大寨海绵田土壤重金属污染评价

张静静， 张永清， 张 华， 张文娟

(山西师范大学 地理科学学院， 山西 临汾 041004)



大寨海绵田土壤重金属污染评价

张静静， 张永清*， 张 华， 张文娟

(山西师范大学 地理科学学院， 山西 临汾 041004)

为全面了解大寨海绵田土壤重金属污染状况，对该区土壤Zn、Cr、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg含量进行了检测，并分别以山西土壤环境背景值和国家土壤环境质量的二级标准为参照，选用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤进行污染评估。结果表明：大寨海绵田土壤中8种重金属的平均值和最大值均没有超过国家土壤环境质量的二级标准，但As、Hg、Ni、Pb元素超过了山西土壤环境质量标准；以山西土壤环境背景值为参照，研究区土壤受到As、Hg、Pb的轻度污染，Cu、Ni、Zn、Cd的污染指数也在警戒线上。各重金属潜在生态危害系数表现为Hg﹥Cd﹥As﹥Pb﹥Ni﹥Cu﹥Zn﹥Cr。土壤环境总体存在轻度危害风险。相关分析结果表明，Cr、Ni、Zn、Cu、Cd和As可能是同源或伴生关系，Hg与其他重金属元素不相关。大寨海绵田中污染较重的重金属元素与农业施肥、旅游交通、建筑施工、日常生活和生产活动密切相关。

大寨海绵田； 土壤； 重金属污染； 生态风险

土壤是地理环境的重要组成要素，是人类赖以生存和发展的基础。土壤承受着来自环境中大约90%的生活废水、固体废弃物、农药、化肥及大气降尘等中的污染物，这势必会影响土壤质量进而影响到人类生存的质量[1]。土壤污染己经成为全球化的环境问题，而土壤重金属污染又是其中最严重的问题之一[2]。重金属作为一种持久性有毒污染物，进入土壤环境后不能被微生物分解；相反，其可以通过吮食、吸入和皮肤接触等途径进入人体而后累积，直接对人体特别是儿童的健康造成危害[3]。对生物毒性较大的Pb、Cd、Cr、As、Hg等重金属，越来越受到国内外学者的重视[4-12]。

大寨海绵田是上世纪60～70年代大寨人民建造的梯田式基本农田，具有活土层厚、结构良好、养分丰富、蓄水保墒、微生物活跃、旱涝保收、高产稳产等特点，也是当年农业学大寨最重要的内容，但在经历了40多年之后，长期大量施用化学肥料，尤其是周边工厂产生的三废和近年兴起的大寨旅游业是否会造成海绵田土壤污染目前尚未见相关研究。为此，笔者拟采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对大寨海绵田土壤重金属污染状况和潜在生态风险评价，以期为海绵田土壤污染控制和农业区划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大寨村位于山西省昔阳县城东5 km的太行山脉的虎头山下，总面积约2 km2，海拔1 000 m左右，全年无霜期约150 d，年均温9.1℃，年降水量500～700 mm，大部分集中在7—9月。春季干旱多风，夏季多暴雨和冰雹。原来是“山高石头多，出门就爬坡，地无三亩平，年年灾情多”的土石山区[13]。1953年实现了农业合作化后，大寨开始治山治水，修田整地，经过几十年的努力，从以前一到雨季就跑水、跑土、跑肥的“三跑田”改造为现在的保水、保土、保肥的“三保田”。笔者以大寨村典型海绵田狼窝掌梯田为研究区域，目前主要种植玉米、大豆、核桃等农作物。

1.2 样品采集与分析

在对大寨村进行实际调查的基础上，选取典型海绵田狼窝掌梯田为采样区，每块梯田按其面积大小均匀布点，用GPS准确定位，采用蛇形采样方法在采样区采集0～20 cm的耕层土壤作为试验样品，每个土样由5个样点混合组成，采用四分法留取约1kg土样为1个样品。土样采回后置于室内自然风干，剔除大石块、植物根系等杂质，分别过20目、60目和100目尼龙筛，装袋密封贴标签，分别用于测定土壤理化性质和重金属含量。

Hg、As采用HNO3-HCIO3消解，利用AFS-820型双道原子荧光光谱仪测定其含量[14]；Cd、Cr、Zn、Ni、Cu、Pb采用HNO3-HCIO3消解，利用nov-AA400火焰-石墨炉原子吸收光谱仪测定其含量[15]，重复3次，取平均值。

