北京山区不同类型灌区土壤重金属含量的分布特征

北京山区不同类型灌区土壤重金属含量的分布特征

0农田污水田盐污染合理利用城市污水灌溉耕地是缓解农业水资源紧张、培肥农业土壤和处理城市污水的重要措施。我国自1957年就开始了污水灌溉农田的试验研究,先后在淡水资源紧缺的北方城市如北京、天津、西安、抚顺、石家庄、保定等城市的郊区建立了大规模的农田污水灌区。研究表明,如果长期使用未经处理的污水进行农田灌溉,使污水中的重金属元素在土壤中持续积累,可能会导致土壤重金属污染。北京东郊的凤港减河、北运河沿岸的农田已有近50年的污灌历史,其土壤中重金属元素的积累与分布特征和土壤污染-农产品质量-人群健康状况已成为社会关注的热点。本文在结合前人研究成果的基础上,通过实地调查与采样分析,对北京东郊污灌区、清污混合灌区、清灌区土壤、河流沉积物中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、V、Zn的含量进行比较研究,以期揭示不同类型灌区土壤-农作物重金属污染的特征,为污灌区土壤污染防治与修复和健康风险评估提供参考。1材料和方法1.1研究区地表和水文环境条件研究区位于北京市通州区与河北省香河县的交接区域,这里地处暖温带大陆性季风气候区,年均气温约10.5℃,年降水量约620mm,降水多集中在夏秋季节,冬春季降水稀少且多大风天气;在地形上研究区属于潮白河冲积平原,其地势由北向南微倾斜,地表主要为潮白河携带的黄褐色或黄棕色沙壤质和粉沙壤质沉积物,在上述沉积物上发育了壤质潮土、沙质潮土和黏质潮土,这些土壤环境背景值相对均一;在水文条件上研究区属于凤港减河、北运河、潮白河并行区域,其地表水和地下水资源丰富,但水质差异显著。潮白河沿岸及其以北平原区水质良好,北运河沿途接纳了北京城的大量污水,因此其水质较差,凤港减河属于人工挖掘的排污河流,其水质相对更差。研究区土地利用以灌溉农业为主,种植冬小麦、夏玉米、棉花和蔬菜等,因灌溉水源的不同,凤港减河、北运河西岸区域为污水灌溉区,北运河与潮白河之间平原区为清污混合灌区,潮白河东北岸区则为清水灌区,如图1所示。1.2样品的采集和保存2007年夏季,结合遥感影像和地形图,实地考察了研究区土地利用状况,在远离公路、集中连片的农耕区域运用带状布点法采集土壤样品,在凤港减河、北运河沿岸的污灌区采集土壤样品25份,在北运河与潮白河之间的清污混合灌区采集土壤样品13份,在潮白河东北沿岸清水灌区采集土壤样品9份;同时还采集了北运河和潮白河的河底沉积物10份(凤港减河属人工河仅采集1份沉积物样品)。每个采样点分别采集表土层(0~20cm)和心土层(20~40cm)样品各1.5kg装入样品袋。所有土壤和沉积物样品及时在实验室内风干、压碎、过孔径为2.00mm(20目)的尼龙筛;用四分法将上述样品分成4份,两份作为20目的土壤和沉积物样品保存于样品袋中;一份样品研磨到全部过孔径为0.25mm(60目)的尼龙筛,并装入样品袋中保存;余下的一份研磨到全部过孔径为0.149mm(100目)的尼龙筛,并装入样品袋中保存。1.3有机质含量与生物量称取5.00g20目的风干土壤样品,用电位法测定土壤pH值;称取2.000g100目的风干土壤样品,用气量法测定土壤中CaCO3含量;称取约0.2000g100目的风干土壤样品准确到0.1mg,用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤中有机质含量。