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1樣品的采集與處理

1.1樣品的采集

本分析根據(jù)重金屬的空間變異性,采用非均勻性布點(diǎn)方法,在貴州省部分地區(qū)(包含9個(gè)地區(qū)的34個(gè)縣市)采集1014個(gè)土壤樣品(樣品采集點(diǎn)位置見(jiàn)圖1),每個(gè)樣品從10m×10m正方形4個(gè)頂點(diǎn)和中心共5處各采集1kg表土(0~20cm),均勻混合后,用四分法選取1kg作為該點(diǎn)樣品。另按土壤發(fā)育層次在土壤剖面采集耕作層、心土層和母質(zhì)層每層29個(gè)樣品,三層共87個(gè)。

1.2樣品制備

土壤在室內(nèi)風(fēng)干,過(guò)100目尼龍網(wǎng)篩,為防止采樣人為因素影響,樣品混合、裝袋、粉碎、研磨等處理過(guò)程均使用木頭、塑料、瑪瑙等用具。

1.3評(píng)價(jià)因子

選擇生物毒性顯著的汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)以及類(lèi)金屬砷(As)作為評(píng)價(jià)因子。

1.4樣品分析

土壤樣品采用美國(guó)國(guó)家環(huán)保局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(USE2PA)[4]抽提消煮,用原子熒光測(cè)定砷(As),用冷原子吸收法測(cè)定汞(Hg),石墨爐原子吸收光譜儀(AASVario6)測(cè)定鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)。分析過(guò)程加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS22、GSS25)進(jìn)行分析質(zhì)量控制,分析樣品重復(fù)數(shù)10%~15%。所用水均為二次去離子水,試劑采用優(yōu)級(jí)純。測(cè)定結(jié)果精密度滿(mǎn)足所用方法的允許值,準(zhǔn)確度符合95%置信水平下置信區(qū)間要求。

2數(shù)據(jù)處理

2.1統(tǒng)計(jì)分析

分析數(shù)據(jù)采用Crabbs檢驗(yàn)法進(jìn)行異常值的剔除,對(duì)選出的有效樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn):所采集的樣品除鉻(Cr)含量符合正態(tài)分布外,砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)含量并不符合正態(tài)分布,但經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換之后,5種重金屬元素含量均符合正態(tài)分布。同時(shí)計(jì)算重金屬砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)5%和95%統(tǒng)計(jì)量及平均值等。

2.2污染評(píng)價(jià)方法

土壤重金屬污染評(píng)價(jià)通常采用尼梅羅(N.L.Nemerow)綜合污染指數(shù)法[5]:P綜=(1n∑Pi)2+P2i最大2(a)式中,P綜為尼梅羅綜合污染指數(shù);Pi為土壤中i元素標(biāo)準(zhǔn)化污染指數(shù),Pi=Ci/Si,Ci為i元素的實(shí)際濃度,Si為i元素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),此值依據(jù)GB1561821995[5]的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表3)的二級(jí)旱地標(biāo)準(zhǔn)中各元素含量上限確定;n為樣品個(gè)數(shù);Pi最大為所有元素污染指數(shù)中的最大值。但上式過(guò)分強(qiáng)調(diào)了極大值的作用,易造成評(píng)價(jià)結(jié)果的失真。為克服此缺點(diǎn),采用姚志麒對(duì)平均值賦予較大權(quán)系數(shù)(x/y)的方法[7]。其中:x表示單一指數(shù)的最大值;y表示單一指數(shù)的平均值。本文的評(píng)價(jià)方法是:首先計(jì)算單項(xiàng)污染指數(shù),然后根據(jù)單項(xiàng)污染指數(shù),采用(b)式分別計(jì)算各個(gè)元素的綜合污染指數(shù)(稱(chēng)之為單因子污染指數(shù))及土壤的綜合污染指數(shù)。

3結(jié)果分析與討論

3.1重金屬的分布特點(diǎn)

對(duì)樣品的各種重金屬含量散點(diǎn)圖分析可見(jiàn):貴州省土壤重金屬鎘(Cd)含量在地域上呈非均勻性分布特征。貴陽(yáng)市砷(As)、鉛(Pb)及鉻(Cr)含量明顯高于其它地區(qū)。Hg>0.5mg/kg分布地區(qū)主要在貴州汞礦區(qū)域,有明顯的地理特征。

