淮河流域高潜水位农用地重金属特征及风险评价_张治国.pdf

第 卷 第 期安徽理工大学学报（自然科学版）年 月 （）淮河流域高潜水位农用地重金属特征及风险评价张治国，方 超，胡友彪，郑永红，邓永强（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南；安徽理工大学安徽省高潜水位矿区水土资源综合利用与生态保护工程实验室，安徽 淮南；合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室），安徽 合肥；淮南矿业（集团）有限责任公司煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南）摘 要：为查明淮河流域典型高潜水位农用地土壤重金属污染物特征及其影响范围，保证土壤环境及农产品质量安全，以淮南市毛集实验区焦岗湖镇某村农用地土壤为研究对象，分析了土壤中镉（）、铬（）、铅（）、砷（）、铜（）、锌（）和镍（）等 种重金属元素的含量特征。运用内梅罗综合污染指数法（）、污染负荷指数法（）和潜在生态风险评价法（）评价土壤重金属污染水平和潜在生态风险程度，并应用 软件中地统计分析模块探讨土壤重金属空间分布特征。结果表明：该区域土壤 种重金属含量平均值和中值均低于淮南市土壤元素背景值和农用地土壤污染风险筛选值，空间分布上重金属含量总体上呈现从南到北、从西至东逐渐升高的趋势；内梅罗污染指数和污染负荷指数法评价表明，重金属元素污染等级分别处于清洁和无污染水平；潜在生态风险指数评价表明，总体上生态风险等级轻微；在空间分布上，重金属污染指数值呈现由南至北逐渐增大趋势，和 元素是最主要的生态风险贡献因子。关键词：高潜水位；农用地；重金属；空间分布；风险评价中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；国家重点研发计划“固废资源化”重点专项基金资助项目（）；安徽省博士后基金资助项目（）；合肥综合性国家科学中心能源研究院项目（）。作者简介：张治国（），男，陕西咸阳人，高级实验师，在读博士，研究方向：水土污染控制与修复。，（，；，；，；，（），）：，（），（），（），（），（），（）（），（），（）（），：；随着城市化和工业化的快速发展，土壤重金属污染引起广泛关注。重金属的毒性和难降解性是导致大面积土壤污染的重要原因，土壤污染已成为全球土壤功能退化所面临的主要挑战之一。近几十年来，土壤环境质量下降日趋加剧，特别是农田土壤质量、农产品质量安全及人体健康受到严重威胁，农用地土壤的重金属污染问题已经成为当前的研究热点。近年来，国内外学者对农田土壤重金属生态风险评价、时空尺度分布特征、土地利用方式以及重金属溯源等开展了较深入的研究。文献以湖南省某典型流域为研究区，评价农用地土壤、这 种重金属的污染状况，并对其空间分布和污染来源进行探究。文献以黔西南中部某农用地土壤为研究对象，分析测定土壤中 种重金属元素，分析其分布特征、生态风险和来源。文献通过地累积指数分析和土壤重金属潜在生态风险评价，对宁夏石嘴山地区农用地土壤的质量状况和潜在生态风险进行分析和评价。文献对南京东郊沿江地区农用地土壤重金属测定了，并对研究区土壤重金属污染物类型及其影响进行污染风险性评估。文献对日照市典型农用地表层土壤 种重金属元素含量进行分析和评价，并解析土壤重金属的主要来源。然而，淮河流域属于典型的高潜水位地区，高潜水位地区主要分布于我国中东部黄淮海平原的河北省、河南省、安徽省、山东省和江苏省地下水平均埋深一般介于 之间，安徽省普遍小于。该区域地下水位埋深浅，地面排水如果不畅，容易造成土壤通气不良，使有机物质难以分解，土壤供肥能力下降。另外，农用地土壤一旦受到污染后，污染物也容易迁移造成浅层地下水水质污染。淮河流域是典型的高潜水位地区，选择淮南市毛集实验区焦岗乡某村农用地土壤为研究对象，主要分析了土壤中、和 共计 种重金属元素的含量特征和污染水平，并运用 软件中克里格插值法研究农用地土壤重金属空间分布特征，以期为相关管理部门的环境决策提供理论依据与科学指导，助力乡村振兴。研究区概况淮南市毛集实验区位于淮南市西南部，淮河与西淝河交汇处。地势东南低、西北高，临近淮河。毛集实验区属北亚热带季风气候，日照充足，降水充沛。研究区位于淮南市毛集实验区焦岗湖镇某村，地处淮河和焦岗湖之间，地下水埋深在。