揚州江都區邵伯農田土壤環境質量及生態風險評價

胡秀艷, 謝紅青, 景 山, 徐 磊, 涂永明

(1. 揚州市自然資源和規劃局江都分局,江蘇揚州225200;2. 江蘇華東有色地質礦產勘查開發院,江蘇南京210007)

0 引 言

揚州江都區邵伯鎮位于京杭大運河沿線,是富饒的魚米之鄉。經濟的快速發展使當地土壤環境惡化和生態系統功能弱化等一系列問題日趨嚴峻(趙其國,2001;秦麗杰等,2002;趙延治等,2006;戴科偉等,2007;宋濤等,2007;張燕等,2007)。

針對農田土壤污染風險問題,前人進行了大量的研究工作,吳曉麗等(2005)采用單因子污染指數法對南通常規農田土壤重金屬污染進行了評價,張孝飛等(2006)采用內梅羅指數法對高郵全域農田土壤重金屬進行了綜合污染評價,廖啟林等(2006)對江蘇農田土壤生態環境進行了調查和評價,劉紹貴等(2014)采用內梅羅指數法對揚州江都區水田進行了綜合環境質量評價。

但以往的研究仍存在著一些不足:①部分研究未對農田土壤綜合污染進行評價,或者僅采用內梅羅指數法對綜合污染進行評價,但該方法評價綜合污染時存在一定的局限性;②以往的研究主要針對省、市或縣域范圍,研究范圍較大,精度較低,對鎮域范圍內高精度的農田土壤環境綜合質量評價涉及較少;③以往針對農田重金屬污染的研究工作大都采用已廢止的《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995),該標準與《土壤環境質量:農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)對農田土壤重金屬污染的評價結果存在一定的偏差。

選取揚州江都區邵伯鎮為研究區,依據農用地土壤污染風險管控標準(GB 15618—2018)對農田土壤環境質量和生態風險進行評價,并分別采用內梅羅指數法與綜合指數法評價土壤綜合環境質量,優選出更能客觀準確反映研究區綜合污染現狀的方法。對研究區土壤重金屬污染防治提出針對性建議,為揚州農田土壤環境質量和生態風險評價、土壤重金屬污染防治、無公害農產品產地建設、高標準農田建設等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

邵伯位于揚州江都區西部,京杭大運河東岸,淮江公路沿線,是江都城區北上的重要通道,鎮域面積約123 km2,其中農用地71.6 km2。研究區雨水、溫度、日照等自然條件較好,農田土壤質地適中,地勢平坦,是天然優質的農產品生產基地。

1.2 樣品采集

根據揚州江都邵伯地區農用地的分布情況,按照1∶10 000調查的精度要求,共采集土壤樣品2 296件(圖1)。通過GPS定位采樣點,使用梅花布點法在擾動較小的農田土壤中采樣,每采集5個分樣組合成1個混合樣品。采樣工具為竹鏟,采樣深度為0～20 cm,每個混合樣品質量為1.5～2.0 kg。

圖1 研究區采樣點分布示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sampling pointsdistribution in the study area

1.3 樣品處理與分析方法

按相關規范要求將采集的樣品加工處理后分為2份。一份過2.0 mm的尼龍篩,用于pH值的測定;另一份用瑪瑙研缽磨細,過0.15 mm尼龍篩,進行元素全量等項目的測定。土壤樣品各項指標測試方法及檢出限見表1。

表1 土壤樣品各指標測試方法及檢出限

1.4 土壤重金屬環境質量評價方法

采用單因子指數和綜合污染指數法進行農田土壤重金屬環境質量現狀評價,農用地土壤污染風險篩選值參考標準GB 15618—2018(表2)。

表2 農用地土壤污染風險篩選值

1.4.1 單因子指數評價 在每個評價單元內,對比土壤8項重金屬元素含量的測定值與標準中該元素的污染風險篩選值,確定單元素土壤環境質量級別。

按公式(1)計算土壤中第i種元素的污染指數Pi:

(1)