3.2重金屬元素統(tǒng)計(jì)對(duì)比從表2可見(jiàn):貴州省土壤中砷(As)含量平均值為17.5mg/kg、鉛(Pb)為45.0mg/kg、鎘(Cd)為0.34mg/kg、鉻(Cr)為48.2mg/kg、汞(Hg)為0.201mg/kg。本研究結(jié)果中砷(As)、鉛(Pb)含量比較接近前人研究的土壤背景值(平均值),差異在-30%~20%之間;鎘(Cd)及鉻(Cr)的含量低于前人研究的土壤背景值,差異約達(dá)50%;汞(Hg)含量及最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前人研究的土壤背景值和最大值。全球土壤鎘(Cd)含量背景值為0.35mg/kg[6,7],中國(guó)土壤鎘(Cd)背景值為0.074mg/kg,通過(guò)《農(nóng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)用手冊(cè)》(參考文獻(xiàn)[5])可見(jiàn)全國(guó)其它地區(qū)鎘(Cd)土壤背景值均低于0.30mg/kg,而貴州鎘(Cd)背景值為0.659mg/kg。陳同斌等人[8]和Li等人[9]分別對(duì)全香港地區(qū)的土壤樣品(其中包括未受到污染的自然保護(hù)區(qū)土壤)進(jìn)行了相對(duì)獨(dú)立的取樣和分析測(cè)定,兩者的測(cè)定結(jié)果中鎘(Cd)的數(shù)值基本相同,但是卻明顯高于80年代所測(cè)得的深圳市(毗鄰香港)土壤鎘(Cd)含量背景值以及全國(guó)土壤鎘(Cd)含量背景值[6];1999年開(kāi)始,陳同斌等人[10]對(duì)北京市土壤重金屬含量進(jìn)行了大規(guī)模的系統(tǒng)取樣研究,測(cè)定結(jié)果中北京市土壤鎘(Cd)背景值與夏增祿等人[11]調(diào)查北京市226個(gè)農(nóng)業(yè)土壤后所得土壤鎘(Cd)含量平均值完全一致,但也明顯高于80年代所測(cè)得的北京市土壤鎘(Cd)含量背景值。國(guó)外土壤鎘(Cd)分析結(jié)果明顯高于我國(guó)80年代所測(cè)定的土壤鎘(Cd)含量背景值。從本研究中貴州省土壤中的鎘(Cd)含量平均值與前人研究的土壤中的鎘(Cd)含量背景值的巨大差異來(lái)看,筆者同意陳同斌等人的推測(cè)[10]:這可能是由于以前我國(guó)土壤背景值調(diào)查中鎘(Cd)含量的測(cè)定方法和取樣方法(樣點(diǎn))不同所致,并且應(yīng)對(duì)我國(guó)土壤中的鎘(Cd)含量從取樣方法、測(cè)定方法等進(jìn)行深入的、系統(tǒng)的研究。

3.3土壤各層重金屬環(huán)境質(zhì)量分析

土壤作為開(kāi)放的緩沖動(dòng)力學(xué)體系,在與周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換過(guò)程中,不可避免地會(huì)有外源重金屬進(jìn)入這個(gè)體系。外來(lái)重金屬多富集在土壤表層[12]。從概念上理解,土壤元素背景值就是不受或者很少受人類(lèi)活動(dòng)影響,保持土壤原來(lái)固有的元素含量水平,故心土層和母質(zhì)層受人類(lèi)活動(dòng)影響較小,能近似地反映原生環(huán)境元素分布、賦存狀態(tài),而耕作層是20cm淺層土壤,與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系密切,受人類(lèi)干擾最嚴(yán)重。然而在分層采集的樣品中,只有鎘(Cd)元素符合這一規(guī)律,耕作層含量普遍高于心土層和母質(zhì)層。從表5可見(jiàn):從含量上看,鉛(Pb)和鉻(Cr)在三層中的含量幾乎相等,而砷(As)和汞(Hg)母質(zhì)層含量卻高于耕作層及心土層,含量最低的是心土層。