研究区农用地土壤质地以粉砂质壤土为主，容重均值为 ，土壤整体上偏紧实水平，土壤酸碱度以弱碱性为主，速效养分有机质、速效磷和碱解氮较为缺乏，速效钾含量较丰富。区域内农作物主要种植小麦玉米，辅助以黄豆、红薯和花生等农作物种植。研究区内规模化种植人工草坪，主要品种有早熟禾、百慕达、马尼拉等草坪品种。第 期 张治国，等：淮河流域高潜水位农用地重金属特征及风险评价 材料与方法 样品采集与预处理 年 月，在研究区域内，根据耕地地力调查与质量评价技术规程确定调查采样点位置数量，研究区农田总面积约为 亩，按照 亩 个采样点进行布设，并结合后期可视化评价需求，确定 个采样点，如图 所示。图 采样点布设示意图 每个采样点取 深度的表层土壤，拣出碎石、砂砾、植物残体，土壤样品经充分混合后用四分法取舍。保留 左右混合土样，装入样品袋，贴上标签，记录采样时间、地点和 坐标等详细信息，带回实验室进行预处理和分析。土壤样品在风干盘内进行自然风干，经过去杂、玛瑙球磨机研磨、尼龙筛网筛分、装袋等程序，放置在干燥器内。准确称取（精确至）过 目筛网的土壤，在聚四氟乙烯坩埚内，经过硝酸氢氟酸高氯酸（）湿法消解、定容 后，过 微孔滤膜过滤后，测土壤消解液中重金属含量。评价方法）内梅罗综合指数法 内梅罗综合指数法是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数，该方法能够较为全面地反映研究区各重金属对土壤的综合危害程度。（）式中，为内梅罗指数；为单因子指数；为各重金属元素单因子指数的平均值；为各重金属元素单因子指数的最大值。）污染负荷指数法 污染负荷指数法是在重金属污染水平的分级研究中提出来的评价方法，包括所有评价区域多种重金属成分，能够直观反映各重金属元素对污染程度的贡献力。计算公式为（）式中，为重金属 的最高污染系数；为土壤中重金属 的实测值；为重金属 的背景值。（）式中，为某点的污染负荷指数；为参加评价的重金属种类数。（）式中，为某区域的污染负荷指数；为该区域所包含的采样点数目。）潜在生态风险评价 潜在生态风险指数法从沉积学角度出发，综合考虑了土壤重金属含量、安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷多元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属的污染敏感性等因素。实测（）式中，为某一重金属的污染系数；实测为表层沉积物重金属元素的实测含量，；为该元素的参比值。（）式中，为某一重金属的潜在生态风险系数；为某一重金属的毒性相应系数（、和 毒性相应系数分别为，和）。（）式中，为某一点多种重金属综合潜在生态风险指数。评价标准内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险评价方法中重金属元素参比值以农用地土壤污染风险管控标准（试行）（）筛选值为背景参比值，研究区土地基本为水旱轮作，采用较严格的风险筛选值作为评价标准。污染负荷指数法中重金属元素参比值以淮南市土壤重金属背景值为参比值进行评价。种评价方法的土壤污染风险分级标准如表 所示。表 土壤污染风险分级标准评价指标风险等级单因子污染指数 污染程度清洁轻微污染轻度污染中度污染重度污染内梅罗综合污染指数 污染程度清洁轻微污染轻度污染中度污染重度污染污染负荷指数法 污染程度无污染中等污染强污染极强污染单元素潜在生态风险指数 污染程度低中较高高极高综合潜在生态风险指数 污染程度低中较高高极高 数据处理与质量控制采用 和 软件进行数据分析，空间分布特征图采用 软件克里格插值法（）作图。土壤重金属、和 的含量使用电感耦合等离子体质谱仪（）测定。标准曲线使用 分析标准溶液进行（）进行配置。分析过程中所使用的酸均为优级纯，实验用水为超纯水，玻璃仪器和聚四氟乙烯坩埚在稀（体积分数）溶液中浸泡过夜后使用。结果与分析 土壤重金属含量分布特征）表层土壤重金属含量 研究区耕层土壤重金属含量如表 所示，其中、和 的含量平均值分别为、和 。耕层土壤重金属含量平均值和中值均低于淮南市土壤元素背景值与农用地土壤污染风险筛选值。为研究重金属元素富集变化特征，将元素含量超过淮南市土壤元素背景值的样品占全部样品的第 期 张治国，等：淮河流域高潜水位农用地重金属特征及风险评价占比定义为该元素的土壤相对富集率，分析表 数据，仅有 元素在 号采样点含量超过淮南市土壤元素背景值，相对富集率。