蘭州市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

蘭州市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

作為食物和其他農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)區(qū)，耕地污染程度直接關(guān)系到人類健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生態(tài)安全。因此，耕地污染已成為當(dāng)前環(huán)境的焦點(diǎn)。由于其毒性，土壤重金屬不僅對(duì)人類的健康和環(huán)境有嚴(yán)重影響，而且對(duì)土壤生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品和水質(zhì)安全等方面也有直接影響。另一方面，重金屬通過(guò)土壤積累，直接影響土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，阻礙養(yǎng)分吸收，減少土壤微生物數(shù)量和活性細(xì)菌的數(shù)量。另一方面，土壤水分在滲透區(qū)的運(yùn)動(dòng)中進(jìn)入水體，水分進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)食物鏈被動(dòng)物和植物吸收，并以各種方式威脅人類健康。土壤中的重金屬主要來(lái)自地質(zhì)和土壤巖質(zhì)因素，但采礦生產(chǎn)和城市化廢物排放等因素會(huì)增加土壤重金屬的含量。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的污水、化肥、農(nóng)藥等不適當(dāng)?shù)氖褂每赡軙?huì)嚴(yán)重影響土壤重金屬的存在形式和含量?？紤]到我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重金屬污染的影響，通過(guò)本試驗(yàn)對(duì)蘭州周邊不同區(qū)域的耕地土壤進(jìn)行調(diào)查，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，評(píng)價(jià)蘭州耕地的重金屬污染，為蘭州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重金屬污染防治提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)對(duì)象農(nóng)田土壤種植情況蘭州市位于中國(guó)陸域版圖的幾何中心,轄城關(guān)、七里河、西固、安寧、紅古5區(qū)和永登縣、榆中縣、皋蘭縣3縣,全市總面積13085.6km2,處在東經(jīng)102°30′~104°30′,北緯35°5′~38°之間,平均海拔1670m.年降水量290~360mm,蒸發(fā)量1400mm,平均氣溫6.5℃,無(wú)霜期平均140d,為北溫帶半干旱大陸性半季風(fēng)氣候.本試驗(yàn)研究對(duì)象為蘭州地區(qū)農(nóng)田土壤,種植類型果樹(shù)類為梨、蘋果、桃、葡萄等,糧食作物主要有玉米、冬小麥、春小麥等,蔬菜類主要有菜花、辣椒、黃瓜、番茄、白菜、娃娃菜、甘藍(lán)等,以及其他油料作物如胡麻,經(jīng)濟(jì)作物如馬鈴薯、百合、白蘭瓜等.1.2研究區(qū)采樣點(diǎn)概況按照人口密度及綜合發(fā)展?fàn)顩r,將蘭州市所轄的三縣五區(qū)分為6類.根據(jù)農(nóng)田面積大小、區(qū)域地質(zhì)、土壤分布狀況及區(qū)域土地利用類型特征等因素,設(shè)置不同采樣點(diǎn):安寧區(qū)、城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)由于農(nóng)業(yè)面積相對(duì)較少及農(nóng)業(yè)狀況基本相同,劃分為市區(qū)一類,設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn);西固區(qū)為工業(yè)區(qū)(主要為石化產(chǎn)業(yè)),劃分為一類,設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn);皋蘭縣、榆中縣、永登縣、紅古區(qū)是主要農(nóng)業(yè)區(qū),各自劃分為一類,分別設(shè)置9個(gè)、9個(gè)、5個(gè)、5個(gè)采樣點(diǎn),共計(jì)42個(gè)采樣點(diǎn).