滑小赞,程滨,赵瑞芬,霍晓兰,王钊,王森
太原市农田土壤重金属污染评价与空间分布特征
滑小赞,程滨*,赵瑞芬,霍晓兰,王钊,王森
(山西农业大学 资源环境学院,太原 030031)
【】揭示太原市农田土壤重金属污染现状、污染来源及其空间分布格局情况,为区域土壤污染防控和农业生产提供依据。采集太原市农田土样214个,测定土壤中Cr、Cd、Pb、Hg和As 5种重金属量,采用单因子指数法和内梅罗综合指数法对土壤重金属进行污染评价,运用ArcGIS 10.3绘制太原市农田土壤重金属空间分布图,利用SPSS 16.0对数据进行相关分析,进一步了解土壤重金属的污染来源。①太原市农田土壤中重金属量分布差别较大,Cr、Cd、As、Hg和Pb均值分别为68.38、0.121、8.59、0.08、24.23 mg/kg,均未超过《绿色食品产地环境质量》(NY/T 391—2013)中的规定,但其平均值均显著高于太原市土壤背景值。②单项污染指数值由大到小顺序为Hg(2.36)>Pb(1.76)>Cd(1.57)>Cr(1.19)>As(1.12)。其中,Hg、Pb和Cd主要受工业生产、污水灌溉、燃煤、农药化肥施用和交通运输等人为因素的影响,As和Cr主要受成土母质和农业活动的影响。③太原市农田土壤内梅罗综合指数为2.14,呈中度污染。7个县区农田土壤内梅罗综合指数由大到小依次是晋源区(4.17)>小店区(2.98)>尖草坪区(2.13)>清徐县(2.07)>阳曲县(1.71)>娄烦县(1.67)>古交市(1.57)。重金属空间分布图可以直观看出土壤重金属空间分布和污染情况,在工业发达和人口密集的城郊晋源区、小店区、尖草坪区和清徐县,农田土壤为重度污染和中度污染,远离太原市市区的阳曲县、古交市和娄烦县农田土壤为轻度污染。太原市农田土壤总体呈中度污染,Hg和Pb单项污染指数最高,重金属污染较严重的区域集中在太原市城郊晋源区、小店区、尖草坪区和清徐县,今后工作中应加强对太原市城郊污染较重区域农田土壤重金属重点监测,尤其是Hg和Pb,以确保土壤健康和可持续利用。
太原市;农田土壤;重金属;污染评价;空间分布
【研究意义】随着工业迅速发展和人口急剧增加,环境问题越来越突出,其中土壤重金属污染已经成为全世界的共性问题[1-2]。重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性,一旦进入土壤,难以排除,重金属在农田土壤中过量累积导致土壤肥力下降和农产品中重金属超标,进而危害人类健康[3-7]。环境保护部和国土资源部在2014年联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》中显示,我国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中重金属污染占80%,面积近2×107hm2,直接经济损失高达200亿元[1,8-10]。因此,了解农田土壤重金属污染程度和空间分布情况,解析重金属污染来源对区域土壤防控和农业生产合理布局具有重要意义。【研究进展】太原市是我国煤炭能源重化工基地,也是全国环境污染最为严重的城市之一[11-16]。郭翠花等[11-12]对太原市地表土壤重金属污染的研究发现,重金属Cu、Cr、Zn、Cd、Hg高于中国土壤背景值,其中,Hg和Cd是主要的污染元素,污染主要来源于工业“三废”的排放、污水灌溉及农业生产活动等。张乃明等[13-14]对太原市污灌区土壤重金属污染的研究发现,Cd、Pb和Hg高于太原市背景值,并有逐年累积的趋势,Cd累积主要来源于污水灌溉,Hg累积主要来源于大气沉降,Pb累积主要受污水灌溉和大气沉降共同影响。刘勇等[15]对太原市城镇周边土壤重金属污染的研究发现,城镇周边土壤重金属污染指数高于耕地。解文艳等[16]对太原市南郊污灌区土壤重金属污染的研究发现,污灌区土壤呈重度污染和中度污染水平,晋源区污染最重,主要的污染元素是Hg和Cd。【切入点】上述的研究主要集中对太原市城镇周边和污灌区的土壤重金属污染进行分析评价,对太原市县域农田土壤重金属的分析评价和空间分布情况还鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究针对太原市农田土壤中危害系数较大的Hg、As、Pb、Cd、Cr等5种重金属元素,采用单因子指数法和内梅罗综合指数法对重金属污染程度进行分析评价,运用ArcGIS地统计学方法对研究区重金属含量的空间分布状况进行分析,并利用SPSS 16.0对数据进行相关性和主成分分析,客观全面了解该区域农田土壤重金属污染状况和污染来源。