1.3 重金属污染评价

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行重金属污染评价，土壤污染等级划分标准参照GB15618—1995进行。采用潜在生态风险指数法对大寨海绵田土壤潜在生态风险进行评价，具体参照[18-21]的方法进行，重金属污染生态危害系数和生态危害指数分级标准见表1。

表1 山西省重金属污染潜在生态危害指数分级标准

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量分布

由表2可知，大寨海绵田土壤中重金属Cr、Cu、Zn、Cd均未超过山西土壤环境质量标准，其余元素As、Hg、Ni、Pb均超过山西土壤环境质量标准。所有土样中，各重金属超标率表现为As(76%)>Hg(69%)>Pb(67%)>Cd(53%)>Ni(52%)>Cu(44%)>Zn(35%)>Cr(0)。表明，Hg、As、Pb存在比较严重的积累，Cd、Ni、Cu、Zn在部分采样点存在一定程度的富集。但以国家土壤环境质量标准(GB15618—1995)为参照，大寨海绵田土壤中8种重金属平均含量和最大值均未超过国家土壤环境质量的二级标准。

变异系数可衡量研究区各样品间的变异程度，变异系数大则说明土壤受外界干扰显著，空间分异明显，也说明土壤的污染是以复合污染的形式存在[22]。表2结果表明，大寨海绵田土壤中8种重金属的变异均为中等变异，Cu的变异系数最高，说明不同采样点Cu的分布差异性很大，大寨海绵田土壤中各重金属的变异系数从高到低依次为Cu>Ni>Cd>Pb>Zn>Hg>Cr>As。

表2 大寨海绵田土壤的重金属含量

2.2 大寨海绵田土壤重金属元素间的相关性

元素间相关性显著和极显著，说明元素间一般具有同源关系或是复合污染[23]，由表3可知，As与Cr、Ni、Zn显著相关，Cr与As、Zn显著相关，Cu与Ni、Cd显著相关，Ni与Cd、As、Cu显著相关，Zn与Cr、As、Pb显著相关，Cd与Ni、Cu显著相关，说明这些重金属之间关系紧密，推测这些重金属元素应该来自同一污染源或是伴生关系。Hg与其他7种金属元素无显著相关，说明Hg与其他金属元素是异源关系。

表3 大寨海绵田土壤重金属含量的相关系数

注：**在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关。

Note： ** and * indicated 0.01 and 0.05 significant levels respectively.

2.3 大寨海绵田土壤重金属污染状况评价

由表4可知，Cr污染指数在安全域内，Cu、Ni、Zn、Cd的污染指数在警戒线上，As、Hg、Pb处于轻度污染级别。8种重金属的污染程度从高到低依次是As=Pb=Hg>Ni=Zn>Cd>Cu>Cr。综合污染指数评价结果表明，大寨海绵田的综合污染指数为1.4，处于轻度污染级别。

表4 大寨海绵田土壤重金属污染指数

2.4 大寨海绵田土壤重金属潜在生态危害指数

由表5可知，潜在生态危害趋势为Hg(49.39)>Cd(28.26)>As(12.21)>Pb(6.02)>Ni(5.09)>Cu(4.05)>Zn(0.95)>Cr(0.89)。Hg的潜在生态风险指数处于中等水平，其余重金属元素的潜在生态风险指数均比较低。

由土壤重金属潜在危害系数对应的潜在危害程度频数，As、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb元素的潜在生态风险均处于低危害水平，暂时不会对农业生产造成危害，Hg有1%存在较强危害风险，68%存在中等危害风险，只有31%存在轻度危害风险，Cd有16%存在中等危害风险，84%存在轻度危害风险。可见，Hg和Cd的生态危害最严重，其对总潜在生态风险指数贡献率也最大。大寨海绵田土壤重金属的潜在生态危害指数为106.88，表明大寨海绵田总体上存在轻度危害风险。

表5 大寨海绵田土壤重金属潜在生态危害系数 及其各级别分布

Table 5 Potential ecological risk coefficients and their distribution in Dazhai sponge fields

元素ElementEi比例/%Proportion轻度中等较强很强极强As12.211000000Cr0.891000000Cu4.051000000Hg49.393168100Ni5.091000000Zn0.951000000Cd28.268416000Pb6.021000000

