简阳市土壤重金属含量分析及污染评价

雷建容,王 谢,陈春秀,阳路芳,杨玉敏,陈庆瑞

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

【研究意义】重金属元素由外界进入土壤后，持续累积达到一定量时会对生态环境[1]及人体健康[2]构成威胁。重金属污染具有长期性、隐蔽性、不可逆性、顽固性、形态多样性等特点[3]，且该类污染修复难度大[4]。重金属污染现已成为我国土壤环境污染的主要问题[5]。李克强总理在2017年政府工作报告中，提出开展土壤污染详查，整理土壤污染“家底”，才能采取针对性措施进行治理[6]。据《四川省土壤污染状况调查公报》[7]显示,全省土壤Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr 6种污染物点位超标率分别为20.8 %、0.76 %、1.98 %、3.77 %、1.44 %、1.79 %，Cd为主要特征污染物。【前人研究进展】简阳市耕地占农业用地比例大，刘永祺等[8]采用随机布点的方法在简阳市东溪镇采集了29个土壤样品进行重金属含量分析，发现平均值为：Cd 0.295 mg·kg-1、Cu 23.25 mg·kg-1、Pb 17.47 mg·kg-1，且区域分化明显，有少量污染现象。但目前对简阳市其它乡镇土壤重金属含量研究甚少。【本研究切入点】因此，通过在简阳市调查采集土壤样品，以农用地土壤污染风险筛选值(GB15618-2018)[9]为参考值，选用内梅罗综合污染指数法并结合ArcGIS技术，体现多种污染物对土壤的综合污染效应。【拟解决的关键问题】旨在摸清6种重金属复合污染的发展趋势，重点污染区及污染面积，为土壤的合理使用及保护奠定基础，以期防患于未然，清洁的土壤进行保护，污染的土壤进行监管治理。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区地处四川盆地腹地，位于盆地中部偏西边缘，龙泉山东麓，踞沱江中游；地貌以浅丘为主，土壤类型以紫色土为主。根据土地利用类型图、地形图、环境因子[10]，遵循样点具有代表性、集中性、典型性的原则，进行网格布设706个采样单元(图1)。采取0～20 cm耕作层土壤，不接触金属采样器[11]，按随机、等量、多点混合的原则[12]，每个采样单元下各点所采土样混合均匀，四分法浓缩到1 kg[13]。

1.2 样品测定

土壤pH测定采用电极法，As、Hg经王水消解后采用原子荧光光谱法测定，Cr、Cu、Pb、Cd经高氯酸、硝酸、氢氟酸消解后采用电感耦合等离子体质谱仪法测定。As、Hg、Cr、Cu、Pb、Cd的检测限分别为0.005、0.004、0.0002、0.00006、0.005、0.00007 mg·kg-1，质控样采用GBW07428和GBW07453，平行相对误差范围±5 %，样品重复数占10 %。

1.3 数据处理

采用Excel 2010、DPS 7.65、ArcGIS 10.5进行数据处理。用3倍标准差原则对数据进行处理，与平均值的偏差超过3倍标准差的测定值被认为是异常值[14]，对异常值进行验证并实地考察后剔除部分异常值，保留有效异常值[15]。

1.4 评价方法

1.4.1 内梅罗综合污染指数法 体现各污染物对土壤的综合作用，当样品量大时，能给出综合性结论，可描述土壤质量的总体水平，是目前应用较为广泛的评价方法[16]。计算公式为：

Pi最大值为各重金属元素单因子污染指数最大值，Pi平均为各重金属元素单因子污染指数平均值，I为土壤内梅罗综合污染指数。单因子污染指数计算公式：Pi=Ci/Cb，Pi为土壤中重金属元素i的污染指数，Ci为重金属元素i的实测含量，Cb为重金属元素i的农用地土壤污染风险筛选值(GB15618-2018)[9]。

1.4.2 ArcGIS技术 本研究采用ArcGIS技术中的反距离加权插值法[17]，采样点越多越均匀，对局部区域的污染情况反应越准确。

图1 采样单元分布Fig.1 The sampling sites

表1 土壤重金属含量

注：“-”表示pH不求平均值。

2 结果与分析

2.1 检测结果统计分析

变异系数反应数据的离散程度，6种重金属全量均呈现一定程度的变异性(表1)，变异程度Pb>Hg>Cd>As>Cu>Cr，其中Cd、Hg、Pb属于强变异，极差大，分布极不均匀，存在高含量区域。从峰度和偏度来看，6种重金属及pH呈现偏态分布，As、Cd、Cu、Hg、Pb呈现右偏态，pH、Cr呈现左偏态。研究区91 %的土壤为碱性，中性和弱酸性土壤仅占9 %。Cd、Pb有明显高值点出现，As、Hg、Cr、Cu没有明显高值，说明简阳市农用土壤Cd、Pb应引起关注和重视，进行跟踪监测。

2.2 各重金属元素间相关性分析

由表2 可以看出，重金属元素之间存在着相关性，间接反应重金属的来源可能一致，受同种污染源的影响较大[18]。Pb和Cd的相关系数为0.83，呈现0.01水平上的高度相关，说明这2种元素污染源相同； Cr和As、Cu和As、Cu和Cr的相关系数分别为0.54、0.49、0.60，呈现0.01水平上的中度相关，说明以上两两元素之间污染来源分别相同。Cr与Cd、Cr与Hg、As与Cd不相关，来源差异大。可见Pb和Cd、 Cr和As、Cu和As、Cu和Cr两两元素间存在复合污染，根据土地利用类型并结合农业、工业等人为活动造成的污染[19]，需要进一步分析污染累积情况，在源头进行控制。