太原市地处山西省中部,东经111°30′—113°09′,北纬37°27′—38°25′,东西约144 km,南北约107 km。以石灰性褐土为主,耕地面积为10.7万hm2。太原市城镇化规模较大,由迎泽区、杏花岭区、万柏林区、小店区、尖草坪区、晋源区等6个区、清徐县、阳曲县、古交市、娄烦县等4个县市组成,其中,6个区是太原市主要城区,随着城市规模的不断扩张,大部分土地已变为非农业用地,仅小店区、晋源区、尖草坪区处于太原市郊区,有约1.5万hm2为农业用地。小店区、晋源区、尖草坪区和清徐县是水浇地,主要种植蔬菜;阳曲县、娄烦县和古交市是旱地,主要种植大田作物。
2017年7—10月,根据1∶5万县级土地利用现状图和土壤图,在研究区尽量均匀分布采集农田土壤样品,在保证样品代表性的前提下,平均每2 km×2 km左右布设1个采样点,在晋源区、小店区、清徐县有污灌历史的地区加密布点,平均每1 km×1 km左右布设1个采样点。采用五点法采集0~20 cm表层土壤,混合均匀后用四分法保留约1 kg土样。样点位置采用GPS定位,共采集土壤样品214个。使用ArcGIS 10.3 软件生成采样点分布图(图1)。
土壤样品自然风干,剔除有机残渣、植物根系和可见侵入体,粗磨过20目筛,再细磨全部过100目筛,用以测定土壤重金属[17]。土壤重金属Cr、Pb和Cd采用硝酸-双氧水-氢氟酸三酸联合微波消解,Cr采用火焰原子吸收分光光度法进行测定,Pb和Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法进行测定;Hg、As采用王水水浴消解,原子荧光光度法测定[1,17-18]。分析方法准确度和精密度采用国家土壤标准物质(GBW 07453)和室内平行样品进行质量控制,标准曲线的相关系数≥0.999,Cr、Pb、Cd、Hg和As的方法检出限分别为4、0.1、0.01、0.002、0.01 mg/kg,回收率介于100%±10%之间。
图1 采样点分布
为评价太原市农田土壤重金属污染情况,本研究选取“七五”期间太原市土壤背景值为评价标准,评价方法采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法。
单因子污染指数法是对土壤中某一重金属元素的累积污染程度进行评价[17-18]。其计算式[2,8]为:
P=C/S, (1)
式中:P为所计算出的重金属单项污染指数;C为该重金属的实测值;S为评价标准值,均采用太原市的土壤背景值作为参比值。P≤0.7为清洁,0.7<P≤1.0为安全,1.0<P≤2.0为轻污染,2.0<P≤3.0为中度污染,P>3.0为重污染。P数值越大,说明受到的重金属污染越严重[18]。
内梅罗综合指数法是对土壤中几种重金属的累积污染程度进行综合评价,突出高浓度污染物对土壤环境质量的影响[5,17-19]。其计算式为:
式中:综为综合污染指数;平均为各单项污染指数P的平均值;max为各单项污染指数中的最大值。综≤0.7为清洁,0.7<综≤1.0为安全,1.0<综≤2.0为轻污染,2.0<综≤3.0为中污染,综>3.0为重污染。
对孩子的惩罚方式是多样的,但是最终的目的都是为了建立成年人的权威,成年人被政府怂恿要儿童绝对的屈服和顺从。不过这种教育方式只会造成更坏的影响,这些带着恶意的奖励与处罚教育手段注定会为孩子的童年投上一层阴影。在这种社会环境下,有一种必然的趋势便是:儿童在成年人权威的压制下,他们在自己的童年时光里注定会牺牲他们的天性与纯真来服从社会的风俗和习惯。对政府而言,抹除儿童的天性与纯真,以便符合国家的意识形态要求是无可厚非的社会价值准则。
半变异函数可同时描述区域化变量的随机性和结构性,能较好反映区域化变量的空间特征,是研究区域土壤性质空间变异规律和空间结构分析的有效工具[17, 20-21]。本研究利用ArcGIS 10.3中Geostatistical Analyst采用普通克里金法对研究区内土壤重金属量进行半变异函数/协方差模型分析,得到不同重金属元素的最优半变异函数模型。
交叉验证是一种常见的空间插值精度验证方法,是指利用预测的半变异函数模型,在去除某个采样点实测值后,用其他样点数据进行预测,一直重复运算,直到得到所有样点的预测值,并与对应样点实测值进行比较[17,22]。当平均误差、标准平均误差接近于0,均方根误差较小以及标准均方根误差接近于1的时候认为可以通过交叉检验,说明克里格插值效果较好。当预测的半变异函数模型通过交叉验证后,根据不同土壤重金属的半变异函数模型及相关参数,应用普通克里金方法进行最优内插,得到各重金属元素的空间分布图、内梅罗综合指数评价图。
