江苏省太湖地区土壤重金属污染现状及治理对策

江苏省太湖地区土壤重金属污染现状及治理对策

随着城市化进程的加快，工农业生产的快速发展和人类的生产活动，土壤中重金属污染日益严重。重金属元素是影响农业特别是种植业生产的重要因素之一。在江苏境内存在局部土壤重金属污染,Cd、Hg是目前最受关注的重金属元素,在苏南地区尤其应该引起重视。1地貌、地貌研究区位于江苏南部太湖地区,面积为676km2,太湖地区是我国民族工业发展较早的地区之一,工业化、农业化、城镇化水平都较高,河网密布,水美土肥,物产丰富,风景秀丽,历史悠久,是著名的“鱼米之乡”。太湖地区地貌以平原为主,低山、残丘为辅。平原区以太湖冲湖积平原为主,按其成因类型又可分为高亢平原、冲湖积平原、湖沼积平原。土壤类型以水稻土为主,主要包括潴育型水稻土、漂洗型水稻土、脱潜型水稻土,近山丘处有黄棕壤和粗骨土分布。耕地排灌面积达90%以上,稻麦(或油菜)轮作一年二熟,水产养殖业和桑蚕饲养业发达。2样品的采集和测定土壤采样点按照二种密度网格化布置,其中城市周边采用0.5km×0.5km为一个采样单元,其余地区1km×1km为一个采样单元。采样点位的布置除按照网络化布置外,还根据遥感影像图和土壤类型图进行叠加分析,剔除非农业用地和水域范围内的样点。耕地土壤采样深度为0~20cm,为增加土壤样品的代表性,在中心点100m范围内采集3~5个土壤柱混合而成一个样品,样品的原始重量大于1000g,放入布袋中保存,在采样点中心位置用GPS同步记录采样点的坐标。样品经自然风干后过20目粗筛,剔除其中的动植物残体、石子等杂质,装入纸质样袋中备送实验室分析。农产品样品采集是用剪刀采集麦穗或稻穗,装入网兜中,每个粮食样品的原始重量不少于600g,经晾晒、阴干后进行脱粒去壳,用方格法和四分法缩分,取得约250g样品,进行初加工后装入纸质样袋中备送实验室分析。稻谷和小麦只分析籽实,测干重的元素含量。3样品的制备样品测定工作由国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成,样品测定前采用密封式玛瑙球磨机破碎到-200目,其中分析Hg的样品必须用塑料瓶盛装。采用原子荧光光度计测定Hg、As,采用等离子体质谱法(用HCl-HNO3-HClO4-HF溶样)测定Cd,采用X射线荧光光谱仪测定Cr、Cu、Zn、Pb,重铬酸钾容量法测定有机质含量,采用电位法测定pH值(水土比=5∶1)。为保证分析结果的可靠性,样品分析过程中加入国家土壤标准样和密码样进行质量控制。4评估方法和基准4.1农田土壤重金属污染评价方法土壤环境质量标准是土壤评价中最重要的尺度,直接影响土壤环境质量评价结果。生态效应法、环境质量标准法、累积指数法、内梅罗指数法等都是评价土壤重金属污染的基本方法。本研究采用单因子污染指数法和综合污染指数法(内梅罗指数法),参照国家土壤环境标准(GB15618-1995)中Ⅱ级标准来评价农田土壤重金属环境污染现状。单因子指数法是对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价,其计算公式式中:Pi为土壤中污染物i的环境质量指数;Ci为污染物的实测浓度;Si为第i种污染物的标准值。综合污染指数法(内梅罗指数法)全面反映了各污染物对土壤的不同作用,突出高浓度污染对环境质量的影响,是目前国内采用的主要方法之一,计算公式为式中:P为土壤污染综合指数,∑Pi/n为土壤中各污染指数平均值,max(Pi)为土壤中各污染指数最大值。单因子污染指数分级标准参照土壤环境监测技术规范,综合污染指数分级标准采用土壤环境监测技术规范(HJ/T166-2004)(表1)。4.2谷物污染评价方法和标准谷物重金属污染评价标准采用GB2762-2005标准和农业部制定的NY861-2004标准(表2)。5结果与讨论5.1耕地重金属污染特征分析统计分析全区土壤样品(表3),可以看出,全区耕作层土壤样品重金属元素含量与江苏省背景值相对比,Hg、As、Cd、Zn、Cu、Pb含量超过背景值的样品数分别占28.58%、33.48%、73.37%、82.99%、93.78%、97.53%;与国家土壤环境质量标准(GB156018-1995)中Ⅱ级标准相比,Hg、Cd、Cu、Zn、As、Pb含量超过标准限值的样品数分别占21.50%、4.36%、2.40%、0.70%、0.29%、0.16%。