表 土壤重金属含量统计重金属元素重金属含量（）最大值最小值平均值中值标准偏差变异系数 淮南市土壤元素背景值（）农用地土壤污染风险筛选值（）（）变异系数反映各采样点土壤重金属含量的离散程度，变异系数越高所代表的概率分布离散程度就越大。由表 可知，种重金属元素变异系数在之间，变异程度为，其中 元素变异系数最大为，属于强变异；元素和 元素分别为 和，属于中等变异。、和 元素，空间变异相对显著，受外界干扰显著。、等 个元素变异系数小于，属于弱变异，空间变异相对不显著较为稳定均匀具有同源性。）土壤重金属含量空间分布特征研究区耕层土壤 种重金属含量空间分布，如图 所示。除 和 外，其他、和 元素空间分布特征类似，且分布较为均匀，表明这 种重金属元素具有一定同源性。总体上，研究区内耕地土壤的重金属含量空间分布呈现从南到北、从西至东逐渐升高的趋势。空间分布较为连续，高值区较为集中，研究区西北方向上 含量较高，东南方向上 含量较低，重金属 含量从东南到西北方向上逐渐升高趋势。安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷图 农用地表层重金属含量空间分布图（单位：）土壤重金属元素风险评价）内梅罗综合污染指数法从图 可以看出，研究区域内土壤、等 种重金属元素 均值均小于，说明研究区域 种重金属元素污染等级处于清洁水平，不存在重金属污染。采样点内 指数在 之间，平均值为 ，最小值出现 号采样点，最大值出现在 号采样点。污染指数的变异系数，处于低度变异强度。由图 可知，研究区域土壤重金属 值在空间分布上呈现由南至北重金属逐渐增大趋势，、和 点位所在区域污染水平相对较大。图 采样点土壤重金属 指数图第 期 张治国，等：淮河流域高潜水位农用地重金属特征及风险评价图 土壤重金属 空间分布图）污染负荷指数法从图 分析可知，研究区土壤重金属 指数远小于，说明研究区域内土壤无重金属元素污染。采样点内 指数在 之间，平均值为 ，最小值出现 号采样点，最大值出现在 号采样点。污染指数的变异系数，处于低度变异强度。图 土壤重金属 指数图图 土壤重金属 空间分布图从图 可知，研究区域土壤重金属 值在空间分布上呈现由南至北方向上逐渐增大趋势，其中在、和 采样点位上 指数大于其他点位 指数值，并且这些指数点在空间上呈条带状分布。）潜在生态风险评价 由表 和图 可知，单元素潜在生态风险指数 平均值均未超过，表明 种重金属元素生态风险轻微。重金属 平均值大小顺序为，元素是最主要的生态风险贡献因子，贡献率为，元素次之，贡献率为。元素 值的变异系数为，为强变异程度，说明 元素受外界干扰较强。和 元素 值的变异系数分别为 和，为中等变异程度。、和 元素 值的变异系数均小于，为弱变异程度。综合潜在生态风险指数 平均值为 ，范围在 之间，均小于，表明总体上研究区农用地土壤重金属生态风险等级轻微。表 土壤重金属潜在生态风险指数统计评价指数重金属元素最大值最小值平均值标准偏差变异系数单元素潜在生态风险指数 综合潜在生态风险指数 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷图 研究区域土壤重金属对 值贡献率由图 可知，研究区域内、和 号采样点综合潜在生态风险指数 值均高于平均值，其中 号点 值最大为，号点 值最小为 。综合潜在生态风险指数 值空间分布图如图 所示。在空间分布图上，由南往北方向上 指数逐渐升高，西北方向 值相对较高，西南和中部 指数较低。图 各采样点土壤重金属 值图 土壤重金属 空间分布图 讨论研究区农用地土壤、和 等 种重金属元素平均含量相对较低，均低于淮南市土壤元素背景值与农用地土壤污染风险筛选值。对 种重金属元素污染程度采用不同评价方法进行评价，内梅罗综合污染指数法和污染负荷指数法评价结果显示，农用地土壤重金属污染水平清洁，研究区土壤不存在重金属污染。潜在生态风险指数评价结果显示，研究区土壤重金属单元素 指数和综合 指数均未超过级水平，生态风险水平低。从 种重金属元素的含量和污染指数空间分布上分析，除 外，总体上呈现由南往北逐渐升高趋势。农用地土壤重金属含量不仅受到土壤母质的影响，也受到人为活动的扰动，尤其是农用地一旦受到人为活动污染后，导致表层土壤重金属含量增加。文献对太滆运河流域农田土壤重金属污染和风险状况进行分析评价发现，在人为因素的干扰下，农田土壤受到 和 的轻微污染。文献探明贵州六盘水某矿区周边农田土壤重金属的分布特征时发现，采矿活动造成矿区周边农田土壤重金属重度污染，其中、是该研究区土壤影响最显著的生态风险因子。