污水灌溉對土壤重金屬含量的影響研究石家莊污灌區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價

污水灌溉對土壤重金屬含量的影響研究石家莊污灌區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價

土壤污染已成為中國面臨的主要環(huán)境問題之一。土壤重金屬含量的測定和土壤環(huán)境的質量評價已成為環(huán)境科學的一個重要研究領域。城市污水作為一種重要的資源用于農業(yè)灌溉在我國乃至世界都有著悠久的歷史。污水灌溉中水肥資源得到充分利用,但長期污灌容易引起污染物的累積,尤其是重金屬,當其積累量超過土壤的環(huán)境容量時,可通過食物鏈對人類健康造成潛在威脅。國內外已有研究表明,如果長期使用未經處理的污水進行農田灌溉,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。土壤污染進而造成農作物中重金屬累積污染,長期食用受污染的農作物則會對人體的健康造成威脅,農田土壤重金屬污染已經成為社會熱點之一。石家莊市污水灌溉區(qū)是中國污灌歷史較長的污灌區(qū)之一,長期污灌已使土壤的性質發(fā)生了較大變化。因此,開展石家莊污灌區(qū)土壤環(huán)境質量的評價,對于保護土壤環(huán)境質量和糧食安全具有重要的意義。本文在石家莊地區(qū)多目標地球化學調查的基礎上,以石家莊污灌區(qū)為研究對象,對污灌區(qū)表層土壤中的重金屬元素Pb、Hg、Cr、Cd、As、Cu、Zn的污染狀況進行了評價,以為當?shù)氐霓r業(yè)規(guī)劃、環(huán)境治理等提供科學的地球化學資料和依據(jù)。1污水、農田、污水田灌石家莊污灌區(qū)地處河北省中南部,位于東經113°30′~115°20′,北緯37°27′~38°47′。研究區(qū)屬于太行山東麓山前平原的滹沱河沖積扇,區(qū)內年平均氣溫13℃,為溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候,四季分明,雨量集中,干濕期明顯,夏冬季長,春秋季短。年平均降水量為493mm,年平均蒸發(fā)量為1972mm。區(qū)內土壤類型主要為潮褐土和石灰性褐土。其中,主要為壤質沖洪積潮褐土,欒城間或分布有粘層粘壤質沖洪積潮褐土,趙縣間或有砂壤質洪沖積潮褐土、粘層粘壤質沖洪積潮褐土分布。石家莊地區(qū)利用污水進行農田灌溉始于1950年,起初僅在郊區(qū)灌溉,1956年欒城縣近郊開始灌溉,到1972年已發(fā)展到正定、欒城和郊區(qū)等地,1978年趙縣開始引進洨河污水進行農田灌溉。擔負著排污及農田污灌的水系為東明渠和洨河,其污水主要來源于石家莊市區(qū)、欒城縣、趙縣城鎮(zhèn)生活工業(yè)混合污水、欒城縣竇嫗工業(yè)區(qū)污水、縣城醫(yī)藥基地污水以及石家莊市煉油廠污水等,污水類型為城市工業(yè)和生活混合污水。石家莊地區(qū)進行污水灌溉面積較大,1982年第一次全國灌溉普查時,石家莊地區(qū)污灌面積為1.70萬公頃,隨著人們對污灌危害的認識,從1981年起,石家莊市郊開始改污灌為井灌,近幾年來,隨著城市規(guī)模不斷擴大,郊區(qū)一些老污灌區(qū)已改為城建用地,石家莊地區(qū)污灌區(qū)在北部逐漸縮小,同時在南部又開辟出新的污灌區(qū)。目前,石家莊市污水總排放量為25620t/a,工業(yè)廢水所占比例為50%,整個污灌區(qū)屬城市混合污水型。污灌方式分為兩種,純污灌面積為9922公頃,占總面積92%;污清混灌面積為800公頃,占總面積的7.5%。全年總污灌水量為6692萬噸,灌溉用污水量占總灌溉用水量的97.2%,污水利用率為25.4%。