式(1)中,Ci為土壤中第i種元素的實測含量,Si為第i種元素的農用地土壤污染風險篩選值。若Pi≥1則該元素存在污染,Pi<1則該元素不存在污染。按照表3對土壤環境質量單因子污染指數進行等級劃分。

表3 土壤重金屬元素單因子污染指數分級標準

1.4.2 綜合污染指數評價 選用內梅羅指數法與綜合指數法對研究區內農田土壤重金屬綜合環境等級進行評價,對比兩種方法在重金屬綜合污染評價中的優缺點。

(1)內梅羅指數法。內梅羅指數法是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數法(陳京都等,2012)。計算公式:

(2)

式(2)中,Pi最大為單因子污染指數的最大值,Pi平均為單因子污染指數的算數平均值,P為內梅羅綜合污染指數。內梅羅指數污染分級標準見表4。

表4 土壤重金屬元素內梅羅綜合污染指數分級標準

(2)綜合指數法。綜合指數法是將重金屬元素的污染種類以及單因子污染指數進行疊加,以獲取多因子環境質量的方法。通過綜合指數法可獲取綜合污染種類指數(存在哪幾種元素的污染)和綜合污染等級指數(單因子指數的最大值)。

(3)

式(3)中,Ka為第a種元素的污染情況賦值,P種類為綜合污染種類指數。

當土壤未受到污染時,Ka=0,此時綜合污染種類指數為0;當土壤存在污染時,Ka=1,K值之和即為其綜合污染種類指數。

P綜合=Pa最大

(4)

式(4)中,P綜合為綜合污染等級指數,Pa最大為各元素單因子污染指數的最大值。將單因子污染指數最大值按表4進行分級,即為綜合污染等級(薛志斌等,2018)。

1.5 潛在生態風險評價

潛在生態危害系數法(Hakanson,1980)綜合多種因素以評價環境生態風險,詳細分級見表5。計算公式:

表5 重金屬元素潛在生態風險程度評價指標與分級關系

(5)

RI=∑Er,i

(6)

式中:Er,i為單因子潛在生態風險指數;RI為綜合潛在生態風險指數;Ti為第i種重金屬毒性響應系數,各重金屬元素的毒性響應系數分別為As 10、Cd 30、Cr 2、Cu 5、Hg 40、Pb 5、Zn 1(Hakanson,1980);Ci為第i種元素的實測含量;Cn,i為第i種元素的背景值,采用江蘇土壤平均背景值。

2 農田土壤環境質量調查與評價結果

2.1 土壤重金屬含量特征

研究區農田土壤pH值的平均值為6.12,最小值為3.88,最大值為8.63(表6),土壤整體偏酸性。

表6 農田土壤重金屬元素含量統計結果

8種重金屬元素As、Hg、Ni、Cu、Cd、Pb、Cr、Zn的含量平均值分別為10.4、0.11、28.1、27.3、0.16、27.1、91.7、88.7 mg/kg,均低于表2中的農用地土壤污染風險篩選值。

除Ni外,其余7種重金屬元素的含量平均值均超過江蘇土壤平均背景值,其中Hg含量的平均值為江蘇土壤平均背景值的2.16倍,相較于江蘇土壤重金屬元素平均背景值而言,研究區農田土壤中重金屬已有一定量的累積。Hg、Zn、Cr、Cu、Cd、As、Pb元素的含量高于江蘇土壤平均背景值的樣點占總樣點的比例分別為94.73%、79.53%、64.07%、61.93%、55.92%、55.88%、36.06%。

研究區農田中Hg累積程度較高,應重視Hg污染引起的生態風險。

變異系數常用來反映農田土壤中重金屬元素含量的變化(張麗紅等,2010),變異系數在10%～30%之間屬于中等變異,大于30%的屬于強變異(湛天麗等,2017)。As、Cu、Cr、Pb、Zn屬于中等變異,其余3種重金屬元素屬于強變異,且最大值與最小值相差較大,表明研究區農田土壤中重金屬元素分布不均勻,該現象可能由灌溉、施肥、噴灑農藥引起,尤以Hg最為明顯。該結果與前人對江蘇農田土壤生態環境的研究結果(廖啟林等,2006)一致。

