三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量特征及污染評(píng)價(jià)

土壤不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是人類環(huán)境的重要組成部分。近些年,由于工業(yè)“三廢”的排放和礦山的開采,同時(shí)伴隨著污水灌溉、污泥農(nóng)用和施用含有重金屬元素的肥料和使用農(nóng)藥等,我國(guó)土壤重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重,農(nóng)用耕地面積銳減,相當(dāng)數(shù)量農(nóng)田的土壤質(zhì)量也日趨下降。重金屬在土壤中一般不易隨水淋失,不能被土壤微生物分解,相反生物體可以富集重金屬,通過(guò)食物鏈傳遞危害人類健康。更為嚴(yán)重的是,土壤重金屬污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆性的特點(diǎn),進(jìn)入土壤的重金屬元素,在一定時(shí)期內(nèi)尚不表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境和作物的危害,但當(dāng)其積累量超過(guò)土壤承受能力或土壤容量時(shí),就會(huì)對(duì)作物和人體產(chǎn)生危害,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題。重慶市三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤是重要的蔬菜、糧食、水果和中藥材的生產(chǎn)用地,這些土壤的環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重地影響著當(dāng)?shù)鼐用竦氖称钒踩蜕眢w健康,也間接地影響著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展;而Cu、Pb和Zn等是土壤環(huán)境中最引人關(guān)注的重金屬。因此,本文研究了重慶市三峽庫(kù)區(qū)豐都、奉節(jié)、江津、萬(wàn)州、武隆和忠縣6個(gè)區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Pb和Zn的全量和有效態(tài)含量特征,分析了Cu、Pb和Zn全量與有效態(tài)含量間的相關(guān)關(guān)系以及各重金屬全量間的相關(guān)關(guān)系,并同時(shí)對(duì)各重金屬的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),旨在為重慶市三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)和當(dāng)?shù)責(zé)o公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1材料和方法1.1采樣點(diǎn)布設(shè)方式本研究在重慶市的豐都、奉節(jié)、江津、萬(wàn)州、武隆和忠縣等6個(gè)區(qū)(縣),沿長(zhǎng)江干流和主要次級(jí)河流淹沒(méi)帶附近的農(nóng)業(yè)土壤上進(jìn)行。由于研究區(qū)土壤類型主要以紫色土、紫色水稻土、沖擊潮土和山地黃壤土為主,其土地利用狀況主要是農(nóng)用地、果園和林地;因而,在采樣點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中綜合考慮了各個(gè)區(qū)(縣)的主要土壤類型和主要的土地利用方式,使樣點(diǎn)盡量在各土壤類型及各種土地利用方式中均勻分布。各區(qū)(縣)均分別布設(shè)20個(gè)采樣點(diǎn),總計(jì)布點(diǎn)120個(gè)。在各采樣區(qū),根據(jù)具體情況布設(shè)梅花型多點(diǎn)(5~12點(diǎn)),采集0~20cm表層土壤,共采集土壤0.50~1.00kg,混合均勻后按四分法獲取足量樣品裝入聚乙烯塑料袋中。采集樣品時(shí)間為2006年10月。1.2土壤樣品的cu、pb和zn含量測(cè)定土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室中用牛皮紙自然風(fēng)干,磨碎,過(guò)100目尼龍篩,貯于聚乙烯薄膜袋中,以備分析使用。土壤樣品經(jīng)酸熔法(HNO3-HCl-HClO4)加熱消解后,采用原子吸收分光光度法測(cè)定全Cu、全Pb和全Zn的含量;土壤樣品經(jīng)0.1mol·L-1HCl浸提,采用原子吸收分光光度法測(cè)定有效Cu、有效Pb和有效Zn的含量。在重金屬元素分析測(cè)定中采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW07046)進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量控制,每種元素測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%。1.3異常值的清除土壤重金屬含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)分析應(yīng)用Excel2003和SPSS11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于異常值的剔除主要剔除重金屬元素中有效態(tài)與全量的比值大于1的元素。根據(jù)分析結(jié)果,只剔除武隆縣2個(gè)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù),表層土壤共有有效數(shù)據(jù)118個(gè)。