江漢-洞庭平原農業土壤重金屬綜合評價

喻 鵬，馬 騰，唐仲華，甘義群，鄧青軍

（1.中國地質大學環境學院，湖北武漢430074；2.武漢市政工程設計研究院，湖北武漢430074）

江漢-洞庭平原農業土壤重金屬綜合評價

喻 鵬1，馬 騰1，唐仲華1，甘義群1，鄧青軍2

（1.中國地質大學環境學院，湖北武漢430074；2.武漢市政工程設計研究院，湖北武漢430074）

針對江漢-洞庭平原農業土壤受重金屬（Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg，As）污染的狀況進行系統調查后，根據取樣測試結果對土壤無機污染物含量進行特征分析.參照研究區土壤地球化學背景評價標準，采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法對研究區農業土壤重金屬污染狀況進行綜合評價.結果表明：研究區7種單要素污染程度大小依次為Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr，相比較而言，Hg污染為主要污染元素，研究區大部分區域Hg超標，且同污染物外源性關系密切.整體而言，江漢-洞庭平原綜合污染指數較往年統計值有走高趨勢，農業土壤環境質量達輕度污染級別.

江漢-洞庭平原；農業土壤；重金屬；綜合評價；污染分級

江漢-洞庭平原區是我國重要的商品糧基地和農業生產區，多年來工農業污染物的大規模排放及平原區農藥化肥的泛濫造成了土壤環境質量日趨下降［1］.基于平原區土壤污染現狀，許多學者就該區土壤重金屬污染規律乃至污染修復技術等方面開展了研究工作［2-3］.周濤等［4］對長沙城市土壤地質環境進行了質量評價.于婧等［5］、田應兵等［6］對江漢平原農田及城郊的土壤重金屬進行了綜合評價，為研究區土壤治理及環保提供了量化的依據.其中單獨針對江漢平原及大平原區局部點帶土壤重金屬評價較多，以整個江漢-洞庭土壤環境為目標的研究工作權重略低.

筆者以江漢-洞庭平原為基背景，采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法對其土壤重金屬累積狀況進行分析，同時進一步綜合評價其分布的基本態勢及變化趨勢，旨在為該區土壤環境污染的監測與防治提供一定參考［4-8］.

1 研究區概況

江漢-洞庭平原由江漢平原和洞庭平原組成，江漢平原南部與洞庭平原北部相連為一體，合稱兩湖平原.研究區介于北緯28°30′～31°10′、東經111° 40′～114°16′間，總面積約5.0×104km2.江漢平原西起枝江，東迄武漢，北至鐘祥，南望洞庭湖濱，面積約3.2×104km2.洞庭平原地跨湘、鄂兩省，是以洞庭湖為軸心闊至湖南北及荊江南的河湖沖積平原區，面積約1.8×104km2.

2 材料與方法

2.1 采樣原則與處理

江漢-洞庭平原地勢由邊緣向中心呈階梯式下降、傾斜，并由西向東緩傾，根據原區冬寒夏熱、春雨秋旱、雨量充沛的氣候特點以及城市的快速擴張和農田大量流失的土地利用變化特點，以控制整個研究區為目標，以具有代表性、準確性、合理性和科學性為原則［9-11］，采集的土地種類主要有水稻田、裸地、菜地、棉花地、苗圃基地以及林地等，根據地形采用蛇形采樣，采集深度為0～20 cm.每20 km2采集5個樣品混合成一個土樣，取樣質量不小于500 g，共采集109個土壤樣品，采樣點位置如圖1所示.采用自然風干方式干燥樣品，然后將風干樣品用木棍壓碎，揀去石礫、殘根等雜物，以四分法留下土樣200 g，用陶瓷研缽進行研磨，過20目尼龍篩，再充分混勻待測.

圖1 江漢-洞庭平原土壤采樣點示意圖

2.2 測定項目與方法

根據國家《土壤環境質量標準》（GB15618—2008）和研究區土壤特點，由華中農業大學土壤實驗室進行分析.將所取土壤樣品進行無機污染物元素分析：汞（硝酸-硫酸-五氧化二釩消解后，原子熒光測定［12］）；全鋅、全銅（鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解后，原子吸收測定［13］）；鎘、鉛、鉻（鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解后，石墨爐原子吸收測定［14-15］）；砷（硝酸-鹽酸-高氯酸消解后，原子熒光測定［16］）.