2樣品采集與測定本次研究以石家莊污水灌溉區(qū)為研究區(qū)域,在石家莊地區(qū)多目標地球化學調查取樣的基礎上(采樣密度為1個樣/km2,采樣深度0~20cm,4個土壤樣品組成1個分析樣,即表層土壤每4km2一個分析樣,共計66個),在東明渠、洨河段選取上、中、下游3個剖面,土壤樣品采集深度為0~20cm。其中在上游剖面(Ⅰ)采集8個土壤樣品、中游剖面(Ⅱ)采集15個土壤樣品、下游剖面(Ⅲ)采集6個土壤樣品。采樣示意圖見圖1。┣┣(中)圖題┫┫圖1-14-16.02.TIF;%97%97;S*2圖1石家莊市污灌區(qū)樣點分布圖Fig.1Mapshowingthedistriutionofsoilsinsewaged?￣irrigationareasofShijiazhuangCity土壤樣品采集1kg左右,裝在干凈的布袋中貼好標簽,進行自然風干。樣品過篩前用木槌輕輕敲打,以便使土壤樣品保持自然粒級狀態(tài)。樣品用尼龍篩,截取小于0.8mm(20目)粒級組分500g裝瓶。土壤樣品中重金屬全量和形態(tài)的具體分析由國土資源部保定礦產資源監(jiān)督檢測中心承擔,嚴格按照多目標地球化學規(guī)程和生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求(試行)進行。全量分析方法為:采用離子體原子發(fā)射光譜法(ICP?￣OES)測定Cr、Cu、Pb、Zn等4種重金屬全量,Cd采用石墨爐火焰法測定,Hg采用王水消解,冷原子吸收法測定,As采用硫酸一硝酸消解,二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測定。所有測定均由空白樣和加標回收樣進行質量控制。3尼梅羅綜合指數(shù)法土壤中重金屬元素污染的評價方法很多,不同的評價方法側重點不同,目前使用較多的評價方法主要有指數(shù)法:包括單因子指數(shù)法和尼梅羅綜合指數(shù)法(多因子綜合指數(shù)法)、污染負荷指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、環(huán)境風險指數(shù)法。其中,單因子指數(shù)法和尼梅羅綜合指數(shù)法是國內評價土壤、水、大氣和河流沉積物重金屬污染的常用方法。該方法具有計算簡單、公式意義明確、在GIS平臺上易于實現(xiàn)等特點。單因子指數(shù)法計算公式如下:Pi=CiSΡi=CiS式中,Pi為污染物單因子指數(shù),Ci為重金屬元素實測濃度,S為污染物評價標準或背景值。從單因子指數(shù)法的計算公式可以看出,該方法僅能對某一種重金屬元素污染的進行評價,而土壤污染往往是多個重金屬元素復合污染導致的,因此該方法不能全面的、綜合反映土壤的污染程度。因此評價區(qū)域內土壤中多種重金屬元素的污染時,需要將單因子污染指數(shù)按一定的方法綜合起來進行評價,該方法即尼梅羅綜合指數(shù)法。尼梅羅綜合指數(shù)法計算公式如下:I=P2i最大+(1n∑Pi)22???????????√Ι=Ρi最大2+(1n∑Ρi)22式中,I為尼梅羅綜合污染指數(shù),Pi為土壤中i元素單因子指數(shù),Pi最大為所有重金屬元素污染指數(shù)中的最大值。尼梅羅綜合污染指數(shù)的計算公式中含有評價參數(shù)中最大的單項污染分布指數(shù),突出了污染指數(shù)最大的重金屬元素對土壤環(huán)境質量的影響和作用。一般而言,底層土壤與農作物中重金屬含量的相關性不明顯,本文主要討論耕層土壤的重金屬含量,因此利用土壤元素背景值作為評價標準,土壤背景值是指未受人為影響的土壤中某種物質的自然含量。以土壤背景值作為評價標準,即可反映土壤中各元素相對于土壤背景值的超標情況,又能看出近年來的人為活動對土壤環(huán)境的影響。本研究所用的重金屬的背景值是參考中國環(huán)境監(jiān)測總站主編的《中國土壤元素背景值》見表1。首先利用單項污染指數(shù),對各元素的污染程度加以分析,然后再利用綜合污染指數(shù)進行土壤重金屬污染等級劃分,進一步評價分析從而判斷土壤綜合污染程度。