2.3 内梅罗综合污染指数法评价结果

2.3.1 综合污染指数分级情况 由表3 可知，内梅罗综合污染指数平均值为0.42，范围为0.17～2.38。706个样点中，674个样点清洁；26个样点尚清洁，虽处于警戒线但没有超标，占样点总数的3.68 %；5个样点轻度污染，占样点总数的0.71 %，1个样点中度污染，占样点总数的0.14 %。可见，简阳市农用地污染点位少，土壤环境质量总体良好。

2.3.2 综合污染指数结合ArsGIS技术联合评价 将综合污染指数用ArsGIS技术进行QQPlot正态分布、趋势、污染分布统计分析。通过图 2可以看出，综合污染指数的数据集落在参考线上，没有发生偏离，呈正态分布。由图3可知，地域上X、Z面绿线代表污染由西向东呈现很平缓的抛物线，表明中部相对东西污染略严重，Y、Z面蓝线两端高中间凹陷，表明南北部较中部污染略重。由图4可知，黄色区域处于尚清洁(警戒线)，分布在东溪镇、平泉镇、贾家镇、石桥镇、养马镇、壮溪乡、三岔镇、老君井乡、新星乡、平息乡、同合乡等；红色区域为轻度污染，主要分布在宏缘乡、老君井乡等；中度污染由于面积小，插值后图上不能显示。综上，简阳市有少量点状污染，呈现斑块状分布于北部，但斑块面积小。

表2 土壤重金属相关性分析

表3 内梅罗综合污染指数分级

注：样点分布频次中括号内表示占样点总数的百分比。

图2 污染指数QQPlot正态分布Fig.2 Pollution index QQPlot normal distribution

图3 污染指数趋势Fig.3 Pollution index trend

2.3.3 综合污染面积统计 通过ArsGIS技术进行栅格面积统计(表4)，结果显示简阳市土壤中清洁面积2160.98 km2，占总面积的99.21 %；尚清洁(警戒线)面积16.41 km2，占总面积的0.75 %；轻度污染0.70 km2，占总面积的0.03 %,没有中度和重度污染。可见，简阳市土壤重金属污染面积小。

3 讨 论

通过内梅罗综合污染指数评价法可以看出，简阳市土壤清洁度高，少量地区处于警戒线，极少量地区存在轻度和中度污染。通过推测，简阳市土壤中重金属污染主要来源于以下几个方面。

图4 污染指数分布Fig.4 Pollution index

表4 综合污染面积统计

注：面积计算排除三岔湖。

(1)轻度污染的区域周围存在着中小型的工矿业。Pb的高值点在简阳市金桥热稳定剂厂附近，该厂1999年成立，以自产自销氧化Pb、塑料助剂(含Pb)、热稳定剂(含Pb)为主，工业“三废”成为该区域Pb的主要污染来源；乡镇上散布的家庭式、作坊式的生产小厂，如预制厂、家具厂、塑料薄膜厂以及垃圾焚烧厂，在“三废”上难以控制，废水、废渣、废气对周围区域的土壤环境均有一定影响，目前范围较小。

(2)农村地区大力发展现代种植业也贡献了一定污染。据成都土壤肥料测试中心苟曦等[20]对四川常用肥料的调查结果显示，有机肥料样品中出现超标的重金属有：As(0.034～46.68 mg·kg-1，超标率5.9 %)、Pb(0.013～124.15 mg·kg-1，超标率0.9 %)、Cd(0～21.63 mg·kg-1，超标率4.1 %)、Hg(0.011～137 mg·kg-1，超标率7.8 %)，这是因生产有机肥料时将富含大量重金属元素的污泥、生活垃圾等有机废弃物作为原料，使肥料中重金属处于高值。我国农业为了追求经济效益用肥量大，在土壤中不断累积造成污染。据调查简阳市以种植水果、蔬菜等为主，均是对肥料要求高的种植模式，果树每年667 m2施约1000 kg有机肥料，蔬菜每年667 m2施约600 kg有机肥料，导致土壤中重金属不断累积。

(3)现代养殖业的大力推崇。为提高养殖效率会在饲料中添加一些必需的微量元素，如Cu、Ni等，过量的添加容易造成土壤污染。柏雪等[21]对四川常用饲料中重金属的分布研究发现，Cu、Pb、Cd、Cr超标率较高，但畜禽对这些元素的吸收率低，使畜禽粪便中含高值重金属；且薄录吉等[22]研究证实长期施用猪粪等畜禽粪便可导致农田土壤重金属含量过量累积。简阳市大力发展生猪、山羊、肉鸡、奶牛等养殖业，农田成为处理巨大畜禽粪便的重要途径。大量畜禽粪便被种植户收购，经过简单发酵后直接施用，使土壤中重金属呈逐渐累积的趋势，是土壤中重金属的重要来源之一。

4 结 论

本研究以简阳市706个土壤样品为材料，通过对6个重金属的含量分析评价得出，简阳市土壤有极少量斑块状轻度、中度污染，没有重度污染，目前清洁面积达99.21 %，清洁度高。对处于尚清洁(警戒线)的土壤所在区域应注意减少人为活动等带入的污染，降低向轻度污染发展的概率。