根据测定的农田土壤各样点元素量数据,利用Excel对数据进行描述统计特征分析,采用SPSS 16.0软件对数据进行相关性和主成分分析,运用ArcGIS 10.3软件绘制采样点空间分布图和土壤重金属空间分布图。
太原市农田土壤重金属元素量分析结果(表1)显示,重金属Cr、Cd、As、Hg和Pb量的平均值分别为68.38、0.121、8.59、0.08、24.23 mg/kg,均高于“七五”期间太原市土壤重金属元素背景值,且分别为背景值的1.19、1.57、1.12、2.36、1.76倍,表明各元素在表层土壤中均存在富集。5种元素超过背景值的比例均高于50%,分别是Pb=100%>Cd=99.5%>Cr=96.7%>Hg=95.8%>As=71.0%。5种元素的变异系数从大到小依次是Hg>As>Cd>Pb>Cr,其中,Cr、Cd、As、Pb量的变异系数均≤25%,呈低变异性,表明在区域内变化不大,受到人类活动的影响较小;Hg的变异系数>50%,呈高变异性,表明在区域上差异显著,受人类活动影响较大。
太原市农田土壤pH值范围为7.5~8.5,选用《绿色食品产地环境质量》(NY/T 391—2013)中Cr、Cd、As、Hg和Pb标准值120、0.40、20、0.35、50 mg/kg为参考标准,研究区土壤中5种重金属的最大值均小于该标准。故太原市农田土壤中这5种重金属存在潜在污染风险。
表1 太原市农田土壤重金属量的描述性统计结果
以“七五”期间太原市土壤背景值为评价标准,太原市各区县土壤重金属的污染指数见表2。研究区重金属单因子污染指数平均值由大到小依次是:Hg(2.36)>Pb(1.76)>Cd(1.57)>Cr(1.19)>As(1.12),说明5种重金属元素在土壤中都存在累积现象。其中,Hg、Pb和Cd等3种重金属污染较严重,个别点位重金属达到中度污染和重度污染水平。研究区内梅罗综合指数平均值为2.14,呈中度污染,其中轻污染占67.3%、中污染占17.8%、重污染占15.0%。
7个区县内梅罗综合指数由大到小依次是:晋源区(4.17)>小店区(2.98)>尖草坪区(2.13)>清徐县(2.07)>阳曲县(1.71)>娄烦县(1.67)>古交市(1.57),其中,晋源区呈重污染水平,小店区、尖草坪区、清徐县呈中度污染水平,阳曲县、娄烦县、古交市呈轻度污染水平。从7个区县单项污染指数可以看出,Hg是主要污染物,Pb和Cd次之。
不同重金属的半变异函数模型及相关参数见表3。由表3可知,太原市农田土壤中Cr、As的块金系数均<25%,表示变量具有显著地空间自相关;土壤中Cd、Hg、Pb的块金系数为74.9%、60.6%、49.5%,表示变量具有中等程度自相关。Cr、Cd、As、Hg和Pb 5种重金属的平均误差()、标准平均误差()均接近于0,均方根误差()较小以及标准均方根误差()均接近于1,说明5种重金属元素的半变异函数模型均可通过交叉验证,能够较好地预测土壤重金属的分布特征。根据不同土壤重金属的半变异函数模型及相关参数,应用普通克里金方法进行最优内插,得到各重金属元素的空间分布图、内梅罗综合污染指数评价结果图(图2)。
表2 太原市各区县土壤重金属的污染指数统计分析结果
表3 重金属量的半变异函数模型及相关参数
图2 研究区各重金属空间分布图和评价结果
从内梅罗综合指数图可以看出,以“七五”期间太原市土壤背景值为参考标准,晋源区大部分土壤受重度污染;小店区大部分区域土壤呈中度污染,与晋源区相接壤的地区土壤呈重度污染;清徐县北部地区土壤呈中度污染,东南部地区土壤呈轻度污染;尖草坪区大部分土壤呈中度污染,有小部分土壤呈重度污染,与阳曲县相接壤的部分土壤呈轻度污染;古交市大部分土壤呈轻度污染,与清徐县相接壤的部分土壤呈中度污染;阳曲县大部分土壤呈轻度污染,与尖草坪区和杏花岭区相接壤的部分土壤呈中度污染;娄烦县土壤呈轻度污染。
根据重金属之间相关性可以判断污染来源是否相同,若重金属之间存在显著正相关,说明污染来源可能相同,否则污染来源不止一个[23-24]。相关性分析结果见表4。由表4可知,除As外,Cr、Cd、Hg、Pb两两均具有显著的相关性(<0.01),表明土壤中这4种重金属可能具有相同或相似的来源。As元素较为特殊,与Cr、Cd呈显著相关的,与Hg、Pb 不相关,表明As与Cr、Cd可能具有相同来源,与Hg、Pb的污染来源不同。
表4 土壤重金属量的相关性
注 *表示在0.05水平下差异显著;**表示在0.01水平下差异显著。