3.4貴州省重金屬污染狀況

a)貴州省綜合污染指數(shù)為2.81,污染等級(jí)為中污染。b)從單因子污染指數(shù)看,全省無(wú)鉻(Cr)污染;除貴陽(yáng)市外其余地區(qū)無(wú)砷(As)污染;除黔南州及安順市有鉛(Pb)的輕污染以外,其余7個(gè)地區(qū)均無(wú)鉛(Pb)污染。貴州省主要污染物為鎘(Cd)和汞(Hg)。污染物超標(biāo)率鎘(Cd)的最大,占45.48%,其次為汞(Hg),占20.24%。鎘(Cd)污染尤其嚴(yán)重,全省無(wú)一地區(qū)未遭受鎘(Cd)污染,其中貴陽(yáng)市及黔南州的鎘(Cd)的單因子污染指數(shù)超過(guò)了3.0,污染等級(jí)為重污染,鎘(Cd)最高,含量達(dá)4.52mg/kg,超標(biāo)倍數(shù)達(dá)14.07倍。六盤(pán)水市鎘(Cd)的污染等級(jí)為中污染,其余各地區(qū)均為鎘(Cd)的輕污染地區(qū)。全省鎘(Cd)超標(biāo)率達(dá)到36.79%,所有地區(qū)鎘(Cd)超標(biāo)率都在20%以上,黔南州的鎘(Cd)超標(biāo)率達(dá)到了73.91%。汞(Hg)污染主要存在于貴陽(yáng)市、黔東南州、銅仁地區(qū)以及黔南州。c)從各地區(qū)的綜合污染指數(shù)看,全省只有畢節(jié)地區(qū)綜合污染指數(shù)0.79<1.0,污染等級(jí)為警戒級(jí),污染水平為尚清潔。貴陽(yáng)市、黔東南州和黔南州的綜合污染指數(shù)都大于2.0,污染等級(jí)為中污染,污染水平為土壤、作物受到中度污染。貴陽(yáng)市綜合污染指數(shù)為3.03,污染等級(jí)為重污染,污染水平為土壤、作物受污染已相當(dāng)嚴(yán)重。其余地區(qū)污染等級(jí)為輕污染,土壤、作物開(kāi)始受污染。d)從全省的各種重金屬的單因子污染指數(shù)看,汞(Hg)單因子污染指數(shù)為2.19,污染等級(jí)為中污染,污染水平為土壤、作物受到中度污染;貴州省重金屬污染狀況中鎘(Cd)的污染最嚴(yán)重,單因子污染指數(shù)達(dá)到了4.05,遠(yuǎn)大于3.0,說(shuō)明貴州省屬于鎘(Cd)的重污染區(qū)。

4結(jié)論

重金屬對(duì)土壤的主要污染途徑是工業(yè)廢渣、廢氣中重金屬的擴(kuò)散、沉降、累積,含重金屬?gòu)U水灌溉農(nóng)業(yè),以及含重金屬農(nóng)藥、磷肥的大量施用。重金屬污染具有隱蔽性和潛伏性、不可逆性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)。目前,國(guó)際上還沒(méi)有成熟的重金屬污染的治理辦法,因此,重金屬污染的預(yù)防和監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)顯得尤為重要[13]。農(nóng)業(yè)產(chǎn)地土壤環(huán)境評(píng)價(jià),其重要依據(jù)是土壤背景值和土壤環(huán)境質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn),是制定人為原因?qū)е峦寥乐亟饘俜e累的基礎(chǔ),有助于確定土壤重金屬的來(lái)源。中國(guó)幅員遼闊,地質(zhì)情況及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況復(fù)雜,建立全國(guó)統(tǒng)一的、科學(xué)的、合理的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)艱巨而又重要的工作。本研究中貴州省土壤中砷(As)含量平均值為17.5mg/kg、鉛(Pb)為45.0mg/kg、鎘(Cd)為0.34mg/kg、鉻(Cr)為48.2mg/kg、汞(Hg)為0.201mg/kg。砷(As)和鉛(Pb)含量平均值與以前研究的貴州省土壤背景值差異在-30%~20%,鎘(Cd)及鉻(Cr)的差異約為50%,汞(Hg)的差異達(dá)-82.8%。說(shuō)明應(yīng)對(duì)貴州省重金屬背景值(尤其是鎘(Cd))作深入研究。并且從目前分析來(lái)看,貴州省綜合污染指數(shù)為2.81,污染等級(jí)為中污染。貴州省存在鎘(Cd)的重污染,汞(Hg)的中污染及砷(As)的輕污染,應(yīng)盡早采取措施,盡可能減輕污染程度,防止情況進(jìn)一步惡化。