我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬污染評價與空間分布特征

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:本文收集了1997 年以來我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬研究文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，評價我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀及空間分布。

結(jié)果表明我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬含量呈現(xiàn)一定的空間分布規(guī)律，南部地區(qū)土壤Cd、Pb 和Hg 含量最高，北部地區(qū)土壤As、Cu、Zn 和Cr 含量最高，西北部地區(qū)土壤Ni含量最高。與HJ/T 333-2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》相比，設(shè)施農(nóng)田土壤Cd 含量超標(biāo)最嚴(yán)重，其在南部、北部和西北部地區(qū)的超標(biāo)率分別為41.7%、54.5%和11.1%；其次是Pb，在3 大區(qū)域的超標(biāo)率分別為33.3%、18.2%和0。地累積指數(shù)評價結(jié)果顯示我國設(shè)施農(nóng)田土壤Cd 污染最嚴(yán)重，其次為Hg 污染。另外，隨種植年限的延長，設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬累積明顯，且土壤重金屬的累積量隨土層加深呈下降趨勢。就重金屬的來源而言，我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬來源以肥料，尤其是畜禽糞便有機(jī)肥為主。

前 言

20 世紀(jì)90 年代以來，隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)污染物排放、含重金屬農(nóng)藥化肥的使用以及采用污水灌溉等導(dǎo)致農(nóng)田重金屬累積和超標(biāo)等環(huán)境問題日益凸顯，已經(jīng)引起了社會各界的高度關(guān)注。作為農(nóng)田質(zhì)量的一個重要評價指標(biāo)，農(nóng)田重金屬含量狀況越來越受到廣泛關(guān)注。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)自20 世紀(jì)80 年代以來發(fā)展迅速，2010 年我國設(shè)施園藝面積達(dá)362萬hm2，其中，設(shè)施蔬菜面積為335 萬hm2，占設(shè)施園藝總面積的90%以上，到2012 年我國設(shè)施園藝面積已達(dá)386 萬hm2，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)凈產(chǎn)值達(dá)5800 多億元。據(jù)統(tǒng)計，2015 年北京市設(shè)施蔬菜和食用菌播種面積為34113 hm2，占設(shè)施農(nóng)業(yè)總播種面積的83.2%。

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培常處于半封閉狀態(tài)，具有氣溫高、濕度大、蒸發(fā)量大、無雨水淋洗、無沉降、復(fù)種指數(shù)高、施肥量(尤其是有機(jī)肥)較大等特點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)施土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性狀發(fā)生重大變化，主要表現(xiàn)為土壤酸化、鹽漬化，養(yǎng)分不平衡及過量累積，以及重金屬累積等。已有研究表明，設(shè)施栽培土壤中重金屬呈明顯累積趨勢，且含量顯著高于露地栽培土壤。設(shè)施菜地已經(jīng)成為繼工礦/污灌菜地之后重金屬累積較嚴(yán)重的菜地類型，應(yīng)該引起足夠重視。

近年來，雖然關(guān)于設(shè)施農(nóng)田土壤中重金屬的研究報道較多，但各研究區(qū)域較小，且分布較為分散，不能綜合反映我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬污染的現(xiàn)狀。因此，筆者收集了1997 年以來全國關(guān)于設(shè)施農(nóng)田重金屬研究的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析，闡述了不同地區(qū)設(shè)施農(nóng)田土壤中重金屬污染現(xiàn)狀及空間分布特征，并探討設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬的主要來源，以期為我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬防控和農(nóng)田質(zhì)量安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要檢索自中國知網(wǎng)(1997—2017 年)、維普(1997—2017 年)和Web of Science(1997—2017 年)等數(shù)據(jù)庫中關(guān)于我國設(shè)施農(nóng)田重金屬污染研究的文獻(xiàn)。共收集全國31 個地區(qū)的數(shù)據(jù)，包括不同種植年限和不同土層重金屬含量和分布數(shù)據(jù)。收集的所有數(shù)據(jù)的分析方法均符合中國環(huán)境保護(hù)部規(guī)定方法或美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)推薦方法，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可靠。符合正態(tài)分布的重金屬含量數(shù)據(jù)采用算術(shù)平均值描述；符合對數(shù)正態(tài)分布的重金屬含量數(shù)據(jù)采用幾何平均值描述；采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)差異顯著性。采用Excel 2007 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

1.2 數(shù)據(jù)分布情況

共收集全國各地31 個地區(qū)的數(shù)據(jù)，按照農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃和數(shù)據(jù)分布情況，將其分為3 個區(qū)域：南部地區(qū)，包括上海、安徽、江蘇、浙江、湖北、云南和河南7 個省(直轄市)；北部地區(qū)，包括北京、河北、天津、遼寧、吉林、黑龍江、山東和山西(部分地區(qū))8 個省(直轄市)；西北部地區(qū)，主要包括陜西、山西(部分地區(qū))、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海和西藏7 個省(自治區(qū))。

1.3 重金屬污染評價方法

地累積指數(shù)(Igeo)是由德國科學(xué)家Muller于1969 年提出的，是一個基于重金屬總濃度與背景值的關(guān)系研究水環(huán)境沉積物中重金屬的定量指標(biāo)，現(xiàn)在也常用于土壤重金屬污染評價，計算公式為

通常在地累積指數(shù)計算中，元素的地球化學(xué)背景值選取工業(yè)化前全球沉積物重金屬的平均背景值作為參考，由于不同地球化學(xué)背景可能造成各地重金屬污染程度不同，故選擇各省(直轄市、自治區(qū))土壤重金屬含量背景值作為Bn。

2 結(jié)果與分析

2.1設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬含量

由表 2 可知，我國設(shè)施農(nóng)田Cd、Pb 和Hg 平均含量以南部地區(qū)為最高，比北部地區(qū)分別高42.5%、10.8%和100.0%，比西北部地區(qū)分別高137.5%、40.7%和15.8%；As、Cu、Zn 和Cr 平均含量均以北部地區(qū)為最高，其比南部地區(qū)分別高24.3%、13.2%、46.4%和13.9%，比西北部地區(qū)分別高38.9%、30.8%、20.9%和21.4%；而Ni 平均含量則以西北部地區(qū)為最高，其比南部和北部地區(qū)分別高43.2%和12.9%。大部分設(shè)施農(nóng)田種植蔬菜，故將數(shù)據(jù)與HJ/T 333—2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行比較，結(jié)果顯示Cd、Cu、Zn、Pb、Hg 超標(biāo)率分別為37.5%、8.1%、5.9%、18.8%和20.0%，其余元素未出現(xiàn)超標(biāo)情況。其中，Cd 含量超標(biāo)最嚴(yán)重，南部、北部和西北部地區(qū)超標(biāo)率分別為41.7%、54.5%和11.1%，Pb 超標(biāo)率分別為33.3%、18.2%和0，Hg 超標(biāo)率分別為29.8%、20.0%和0，Cu 超標(biāo)率分別為12.5%、10.0%和0，Zn 僅在北部地區(qū)出現(xiàn)超標(biāo)，超標(biāo)率為11.1%。

2.2設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬污染評價

地累積指數(shù)法同時考慮了人為因素和土壤環(huán)境地球化學(xué)背景值對重金屬富集的影響，該方法最初應(yīng)用于沉積物中重金屬含量評價，后來也廣泛應(yīng)用于土壤環(huán)境中重金屬含量評估，是目前國內(nèi)外土壤環(huán)境評價中廣泛采用的方法。不同地區(qū)設(shè)施農(nóng)田重金屬地累積指數(shù)見表 3。

延伸閱讀：

農(nóng)田重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)研究