宿迁市农业用地土壤中重金属含量的时空异质性分布

沈宁宁，刘 宁，徐苏红

(1 江苏省徐州环境监测中心，江苏 徐州 221000；2 徐州市危险废物集中处置中心有限公司，江苏 徐州 221000)

土壤与人类的生存、生活息息相关，农业用地更是关乎着人类的食品安全[1-2]。在过去的几十年里，人类经济、工业、科技快速发展，人类的物质需求也得到了极大地满足，然而我国的土壤污染问题却呈现出加剧的趋势[3-4]。首次全国土壤环境状况调查报告(2005-2013年)显示，土壤样本中超过国家二级质量标准的占比为16.1%，其中主要的污染源是重金属(镉、汞、铅等)和类金属(砷)[5-6]。同时，我国农业部门的调查也显示，在我国广袤的农田土壤污水灌溉面积中，受到重金属影响的面积占比高达64.8%，这也导致了粮食大量的减产以及大面积的污染[7-8]。土壤中重金属存在的毒性、持续性会影响土壤的肥力以及植物的生长，甚至通过食物进入人体，危害人体健康。土壤修复工作以及土壤污染防治工作已经成为环境领域当前的工作重点，依据重金属含量呈现的时空异质性分布，可以有效为土壤修复工作以及土壤污染防治工作提供良好的前期指导，优先开展污染较严重地区的相关重金属治理与防治工作，在污染较轻的地区采用防治为主的工作方针。因此，在我国辽阔的国土上按照区域性研究土壤重金属的时空异质性分布，有利于对土壤污染风险管控提出合理的建议和以及为土壤修复提供合宜的基础资料。

宿迁是江苏省沿海地区向中西部辐射的重要门户城市，是徐州都市圈、江淮生态经济区核心城市、一带一路节点城市[9-10]。截至2020年6月，宿迁下辖2区3县。宿迁是优质农副产品产区，也是著名的“杨树之乡”，盛产粮食、棉花、油料、蚕茧、木材、花卉、食用菌等，所辖三县均为全国商品粮基地县和全国平原绿化先进县[11]。本文以宿迁市为研究区，为了充分了解宿迁市农业用地土壤环境中重金属的含量分布情况，分别选取宿迁市宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县、泗洪县五个地区的农业用地，分析农业用地土壤中As、Hg、Cd等3种元素的含量，以期为宿迁市农业用地土地资源管理提供依据[12]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处淮河、沂沭泗流域中下游，南临洪泽湖，北接骆马湖，承接上游21万平方千米面积的来水，素有“洪水走廊”之称。研究区属于暖温带季风气候区，年均气温14.2 ℃，年均降水量910 mm，年均日照总时数2291 h[11-12]。光热资源比较优越，四季分明，无霜期较长，全年作物生长期为310.5天。年均降水量为892.3 mm，由于受季风影响，年际间变化不大，但降水分布不均，易形成春旱、夏涝、秋冬干天气[13]。研究区主要土壤类型为潮土、沙姜黑土、黄褐土[14]。

1.2 样品采集

利用宿迁市地图进行土壤采样点的选取，分别在宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县、泗洪县五个地区各选取5个农业用地为采样单元，每个采样单元采集大约15个土壤样品，采集土壤样品的大小为500 m×500 m，采样深度为0～20 cm，并在中心点200 m范围内采集4个土壤柱混合而成一个样品，放入样品袋中保存并标记好编号，同时用GPS记录采样点中心位置的坐标。

1.3 样品处理与重金属含量测定

将所有的土壤样品进行自然晾干处理，剔除其中的枯树枝、石子等杂质，将成块的样品碾碎后过100目筛子，装袋编号后送入实验室进行分析。

用万分之一的天平称取0.5000 g左右土壤样品，加入10 mL 1:1的王水(浓盐酸与浓硝酸体积比为3:1)，沸水浴2 h,自然冷却后，将其移至50 mL容量瓶中，并用去离子水定容、摇匀，取上清液待测。采用原子荧光光度法测定Hg、As含量。每个样品均平行测定3次。

用万分之一的天平称取0.2500 g左右土壤样品于消解罐中，分别加入1 mL硝酸、2 mL氢氟酸、1 mL盐酸于120 ℃石墨消解仪上加热回流90 min，取下冷却用纯水定容至50 mL容量瓶中并摇匀，取上清液待测。采用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd含量。每个样品均平行测定3次[15-16]。

1.4 数据分析

实验数据均采用SPSS17.0软件进行统计分析，One-way ANOVA方差分析检验各地区间的差异，显著因子设置为0.05，图形均采用Origin8.1绘制，本文中所有的数据均是均值±SE。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

表1 描述性统计分析结果表Table 1 Results of descriptive statistical analysis

国家标准Ⅰ为《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T332-2006)中从严标准，国家标准Ⅱ为《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)(5.5