土壤綜合評價等級劃分標準見表2。4結果與分析4.1重金屬的分布及富集特征由于土壤重金屬污染的非均勻性,采用平均值、變幅、標準差、變異系數(shù)以及富集系數(shù)等6個統(tǒng)計指標進行統(tǒng)計分析,研究區(qū)95個土壤表層樣品重金屬含量測定結果見表3。表3數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)土壤樣品重金屬的平均含量分別為:Pb為25.01mg·kg-1,Hg為0.080mg·kg-1,Cr為96.85mg·kg-1,Cd為0.30mg·kg-1,As為9.65mg·kg-1,Cu為26.24mg·kg-1,Zn為97.69mg·kg-1;變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點的平均變異程度,該區(qū)域Cd的變異系數(shù)最大,達到130%,As的變異系數(shù)最小為12.75%,平均變異系數(shù)由大到小的順序為:Cd、Zn、Hg、Cr、Pb、Cu、As,重金屬含量變異系數(shù)大致呈現(xiàn)三個層次,Cd、Zn、Hg和Cr四個元素的變異系數(shù)在50%以上,Pb和Cu含量的變異系數(shù)在20%~40%之間,只有As含量的變異系數(shù)小于20%,表明了在不同地點的Cd、Zn、Hg和Cr含量有較大的差異,各采樣點As含量分布比較集中;研究區(qū)表層土壤中的重金屬(除As外)在污灌區(qū)均有不同程度的富集,其富集系數(shù)分別為:Pb為1.16,Hg為2.22,Cr為1.42,Cd為3.19,As為0.71,Cu為1.20,Zn為1.25。農田土壤中重金屬的來源除受成土母質的影響外,主要受化肥農藥施用、大氣沉降和污水灌溉等人類活動的影響。石家莊污灌區(qū)有多年利用污水灌溉的歷史,再加上隨著工農業(yè)的發(fā)展,工廠排污量增大,農業(yè)中大量的農藥、化肥的使用等因素,可能導致了研究區(qū)表層土壤中重金屬的高含量。4.2研究區(qū)表層土壤重金屬污染情況以相關元素背景值為評價參照標準,計算研究區(qū)域95個樣點表層土壤七種重金屬的單因子污染指數(shù)值和綜合污染指數(shù)值,分析結果見表4。從表4可以看出,研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)值由大到小順序為:Cd3.16、Hg2.22、Cr1.42、Zn1.25、Cu1.20、Pb1.16、As0.71;土壤樣品中不同重金屬單因子指數(shù)值變異系數(shù)規(guī)律與重金屬含量規(guī)律基本相同;綜合污染指數(shù)最小值為0.85,最大值達28.61,平均值為2.63,變異系數(shù)達110.27%,說明研究區(qū)域樣點重金屬綜合污染指數(shù)值的平均變異程度很大。從以上結果可以看出Cd、Hg的污染較為嚴重,其中Cd最為嚴重,為主要污染因子,研究區(qū)30.53%的樣品中Cd的含量超過了土壤背景值的3倍,最高單因子污染指數(shù)達38.94,Hg含量超過土壤背景值3倍的土壤樣品為13.68%,為次污染因子,最高單因子污染指數(shù)達13.58;其次為Cu、Cr、Pb,單因子指數(shù)值在1和2之間的值分別占到總樣點數(shù)的92.64%、90.53%、78.95%,基本上為輕度污染;Zn有33.68%土壤仍處于尚清潔狀態(tài),63.15%的土壤樣品為輕度污染;As的單項污染指數(shù)平均水平最小,超過1的樣點只有2個,僅占樣本數(shù)的2.10%,其余均在1以下遠低于背景值,可以看出As可能存在點源污染,污染等級處于安全,土壤為清潔狀態(tài)。