称取约0.1000g100目风干土壤和沉积物样品准确到0.1mg,运用高压密闭HF、HNO3和HClO4分解法消解样品,用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES,ULTIMA,法国JY公司)测定样品中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、V、Zn质量比(即中国环境保护标准汇编2004—2006年中的土壤监测等效方法)。在样品消解过程中所用的试剂均为优级纯,并加入国家标准土壤样品(GSS-1、GSS-2)进行分析质量控制,各种重金属元素的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内,其土壤样品测定结果见表1,河流沉积物样品测定结果见表2。2研究区表土层和清污混合类型土壤n、pn质量比特征由表1可知,研究区表土层和心土层中有机质质量比均值分别为1.590g/kg和0.824g/kg,其标准差系数在43%~48%;表土层和心土层土壤的pH值(水土比为5∶1)平均值分别为8.30和8.44,标准差系数约4%;研究区表土层和心土层土壤中均含有CaCO3,且CaCO3在心土层有微弱的聚集现象。根据中国科学院土壤队1961年的调查,潮白河在研究区河谷宽阔且浅平,至香河镇便成为地上河,堆积了大面积均匀的沙质沉积物,并发育了轻壤质浅色草甸土。1960年密云水库建成之后有效地控制了潮白河的洪涝灾害和频繁的泥沙堆积过程,自此研究区的轻壤质浅色草甸土便在人类建设与农耕活动影响下不断熟化发育。在清水灌区、污水清水混合灌区和污水灌区,表土层和心土层中Co质量比平均值在16.25~17.77mg/kg之间,与研究区土壤Co背景值(15.4~20.0mg/kg)相当,高于全球黄土与粉粒沉积物发育土壤Co的背景值(11.0mg/kg),且各类样品实测的Co质量比变异系数均小于或等于20%;表土层和心土层中Ni质量比平均值在28.40~32.78mg/kg之间,与研究区土壤Ni背景值(24.9~33.0mg/kg)相当,高于全球黄土与粉粒沉积物发育土壤Ni的背景值(17.0mg/kg),且各类样品实测的Ni质量比变异系数均小于或等于25%;表土层和心土层中V质量比平均值在72.50~84.54mg/kg之间,与研究区土壤V背景值(76.8~96.0mg/kg)相当,低于全球黄土与粉粒沉积物发育土壤V的背景值(102.0mg/kg),且各类样品实测的V质量比变异系数均小于20%。污水灌区与清污混合灌区表土层和心土层中Mn质量比平均值相当,两者都高于清水灌区,且均在研究区土壤Mn背景值范围之内。研究区表土层中Cr质量比平均值表现为:污水灌区(84.20mg/kg)>清污混合灌区(72.94mg/kg)>清水灌区(65.45mg/kg);心土层Cr质量比平均值也表现为:污水灌区(73.37mg/kg)>清污混合灌区(70.46mg/kg)>清水灌区(65.22mg/kg);在整个研究区表土层中Cr质量比平均值大于心土层中Cr质量比平均值,且表土层各类样品实测的Cr质量比变异系数均较大;只有污水灌溉区表土层中Cr质量比平均值明显地大于研究区土壤Cr背景值(57.3~73.9mg/kg),也显著大于全球黄土与粉粒沉积物发育土壤Cr的背景值(55.0mg/kg),在污水灌区的25个样点中有13个样点表土层中Cr质量比>75.0mg/kg。研究区表土层中Cu质量比平均值表现为:污水灌区(25.67mg/kg)>清污混合灌区(24.37mg/kg)>清水灌区(22.26mg/kg),心土层Cu质量比平均值也有类似的规律,且均与研究区土壤Cu背景值(20.7~27.3mg/kg)、全球黄土与粉粒沉积物发育土壤Cu的背景值(25.0mg/kg)相当,但是在污水灌区的25个样点中已有7个样点表土层中Cu质量比大于27.5mg/kg。