长春市郊区基本农田防护区土壤重金属污染调查1)

曹秀春 孟庆繁 高红兵 高文韬 纪大勇

(北华大学，吉林，132013) (吉林省长春市警备区)

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重［1］。土壤又是环境要素的重要组成部分，它处于自然环境的中心位置，承担着环境中大约90%的来自各方面的污染物。而我国土壤—植物系统污染研究的主要污染物是重金属，因为重金属具有污染物的多源性、隐蔽性、一定程度上的长距离传输性和污染后果的严重性［2］。随着社会经济的不断繁荣，人们对农产品的质量要求越来越高。城市郊区农田土壤是一类比较特殊的自然地域，具有较强的开放性［3］。随着国民经济的快速发展和生活水平的不断提高，人们对农产品的营养卫生与安全提出了更高的要求，无公害农产品的生产已成为普遍关注的热点［4］。同时由于市区工业污染物和生活垃圾的大量输入以及长期使用农药、化肥、污水灌溉等，有可能导致金属元素的蓄积。因此，开展城郊土壤重金属污染的研究具有重要的现实意义。对长春市农田中土壤和作物进行评价，旨在为长春市绿色农业的发展提供科学的依据。

1 研究区域概况

长春市位于东北平原中部(124°18' ～127°02'E，43°05' ～45°15'N)是吉林省的省会城市。长春市辖6 区4 市，市区面积3 577 hm2，建成区面积137.35 km2，幅员面积20 571 km2。市区人口274 万人，常住人口713.5 万人。长春市介于东部山地湿润与西部平原半干旱区之间的过渡带，气候属温带大陆性半湿润季风气候类型，四季分明，年平均气温4.6℃，降水量为567 mm，蒸发量为1 000 mm。试验点位于长春市西北郊，宽城区兰家乡的蔡家村的农田防护区内。防护林为20 世纪七八十年代营造的杨树林，树高13 ～20 m。区内防护林网保存完整，林带间的距离为400 ～500 m，主要作物为玉米。

2 研究方法

2.1 采样点的布设

在农田防护区内，选择东西走向的防护林带作为试验林带，分别在防护林带的南北两侧0、50、100、150 m 处设置采样点，取样深度为0 ～20 cm，重复3 次。共获得24 个样品。取样时间为2003年3月。

2.2 样品的采集

用芯形采样器在设置好的采样点采集表层土壤。采样深度0 ～20 cm，取样量约1 kg。经处理后测定重金属Pb、Cd、Cu、Zn、Ni 和Cr 的含量，同时测定土壤pH。

2.3 样品的分析

采集的土壤样品按常规方法在室内自然风干。剔除植物残体及大小砾石，用木棒压碎，样品过100目尼龙筛。过筛后分装入自封口的塑料袋中，再放入干燥器中，以备使用。制备好的土壤样品经王水—高氯酸消解［5］，同时做一份空白试验。用WFX－1F2B2 型原子吸收分光光度计测定Pb、Cd、Cu、Zn、Ni 和Cr 含量。

按照中华人民共和国国家标准进行重金属元素的测定，同时依照中华人民共和国林业行业标准测定土壤的pH 值。具体的标准见表1。

表1 农田土壤检测项目及分析方法

2.4 土壤环境质量评价

目前，对农田土壤环境质量的评价多采用质量指数模型，其中最简单的一种质量指数模型为单因子指数质量模型。它是用污染指数表示土壤环境质量，用来对土壤环境作初步评价［4］。

2.4.1 单项污染指数法

(1)单项污染指数的公式:Pi=Ci/Si。式中:Pi为土壤单项污染指数;Ci为土壤污染物i 的实测浓度;Si为土壤污染物i 的评价标准。

(2)单项污染指数法分级标准:Pi≤1 为非污染，1 ＜Pi≤2 为轻污染，2 ＜Pi≤3 为中污染，Pi＞3为重污染。

(3)评价标准:土壤重金属污染评价采用国家颁布的GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中的Ⅱ类土壤评价标准，主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染［11］。根据pH 值的测定值，按照GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的二级标准进行评价，土壤环境质量指标见表2。

2.4.2 综合污染指数法

综合污染指数是在单项污染指数评价的基础上进行的土壤污染指数评价方法。

表2 土壤环境质量标准

(1)综合污染指数法公式:P = ［(Pijmax2+Pijave2)/2］1/2。式中:P 为第j 个监测点的质量综合指数;Pijmax为第j 个监测点i 污染物所有单项污染指数中的最大值;Pijave为第j 个监测点i 污染物所有单项污染指数的平均值。

(2)土壤质量分级标准:土壤质量分级标准见表3。

表3 土壤综合污染指数污染评价标准［12］

3 结果与分析

3.1 土壤重金属含量监测结果

对长春市郊区基本农田防护区土壤中的重金属元素Pb、Cd、Cu、Zn、Ni 和Cr 等的污染进行了调查分析与评价。通过分析测试，得到的土壤环境质量监测数据，见表4。