采樣同時(shí),對(duì)樣點(diǎn)的環(huán)境狀況進(jìn)行記錄,如灌溉水源、工廠分布、作物類型、化肥與農(nóng)藥使用、土地利用強(qiáng)度及年限等.土壤采樣用梅花布點(diǎn)法,于每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置5~10個(gè)采集點(diǎn),在各個(gè)采集點(diǎn)等量取土,采樣深度為20cm,使混合后的土樣達(dá)到約2kg.用木鏟將混合后的土樣裝入塑料袋內(nèi),貼簽,帶回實(shí)驗(yàn)室備用.將采集的土樣剔除草根、玻璃、石塊等異物,晾攤在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)避光處自然風(fēng)干,按照四分法取樣約500g置于木盤中,用木棒碾碎,過(guò)2mm尼龍篩,棄去沙子、石塊等.將過(guò)2mm篩的土樣分取適量于瑪瑙研缽中研磨并過(guò)0.15mm尼龍篩,裝瓶貼簽.1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析采用電位法測(cè)定土壤pH值(水土比為2.5:1),采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解、電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定樣品重金屬砷、鉛、銅、鋅等的含量.數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析用Excel2003和SPSS(v17.0專業(yè)版)軟件進(jìn)行.用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)不同區(qū)域之間的差異性進(jìn)行顯著性分析,利用最小顯著性差異(LSD)多重比較方法,在95%的可靠性下對(duì)不同區(qū)域之間差異性進(jìn)行比較分析.1.4評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合土壤pH值,采用國(guó)家《土壤重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表1).1.5評(píng)估方法1.5.1pic為土壤蔬菜污染指數(shù)si單因子指數(shù)法是目前國(guó)內(nèi)通用的一種重金屬污染評(píng)價(jià)的方法,其計(jì)算公式為:Pi=Ci/Si式中,Pi為土壤(蔬菜)中污染物i的單因子污染指數(shù);Ci為土壤(蔬菜)中污染物i的實(shí)際測(cè)量濃度(mg·kg-1);Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度(mg·kg-1).當(dāng)Pi≤1時(shí),表示未污染;當(dāng)1<Pi≤2時(shí),表示輕度污染;當(dāng)2<Pi≤3時(shí),表示中度污染;當(dāng)Pi>3時(shí),表示重度污染.1.5.2最大污染物對(duì)土壤環(huán)境的影響內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法由于能全面、綜合地反映受多種重金屬污染的土壤污染狀況,同時(shí)也能突出最大污染物對(duì)土壤環(huán)境的影響(表2),而成為重金屬污染評(píng)價(jià)的重要方法之一.其計(jì)算公式為:P綜={[(Ci/Si)2max+(Ci/Si)2ave]/2}1/2式中,(Ci/Si)2max為土壤污染中污染指數(shù)最大值;(Ci/Si)2ave為土壤污染中污染指數(shù)的平均值.2土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)由表3可知,蘭州市各個(gè)采樣點(diǎn)農(nóng)田土壤pH值范圍為8.05~9.12,平均pH值大于7.5,符合國(guó)家二級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).不同縣區(qū)土壤pH變異程度較小,變異系數(shù)為0.02,且不同縣區(qū)差異不顯著(F=0.436,P=0.820).蘭州市農(nóng)田土壤砷含量分別為蘭州土壤背景值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.63和0.69倍,且不同農(nóng)田土壤砷含量有較大變異,變異系數(shù)為0.63.蘭州市農(nóng)田土壤鉛含量分別為蘭州土壤背景值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.70和0.11倍,同砷、銅、鋅相比,鉛在不同農(nóng)田中的含量存在最大變異,其變異系數(shù)為1.01.