污染等級為“警戒線”級;林地土壤內(nèi)梅羅指數(shù)最小,其土壤環(huán)境質(zhì)量較好,處于土壤環(huán)境質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級,污染等級為“安全”級。菜地土壤內(nèi)梅羅指數(shù)變異系數(shù)最大,達(dá)到了0.207,變異程度屬中等。菜地土壤中Zn、Cd、Cu和Cr單因子指數(shù)較高;果園土壤中Zn和Cr單因子指數(shù)較高;設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中Zn和Cu單因子指數(shù)較高;其他土地利用類型土壤重金屬單因子指數(shù)平均值均小于0.7。苗圃土壤中Cd元素單因子指數(shù)變異系數(shù)最高,達(dá)到了中等變異水平;除苗圃土壤外,菜地、果園、荒地、林地和設(shè)施農(nóng)業(yè)用地土壤中Hg元素單因子指數(shù)變異系數(shù)最高,達(dá)到了中等變異水平。3北京市農(nóng)田土壤重金屬污染狀況ZhengYM等在整個北京地區(qū)采集土壤樣本700余份,對土壤重金屬元素進(jìn)行了分析測定,本研究結(jié)果中除Cr元素外,其他元素平均值與其沒有明顯差異。本研究中Cr元素含量平均值為61.47mg·kg-1與文獻(xiàn)報道的Cr含量平均值68.10mg·kg-1相近,遠(yuǎn)高于陳同斌等的研究結(jié)果(29.80mg·kg-1)。這可能與采樣點位置有一定關(guān)系,陳同斌等主要是針對土壤重金屬背景值的研究,采樣點主要分布在林地與荒地等受人為因素干擾較小地區(qū)。另外,研究區(qū)Cr元素變異程度最小,在整個區(qū)域其含量相對比較均一,統(tǒng)計檢驗顯示呈正態(tài)分布,表明受人為干擾或自然累積而導(dǎo)致Cr元素含量升高的可能性較小?；谝陨戏治?作者認(rèn)為對于北京地區(qū)Cr背景值需要進(jìn)一步探討。土壤中Cd和Hg元素單因子指數(shù)達(dá)到“輕度污染級”的比例最大,表明Cd和Hg在該地區(qū)表現(xiàn)出明顯的污染特征。土壤中Hg來源主要包括4個途徑:母巖;大氣Hg的干濕沉降;污水灌溉和污泥利用;農(nóng)藥和化肥中的Hg。Chen等研究了北京市土壤中的Hg含量,認(rèn)為大氣擴(kuò)散是北京周邊土壤中Hg的主要來源。Nicholoson等通過收集重金屬在土壤中的累積和工農(nóng)業(yè)重金屬的排放信息,調(diào)查分析了英格蘭和威爾士的農(nóng)田土壤中重金屬來源,Cd更多的來源于無機(jī)肥料。據(jù)估計,在人類活動對土壤Cd的貢獻(xiàn)中,磷肥施用占54%~58%。研究區(qū)不同農(nóng)業(yè)利用方式條件下土壤重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)表現(xiàn)為菜地>設(shè)施農(nóng)業(yè)>苗圃>果園>水澆地>荒地>林地。以上結(jié)果與白玲玉等對吉林省四平市部分區(qū)域不同農(nóng)業(yè)利用方式條件下土壤重金屬累積的研究結(jié)果相似。土地利用方式對土壤中重金屬累積具有明顯影響,不同重金屬在不同種植方式下累積效應(yīng)不盡相同。北京地區(qū)土壤中Cd平均含量由高到低依次為:菜地>稻田>果園>自然土壤>麥地>綠化地;Pb為:綠化地>果園>菜地>稻田>自然土壤>麥地;As為:稻田>綠化地>菜地>果園>麥地>自然土壤。沈根祥等以20世紀(jì)80年代初普查的上海市農(nóng)田土壤重金屬背景值為依據(jù),分析了20年來上海菜地土壤中重金屬污染累積狀況,表明Cd、Hg和Zn在上海菜地土壤中累積效應(yīng)顯著。研究區(qū)水澆地和荒地相對受人為干擾因素影響較小,土壤重金屬污染較小;菜地和設(shè)施農(nóng)業(yè)用地作為集約化程度高,農(nóng)業(yè)投入品較多,人為影響較大的農(nóng)業(yè)利用方式,外源重金屬污染物累積的風(fēng)險較大。對于農(nóng)業(yè)用地中受重金屬污染的地區(qū)要根據(jù)污染程度,適當(dāng)調(diào)整種植結(jié)構(gòu),避免危害人類健康。另外,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)避免施用重金屬含量較高的化肥、有機(jī)肥和農(nóng)藥,而施用重金屬含量低的優(yōu)質(zhì)農(nóng)用物資,以減少重金屬在土壤中的累積,最大限度地延長集約化利用土地的健康使用年限。4土壤環(huán)境質(zhì)量對北京市順義區(qū)土壤進(jìn)行區(qū)域布點采樣,共采集土壤表層樣本412份。對土壤中重金屬元素Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As、Hg進(jìn)行分析,其中As、Cd、Cr、Cu和Zn含量平均值超過了北京地區(qū)環(huán)境背景值,但所有元素含量的平均值均未超出土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)。研究區(qū)土壤中Cr元素含量呈正態(tài)分布,其他元素呈正偏態(tài)分布。土壤各元素單因子污染指數(shù)表現(xiàn)