研究区土壤 种重金属元素中，元素含量属于强变异，元素和 元素中等变异，、等属于弱变异。元素 值的变异系数为强变异，和 元素 值的变异系数分别为中等变异程度，、和 元素 值的变异系数为弱变异程度。因此，、和 元素受到外界扰动，、和 元素相对稳定主要受到土壤母质影响。另外，对仅有 元素在 号采样点，、和 指数中最大值的、和 号点种植作物确认，发现这 个采样点均规模化种植人工草坪。草坪种植和日常养护中，在播种建植期芽前、芽前、苗期芽后、成坪芽后等环节均需喷洒大量除草剂，草坪日常施肥养护也能带来重金属污染，这两个因素叠加可能造成这 个区域内农用土壤重金属元素出现富集现象和污染指数偏高的现象。研究区属于典型的高潜水位农田，地下水埋深浅，农用地土壤质地为粉砂质壤土，蓄水力弱、养分第 期 张治国，等：淮河流域高潜水位农用地重金属特征及风险评价含量少，保肥能力差，但通气性、透水性好，易耕作。尽管现阶段耕层土壤没有受到大面积重金属污染，一旦受到某种重金属元素的污染后，重金属污染物很容易污染浅层地下水。特别是研究区北部人工草坪的规模化种植，对土壤重金属带来一定富集和潜在生态风险，应该引起足够的重视和防范。相比内梅罗综合污染指数法，土壤污染负荷指数法能更好地反映研究区域土壤重金属特征。特别是重金属元素无污染清洁水平下，值差异性不强，不能反映不同采样点土壤重金属特征。潜在生态风险指数法除了考虑重金属含量之外，还兼顾不同重金属的生物毒性影响，生态风险指数法的评价结果较为准确。从 种重金属 和 值空间分布来看，空间格局基本一致，呈现由南至北逐渐升高的趋势。我国对土壤重金属污染评价体系没有建立统一、标准的方法。另外，我国尚未发布土壤环境背景值标准制定的相关技术规范，评价方法选择重金属背景值不同，直接影响污染评价结果不同，比如可以选择各省市土壤环境背景值、中国土壤元素背景值、农用地土壤污染风险管控筛选值等。深圳市于 年 月 日发布实施了我国首部土壤环境背景值（）和建设用地土壤污染风险筛选值和管制值（）两项地方标准，对土壤环境管理工作的科学化、标准化和规范化具有重要意义。另外，重金属污染水平评价中对于重金属形态也没有具体要求，全量还是有效态，这方面问题值得深入研究。因此，在实际评价工作中，应综合考虑评价对象重金属污染的种类、含量、评价目的，当地土壤母质、环境背景值、质地和农作物种植等条件，还应考虑重金属的生物可利用性、毒性水平、赋存形态、敏感性等特征，采用多种方法进行评价，并借助地理空间分析软件如、等来完成评价，实现土壤重金属的污染等级和空间分布特征可视化，为相关管理部门的环境决策提供理论和依据，服务于国家乡村振兴战略。结论（）研究区农用地土壤重金属含量平均值和中值都低于淮南市土壤元素背景值与农用地土壤污染风险筛选值。、和 元素含量和污染指数变异系数均为中等强度以上，说明研究区农用地土壤受到农药、化肥等行为外界扰动出现了波动。、和 元素相对稳定，低变异程度，说明这 种元素主要受到土壤母质影响。（）内梅罗污染指数和污染负荷指数评价表明，研究区域农用地土壤 种无污染清洁水平。潜在生态风险指数评价表明，区域内土壤 种重金属元素总体上生态风险等级轻微。重金属 平均值大小顺序为，和 元素是最主要的生态风险贡献因子。（）在空间分布上，区域内农用地土壤、和 等 种重金属元素空间分布特征类似，重金属含量呈现从南到北方、从西至东方向上逐渐升高的趋势。空间分布较为连续，从东南部到西北部逐渐升高趋势。种重金属、和 值呈现由南至北重金属逐渐增大趋势。（）总体上，研究区农用地土壤重金属生态风险较低，但是由于研究区域内草坪规模化种植，对农用地土壤重金属带来一定富集和潜在生态风险，另外研究区域内高潜水位、粉砂质壤土的特点，农用地一旦受到重金属污染，很容易迁移污染浅层地下水，应该引起必要重视和防范。参考文献：韦炳干，虞江萍，曹志强，等唐山市设施菜地土壤重金属累积与有效态含量的影响特征环境化学，（）：方臣，匡华，周小娟，等湖北恩施地区土壤重金属高光谱反演模型研究环境科学与技术，（）：余飞，张永文，严明书，等重庆汞矿区耕地土壤和农作物重金属污染状况及健康风险评价环境化学，（）：杨剑洲，王振亮，高健翁，等海南省集约化种植园中谷物、蔬菜和水果中重金属累积程度及健康风险环境科学，（）：，：，安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷 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