蘭州市農(nóng)田土壤銅含量分別為蘭州土壤背景值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.81和0.42倍,且各農(nóng)田土壤銅含量變異程度小,變異系數(shù)僅為0.16.與銅類似,蘭州市農(nóng)田土壤鋅含量變異程度較小,變異系數(shù)僅為0.15,平均含量為蘭州土壤背景值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.04和0.23倍.說(shuō)明蘭州市農(nóng)田土壤中,砷、鉛、銅、鋅含量均有不同程度的增加,但除砷有部分超標(biāo)以外,鉛、銅、鋅含量均未超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許量.對(duì)蘭州地區(qū)農(nóng)田平均土壤重金屬污染程度采用單因子污染評(píng)價(jià),通過(guò)42個(gè)采樣點(diǎn)的測(cè)定評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,蘭州市農(nóng)田土壤中,砷、鉛、銅、鋅均未達(dá)到污染水平(P砷=0.89,P鉛=0.47,P銅=0.42,P鋅=0.23),污染程度大小順序?yàn)锳s>Pb>Cu>Zn.2.1農(nóng)田土壤鉛、鋅污染特征通過(guò)對(duì)蘭州市6個(gè)地區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB15168-1995)及蘭州土壤背景值(表3),對(duì)砷、鉛、銅、鋅污染指數(shù)進(jìn)行方差分析與多重比較.2.1.1以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為參照評(píng)價(jià)由圖1可以看出,不同縣區(qū)間農(nóng)田土壤砷污染存在顯著差異(F=5.72,P=0.001).市區(qū)農(nóng)田土壤砷污染指數(shù)為1.50,顯著大于皋蘭縣、榆中縣、永登縣和紅古區(qū)等農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤,達(dá)到輕度污染等級(jí);其次為西固區(qū),污染指數(shù)為1.19,達(dá)到輕度污染等級(jí);皋蘭縣、榆中縣、永登縣、紅古區(qū)等農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤砷污染指數(shù)均小于1.總體來(lái)看,砷污染程度依次為:市區(qū)>西固區(qū)>皋蘭縣>永登縣>榆中縣>紅古區(qū).此外,除市區(qū)和永登縣外,土壤砷含量的變異程度較大(變異系數(shù)分別為皋蘭縣0.66,榆中縣0.27,永登縣0.14,紅古區(qū)0.53,西固區(qū)0.44,市區(qū)0.12),即皋蘭縣、紅古區(qū)、西固區(qū)等縣區(qū)平均砷污染指數(shù)整體尚未達(dá)到污染水平,但存在較高的樣點(diǎn)(最高砷污染指數(shù)分別為皋蘭縣1.86,榆中縣1.01,永登縣0.93,紅古區(qū)1.38,西固區(qū)1.54),具有不同程度的點(diǎn)源污染.由圖1可以看出,蘭州市各縣區(qū)農(nóng)田土壤鉛含量均未達(dá)到污染水平(P鉛<1),平均鉛污染指數(shù)為0.47.西固區(qū)農(nóng)田土壤鉛污染水平最高,為全市鉛平均污染指數(shù)的1.94倍,其次為皋蘭縣和紅古區(qū),污染指數(shù)分別為全市鉛平均污染指數(shù)的1.09和0.96倍.市區(qū)農(nóng)田土壤鉛污染指數(shù)最低(P鉛=0.23),其次為永登縣(P鉛=0.26)和榆中縣(P鉛=0.34).總體來(lái)看,不同縣區(qū)農(nóng)田土壤鉛污染程度存在顯著差異(F=2.50,P=0.048),污染程度依次為:西固區(qū)>皋蘭縣>紅古區(qū)>榆中縣>永登縣>市區(qū).由圖1可以看出,蘭州市各縣區(qū)農(nóng)田土壤銅污染水平存在顯著差異(F=3.91,P=0.006),污染指數(shù)呈現(xiàn)出農(nóng)業(yè)區(qū)(永登縣0.48,皋蘭縣0.44,榆中縣0.43,紅古區(qū)0.41)大于市區(qū)(0.35)和工業(yè)區(qū)(西固0.38)的特征,其中永登縣農(nóng)田土壤銅污染指數(shù)最高,顯著高于紅古區(qū)、西固區(qū)和市區(qū).總體來(lái)看,銅污染程度依次為:永登縣>皋蘭縣>榆中縣>紅古區(qū)>西固區(qū)>市區(qū),但蘭州各縣區(qū)農(nóng)田土壤銅污染(P銅=0.42)均小于1,即未受污染.