2結(jié)果與分析2.1分析了庫(kù)姆農(nóng)業(yè)土壤中重金屬含量的特征分析2.1.1重金屬污染狀況三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Pb和Zn全量的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果列于表1。從表1可以看出,三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Pb和Zn全量的平均值分別為(29.96±12.80)mg·kg-1、(25.45±8.80)mg·kg-1和(64.79±18.79)mg·kg-1。對(duì)照我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cu、Pb和Zn含量均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。說(shuō)明雖有連年施用化肥和農(nóng)藥的習(xí)慣,但帶入土壤系統(tǒng)重金屬數(shù)量不大,沒(méi)有造成對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)重影響。變異系數(shù)作為反映統(tǒng)計(jì)數(shù)波動(dòng)特征的參數(shù),一定程度上可以描述該元素污染狀況的特征。三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Pb和Zn全量的變異系數(shù)分別為42.72%、34.58%和29.00%,均屬中等的變異。Cu在土樣之間較大的變異性反映了各區(qū)(縣)Cu污染有較大的差異,而Pb和Zn相對(duì)較小的變異性則反映了各區(qū)(縣)這兩類重金屬污染程度的相似性。各區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤中,Cu含量以武隆(41.44±18.96)mg·kg-1為最高;Pb和Zn含量的最大值(29.56±7.93)mg·kg-1和(70.84±19.48)mg·kg-1均出現(xiàn)在江津市,原因可能是由于江津市處于重慶市主城區(qū),受工業(yè)和生活污染的影響較大。Cu、Pb和Zn的平均含量均以忠縣為最低,其含量最小值分別為(21.77±9.69)mg·kg-1、(19.02±7.63)mg·kg-1和(57.89±15.82)mg·kg-1。2.1.2重金屬有效態(tài)含量的特征土壤中重金屬元素的有效態(tài)易于轉(zhuǎn)化和遷移,其數(shù)量的多少受人類生產(chǎn)活動(dòng)和土壤條件因子所制約,它們易被農(nóng)作物吸收而進(jìn)入食物鏈,將對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生潛在危害。因此,了解重金屬有效態(tài)含量特征及其所占全量的比例,即重金屬元素的有效性系數(shù),對(duì)于深入了解土壤重金屬污染非常重要。三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Pb和Zn有效態(tài)含量的平均值分別為(1.66±1.36)mg·kg-1、(1.67±1.24)mg·kg-1和(2.95±3.02)mg·kg-1,3種重金屬有效態(tài)含量變異均明顯大于全量的變異,其中有效Zn變異最大,其變異系數(shù)達(dá)102.53%(表2)。重金屬有效態(tài)變異較大,一方面與土壤重金屬全量含量不同有關(guān);另一方面由于不同農(nóng)戶對(duì)農(nóng)田的耕作管理措施不一,尤其是耕作制度、施肥數(shù)量、類型存在較大差異,造成土壤有機(jī)物料輸入量差異也較大,使重金屬螯合物產(chǎn)生數(shù)量、類型不一,從而使重金屬在土壤中形態(tài)及溶解度存在較大差別。重金屬有效態(tài)比例增加,意味著重金屬在土壤中的活動(dòng)性增加,將對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生潛在危害。三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中Cu、Pb和Zn的有效性系數(shù)分別為(5.53±3.77)%、(7.52±7.18)%和(4.36±4.14)%,其與我國(guó)一般良田土和菜園土有效態(tài)重金屬所占的比例相當(dāng)。其中Zn的有效性系數(shù)最低,其活性最低,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生的潛在危險(xiǎn)也最小。2.2庫(kù)姆農(nóng)業(yè)土壤中重金屬含量的相關(guān)性分析2.2.1土壤重金屬cu、pb和zn元素與有效態(tài)含量間的關(guān)系各區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤重金屬元素全量與有效態(tài)之間的相關(guān)性見表3。結(jié)果表明,各區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cu、Pb和Zn元素全量與有效態(tài)含量間均呈顯著或極顯著正相關(guān),表明這3種元素有效態(tài)含量很大程度上是全量決定的,Cu、Pb和Zn是農(nóng)業(yè)土壤認(rèn)為施肥造成污染最為普遍的元素。本研究結(jié)果與張民等對(duì)我國(guó)菜園土的研究以及姜培坤等對(duì)雷竹林土壤的研究結(jié)果類似。2.2.2土樣重金屬元素間的相關(guān)性分析由于地球化學(xué)條件的相似性,以及造成土壤污染的污染源中金屬元素共存于土壤中,導(dǎo)致重金屬元素在總量上存在相關(guān)性。元素間相關(guān)性顯著和極顯著,說(shuō)明元素間一般具有同源關(guān)系或是復(fù)合污染。