3.2 长春市城郊农田防护区土壤重金属污染评价结果

城郊土壤环境质量对城区人们的健康有重要影响。土壤重金属污染是当今社会关注的热点之一。调查与评价土壤环境中重金属污染状况，对提高土壤环境质量，保障人们的健康具有重要意义［4］。根据单项污染指数和综合污染指数的计算，长春市城郊农田中土壤重金属污染指数见表5。

从表4、表5可以看出:长春城郊基本农田防护区内的几种重金属的检出率均为100%，Pb 的平均值14.920 8 ～26.314 7 mg·kg－1，均未超过长春土壤背景值的平均值(49.97 mg·kg－1)，变异系数14.18% ～20.04%，变异不强。预示农田土壤可能未受到Pb 的点源污染。各试验点Pb 的单项污染指数为0.051 ～0.118，可见农田土壤未受到Pb 的污染。Cd 的平均值0.001 3 ～0.191 5 mg·kg－1，Cd 未查到长春土壤的背景值，但未超过长春市黑土和草甸土的背景值的范围［14］。Cd 的单项污染指数为0.288 ～0.893，说明农田土壤未受到Cd 的污染。Cu 的平均值为46.037 6 ～56.397 9 mg·kg－1，超过了长春的土壤背景值中Cu 的均值，但未超过最大值，说明土壤中Cu 的含量需引起注意。Cu 的单项污染指数为0.517 ～1.214，农田土壤在一定程度上受到Cu 的污染。Zn 的均值为101.887 4 ～139.281 2 mg·kg－1，部分已经超过了背景值的均值，但未超最大值。Zn的单项污染指数为0.433 ～0.803，虽有部分已经接近1，但均未超过1，说明农田土壤未受到Zn 的污染。Ni 的均值为30.892 7 ～38.736 2 mg·kg－1，均未超过背景值的均值。Ni 的单项污染指数为0.685 ～1.057，农田土壤受Ni 污染不明显。Cr 的均值为31.413 0 ～46.547 mg·kg－1。Cr 的含量未查到长春土壤的背景值，但未超过长春市黑土和草甸土的背景值的范围。Cr 的单项污染指数为0.177 ～0.338，表示农田土壤未受到Cr 的污染。

综合污染指数为0.575 ～0.962。综合污染指数均低于1，说明农田的土壤环境未受到重金属的污染，属于尚清洁的级别，比较适合粮食和蔬菜的种植。Cu 的单项污染指数均较高，蔡北和孟北各取样点的土壤重金属Cu 含量都达到轻污染的标准，达到轻污染水平50%。Ni 的单项污染指数也相对较高，个别的已达到轻污染的水平，有较大部分已经接近1，其中大于0.8 的比例达60%，近轻污染水平。单项污染指数的平均值的顺序为:Cu(0.906)＞Ni(0.836)＞Zn(0.604)＞Cd(0.538 ＞Cr(0.237)＞Pb(0.084)。从综合污染指数来看虽然都未超过警戒级，但也濒临污染的边缘，其中警戒级达80%。土壤中重金属Cu 和Ni 的来源可能是由人为因素(过量施用铜肥和含铜农药以及城市废物)引起的。随着农业现代化，特别是农业化学化水平的提高，大量化学肥料及农药撒落到环境中，土壤—植物系统遭受非点源污染的机会越来越多［15］。大气中的重金属主要来源于交通运输、冶金和建筑材料生产产生的粉尘。交通运输特别是汽车运输对大气和土壤造成严重污染。主要以Pb、Zn、Cd、Cr、Cu 等重金属污染为主，基本以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进入土壤［16］。普遍认为，Pb 主要来自汽车燃料的燃烧，Zn、Ni 源于汽车轮胎的老化和车体的磨损及冶金工业等［17］。同时研究表明:Pb 污染受冶炼厂、化工厂工业废气影响较为突出，尤其是冶炼厂排出的废气中Pb 的含量较高，工业废气中的Pb 随降尘沉降到地表进人土壤，使土壤中的Pb 含量异常升高［18］。因为土壤重金属污染具有难去除性，所以，在今后的生产和生活中，要注意生活垃圾的处理以及改用无铅汽油等措施，来预防土壤中重金属的污染。

表4 土壤重金属含量的统计值

3.3 重金属元素间及元素与距离、pH 值之间的相关分析

研究土壤重金属之间的含量相关性，可以推测重金属的来源是否相同。通常若元素间显著相关，说明它们出自同一来源可能性较大，这一来源既有可能出自天然，即地球化学来源，也有可能是人为活动造成的复合污染所致。长春市城郊路东蔬菜生产基地土壤重金属元素之间的相关关系见表6。从表6可以看出，在路东农田土壤中的重金属元素大多数含量与距离呈明显的负相关，说明随距离的增加重金属元素在土壤中的含量减少，而且Pb、Cd、Cu的负相关性大，说明随距公路距离的增加这3 种元素在农田土壤中的含量明显减少。Cr 元素与距离的相关性例外，这与各种重金属元素的来源有关。同时可以看出，pH 值与农田中各种重金属元素含量呈负相关。表中还显示Pb 与Cd、Cu、Zn、Ni 呈明显的正相关，说明随Pb 在土壤中的增加，Cd、Cu、Zn、Ni 等元素在土壤中也增加。Cd 元素与Cu、Zn、Ni也呈正相关;Cu 与Zn 也呈正相关，但相关程度相对较小。Cu 和Ni、Cr 呈负相关，但相关程度不大。Zn与Ni 的正相关程度较大。

