基于al元素的農(nóng)田土壤重金屬基線值研究

基于al元素的農(nóng)田土壤重金屬基線值研究

為了給作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，耕地提供了必要的養(yǎng)分。如果表面土壤受到污染，直接影響農(nóng)業(yè)的質(zhì)量安全。現(xiàn)在，在一些地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量谷物種子中存在元素超標(biāo)現(xiàn)象。近年來(lái)，許多科學(xué)家越來(lái)越重視耕地質(zhì)量安全。自去年起，在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查辦公室的指導(dǎo)下，中國(guó)部分?。ㄊ校?shí)施了多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查，并獲得了大量表面土壤中54個(gè)元素的全面數(shù)據(jù)。多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查的目標(biāo)之一就是土地安全。土地安全元素含量必定存在一個(gè)界限值,超過(guò)該值,土地安全問(wèn)題就會(huì)受到挑戰(zhàn)。然而目前土壤界限值并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),1995年國(guó)家環(huán)保部頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》雖是國(guó)家強(qiáng)制的標(biāo)準(zhǔn),但一度被質(zhì)疑,目前土壤重金屬安全界限值基線值的確定成了關(guān)注的中心問(wèn)題成杭新、趙傳冬等已經(jīng)利用了《土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》作為該界限值對(duì)北方某些城市的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),李瑞敏等也曾利用土壤和籽實(shí)元素相關(guān)性置信區(qū)間來(lái)評(píng)判土壤安全問(wèn)題等等。標(biāo)準(zhǔn)化方法也是其中探索的方法之一,騰彥國(guó)、倪師軍等曾運(yùn)用該方法計(jì)算四川攀枝花和德興地區(qū)的土壤重金屬地球化學(xué)基線值取得很好的效果說(shuō)明該方法可行。本文試圖也利用標(biāo)準(zhǔn)化的方法確定土壤重金屬元素的基線值,隨后對(duì)浙江平湖農(nóng)田土壤重金屬元素進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),并進(jìn)一步分析該地區(qū)土壤作物的安全性問(wèn)題。平湖市地處長(zhǎng)江三角洲,位于浙江省東北邊沿,杭嘉湖平原東北部,南臨杭州灣,東北與上海市交界,西與嘉興市接壤,西南與海寧縣為鄰,西北與嘉善縣相接,縣境陸地東西寬30.6km,南北長(zhǎng)30.8km,面積541.59km2。全市下轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。境內(nèi)地形簡(jiǎn)單,地勢(shì)平坦,地面高程2.2~3.6m,平均2.8m,略向北傾斜,東南沿海稍高,北部略低,絕大部分為平原(西北部為河網(wǎng)沖積平原,東南部為濱海平原),約占陸地面積的92%,其余為丘陵。境內(nèi)河流縱橫,水網(wǎng)密布,屬太湖水系。平湖地處北亞熱帶南緣,屬季風(fēng)氣候區(qū),溫暖濕潤(rùn),四季分明,雨水充沛,年降雨量為1250mm。1材料和方法1.1土壤樣品采集2007年11月15日~30日采集浙江平湖(陸域面積約541.59km2)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)水稻田表層土壤,為反映真實(shí)的農(nóng)田土壤重金屬狀況,農(nóng)田采樣點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離水網(wǎng)和公路等人為活動(dòng)比較大的地方,采樣點(diǎn)處按S形圖形4點(diǎn)取樣,4個(gè)樣品組合成一個(gè)樣品的采樣方法隨機(jī)采集0~20cm表層水稻土土壤樣品36件,每件采集樣品原始重量超過(guò)1000g,重復(fù)取樣大于1500g。樣品采集均使用新鮮的布袋,采集后及時(shí)放在干凈處通風(fēng)干燥,采樣點(diǎn)位置GPS定位記錄。所有樣品干燥后及時(shí)送往中科院地球化學(xué)地球物理勘查研究所測(cè)試,測(cè)試元素包括As、Cd、Cr、Cu、Hg、Li、Ni、Pb、Y、Zn和Al2O3等11個(gè)指標(biāo),測(cè)試分析均按中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2005年9月頒布的《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求》進(jìn)行。1.2數(shù)據(jù)處理軟件土壤重金屬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用Sufer8.0和spss12.0.1軟件。2土壤重金屬元素的基線模型通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的方法可以求取表層土壤各重金屬元素的地球化學(xué)背景值。標(biāo)準(zhǔn)化方法的基本理論模型為:Cm=aCN+b式中:Cm為樣品中活性元素的測(cè)定濃度;CN為惰性元素的測(cè)定濃度;a、b為回歸常數(shù)。通過(guò)95%的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)后,得式中:Bm表示活性元素的基線值;表示惰性元素的平均含量(注:若惰性元素的頻度為正態(tài)分布,是算術(shù)平均含量值;若對(duì)數(shù)正態(tài)分布,為幾何平均含量值)。標(biāo)準(zhǔn)化方法的核心就是標(biāo)準(zhǔn)化元素(惰性元素)的選擇,目前國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)化元素主要有Al、Li、和Y等。Al標(biāo)準(zhǔn)化方法是被廣泛接受的減少粒徑效應(yīng)的方法之一,本文擬采用Al元素作為標(biāo)準(zhǔn)化元素。Al作為標(biāo)準(zhǔn)化元素與表層土壤各重金屬元素的基線模型見(jiàn)表1。