在重金属含量平均值中,只有As和Hg略低于背景值,其余Cu、Zn、Pb、Cd的平均含量都高于背景值,说明该地区耕作层土壤除As和Hg累积现象较轻外,其他几个重金属都有普遍积累现象。变异系数反映了区域重金属元素的变异程度,也反映了该区域内重金属的分布和污染程度的差异性。由表3可以看出,土壤重金属含量变异系数大于1的有Cd、Hg和Pb,表明这3个重金属含量在耕作层土壤中的分布差别比较大;其他重金属元素的变异系数在0.25~0.76之间,表明这些元素在土壤中分布比较均匀,存在相似的污染层。根据区内耕作层土壤重金属异常情况,选取了5个异常点进行详查剖析,其中以Cd和Hg为目的各为2处,以Pb为目的1处。图1为某Cd详查剖析,详查区位于城镇西侧,地面高程5m左右,农田地势较城镇区低,为湖沼积成土母质,全区Cd最高值(11.60×10-6)就出现在这里,由于该点同时存在Cd和Hg复合异常,其分布形态在本区具有一定代表性,因此作为典型进行论述。由于详查剖析区东、南方向为工厂和城镇,所以调查剖面以向西、北延伸为主,采样点距为50~100m不等,共采集了14个耕作层土壤样品。从图1各点Cd含量值可以看出,其含量范围在(0.31~7.57)×10-6,含量从原异常点向四周有不同程度的扩散,以Cd含量7.57×10-6点为中心,向西150m含量降低至1.34×10-6,向北100m含量降至1.12×10-6,在高值点附近百米范围内降幅达85%,说明该区农田耕作层遭受Cd污染强烈,但范围不大,仍处于点污染状态。图1各点Hg含量值范围在(0.92~2.28)×10-6之间,平均值为1.45×10-6,是全区平均值的5.49倍,为高度富集,样点间Hg含量值波动较小,说明这一区域Hg污染具有普遍性,呈片状污染。通过对周边环境调查发现,紧邻污染区工厂为蓄电池厂,由此推断,这一区域土壤重金属污染主要是由蓄电池厂排污造成的。通过5个异常点详查资料分析,研究区耕作层土壤Cd和Pb的污染一般紧邻污染源,属直接污染,为零散的点状分布;而Hg的污染主要是由污水灌溉造成的,属间接污染,因为水是Hg的主要迁移媒介,所以污染是片状的、区域性的,主要发生在地势较低的湖沼积地区。5.2生物过程污染以国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)Ⅱ级标准作为依据,分别计算出城市周边和其他地区的单因子污染指数及综合污染指数(表4)。城市周边耕作层土壤综合污染平均指数为0.94,总体处于警戒状态,但最大综合污染指数达27.85,表明区内已存在重污染点,其主要贡献因子为Cd和Hg,综合指数变异系数>1,说明城市周边耕地土壤局部区域遭受人为污染较强烈。单项污染平均指数由大到小分别为Hg>Cu>Cd>Zn>As>Pb,其中Hg处于轻污染水平,Cu和Cd处于尚清洁水平,其他元素总体处于清洁无污染水平。从单项污染指数最大值看,Cd、Hg、Pb、Cu、Zn都存在重污染样点。城市周边耕作层土壤pH值与其他地区相比差别较小,基本属酸性土壤。其他地区耕作层土壤综合污染平均指数为0.61处于安全水平,单项污染平均指数由大到小分别为Cd>Cu>Hg>As>Zn>Pb,其中Cd处于尚清洁水平,其他元素总体为清洁无污染水平。单项污染指数最大值Cd、Cu和Zn已存在重污染样点,应引起警惕。5.3人为源类型与碳源利用的关系同一区域土壤重金属的来源可以是单一的,也可能是多种的,研究土壤重金属之间的相关性可以推测出重金属来源是否相同,如果重金属含量有显著的相关性,说明元素之间具有相同的来源可能性大,反之则表示来源不同。为了保证结果的准确性,先对数据进行标准化,以使数据具有相同的权重,运用相关系数法得到聚类树状图。从图2可以看出Cd、Zn和有机质为一类;As、Fe和Hg为一类;Cu、Pb为一类。根据相似的地球化学特征或物质来源的元素具有较好的相关性,第1类元素Cd、Zn分别有80.27%、85.37%的样品超过江苏省土壤背景值(表4),说明其除受成土母质作用外,相同人为源的输入也对其产生了明显的影响,Cd和Zn与有机质有一定的正相关,这是由于土壤有机质的吸附积累对Cd和Zn富集起到了一定作用。