为了进一步明确太原市农田土壤中重金属的污染来源,对土壤重金属进行主成分分析。主成分分析结果如表5,5个指标可由2个主成分反映78.442%的信息,即对2个主成分进行分析就可以反映5个指标数据的大部分信息。对5种重金属进行主成分分析发现,在因子的初始矩阵中,Cd、Pb、Cr、Hg在因子1中显示出较高的因子负荷,As在因子2中表现出较高的值。经过矩阵变换后,因子1中Pb、Hg和Cd有较高的因子负荷,说明Pb、Hg和Cd可能具有相同的来源;因子2中As和Cr有较高的因子负荷,说明As和Cr可能具有相同的来源。
表5 具有Kaiser标准化的正交旋转法得到的因子和全部解释变量
土壤重金属来源主要有2方面,一方面是自然因素,即成土母质在矿化过程中形成的;另一方面是人为因素,包括农业生产过程中的农业化肥施用、污水灌溉、工业废弃物排放和公路交通运输等[18,25-26]。以区域为评价单元,结合土壤重金属空间分布图和相关性分析结果,对小店区、晋源区、尖草坪区、清徐县、阳曲县、古交市和娄烦县的农田土壤中Hg、Pb、Cd、Cr和As等5种重金属污染情况和污染来源进行分析。
主成分分析中,因子1为元素Hg、Pb和Cd的组合,表明重金属Hg、Pb和Cd污染来源基本相同。由图2可以看出,重金属Hg、Pb、Cd的空间分布图基本相似,在太原市城郊晋源区、小店区、尖草坪区和清徐县含量明显突出,远离太原市的阳曲县、古交市和娄烦县含量相对较低。太原市是我国煤炭能源重化工基地,且有较长的污灌历史,工业三废的排放和污水灌溉引起农田土壤重金属含Cd、Hg、Pb量增多[13-16]。太原市郊区交通运输比较发达,汽车尾气排放、汽车轮胎磨损会产生大量含Hg、Pb等重金属的有害气体和粉尘,同时燃煤是太原市市区最主要的能耗方式,燃煤产生大量的含Hg和Pb的有害气体和粉尘,这些物质随风飘落进入土壤中积累下来[27]。另一方面,晋源区、小店区和清徐县主要种植蔬菜,有机肥和化肥施用量大,在土壤有机质和全氮等养分量提高的同时,Cd、Hg和Pb等有害重金属也被带入土壤中[28-32]。因此,因子1除受自然因素影响外,主要受工业活动、农业生产、交通运输和燃煤等人为因素的影响。
因子2为元素As和Cr组成,As和Cr是成岩元素[33],单项污染指数分别为1.12和1.19,接近于土壤背景值,说明As和Cr主要受成土母质的影响,受人为因素影响较小。由土壤中5种重金属的相关性和主成分分析得知,重金属As与Pb、Hg不相关,而重金属Hg和Pb是污水灌溉、燃煤排放、汽车尾气排放等污染源的标志性元素,因此重金属As的来源与污水灌溉、燃煤排放和汽车尾气等人为因素相关性较小,在区域中的变异性主要是由土壤母质和农业生产活动决定的。研究结果与刘勇等[15]的研究结果基本一致,As和Cr的污染来源除了土壤母质外,农业生产活动是其主要来源。因此,因子2主要受成土母质和农业生产活动的影响。
太原市农田土壤内梅罗综合指数平均值为2.14,呈中度污染。晋源区农田土壤呈重度污染,小店区、尖草坪区和清徐县呈中度污染,阳曲县、娄烦县和古交市呈轻度污染。研究结果与内梅罗综合指数图基本一致,重度污染和中度污染的土壤主要分布在晋源区、小店区、尖草坪区、清徐县北部区域;轻度污染的土壤主要分布在清徐县东南部、阳曲县、娄烦县和古交市。造成这种分布格局的原因包括:晋源区、小店区、尖草坪区、清徐县北部离太原市城区较近,工业发达、人口密集,分布着太原钢铁厂、太钢污水处理厂、山西化工厂、山西针织厂和山西毛纺厂等能源化工企业[13-16],工业排放的三废、燃煤和交通运输、生活垃圾、污水灌溉及农业生产活动等原因引起土壤重金属Hg、Pb、Cd等量明显增加,使得该区域土壤重金属内梅罗综合指数达到很高的污染水平。其中,晋源区污染最重,大部分区域达到重度污染水平,Hg的单项污染指数均值为5.31,是主要的污染因子,该结果与解文艳等[16]研究结果基本一致,主要是因为该区域分布多家化工厂、造纸厂、热电厂等能源化工企业,土壤污染比较严重。清徐县东南部、阳曲县、古交市和娄烦县远离太原市城区,主要种植大田作物,重金属污染主要受农业生产活动的影响,除与城区相邻的地区呈中度污染水平,大部分地区都呈轻度污染水平。
晋源区、小店区和清徐县是太原市最大的污灌区,内梅罗综合指数评价农田土壤重金属污染状况表明晋源区为重度污染,小店区和清徐县为中度污染,与解文艳等[16]研究结果基本一致;但是Hg和Pb的单项污染指数升高,Cd、Cr和As的单项污染指数下降,这可能是近10年来太原市加强环境治理和污水处理,严格控制工业三废的排放和污水灌溉,使土壤中含Cd、Cr和As量得到控制,使其单项污染指数降低;而随着交通运输业的不断发展及汽车拥有量的增加,汽车尾气排放、汽车轮胎磨损产生了大量含Hg和Pb等重金属的有害气体和粉尘,同时燃煤也可产生大量含Hg有害气体和粉尘,这些物质随风飘落进入土壤并积累下来,引起土壤中重金属Hg和Pb量增加。
