长江三角洲地区土壤重金属时空分布及环境效应

摘要

土壤既是自然环境的构成要素,又是农业生产最重要的自然资源。近代高强度农业活动导致重金属在土壤中富集,这对动植物及人体健康产生了影响,因此土壤重金属污染问题日益引起人们的关注。张家港市地处长江三角洲冲积平原,经济发展快速,近年来,随着农业种植结构的调整,蔬菜产业已经成为农民增收的重要来源。但城市化、工业化和农业集约化的发展给蔬菜产地环境带来了怎么样的影响,特别是土壤中重金属元素的积累状况如何,蔬菜安全生产存在多大的环境风险和经济风险,这些问题都是当地蔬菜生产健康发展必须回答的问题。另一方面,土壤中重金属含量的测定是土壤重金属富集状况调查的重要一环,然而,目前的测定方法需要经过土壤研磨、消化、测定等步骤,分析周期长,耗时、耗财,并且在分析过程中,还对分析人员的身体健康和环境造成一定影响。因此,开发一种简单、直接的土壤重金属测定方法对提高土壤调查效率,节约调查成本,减少分析环境污染风险有十分重要的意义。
　　 本文以江苏省张家港市为例,通过采集稻麦轮作地和蔬菜地的土壤及蔬菜样品,研究了该市不同种植年限蔬菜地土壤重金属含量及其空间分布特征;根据目前蔬菜生产和土壤中重金属含量随时间的变化状况,预测了重金属的富集趋势;探讨了土壤-蔬菜系统重金属的污染状况、生态效应及经济效应;此外,本文还用手持式X荧光光谱仪对蔬菜地土壤中重金属含量进行了快速测定,将结果与传统实验室测定方法的分析结果进行了相关分析,并对该方法的准确度和精确度进行了评价。主要结果如下:不同种植年限蔬菜地土壤重金属含量统计分析表明,土壤类型和种植年限对重金属元素含量有明显的影响。与对照稻麦轮作方式的土壤(0年蔬菜种植)相比,张家港市蔬菜地土壤中重金属As变化不明显,Cd、Cr和Cu随着种植年限的增加呈不断积累的趋势,尤其是在1-5年的设施蔬菜种植基地,变化最为剧烈;空间上,重金属元素含量的分布也明显反映出了土壤类型和蔬菜种植的影响,总体看,潮湿雏形土Cd、Cr、Cu元素含量要明显高于水耕人为土,当在稻麦轮作地样点插值图上增加蔬菜地样点重新制图时,后者高含量的面积明显增加,而低值区范围减少。其中Cd元素含量高于0.200mg·kg-1的面积从20404hm2增加到21163hm2;Cr含量在70.5～77.8mg·kg-1范围内的面积由原来的788hm2增加到15640hm2;对Cu而言,在稻麦轮作地样点基础上,增加蔬菜地样点后,超过土壤环境一级标准限值(Cu:35.0mg·kg-1)的面积从16845hm2增加到20484hm2,主要分布在西北部、东北部和中部偏北的部分地区。土壤肥力性质与重金属元素含量的主成分分析表明,张家港市蔬菜地中重金属积累主要来源于蔬菜种植的施肥过程,特别是畜禽粪便或以畜禽粪便作为原料生产的有机肥的施用占土壤重金属输入量的绝大部分。从目前土壤环境状况来看,蔬菜地土壤中重金属As、Cd、Cr和Cu含量均未超过土壤环境质量的二级标准限值,但按目前趋势发展下去,未来10年,将有2.4％面积的土壤Cu超过土壤环境二级标准限值,20年后,Cd亦出现超标现象(约0.7%面积)。
　　 运用污染经济损失模型,初步估算了重金属污染损失率(重金属对土壤的损害程度,%)和土壤进行蔬菜种植利用时的重金属污染经济损失量(万元·年-1),结果表明,张家港市蔬菜地Cd、As、Pb、Cr、Cu和Zn的单项重金属污染损失率在0.77%～1.68%之间,差异不大。综合重金属污染损失率为7.00%,污染等级整体为Ⅱ级,属于尚清洁水平。但张家港市蔬菜种植面积较大,且蔬菜的收益较高,重金属污染经济损失量约为2783万元·年-1。
　　 与蔬菜重金属含量标准相比,张家港市蔬菜中Cd、As、Cr、Cu和Zn五种重金属都不存在超标现象。用富集系数评价蔬菜对重金属的吸收能力,结果表明,不同蔬菜种类对重金属的吸收能力有所不同,其中叶菜类吸收能力较强。而健康风险的研究结果表明,非叶菜类蔬菜重金属摄入量的贡献率低于叶菜类。蔬菜中重金属含量与土壤中相应重金属全量关系较复杂,只有Cr能达到显著性正相关(r=0.436**,p＜0.01)。蔬菜中五种重金属元素的含量与相应的富集系数达到了极显著正相关的水平,但土壤中重金属含量与富集系数的相关性较差。
　　 分别用传统实验室方法(traditional lab analysis,TLA)和手持式X荧光光谱仪(fieldportable x-ray nuorescence spectrometery，PXRF)测定了蔬菜地土壤中重金属的含量,并分析其相关性。其中,PXRF对土壤标准样品的测定结果与其真实含量的相关性分析显示,As、Pb、Cu和Zn四种元素的决定系数R2均在0.99之上,且回归直线的斜率接近1.0;而从两种方法对蔬菜地土壤样品测定结果的相关分析得知,除Cr和Pb之外,As、Cu和Zn的决定系数R2均大于0.7,达到了显著性相关。总的来讲,手持式X荧光光谱仪对大多数重金属元素的测定结果准确度和精确度都很好,测定结果可靠,为快速测定土壤重金属含量提供了新的方法。