2.2 土壤重金屬單因子環境質量評價

研究區土壤重金屬單因子環境質量(表7)由差到好(污染程度由大到小)依次為Hg>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb=Zn>As。①Hg輕度污染等級以上樣本占比最高達2.22%,輕、中、重度污染等級樣本占比分別為1.92%、0.17%、0.13%,無污染等級樣本占97.78%;②Cd無污染等級樣本占99.48%,輕度污染等級樣本占0.52%;③Cu無污染等級樣本占99.87%,輕度污染等級樣本占0.09%,重度污染等級樣本占0.04%;④Ni無污染等級樣本占99.87%,輕度污染等級樣本占0.13%;⑤Cr無污染等級樣本占99.91%,輕、中度污染等級樣本占比均為0.04%;⑥Pb無污染等級樣本占99.91%,輕度污染等級樣本占0.09%;⑦Zn無污染等級樣本占99.91%,輕度污染等級樣本占0.09%;As無污染等級樣本占100.00%。

表7 土壤重金屬單因子環境質量評價結果

綜上,研究區農田無As污染風險,其余重金屬元素污染樣本比例均<3%;Hg、Cd輕度污染等級以上樣本數明顯高于其余元素,以往研究(易強等,2011;周杰,2017)表明,土壤中Hg、Cd的來源可能為居民生活、金屬冶煉、煤炭燃燒等。實地調查發現,研究區南部有較為集中且具有一定規模的制造類企業,在生產過程中多用煤炭,零部件的電鍍、噴漆均有可能引起Hg、Cd的污染。

2.3 土壤重金屬綜合環境質量評價

2.3.1 內梅羅指數法 根據土壤重金屬單因子污染指數計算內梅羅指數,結果(圖2、圖3)顯示,研究區輕度污染及以上樣本僅占總樣本的0.87%。其中,輕度污染樣本占0.70%,中度污染樣本占0.13%,重度污染樣本占0.04%。

圖2 土壤重金屬綜合污染指數分級(內梅羅指數法)1-安全區;2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 2 Comprehensive metal pollution index classification in soil (by Nemerow index method)

圖3 基于內梅羅指數法的土壤重金屬綜合污染等級分布1-安全區;2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 3 Classification distribution of soil heavy metal comprehensive pollution based on Nemerow index method

2.3.2 綜合指數法 (1)綜合種類指數。將土壤重金屬單因子污染指數進行疊加得出綜合種類指數,無污染樣本占總樣本的97.65%,單一元素污染樣本占總樣本數的2.35%,研究區內無2種以上組合元素污染。

(2)綜合等級指數。將重金屬單因子污染指數最大值進行疊加,得出綜合等級指數(圖4、圖5)。研究區輕度污染及以上樣本占總樣本數的2.35%,其中,輕度污染樣本占2.00%,中度污染樣本占0.22%,重度污染樣本占0.13%。輕度以上污染主要分布在邵伯鎮區及工業較集中的邵伯鎮南部。

圖4 土壤重金屬綜合污染指數分級(綜合指數法)1-安全區;2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 4 Comprehensive metal pollution index classification in soil (by comprehensive index method)

圖5 基于綜合指數法的土壤重金屬污染等級分布1-安全區;2-警戒線;3-輕度污染;4-中度污染;5-重度污染Fig. 5 Classification distribution of soil heavy metal pollution based on comprehensive index method

2.4 潛在生態風險評價

研究區重金屬元素潛在生態風險指數的平均值依次為:Hg(89.10)>Cd(35.22)>As(11.50)>Cu(5.35)>Pb(5.32)>Ni(4.42)>Cr(2.43)>Zn(1.25)(表8)。其中,As、Ni、Pb、Cr、Zn的潛在生態風險指數最大值均<40;Cu、Cd中度風險樣本數分別占總樣本數的0.04%、20.56%,其余均為輕微風險;Hg強風險等級以上樣本數占總樣本數的75.09%,風險因子最大值可達3 972.83,平均值為89.10,因此Hg是江都區邵伯鎮農田土壤生態風險的主要貢獻因子。