1)太原市农田土壤中Cr、Pb、Cd、Hg、As量均低于绿色食品产地环境质量标准,但各种重金属平均值均显著高于太原市“七五”普查背景值,说明随着工农业生产的发展,Cr、Pb、Cd、Hg、As从环境进入土体并累积;其中Hg和Pb是主要污染元素,主要来源于工业活动、农业生产、交通运输和燃煤等人为活动。
2)太原市农田土壤总体为中度污染,县域间土壤污染程度差异较大。在工业发达和人口密集的城郊晋源区、小店区、尖草坪区和清徐县,农田土壤为重度污染和中度污染,远离太原市市区的阳曲县、古交市和娄烦县农田土壤为轻度污染。
因此,今后工作中应加强对太原市城郊晋源区、小店区、尖草坪区和清徐县等4个区县农田土壤重金属进行重点监测,尤其是Hg和Pb,以确保土壤健康和可持续利用。
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Pollution Assessment and Spatial Distribution of Heavy Metals in the Farmland Soils of Taiyuan City
HUA Xiaozan, CHENG Bin*, ZHAO Ruifen, HUO Xiaolan, WANG Zhao, WANG Sen
(College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, China)
【】Heavy metal pollution is an important source of soil pollution. At present, the research mainly focuses on the urban area and the sewage irrigation area soil, but the heavy metal pollution and the spatial distribution of the whole farmland soil in Taiyuan have not been reported. The objective of present study was to describe the present situation, pollution sources and spatial distributions of heavy metals in the farmland soil of Taiyuan city. This work will be helpful for pollution control and agricultural production. 【】The concentrations of Cr, Cd, Pb, Hg and As in the 214 farmland soils of Taiyuan city were determined. The pollution level of soil heavy metal elements was evaluated using single factor index method and nemerow comprehensive index method. The spatial distribution map of heavy metals was drew using ArcGIS 10.3 and the correlation analysis was done by SPSS 16.0 to reveal the pollution sources of heavy metals in soils. 