宿迁市宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县、泗洪县等五个地区农业用地土壤重金属含量描述性统计结果如表1所示。由表1可知，宿迁市五个地区的Hg含量平均值分别为0.001 mg/kg、0.003 mg/kg、0.001 mg/kg、0.002 mg/kg、0.001 mg/kg，Cd含量平均值分别为0.011 mg/kg、0.014 mg/kg、0.016 mg/kg、0.015 mg/kg、0.026 mg/kg，As含量平均值分别为0.943 mg/kg、1.030 mg/kg、1.825 mg/kg、2.444 mg/kg、1.099 mg/kg，Hg、Cd、As含量平均值没有超过《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T332-2006)中从严标准以及《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)(5.5

变异系数在一定程度上能够表明区域重金属变异程度，也表明了该区域内重金属元素的分布和受人类活动影响情况，一般可将变异划分为3类，当变异系数超过30%时为强变异，当变异系数介于10%～30%之间，为中等强度的变异，当变异系数小于10%时，为较弱变异。由表1可知，宿迁市宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县、泗洪县等五个地区农业用地土壤重金属Hg、Cd、As变异系数大小为3.00%～25%，变异程度小。其大小排列的顺序为Hg

2.2 土壤重金属时空异质性分析

表2 单因素方差分析结果表Table 2 Results of one-way ANOVA

图1 宿迁市五地区农业用地中土壤Hg、Cd、As含量Fig.1

由表2可知，宿迁市所辖五个地区间农业用地重金属Hg、Cd和As单因素方差分析结果P值均<0.01，含量差异显著，造成土壤重金属污染差异显著的原因包括所研究地区的经济发展程度、工业企业污染源数量以及对污染地块的治理程度。通过分析笔者认为宿迁市所辖宿豫区以及宿城区为主要城区，而泗洪县、沭阳县和泗阳县为县城，在居住人口、以及工业源数量上存在差异，导致该五个地区土壤中重金属Hg、Cd、As含量差异显著；图1通过对比五个地区Hg、Cd和As三种元素的含量差异可知，泗阳县农业用地土壤中Hg含量显著大于其他四个地区，一般认为，Hg 来源于生产、生活过程中煤炭等化石燃料燃烧排放，主要通过大气沉降方式进入土壤，可能原因是该地区工业发展以能耗型为主导致的，宿豫区和沭阳县的农业用地土壤中Hg含量显著大于宿城区和泗洪县，宿豫区和沭阳县、宿城区和泗洪县之间没有显著性差异。泗洪县农业用地土壤中Cd含量显著大于其他四个地区，有研究显示，污水灌溉、化肥和农药的施用是土壤Cd 元素富集的重要原因[1,5]，泗洪县最为宿迁最大的商品粮基地，有较大的农场，在耕作过程中现代程度不好，很多作物产量的增加很多依靠农药化肥的大量使用，导致该地农用地土壤中Cd元素含量的增加；此外，Cd元素还来源于汽车尾气排放、油料泄漏、橡胶轮胎磨损等[1,5]，宿城区作为宿迁的主城区，人口密集程度高，机动车较多，导致了宿城区的Cd含量也较高；宿豫区、沭阳县和泗阳县之间没有显著性差异。沭阳县和泗洪县农业用地土壤中As含量显著大于宿城区、宿豫区和泗阳县，沭阳县以及泗洪县土壤中重金属As含量较高的原因可能是其为主要的商品粮基地，而As则被大量用作杀虫剂以及除草剂，人们通过农业生产活动将重金属输入土壤，使土壤中重金属含量不断累积。沭阳县和泗洪县之间没有显著性差异，宿城区、宿豫区和泗阳县之间没有显著性差异。

3 结 论

(1)宿迁市所辖宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县和泗洪县的农业用地土壤中重金属Hg、Cd、As含量均能满足《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T332-2006)以及《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中相关标准要求，且变异系数较小。宿迁市作为江苏省沿海地区向中西部辐射的重要门户城市，若土壤环境中重金属含量过高会严重危害水域环境安全，影响人类健康，本研究结果在一定程度上为江苏沿海水域安全提供了理论保障。研究该区域的农业用地重金属含量与人类食品安全息息相关，本研究结果也在一定程度上为人们获取安全、健康的食品提供了理论保障。

(2)宿迁市农业用地土壤中重金属Hg、Cd、As含量在宿城区、宿豫区、沭阳县、泗阳县和泗洪县存在显著性差异，重金属Hg、Cd、As含量呈现明显的时空异质性分布。

(3)研究区域内Hg、Cd和As三种元素的含量情况为，泗阳县农业用地土壤中Hg含量显著大于其他四个地区，泗洪县和宿城区农业用地土壤中Cd含量显著大于其他四个地区，而沭阳县和泗洪县农业用地土壤中As含量显著大于其它区域。