為了了解各重金屬元素之間的相關(guān)性,對(duì)各區(qū)(縣)的土樣重金屬元素兩兩之間進(jìn)行相關(guān)分析,其結(jié)果見表4。表4表明,各區(qū)(縣)Cu和Pb及Cu和Zn間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān),豐都、奉節(jié)和江津3個(gè)區(qū)(縣)Pb和Zn也呈現(xiàn)極顯著正相關(guān),而萬(wàn)州、武隆和忠縣3個(gè)區(qū)(縣)Pb和Zn間呈現(xiàn)顯著正相關(guān),尚未達(dá)到極顯著水平。表明庫(kù)區(qū)土壤同時(shí)受Cu、Pb和Zn污染的可能性比較大,即土壤污染存在復(fù)合污染特性,這與其他學(xué)者有關(guān)于復(fù)合污染研究的結(jié)論一致。2.3土壤環(huán)境質(zhì)量采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GBl5618—1995)及土壤環(huán)境污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表5)進(jìn)行評(píng)價(jià)。重金屬污染程度評(píng)價(jià)方法采用單因子污染指數(shù)法和多因子綜合污染指數(shù)法,具體評(píng)價(jià)方法見文獻(xiàn),評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。從表6可看出,在所檢測(cè)的3種元素之間進(jìn)行比較,以各種元素的單因子污染指數(shù)的平均值表征其受污染程度大小,可得調(diào)查區(qū)6個(gè)區(qū)(縣)污染狀況均表現(xiàn)為:Cu>Zn>Pb。各區(qū)(縣)Cu、Zn和Pb的單因子污染指數(shù)分別以江津、武隆和萬(wàn)州為最高,其單因子污染指數(shù)的最大值分別為:0.60±0.46、0.11±0.03和0.33±0.08;Cu、Zn和Pb的單因子污染指數(shù)均以忠縣為最低,其單因子污染指數(shù)的最小值分別為:0.23±0.10、0.06±0.02和0.17±0.05。單項(xiàng)污染指數(shù)只能反映土壤中某一重金屬元素的污染狀況,而土壤是一個(gè)十分復(fù)雜的體系,只有通過(guò)綜合污染指數(shù)才能較具體地評(píng)判和表明其重金屬的污染情況。根據(jù)綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出,三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬綜合污染指數(shù)平均值為0.38±0.20,總體污染水平評(píng)定為清潔。其中污染程度為清潔(P綜≤0.7)的樣點(diǎn)有114個(gè),占96.61%;尚清潔水平(0.7<P綜≤1.0)的樣點(diǎn)有2個(gè),占1.69%;輕度污染(1.0<P綜≤2.0)的樣點(diǎn)有2個(gè),占1.69%。其中0.7<P綜≤2.0的4個(gè)土壤樣本均出現(xiàn)在江津市;豐都、萬(wàn)州、武隆、奉節(jié)和忠縣5個(gè)區(qū)(縣)的所有土壤樣本的Cu、Zn和Pb的綜合污染指數(shù)均小于0.7,所測(cè)定的土樣100%都屬于清潔水平。各區(qū)(縣)Cu、Zn和Pb綜合污染程度由高到低的排列順序?yàn)?江津>豐都=萬(wàn)州>武隆>奉節(jié)>忠縣,其綜合污染指數(shù)依次為0.48、0.43、0.43、0.38、0.34和0.21。對(duì)比土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以看出,各區(qū)(縣)Cu、Zn和Pb綜合污染指數(shù)P綜也均小于0.7,污染等級(jí)為Ⅰ級(jí)、污染水平為清潔、污染程度為安全等結(jié)果說(shuō)明調(diào)查區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況良好。因此,重慶市三峽庫(kù)區(qū)6個(gè)區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤中3種重金屬元素含量均達(dá)到無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3重金屬有效態(tài)含量的變異特征三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Pb和Zn全量的平均值分別為(29.96±12.80)mg·kg-1、(25.45±8.80)mg·kg-1和(64.79±18.79)mg·kg-1;Cu、Pb和Zn全量的變異系數(shù)分別為42.72%、34.58%和29.00%,均屬中等的變異。Cu、Pb和Zn有效態(tài)含量的平均值分別為(1.66±1.36)mg·kg-1、(1.67±1.24)mg·kg-1和(2.95±3.02)mg·kg-1。3種重金屬有效態(tài)含量變異均明顯大于全量的變異;其中有效Zn變異最大,其變異系數(shù)達(dá)102.53%。Cu、Pb和Zn的有效性系數(shù)分別為(5.53±3.77)%、(7.52±7.18)%和(4.36±4.14)%,其中Zn的有效性系數(shù)最低,其對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生的潛在危險(xiǎn)也最小。各區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cu、Pb和Zn全量與有效態(tài)含量間均呈顯著或極顯著正相關(guān),表明這3種元素有效態(tài)很大程度上是全量決定的。各區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cu、Pb和