研究区表土层中Zn质量比平均值表现为:污水灌区(105.20mg/kg)>清污混合灌区(98.36mg/kg)>清水灌区(88.89mg/kg);心土层Zn质量比平均值也表现为:污水灌区(89.88mg/kg)>清污混合灌区(84.67mg/kg)>清水灌区(76.14mg/kg);在整个研究区表土层中Zn质量比平均值大于心土层中Zn质量比平均值,且表土层各类样品实测的Zn质量比变异系数均较大;只有在污水灌区和清污混合灌区的表土层中Zn质量比平均值明显地大于研究区土壤Zn背景值(67.3~88.5mg/kg),也显著地大于全球黄土与粉粒沉积物发育土壤Zn的背景值(58.5mg/kg),在污水灌区的25个样点中有20个样点表土层中Zn质量比大于88.5mg/kg,在清污混合灌区的13个样点中有8个样点表土层中Zn质量比大于88.5mg/kg,这些结果与杨军等2005年所测定的凉凤灌区土壤中重金属元素含量相吻合。进一步的统计分析表明,土壤中的有机质含量与重金属元素Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Zn含量呈显著正相关(P<0.05),与V含量呈正相关,但相关性不显著。这可能由于土壤中有机质能与重金属产生吸附作用,并且污水中有机质含量偏高,重金属大多以与有机质吸附的方式随污灌进入土壤等有关系。统计分析亦表明,土壤中碳酸钙含量与各重金属元素呈正相关,其中与Cu、Mn、Zn呈显著正相关(P<0.05)。且从研究中可知,在污水灌区和清污混合灌区,表土层中Cr、Cu、Zn含量明显地高于心土层中Cr、Cu、Zn的含量,这表明在研究区碱性环境条件下,土壤中CaCO3和有机质对这些重金属具有一定的吸附和固结作用,从而降低了这些重金属元素的活性。由表2可知,潮白河沉积物中Co、Cr、Cu、Mn、Ni和V含量的平均值均在研究区土壤各元素背景值的变化范围之内,潮白河沉积物中Zn含量的平均值是研究区土壤Zn含量背景值的约1.5倍。北运河及凤港减河沉积物Co、Mn和V含量的平均值均在研究区土壤各元素背景值的变化范围之内;沉积物中Ni含量的平均值是研究区土壤Ni背景值的约1.5倍;沉积物中Cr含量的平均值是研究区土壤Cr背景值的约2.0倍;沉积物中Cu和Zn含量的平均值是研究区土壤Cu、Zn背景值的约6.0~7.0倍。与李莲芳等的研究结果的相比,北运河沉积物中重金属含量平均值显著高于北运河上游温榆河段沉积物中重金属平均含量。3污水灌溉对土壤重金属含量的影响1)与研究区土壤背景值相比,北京市东郊的凤港减河、北运河、潮白河并行区域的污水灌区、清污混合灌区、清水灌区表土层和心土层中重金属元素Co、Ni、Mn和V没有出现明显积累现象;污水灌区和清污混合灌区表土层中重金属元素Cr、Cu和Zn有明显的积累现象。参照国家土壤环境质量标准(GB15618—1995),污灌区和清污混合灌区土壤主体还维持在国家一级标准,个别地段的土壤达到了国家二级标准,因此其土壤暂可保障农业生产和维护人体健康,但如果继续实行污水灌溉,会增加未来土壤遭受重金属污染的风险。2)在污水灌区、清污混合灌区和清水灌区,表土层与心土层Co、Mn、Ni和V含量无明显差异,在受地下水及氧化还原过程影响的局部地段表土层与心土层中Mn含量则有差异,这表明无外界向研究区土壤中注入Co、Mn、Ni和V重金属元素。在污水灌区和清污混合灌区,表土层中Cr、Cu、Zn含量明显高于心土层中Cr、Cu、Zn的含量,这表明研究区碱性的环境条件、土壤中CaCO3和有机质对这些重金属具有一定的吸附和固结作用,从而降低了这些重金属元素的活性。3)潮白河沉积物中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、V和Zn含量均与研究区土壤背景值相当,北运河