重金屬元素Cr、Pb、Cu、Zn、Ni和As的基線值與國(guó)家土壤質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值相比差異不大,說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)化方法所求出的六種重金屬元素(Cr、Pb、Cu、Zn、Ni和As)基線值是可信的;而Cd和Hg元素的基線值與國(guó)家質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差距懸殊,如果按國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)值,平湖地區(qū)的所有農(nóng)田表層土壤Hg和Cd均屬于極強(qiáng)超標(biāo),但是事實(shí)可能并非如此。董巖翔、周國(guó)華等認(rèn)為嘉興市元素Cd和Hg土壤環(huán)境背景區(qū)間分別為93.81~198.13mg/kg,65.57~244.80mg/kg,而本方法計(jì)算的農(nóng)田土壤該重金屬元素的基線值與前者研究結(jié)果接近,作者也認(rèn)為此基線值也是可靠的,至于該值為何高,作者認(rèn)為可能與土壤沉積環(huán)境有關(guān),即該地區(qū)屬于高自然背景值區(qū),馬振東在研究長(zhǎng)江-漢江流域Cd高值帶時(shí)也認(rèn)為其為自然背景值區(qū)。由此浙江平湖地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn地球化學(xué)基線值分別為8.93,165.80,88.88,30.60,200.40,35.97,31.99和92.70mg/kg,若重金屬含量超過(guò)此界限值,則該土壤存在安全風(fēng)險(xiǎn)。3農(nóng)田土壤重金屬污染程度單因子指數(shù)法是國(guó)內(nèi)進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)普遍采用的方法,有許多人曾使用過(guò)該方法。該方法計(jì)算公式為Pi=Ci/Si式中:Pi為土壤中污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為土壤中重金屬的實(shí)測(cè)濃度;Si為土壤中重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值,這里采用標(biāo)準(zhǔn)化元素Al計(jì)算的地球化學(xué)基線值。Pi值越大,則表示污染越嚴(yán)重。Pi≤1表示未污染,1<Pi≤2表示輕污染,2<Pi≤3表示中污染,Pi>3表示嚴(yán)重污染。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。評(píng)價(jià)結(jié)果表明平湖農(nóng)田土壤均受到了不同程度的重金屬污染,污染的比例超過(guò)50%的元素有As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn,其中為58%的農(nóng)田土壤受As污染,53%受Cd污染,61%受Cr污染,61%受Cu污染,61%受Pb污染,64%受Ni污染和58%受Zn污染,受Hg污染的農(nóng)田土壤雖然沒(méi)有超過(guò)50%,但有6%土壤為中度Hg污染,平湖地區(qū)農(nóng)田土壤已經(jīng)受到重金屬污染,但污染程度不高。評(píng)價(jià)結(jié)果圖見(jiàn)下圖。圖示不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田土壤重金屬污染的程度是不同的,其中市政府、當(dāng)湖鎮(zhèn)和林埭鎮(zhèn)三采樣點(diǎn)處污染程度最嚴(yán)重,8種元素在這些地區(qū)均存在污染,這與它們位于平湖市市中心有必然的聯(lián)系,市中心地區(qū)工業(yè)和人口相對(duì)密集,必然加速了土壤重金屬污染的程度,呈現(xiàn)越接近市中心污染程度越嚴(yán)重的趨勢(shì);而乍浦地區(qū)污染程度最輕,除了存在輕微Pb和Cd污染外,其余均為本底值,這可能與乍浦地區(qū)位于杭州灣邊界,物質(zhì)循環(huán)相對(duì)頻繁有關(guān)系,而重金屬元素Pb的遷移途徑主要來(lái)源于大氣干濕沉降,周邊城鎮(zhèn)的大氣干濕沉降遷移同樣導(dǎo)致了乍浦地區(qū)農(nóng)田土壤Pb元素的增加;Cd污染有可能與表生土壤環(huán)境變遷有關(guān)系。那該地區(qū)農(nóng)田土壤是否清潔安全呢?目前比較普遍的測(cè)定方法是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值的重金屬綜合污染評(píng)價(jià)方法。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算浙江平湖地區(qū)農(nóng)田土壤的重金屬綜合污染值P綜合=1.89,屬于輕污染級(jí)別,說(shuō)明該區(qū)土壤作物已經(jīng)受到了污染,但污染級(jí)別不嚴(yán)重,該結(jié)果與楊忠芳、馬生明和成杭新等研究發(fā)現(xiàn)沿長(zhǎng)江流域農(nóng)作物籽實(shí)重金屬元素含量異常符合,在原采樣點(diǎn)處采集農(nóng)作物籽實(shí)樣品,測(cè)定結(jié)果與國(guó)家食品衛(wèi)生元素限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物籽實(shí)超標(biāo)元素為Pb和Cd,采集稻谷重金屬元素Pb平均含量為0.51mg/kg,Cd元素為0.29mg/kg,其中Pb的超標(biāo)較嚴(yán)重。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,該地區(qū)土壤重金屬已經(jīng)威脅到了農(nóng)產(chǎn)品的安全,需政府部門重點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量安全問(wèn)題,同時(shí)也需進(jìn)一步地開(kāi)展重金屬在土壤-水-籽實(shí)系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究。4土壤重金屬污染(1)以Al元素作為標(biāo)準(zhǔn)化元素得浙江平湖地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn基線值分別為8.93,165.8,88.88,30.6,200.4,35.97,31.99和92.7mg/kg,若重金屬含量超過(guò)此界限值,則該土壤存在安全風(fēng)險(xiǎn)。(2)用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬元素發(fā)現(xiàn)該地區(qū)表