由圖1可以看出,蘭州市各個(gè)地區(qū)農(nóng)田土壤鋅污染指數(shù)均小于1(分別為皋蘭縣0.23,榆中縣0.22,永登縣0.24,紅古區(qū)0.22,西固區(qū)0.24,市區(qū)0.25),說(shuō)明各個(gè)地區(qū)農(nóng)田土壤均未受到鋅污染,且變異程度較小,不同縣區(qū)不存在顯著差異(F=0.98,P=0.445),平均鋅含量和標(biāo)準(zhǔn)差分別為69.58和10.60mg·kg-1.2.1.2以蘭州土壤背景值為參照評(píng)價(jià)由圖2可以看出,蘭州市農(nóng)田土壤重金屬平均污染指數(shù)(用P*表示)均大于1,即被污染,污染程度依次為:P?銅銅*(1.81)>P?鉛鉛*(1.72)>P?砷砷*(1.67)>P?鋅鋅*(1.04).蘭州市各個(gè)縣區(qū)農(nóng)田土壤均受到銅的污染,除永登(P*銅=2.11)為中度污染以外,其余為輕度污染.蘭州市各縣區(qū)農(nóng)田土壤在市區(qū)(P*鉛=0.93)和永登縣(P*鉛=0.95)未受到鉛的污染,西固區(qū)(P*鉛=3.33)為重度污染,其余均為輕度污染.蘭州市各縣區(qū)農(nóng)田土壤中除榆中縣(P*砷=0.96)和紅古區(qū)(P*砷=0.95)未受砷的污染以外,其余地區(qū)均被污染,市區(qū)(P*砷=2.83)和西固區(qū)(P*砷=2.24)達(dá)到中度污染水平,皋蘭縣(P*砷=1.64)和永登縣(P*砷=1.41)為輕度污染.同其他3種重金屬相比,蘭州市各縣區(qū)農(nóng)田土壤鋅污染程度最低,其污染指數(shù)最小為0.96,最大為1.10.2.2土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)蘭州市各縣區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明(圖3),蘭州地區(qū)農(nóng)田總體土壤綜合污染指數(shù)為0.81,污染水平為警戒級(jí).在不同地區(qū),西固區(qū)(P綜=1.24)污染程度最嚴(yán)重,其次是市區(qū)(P綜=1.14),兩者均達(dá)到輕度污染水平;皋蘭縣綜合污染指數(shù)為0.77,達(dá)到警戒級(jí);榆中縣(P綜=0.50)、永登縣(P綜=0.61)、紅古區(qū)(P綜=0.57)污染指數(shù)均小于0.70,為安全級(jí).各縣區(qū)綜合污染程度依次為:西固區(qū)>市區(qū)>皋蘭縣>永登縣>紅古區(qū)>榆中縣.以蘭州土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),蘭州市農(nóng)田土壤重金屬的綜合污染指數(shù)均大于1.5,污染水平從輕度污染到重度污染,平均綜合污染指數(shù)為2.20,為中度污染.污染程度大小順序與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果相同,但污染程度不同,西固區(qū)為重度污染,市區(qū)、皋蘭縣為中度污染,其余縣區(qū)為輕度污染.分析結(jié)果表明,不論是以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(F=10.44,P=0.000)還是以蘭州土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)(F=3.91,P=0.006),不同縣區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)均存在顯著差異(P<0.05).多重比較顯示(圖3),在2種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下,西固區(qū)(工業(yè)區(qū))土壤污染程度均顯著(P<0.05)大于皋蘭縣、榆中縣、永登縣、紅古區(qū)等農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤重金屬不存在顯著差異(以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)則皋蘭縣與榆中縣存在顯著差異),說(shuō)明工業(yè)生產(chǎn)可增加農(nóng)田土壤重金屬含量.此外,以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,市區(qū)農(nóng)田污染程度顯著大于農(nóng)業(yè)區(qū),說(shuō)明城市社會(huì)活動(dòng)可增加土壤污染.2.3土壤污染指數(shù)由于對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤污染狀況單獨(dú)從縣區(qū)角度分析具有一定的籠統(tǒng)性.