2.3 評價模型與標準

由于《土壤環境質量標準》（GB15618—2008）與研究區土壤環境質量現狀存有一定差距，為更合理地展現平原區土壤重金屬的變化特征，依據實際情況，綜合采用第4系洞庭湖組湖沼相沉積區土壤地球化學參數作為背景評價標準［17］（見表1），同時采用單因子污染指數法和內梅羅污染綜合指數法［18-20］來評價土壤污染狀況.

表1 江漢-洞庭平原土壤地化背景評價標準

單因子污染指數的計算公式為

式中：pi為i污染物指數；ci為i污染物實測值；si為 i污染物評價標準.

內梅羅污染綜合指數法計算公式為

2.4 土壤質量分級標準

綜合污染指數全面綜合反映了污染物對土壤污染的不同程度，同時充分考慮了高含物質對土壤環境質量的影響.采用該指數模擬Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg，As等7種重金屬元素對土壤的污染程度，使得土質的等級評定更客觀.兼顧考慮單項污染指數，以表示某一有害物質的影響，值越高元素對綜合污染指數的貢獻率和影響就越大.結合平原區實際和相關標準，將土壤污染等級進行劃分，見表2.

表2 土壤污染分級標準

3 結果與分析

3.1 土壤無機污染物累積分布

對土樣測試結果進行分析，統計結果見表3，對照表1，除Cr，Cu，Mn元素外其他元素均在一定程度上超過標準值.Cd平均質量比為0.15 mg·kg-1，變化幅度0.05～0.33 mg·kg-1，超標率為3％，超標主要在岳陽等地呈點狀分布；Pb平均質量比為20.86 mg·kg-1，變化幅度為8.35～55.19 mg· kg-1，超標率為16％，超標點集中于在長沙、岳陽等地；Zn平均質量比為84.06 mg·kg-1，變化幅度19.11～126.87 mg·kg-1，超標率21％，超標點主要分布在岳陽、荊州、仙桃等地；As平均質量比為10.23 mg·kg-1，變化幅度3.64～23.96 mg·kg-1，超標率23.7％，超標點主要分布洞庭湖周邊及仙桃等地；Hg平均質量比為0.12 mg·kg-1，變化幅度0.01～0.37 mg·kg-1，超標率達58％，在平原大部分地區均超過背景值.

表3 江漢-洞庭平原土壤重金屬數據基本統計特征

3.2 土壤重金屬污染綜合評價

研究區各監測點重金屬含量及污染評價指數如表4所示，結果顯示Cd單因子指數變化范圍為0.19～1.22，平均值為0.54；Cr單因子指數變化范圍為0.06～0.51，平均值為0.14；Cu單因子指數變化范圍為0.28～0.72，平均值為0.45；Pb單因子指數變化范圍為0.30～1.98，平均值為0.75；Zn單因子指數變化范圍為0.53～1.30，平均值為0.86；As單因子指數變化范圍為0.42～1.98，平均值0.84；Hg單因子指數變化范圍為0.18～5.11，平均值為1.63.研究區平均單因子污染指數大小順序為Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr.

表4 監測點重金屬含量及污染指數

續表

從綜合污染指數看，各監測點綜合污染指數關系見圖2，結合表4可知，監測點2，10，13污染指數為3～4，屬重度污染級別；監測點1，3，4，5污染指數為2～3，屬中度污染級別；監測點6，7，8，9，11，12，14，15，16，29，32的污染指數均為1～2，處于輕度污染級別，上述各監測點均需采取相應措施進行保護；監測點26，27，35綜合污染指數均小于0.7，處于安全級別；其余監測點綜合污染指數則為0.7～1.0，處于警戒線級別.結合每類重金屬平均污染指數及內梅羅算式，估算綜合污染總指數為1.27，顯示平原區整體屬輕度污染級別.