盡管大多數(shù)重金屬達到輕度污染水平,但是因為Cd、Hg的極高貢獻率使得綜合污染指數(shù)值達到很高的污染水平,可以看出采樣點污染綜合指數(shù)基本上都超過1,說明各樣點均有不同程度的污染,從綜合污染指數(shù)統(tǒng)計看出輕污染的占樣點數(shù)的43.16%,中度污染的為33.68%,嚴重污染的為22.11%,中度污染及嚴重污染的將近占總數(shù)的一半以上?？死锔癫逯捣ㄊ菍^(qū)域變量進行無偏最佳估值的一種可靠方法,采用軟件MapGIS中泛克里格方法(UniversalKriging),對研究區(qū)域土壤重金屬單因子指數(shù)值和內梅羅綜合指數(shù)進行插值,并按照污染評價指數(shù)等級進行重新分類,結果如圖2所示。從圖2可以看出,研究區(qū)表層土壤中重金屬Pb、Cu的污染分布相似,基本都是處于輕度污染,只是在趙縣縣城西南出現(xiàn)小部分的中度污染,這可能與趙縣城鎮(zhèn)的工業(yè)生產、生活工業(yè)混合污水的排放有關;土壤中重金屬Cr在研究區(qū)基本都處于輕度污染,在東明渠和洨河交匯處有大約6%的中度污染,形成污染濃集中心,其形成原因可能與石家莊市區(qū)生活工業(yè)混合污水、欒城縣竇嫗工業(yè)區(qū)污水排放灌溉土壤所致;土壤中重金屬Zn在研究區(qū)有三分之二的土壤處于輕度污染及以上,其在欒城縣城西北、趙縣縣城西南形成兩個污染濃集中心,其形成的原因可能與欒城縣城鎮(zhèn)生活工業(yè)混合污水、欒城縣城醫(yī)藥基地污水排放、趙縣縣城城鎮(zhèn)生活工業(yè)污水排放有關;全區(qū)As的指數(shù)值除靠近趙縣縣城的2個樣點超出1以外,其余均在1以下,遠低于背景值,As可能存在點源污染,即由于城市附近某些工廠的排放的“三廢”,致使土壤中近郊As的含量有所提高;研究區(qū)土壤中Hg90%都處于輕度污染及以上,中度污染達到了41.05%,重度污染達到了13.68%,在趙縣縣城西南及石家莊市郊形成兩個重度污染區(qū),其形成原因可能與工業(yè)活動中燃煤的大量的Hg揮發(fā),最終以大氣沉降的形式污染土壤有關;研究區(qū)土壤中Cd基本都處于輕度污染及以上,中度污染達到了33%,重度污染達到了30.53%,在沿東明渠和洨河兩岸形成了眾多的嚴重污染區(qū),其形成原因可能與石家莊市區(qū)、欒城縣、趙縣城鎮(zhèn)生活工業(yè)混合污水、欒城縣竇嫗工業(yè)區(qū)污水、縣城醫(yī)藥基地污水及位于藳城市境內石家莊市煉油廠污水排放灌溉土壤有關。同樣由于Cd的單因子指數(shù)極高貢獻率和Hg的單因子指數(shù)較高貢獻率,使得全區(qū)綜合污染指數(shù)基本都超出背景值,達到輕污染以上的程度,形成以東明渠、洨河主河道為中心逐漸向兩邊遞減的污染分布狀態(tài),中度污染及嚴重污染將近占研究區(qū)總面積的一半以上。5研究區(qū)土壤重金屬污染總體情況(1)研究區(qū)土壤重金屬的平均含量分別為:Pb為25.01mg·kg-1,Hg為0.080mg·kg-1,Cr為96.85mg·kg-1,Cd為0.30mg·kg-1,As為9.65mg·kg-1,Cu為26.24mg·kg-1,Zn為97.69mg·kg-1;平均變異系數(shù)由大到小的順序為:Cd、Zn、Hg、Cr、Pb、Cu、As,其中該區(qū)域Cd的變異系數(shù)最大,達到130%,As的變異系數(shù)最小為12.75%;研究區(qū)表層土壤中的重金屬(除As外)在污灌區(qū)均有不同程度的富集,其富集系數(shù)分別為:Pb為1.16,Hg為2.22,Cr為1.42,Cd為3.19,As為0.71,Cu為1.20,Zn為1.25。(2)研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)值由大到小順序為:Cd、Hg、Cr、Zn、Cu、Pb、As;其中Cd主要污染因子,研究區(qū)30.53%的樣品中Cd的含量超過了土壤背景值的3倍,最高單因子污染指數(shù)達38.94,Hg為次污染因子,含量超過土壤背景值3倍的土壤樣品為13.68%,最高單因子污染指數(shù)達13