所以為了更準(zhǔn)確地反映研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全狀況,將市區(qū)及西固工業(yè)區(qū)劃分為非農(nóng)業(yè)區(qū),其余縣區(qū)為農(nóng)業(yè)區(qū),對(duì)污染狀況進(jìn)行分析(表4).分析結(jié)果表明,除銅以外,蘭州農(nóng)業(yè)區(qū)土壤污染指數(shù)均小于非農(nóng)業(yè)區(qū);污染等級(jí)除砷為警戒級(jí)以外,鉛、銅、鋅均為清潔級(jí);如果以蘭州土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),則各污染物均存在一定程度的積累,尤其是鉛的積累,無(wú)論在農(nóng)業(yè)區(qū)還是非農(nóng)業(yè)區(qū),其污染指數(shù)(以P*表示)均相對(duì)偏高.此外,從綜合污染狀況來(lái)看,蘭州農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤污染指數(shù)為0.69,污染等級(jí)為安全級(jí),非農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤污染相對(duì)嚴(yán)重,污染指數(shù)為1.26,達(dá)到輕度污染等級(jí).3蘭州農(nóng)田土壤重金屬污染特征分析從本次研究結(jié)果來(lái)看,蘭州地區(qū)農(nóng)田土壤砷、鉛、銅、鋅平均含量均未超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量,但與此前研究相比較,砷、鉛、銅有不同程度的增加,而鋅含量有下降的趨勢(shì).對(duì)比蘇勇功的研究發(fā)現(xiàn),蘭州農(nóng)田平均重金屬含量中,砷、鉛、銅分別增加了34.51%、36.11%、44.56%,而鋅含量下降了23.17%.砷含量增加主要發(fā)生在皋蘭縣和西固縣,增加量分別為5.94mg·kg-1和14.07mg·kg-1,紅古區(qū)則下降了3.07mg·kg-1;鉛的增加主要發(fā)生在皋蘭縣、紅古區(qū)、西固區(qū)3縣區(qū),增幅均超過(guò)了50%;銅含量在各個(gè)縣區(qū)均有較大的增加;鋅含量在各個(gè)縣區(qū)都下降,其中,榆中縣的土壤鋅含量下降最劇烈(-35.20mg·kg-1).結(jié)合調(diào)查信息發(fā)現(xiàn),隨著市場(chǎng)需求量的增加及對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求,研究區(qū)農(nóng)田(尤其是果樹(shù)、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物)對(duì)化肥和農(nóng)藥的使用量有明顯增加;此外,由于經(jīng)濟(jì)作物有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,從土地利用類型上看,農(nóng)田中經(jīng)濟(jì)作物種植面積有增加的趨勢(shì),同糧食作物相比較,經(jīng)濟(jì)作物對(duì)土地的利用強(qiáng)度更大,化肥農(nóng)藥等投入水平更高,這可能是造成蘭州農(nóng)田土壤重金屬積累的原因.本研究發(fā)現(xiàn),西固區(qū)農(nóng)田鉛污染具有較大的變異程度(變異系數(shù)為1.03).從樣點(diǎn)分布來(lái)看,位于工業(yè)區(qū)附近的3個(gè)樣點(diǎn)(張家臺(tái)及秀川)土壤鉛含量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)的其余樣點(diǎn).如果單獨(dú)對(duì)西固區(qū)遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行分析,鉛平均含量為21.36mg·kg-1,其污染指數(shù)僅為0.06(以GB15168-1995為標(biāo)準(zhǔn))和0.97(以蘭州土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)).據(jù)此推斷,西固區(qū)密集型工業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)附近農(nóng)田土壤鉛污染具有一定的作用.以國(guó)家《土壤重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB1516