表5 土壤重金属污染指数

表6 重金属元素间及与距离和pH 值的相关关系

有的学者将元素的联合作用分为协同、竞争、加和、屏蔽和独立等作用［18］。在重金属复合污染中，土壤理化性质、重金属浓度等因素不同，各元素的复合效应亦不同。Cd 与Zn 复合污染对水稻的生态效应的试验结果表明，土壤中Zn 的浓度不同，Cd、Zn 的联合作用亦不同，当土壤中Zn 含量为100 mg/kg 时，生物量因Cd 增加而增加，Cd 与Zn 之间存在协同效应;当锌含量为200 mg/kg 和400 mg/kg 时，生物量随镉增加而减少，镉与锌之间存在拮抗效应［19］。

4 结论与讨论

从土壤污染评价的单项污染指数来看，长春市西北郊蔡家村农田防护区内土壤中Cu 的单项污染指数较高，为0.516 91 ～1.214 37，部分已达到了轻污染水平，农田土壤在一定程度上受到Cu 的污染。Ni 的单项污染指数为0.685 ～1.057，部分接近了轻污染水平，农田土壤受Ni 污染不明显。其他几种元素未见污染。从综合污染指数来看，防护区内土壤的重金属污染水平均在警戒级以下，土壤状况属尚清洁;但警戒级达80%，在今后的生产、生活中要注意重金属的引入。单项污染指数与综合污染指数结合来看，基本农田防护区内的土壤环境质量良好，较适合粮食、蔬菜的种植。农田土壤中重金属各个元素之间、与距离之间的相关关系呈现以下规律:除铬外的其他元素均与距离呈明显负相关;各个元素之间，Pb 与Cd、Cu、Zn、Ni 呈明显的正相关。Cd 元素与Cu、Zn、Ni 也呈正相关;Cu 与Zn 也呈正相关，但相关程度相对较小。Cu 和Ni、Cr 呈负相关，但相关程度不大。Zn 与Ni 的正相关程度较大。

城市化过程中伴随大量含有重金属元素的工业“三废”、机动车废气和生活垃圾等污染物的排放，这些污染物直接或间接进入城市土壤，造成城市土壤的重金属污染［20］，而且重金属很难被生物降解，通过吞食、吸入和皮肤吸收等主要途径进入人体［21］，对人特别是儿童的健康造成危害［22－24］。汽车尾气排放、轮胎以及车辆镀金部分磨损或燃料及润滑油的泄漏都能释放出大量含Pb、Cd、Cu、Zn 等的有害气体和粉尘会影响路侧土壤重金属的含量［25－27］。据资料表明，各种汽油中Pb 含量为0.4～1.0 mg/kg，汽车排放的尾气中Pb 更多，达20 ～50 μg/L［28］，特别是在怠速状态下，每分钟随汽车尾气排向大气的Pb 和Ni 分别为0.571 和0.533 mg［29］，这些随汽车尾气排出的重金属颗粒物会飘散在空气中、沉积在路面灰尘和路侧土壤中。路东位于车流量较大地段，位于进入长春的主干道收费站的旁边，车辆行驶缓慢，刹车现象频发，废气排放加重，轮胎等磨损严重，势必产生大量的含重金属的废气和粉尘，加之汽车尾气和轮胎磨损产生的粉尘属于非点源污染，不断扩散会造成线状甚至面状污染。燃煤活动也会造成城市土壤重金属累积。煤炭中含有多种微量元素，尤其是一些潜在毒害元素，如Hg、Se、Pb、Cd、As、Zn、Sb 和Ti 等［30］。煤炭燃烧过程中相当部分重金属会随飞灰颗粒排放并很快沉降在释放源附近的土壤中，如不加以控制，土壤将难以自我净化，会对城市生态系统、环境及人体健康产生长期危害效应。由此可见，倡导使用绿色能源，例如大力提倡全面推行无铅汽油能源、已势在必行。目前，虽然有些学者与科学家提出了一些修复重金属污染的技术与方法，但空气中含有重金属的粉尘随空气流动飘落在农田土壤及作物上，同时由于重金属污染具有隐蔽性、稳定性等特点，土壤一旦受到污染，要清除污染物则是十分困难的。所以在今后的生产过程中，应注意对土壤的重金属的引入。采用适当的生产技术和合理的开发方案，使土壤污染及其危害降至最低限度。建全土壤的物质循环、缓冲、净化、能流功能和生物多样性整体功能是预防土壤污染的重要原则。土壤重金属污染的防治措施应从控制污染源、生物修复、化学治理、工程治理几个方面入手［1］，同时结合防护林的营造来改善生态环境，防护林在防风、温度、湿度、水文、净化空气等方面均产生良好的环境效益［31］。

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