【】①The concentrations distribution of heavy metals in farmland soils was quite different. The average content of Cr, Cd, As, Hg and Pb in soil was 68.38, 0.121, 8.59, 0.08 and 24.23 mg/kg, respectively. These contents were significantly higher than the corresponding background values of soil in Taiyuan, although they did not exceed the environmental quality standard of the green food producing area. ②The Single Pollution Index was shown as Hg(2.36)>Pb(1.76)>Cd(1.57)>Cr(1.19)>As(1.12). The contaminations of Hg, Pb and Cd mainly originated from industrial production, sewage irrigation, coal burning, application of pesticide and chemical fertilizer and transportation. On the other hand, the pollution of As and Cr were mainly associated with soil parent material and agricultural activities. ③The Nemerow index of Taiyuan farmland soil was 2.14, indicating the moderate pollution. The Nemerow index of farmland soil was 4.17 in Jinyuan district, 2.98 in Xiaodian district, 2.13 in Jiancaoping district, 2.07 in Qingxu county, 1.71 in Yangqu county, 1.67 in Loufan county and 1.57 in Gujiao county. The spatial distribution map of heavy metals and pollution status could be visualized, showing moderately and severely polluted in the suburb soils of Taiyuan city(especially in Jinyuan and Xiaodian districts), and slightly polluted in the countries far from Taiyuan city. 【】 We conclude that the farmland soils of Taiyuan city were moderately polluted, and Hg and Pb were the main contaminants. The more serious heavy metal pollution was located in the suburbs of Taiyuan city (i.e., Jinyuan, Xiaodian, Jiancaoping and Qingxu). We recommend that it is necessary to strengthen monitoring Hg and Pb in soils in these heavily polluted areas to ensure the soil health and agriculture sustainability.
Taiyuan; arable land soil; heavy metals; pollution envaluation; spatial distribution
X53
A
10.13522/j.cnki.ggps.2020540
1672 - 3317(2021)03 - 0101 - 09
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2020-09-27
山西省重点研发计划项目(201803D31209-1);山西省重点研发计划重点项目(201603D21110-1);山西省青年科技研究基金项目(201601D202071)
滑小赞(1982-),女。副研究员,主要从事土壤重金属污染修复研究。E-mail: 1875501@qq.com
程滨(1963-),女。研究员,主要从事植物营养与土壤污染修复研究。E-mail: chengbin0709@163.com
责任编辑:白芳芳