2.5 中度污染元素的空间分布及来源分析

由图示可知，大寨海绵田土壤重金属元素As、Hg、Pb、Cd在空间分布上有一定的相似性，主要集中在中部，这可能主要是因为这些采样点距离公路较近，受机动车尾气影响较大；北部也零星分布着几个高值点，主要是由于距离大寨村居民区较近，人流量大，而且附近有建筑工地正在施工，对土壤的影响程度大，采样区北部相对来讲属于低洼地区，其他地方的污染物会在此聚集，影响土壤质量，尤其是Cd在此富集较多。Pb在西北部和西南部的含量也很高，在采样区西北部方向以前有煤矿存在，这应该与西北部含量高有关，西南部背靠公路，受机动车辆影响较大。西南部以往是种植玉米，一年施肥次数达到3～4次，长期使用牲畜粪肥及复合肥可能是导致该区域Pb含量高的原因。

图示 大寨海绵田As、Hg、Cd、Pb空间分布

Fig. As, Hg, Cd, Pb spatial distribution in Dazhai sponge fields

3 结论与讨论

关于土壤污染状况的评价是目前研究的热点问题之一，其中评价的方法，尤其是评价的标准是影响评价至关重要的因素，笔者分别采用了单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态危害指数法等3种方法对大寨海绵田土壤重金属污染状况进行了评价，结果表明，3种方法均体现大寨海绵田土壤整体处于轻度污染级别，表现出了3种方法的一致性，但由于评价方法不同，主要污染元素却表现为有所不同，其主要原因可能是，单因子污染指数法使各评价参数之间互不联系，只能反映土壤污染状况；内梅罗指数法在评价土壤质量时，对大量土壤样品给出综合性的评价；潜在生态危害系数综合考虑到各种重金属元素的毒性差异、重金属区域背景的差异，能全面反映重金属对生态环境的影响。这与董苗、郑海龙、闫姣等人的研究结果一致[14,24-26]，这充分说明在今后的土壤重金属评价中，应结合多种评价方法对土壤重金属进行评价，可以更全面的了解该地区的土壤质量现状，为土壤的预防和治理提供科学依据。

大寨海绵田土壤中8种重金属的平均值和最大值均没有超过国家土壤环境质量的二级标准，As、Hg、Ni、Pb元素均超过山西土壤环境质量标准。从变异系数来看，8种重金属的变异都为中等变异，总体而言，各金属元素在土壤中的含量还是比较稳定的。从相关性看出，As、Cr、Ni、Zn、Cu、Cd之间都具有很高的相关性，Hg与其它重金属元素不相关。

以山西土壤环境为背景值，Cr的污染指数在安全域内，Cu、Ni、Zn、Cd的污染指数在警戒线上，As、Hg、Pb处于轻度污染级别；综合污染指数处于轻度污染级别。根据潜在生态危害指数法，大寨海绵田总体上存在轻度危害风险。重金属元素Hg的潜在生态风险指数处于中等水平，其余重金属元素的潜在生态风险指数均比较低，Hg的生态危害最严重。

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(责任编辑： 刘 海)

Pollution Assessment of Heavy Metal in Dazhai Sponge Fields

ZHANG Jingjing, ZHANG Yongqing*, ZHANG Hua, ZHANG Wenjuan

(CollegeofGeographicalScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041004,China)

In order to comprehensively know the pollution condition of heavy metal in Dazhai sponge fields, the contents of Zn, Cr, Cu, Ni, Pb, As, Cd and Hg in this area were analyzed, Shanxi Soil Environment Quality Standard and Secondary Soil Environment Quality Standard were used as evaluation standard, the soil pollution status was evaluated based on the single factor index method and Nemoro integrated pollution index.Results:Contents of the eight heavy metals in soil did not exceed the Secondary Soil Environment Quality Standard, contents of As, Hg, Ni and Pb exceeded the Shanxi Soil Environment Quality Standard. The soil in the coverage areas reached high pollution of As, Hg and Pb. And the pollution index of Cu, Ni, Zn and Cd reached alter line. The potential ecological risk index order was Hg﹥Cd﹥As﹥Pb﹥Ni﹥Cu﹥Zn﹥Cr. The pollution level risk intensity was mild. The correlation analysis indicated that Cr, Ni, Zn, Cu, Cd and As were likely from the same source. Hg and other heavy metals were not related. Heavy metals with high levels of pollution and agricultural fertilization, tourist transportation, construction, daily life and production activities were closely related.

Dazhai sponge fields; soil; heavy metal pollution; ecological risk

2015-02-06； 2015-06-30修回

国家自然科学基金面上项目(30871483)

张静静(1989-)，女，在读硕士，研究方向：自然地理。E-mail: 812871585@qq.com

*通讯作者：张永清(1964-)，男，教授，博士，从事土壤地理及生态学研究。E-mail: yqzhang208@163.com

1001-3601(2015)07-0393-0186-04

S15

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