第2类元素中Fe为典型的亲石元素,主要受地质作用影响,其中As和Fe关系最近,可以推断As主要来源于成土母质;Hg与As和Fe也有较高的相关性,其中全区Hg样品超过江苏省背景值比例为25.98%,是评价元素中超标率最少的元素,推断Hg主要来自成土母质,其较大的变异系数(表5)反映出它叠加了人为活动的影响。第3类元素为Cu和Pb,与江苏省背景值相比,这两个元素超标率都在95%以上,说明人为源的输入对其产生了明显的影响,根据相关资料,Pb和Cu可能主要来源于交通活动。土壤pH值与重金属间相关性不显著。5.4土壤重金属污染状况研究区内耕地以种植水稻为主,根据水稻种植布局以及土壤样品中重金属元素异常情况,采集了81个水稻样品及其对应的根系土壤样品,从样品重金属含量测定结果的描述性统计分析(见表5)可以看出,As和Pb超标率最大,为13.58%,说明这二个元素在研究区遭受污染面积较其他重金属大,从二者最大值和变异系数上判断,水稻籽实遭受Pb的污染要较As强烈。Cr、Hg、Cd的超标率分别为6.17%、4.94%、3.70%,说明这三个元素也存在一定的污染,特别是Cd遭受污染最为强烈,其最大值达1.77,高出标准限值近9倍,Cu和Zn在水稻籽实中没有检出超标样品。土壤酸碱度被认为是影响重金属有效性重要因素之一,相关分析表明(表6)土壤pH值与水稻籽实中重金属As、Cd、Cu、Hg、Zn含量表现出负相关性,说明土壤偏酸性对这些元素从土壤向水稻籽实中迁移起一定作用。从表7水稻籽实与土壤重金属相关分析可以看出,Cd、Cu和Hg的相关系数分别为0.96、0.45和0.27,说明水稻籽实中这三个元素的含量受土壤影响较大,其他重金属相关不显著,说明水稻籽实中的其他重金属不仅受土壤影响还受到施肥、灌溉水、农药等其他因素的影响较大。5.4.2小麦籽实和土壤重金属含量的关系研究区耕地种植小麦面积较小,根据区域小麦种植布局以及土壤样品中重金属元素异常情况,采集了22个小麦样品及其对应的根系土壤样品,根据样品重金属含量测定结果统计分析(见表7)可以看出,Cd、Zn和Pb超标率分别为22.73%、18.18%和4.55%,从变异系数和重金属含量最大值判断,Cd在研究区个别地方存在强烈污染。小麦籽实中重金属含量与土壤中重金属含量除Cr、Hg和Zn为负相关外,其它重金属元素都为正相关(表8),其中Cd和Cu表现出显著正相关,相关系数分别为0.99和0.70,说明小麦籽实中的Cd和Cu的含量主要来源于土壤,而Cr、Hg和Zn可能来源于其它途径。pH值与小麦籽实呈负相关的元素为Cd和Zn,其中Zn和pH值表现出较为明显的负相关性,相关系数为-0.37,说明土壤酸化对小麦吸收Zn元素影响较大。6耕地重金属污染特征分析(1)与江苏省土壤背景值比较,研究区耕作层重金属含量平均值只有As、Hg略低于背景值外,其他几个元素的平均值都高于背景值。与国家土壤环境质量标准(GB156018-1995)中Ⅱ级标准相比,重金属Hg、As、Cd、Zn、Cu、Pb分别有21.50%、0.29%、4.36%、0.70%、2.40%、0.16%的样品超过标准限值。(2)运用单因子污染指数法和综合污染指数法(内梅罗指数法)进行评价表明,城市周边耕作层土壤总体已处于警戒状态,其他地区耕作层土壤总体处于安全状态,说明城市周边耕地土壤遭受人为污染更加强烈。从单项污染指标最大值看,研究区Hg、Cd、Cu、Zn、Pb都有重污染样点存在,具体表现为城市周边以Hg、Cu和Cd污染为主,其他地区以Cd污染为主。(3)运用相关聚类树状图,可将研究区耕地土壤重金属按其来源分为三类,其中第1类元素为Cd和Zn,其除受成土母质作用外,人为源的输入也对其产生了明显的影响。第2类元素为As和Hg,推断这两个元素主要来源于成土母质,其中过量的Hg也反映出它叠加了人为活动的影响。第3类元素为Pb和Cu,这二个元素样品与江苏省背景值相比超标率都在95%以上,说明人为源的输入对其产生了明显的影响,初步推断Pb和Cu可能主要来源于交通活动。(4)研究区内耕地以种植水稻为主、小麦为辅的粮食作物,根据GB2762-2005标准和NY861-2004标准。全区水稻籽实除Cu和Zn含量没有超标外,其他重金属均有不同程度的超标,相关分析表明水稻籽实中