石天池, 王志强, 曹园园, 杨建锋, 马贵林, 杨保国

(宁夏回族自治区 地球物理地球化学勘查院,宁夏 银川 750004)

土壤重金属污染是世界性环境问题之一,它对人类社会可持续发展构成严重威胁[1]．土壤重金属污染主要是受自然背景值和人类工农业生产活动等多重因素叠加影响而致[2]．金属矿山的开采,工业废弃物,冶炼和工矿企业排放的烟尘、废气、废水中含有的重金属元素进入水体和土壤,会导致周边地区土壤中重金属含量超标;化肥农药等农业生产投入品的过量使用,也会导致土壤重金属污染,其中,部分农药含有 Cd,Pb,Hg,As 等,化肥中重金属含量最多的过磷酸盐中含有Cd,Pb,As等[3];污水灌溉也是导致土壤重金属超标的原因之一．

1 研究区

研究区位于宁夏北部的石嘴山市境内,面积约1 050 km2,地貌呈西高东低、相对平坦,从西向东依次为贺兰山山地、贺兰山东麓洪积扇洪积平原、黄河冲积平原和鄂尔多斯台地．研究区属典型的中温带大陆性干旱气候,干旱少雨,年平均降水量为167.5～188.8 mm,年蒸发量为1 708.7～2 512.6 mm．成土母质类型以灌水淤积母质为主,土壤类型有灌淤土、潮土、盐土、碱土、灰钙土、风沙土和新积土,其中灌淤土分布面积最大(422 km2),占研究区总面积的40.2%;其次为盐土,面积为265 km2,占比25.2%．土地利用类型以耕地为主．

1.1 样品的采集

按照DZ/T 0295—2016要求进行样点布设采集,共采集表层土壤样品8 832件．采样按“十字型”方法采集5个子样,各子样等份组合成一个混合样,采集0～20 cm耕作层土样．样品采集使用铁锹,但要将土壤与铁锹接触的部分去除,避免样品被污染.将采集的各子样点的土壤掰碎,挑出根系、秸秆、石块、虫体等杂物,充分混合，用“四分法”留取1.0～1.5 kg装入写有采样编号、干净、结实的棉布袋(如为潮湿样品,则内衬塑料袋)．对从野外采回的土壤样品进行及时清理、登记，在阴凉处悬挂于样品架上自然风干.风干后压碎全部过20目尼龙筛,取筛下物约400 g,装聚乙烯塑料瓶送实验室测试分析．

1.2 样品分析

样品分析测试由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(湖北省地质实验测试中心)承担．Cr分析采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES):称取0.100 0 g样品于30 mL聚四氟乙烯坩埚中,用水湿润,再依次加入HF溶液,HCl溶液,HNO3溶液,HClO4溶液.然后加热预溶,升温分解后驱氟.用HCl溶液提取,定容至10 mL．Cd,Pb采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS):取上述溶液 1 mL于比色管中,定容至10 mL.通过混合标准溶液绘制工作曲线,于1%HCl溶液中用ICP-MS法测定Cd,Pb,Cu,Zn,Mo,Co,Ge,Li等8种元素．As,Hg采用原子荧光光谱法(AFS):取0.500 0 g样品于50 mL烧杯中,加入20 mL体积比为1∶1的浓硝酸和浓盐酸混合液,置于电热板上加热分解.用50%盐酸提取,定容至50 mL,放置过夜.取25 mL上述溶液加入5%的硫脲-抗坏血酸做预还原剂,定容至50 mL,放置澄清.以氩气为载气,高强度空心阴极灯为激发源,硼氢化钾为氢化物发生剂．

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属含量的分布特征

对采集的8 832个石嘴山地区土壤样品原始测试数据(质量含量)进行整理,统计最大值、最小值、算数平均值、标准偏差以及变异系数,统计结果见表 1．

表1 石嘴山地区农用地土壤样品中重金属元素分布

由表1可知,各种重金属在石嘴山地区农用地土壤中的空间分布特征表现各异．石嘴山地区农用地土壤中Cd,Cr,Hg,Pb 的平均质量含量稍高于银川平原土壤中的背景值[4]; Pb的平均质量含量与银川平原土壤中的背景值相当,说明20多年来5种重金属元素的累积程度较低.李新虎等的研究显示,银川平原除部分城区附近有极明显的污染外,其他地区均为轻微污染．依据GB 15618—2018,测定研究区所有土壤样品,结果显示样品的pH值均大于7.5,因有水旱轮作地,故采用较严格的风险筛选值(表2)．统计所有数据点,发现As超标点7个,Cd超标点5个,Hg超标点1个,Cr,Pb均未超标,推测As,Cd,Hg点源污染主要与化肥农药的过量使用有关．As,Cd,Cr,Hg,Pb 5种重金属的质量含量平均值均未超过风险筛选值[5]．

表2 石嘴山地区农用地土壤污染风险筛选值

2.2 地累积指数分析

德国学者 Muller首先提出地累积指数法[6],该方法不仅考虑了自然地质过程相对于环境背景值的变化,而且考虑了人为活动对重金属污染的贡献[7]．具体计算方法:

Igeo=log2[Ci/(K×Bi)],

式中:Igeo为地累积指数;Ci为实测重金属i的平均质量含量;K为变动转换系数(考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动,一般取1.5);Bi为重金属i的土壤背景值，文中，采用银川平原土壤的背景值.参考文献[8],地累积指数的土壤重金属污染程度分级见表3．

表3 地累积指数的土壤重金属污染程度分级

石嘴山地区农用地土壤中重金属的平均质量含量地累积指数及污染程度分级见表4～5．

表4 石嘴山地区农用地土壤中重金属的地累积指数

表5 石嘴山地区农用地土壤中重金属的污染程度分级

由表4～5可知,石嘴山地区农用地土壤中As,Cd,Cr,Hg,Pb 5种重金属的地累积指数均小于零.由表3可知,该地区的污染程度为无污染．

2.3 生态风险评价

目前,评价土壤中重金属污染最常用的方法是潜在生态风险指数法．该方法由瑞典学者Hakanson于1980年提出[6],它综合考虑多元素的协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素,在环境风险评价中得到广泛应用．

单个金属污染系数:

(1)

单个金属的潜在生态风险指数:

(2)

多种金属潜在生态风险综合指数:

(3)

表6 石嘴山地区农用地土壤中重金属的毒性系数

土壤中重金属污染系数及潜在生态风险指数见表7．石嘴山地区农用地土壤中5种重金属的污染系数均处于1～3(表8),表明污染程度为低污染．Hg的潜在生态风险指数E=49.23,表明潜在生态风险程度为中等,其他元素潜在生态风险程度为低微.多金属潜在生态风险综合指数IR=100.56,表明潜在生态风险程度为轻微．

表7 重金属潜在生态风险评价指标与分级

表8 石嘴山地区土壤样品重金属污染系数及潜在生态风险指数

3 结论

石嘴山地区农用地土壤中As,Cd,Cr,Hg,Pb 5种重金属的平均质量含量未超过GB 15618—2018规定的风险筛选值.石嘴山地区土壤中5种重金属的平均质量含量与银川平原土壤的背景值相近,说明土壤中重金属累积程度较低,受人为生产活动影响较小．对于单一金属潜在生态风险指数,Hg的为49.23,表明潜在生态风险程度为中等,需引起重视．通过对土壤中重金属潜在生态风险评价,发现石嘴山地区农用地土壤中重金属潜在生态风险程度为轻微．参考该次测定结果并结合文献可知,20多年来石嘴山地区农用地土壤中As,Cd,Cr,Hg,Pb的质量含量累积程度较低．