從土壤重金屬累積狀況上看，平原區表層土壤Cd高積區主要分布在荊州洪湖-岳陽-仙桃-湘江長沙段周邊，主要因岳陽段內鋅礦的工業污染和遠距遷移形成（見圖3）.圖4中表層土壤Cr高積區主要分布于洞庭湖中央湖積平原、孝感應城等地，與第4系洞庭湖組湖沼相沉積地質環境及應城周邊分布的化工廠有直接聯系；圖5中表層土壤Cu高積區主要分布在江漢平原中部地區-益陽-湘江沿岸，面積分布較廣，這和土壤Cu的原始積累及工農業污染有關；圖6中表層土壤Pb高積區主要分布于長沙望城-岳陽-益陽桃江等地，主要受長株潭及周邊城市大規模城建中工業生產影響；圖7中表層土壤Zn高積區分布于平原區中部-長沙湘江沿岸等地，由于分布范圍廣，究其原因可能與原生地質環境有關；表層土壤As高積區主要分布在長沙、仙桃沙湖鎮等地并呈點狀分布，當地原生地質環境影響權重也偏大（見圖8）；表層土壤Hg總體呈南高北低的趨勢，高積區主要分布于常德市南-茅草街-岳陽湘陰-屈原農場等地，土壤中長期積累同當地化工、冶金等外源性工業廢棄物造成的污染疊加有關，這在其偏高的變異系數值上同樣得到驗證（見圖9）.

圖2 監測點綜合污染指數對比

圖3 Cd含量累積示意

圖4 Cr含量累積示意

圖5 Cu含量累積示意

圖6 Pb含量累積示意

圖7 Zn含量累積示意

圖8 As含量累積示意

圖9 Hg含量累積示意

依照農業土壤環境質量評價結果，劃分出平原區污染級別，見圖10.安全土地主要分布于中部大部分農田保護區；警戒級別土地主要分布在平原區周邊丘陵、崗地；輕度污染土地主要分布在城市周邊農田或部分河湖兩岸平原農業用地，中度污染土地主要分布在應城、仙桃、荊州及常德、益陽大型工業園區周邊農業用地；重度污染土地則主要以點狀散布在應城周邊，湘江沿岸部分林地及常德、岳陽等農業用地帶.

圖10 江漢-洞庭平原農業土壤污染分區

4 結 論

在土壤樣品無機污染物測試結果的基礎上運用單因子指數法及內梅羅綜合污染指數法評價了江漢-洞庭平原重金屬污染程度，結果顯示其農業土壤污染程度大小順序依次為Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr，其中大部分區域Hg超標.平原區整體綜合污染指數1.27，較往年統計值有走高趨勢，農業土壤環境遭輕度污染，總體狀況不樂觀.同時若干點帶農業土壤監測工作基礎薄弱直接影響對重金屬分布變化趨勢的了解，建議在采取相應措施防止其進一步污染的同時，在基本農田保護區布設一定密度的綜合監測網，對農業土壤環境的監測和治理中加強對工農業廢棄物達標排放程度的監控及重金屬元素的污染防治研究，以便更合理地利用其農業土地資源.

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（責任編輯 祝貞學）

Com prehensive evaluation of heavy metal for agricultural environmental soil of Jianghan-Dongting p lain

Yu Peng1，Ma Teng1，Tang Zhonghua1，Gan Yiqun1，Deng Qingjun2
（1.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China；2.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute，Wuhan，Hubei430074，China）

Based on the systemic investigation of pollution status by heavy metals of Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg and As to agricultural soil environment of Jianghan-Dongting plain，the characteristics of inorganic pollutant contents were analyzed.Based on the soil geochemistry background values，singlefactor index method and Nemerow comprehensive pollution index method were used in comprehensive assessment of agricultural environmental soil heavymetal pollution condition in research area.The results show that the pollution of Hg is themost seriouswhich is closely related to exogenous pollutants，and the pollution decreasing extent of other factors is Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr.The comprehensive assessment illuminates that the comprehensive pollution index has higher tendency compared to previous statistics，and the agricultural soil environmental quality of study area is slightly polluted.

Jianghan-Dongting plain；agricultural environmental soil；heavymetal；comprehensive assessment；pollution classification

X825

A

1671-7775（2015）05-0550-07

喻 鵬，馬 騰，唐仲華，等.江漢-洞庭平原農業土壤重金屬綜合評價［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2015，36（5）：550-556.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.05.010

2014-11-28

中國地調局示范項目（1212011120084）

喻 鵬（1987—），男，安徽安慶人，博士研究生（groundwatermodel@163.com），主要從事地下水滲流及其數值模擬相關的研究.

馬 騰（1972—），男，內蒙古呼和浩特人，教授，博士生導師（mateng45@sina.com），主要從事地下水污染與防治研究.