表8 土壤重金屬元素潛在生態風險因子及潛在風險指數

研究區農田綜合潛在風險指數(RI)以中度生態風險為主,占61.94%;輕微風險占28.44%,強風險和很強風險的樣本數(9.62%)小于總樣本數的10%;風險因子平均值為200.56,屬于中度生態風險水平。

3 分析與討論

分別采用內梅羅指數法和綜合指數法對研究區農田土壤中的重金屬元素綜合污染等級進行評價,由圖2—圖5可知,內梅羅指數法評價結果顯示輕度污染及以上樣本僅占總樣本數的0.87%,而綜合指數法評價結果顯示輕度污染及以上樣本占總樣本數的2.35%,綜合指數法評價結果的污染等級和污染區面積明顯高于內梅羅指數法評價結果。

由內梅羅指數的計算公式(2)可知,內梅羅指數的變量為重金屬元素單因子污染指數的平均值和最大值,當重金屬元素單因子污染指數的最大值較大,甚至遠大于單因子污染指數平均值時,采用該指數法會降低綜合污染等級,減少綜合污染區面積。

由綜合指數法的計算公式(3)、(4)可知,綜合指數法通過對各重金屬元素的污染種類以及單因子污染指數進行疊加,從而獲取多因子綜合環境質量。綜合污染指數的變量因素為重金屬元素單因子污染指數的最大值,該方法得出的結果不會因評價過程中數據的計算及分布等問題造成污染等級、污染面積的改變。

內梅羅綜合污染指數≤單因子污染指數最大值,而綜合等級指數=單因子污染指數最大值,因此內梅羅綜合污染指數≤綜合等級指數;當單因子污染指數最大值普遍較大且接近分級臨界值,而其他單因子污染指數值均較小時,會造成單因子污染平均值遠低于最大值。故采用內梅羅指數法時可能會降低綜合污染指數,掩蓋存在輕度污染的事實,造成內梅羅法綜合污染面積小于綜合指數法評價結果。該結果與前人采用內梅羅指數法和綜合指數法對土壤重金屬污染評價對比研究的結果(薛志斌等,2018;楊冰雪等,2020)一致。

綜合指數法不僅能對存在污染的重金屬元素綜合污染程度等級進行劃分,而且能判斷存在污染的重金屬元素的數量及種類,可以更真實客觀地反映重金屬元素在農田土壤中的污染情況。因此認為,采用綜合指數法評價研究區農田土壤的綜合環境質量更為適宜,結果也更加真實準確。

4 結 論

(1)依據GB 15618—2018標準對農田土壤重金屬單因子污染風險進行評價,得出As無污染風險,其余重金屬元素污染等級樣本占總樣本的比例均<3%。Hg、Cd輕度污染等級及以上樣本數明顯高于其余元素。以往的研究表明,土壤中Hg、Cd的污染來源可能為居民生活、金屬冶煉、煤炭燃燒等;實地調查發現,研究區南部有較為集中且具一定規模的制造類企業,在生產中多會使用煤炭,同時機械零部件的電鍍、噴漆均有可能引起Hg、Cd的污染。

(2)采用內梅羅指數法及綜合指數法對研究區單因子污染指數評價結果進行了土壤綜合環境質量評價,對比兩種方法在區內環境質量評價中的優缺點,得出在確定污染物的種類、綜合污染位置及面積等方面,綜合指數法比內梅羅指數法更有優勢,評價結果更為真實客觀,該法可在江蘇土壤環境質量評價中根據實際情況推廣應用。研究區農田土壤重金屬污染綜合種類指數顯示,無污染樣本占總樣本數的97.65%,單一元素污染樣本占總樣本數的2.35%,區內無2種以上組合元素污染。研究區綜合等級指數顯示,輕度污染及以上樣本占總樣本數的2.35%,輕度以上污染主要分布在邵伯鎮區及工業較集中的南部地區。

(3)研究區內農田土壤綜合潛在風險指數屬于中度生態風險(平均值為200.56),主要貢獻因子為Hg。研究區潛在生態風險程度較低,不會對農產品產生較大影響,但仍應嚴格控制Hg污染的來源,警惕污染的發生及面積的擴大。