精河县重金属土壤环境容量及近百年趋势预测

马辉英，杨晓东，吕光辉

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046)



精河县重金属土壤环境容量及近百年趋势预测

马辉英1，2，杨晓东1，2，吕光辉2

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046)

【目的】开展重金属土壤环境容量研究，准确了解土壤环境承载力，为土壤环境质量评价、区域重金属污染研究与控制等提供科学依据。【方法】通过土壤环境容量计算模型估算精河县土壤重金属元素的静态和动态环境容量，并预测其发展趋势。【结果】草甸土、林灌草甸土、风沙土和盐土4种土壤类型的各种重金属元素的静态容量排序为：Pb>Cr>Zn>Cu>Co。各重金属元素在不同年限下、不同土壤类型中的动态容量排序为：Co和Pb在控制年限20、50、80 a时为盐土>林灌草甸土>草甸土>风沙土；Cr、Cu和Zn在控制年限20、50、80 a时为盐土>林灌草甸土>风沙土>草甸土；5种元素在控制年限100 a时各土壤类型的动态容量基本保持一致。盐土和林灌草甸土的重金属静态容量高于风沙土和草甸土，可以充分利用容量较大的土壤实现经济发展。【结论】精河县土壤综合质量指数为2.354 7，污染级别为Ⅳ级，属中度污染。精河县土壤中的其它重金属元素在保持目前不受污染现状值的情况下，随着土壤自净作用，环境污染现状会趋于好转。

环境容量；土壤重金属；静态容量；动态容量；土壤质量评价

0 引 言

【研究意义】重金属作为主要环境污染物，具有隐蔽性、滞后性、积累性、不可逆性和难治理的特点，且有通过食物链危害人类健康的潜在危险，受到国内外环境工作者的高度关注[1]。与水体和大气环境要素相比，土壤环境相对稳定，重金属等污染物更易于积聚。进入土壤的重金属元素在土壤环境容量范围内，可以利用其自净能力和缓冲作用净化，一旦超过承受上限，土壤将面临重金属污染，进而引发环境问题，威胁人类的健康[2]。土壤环境容量是一定环境单元、一定时限内遵循的环境质量标准，即土壤所能容纳污染物的最大负荷量[3，4]。土壤环境容量的研究主要包括土壤环境背景值、允许限值、典型污染物迁移自净能力、数学模型等方面的研究。其中，土壤环境容量的确定又以背景值和土壤污染物允许限值的确定最为关键[5]。作为衡量土壤重金属污染状况的基础工具，土壤环境容量在污染土壤修复与综合治理以及健全土壤环境质量标准体系方面起着重要作用[6]。开展精河县重金属土壤环境容量研究能较为准确地为该县矿业发展及农业发展规划提供建议，也可为环境资源开发与管理规划的制订提供重要的基础数据。【前人研究进展】近年来，许多学者对土壤环境容量及重金属污染预测进行了研究。夏增禄[7]首次制定了我国主要土类的Cu、As、Pb、Cd 4种重金属元素的土壤临界含量。南忠仁[8]、廖金凤[9]分别计算了甘肃省白银市灰钙土、广东省南海市农业土壤中的多种重金属元素静态环境容量。叶嗣宗[10]利用物质平衡线性模型和土壤系统结构模型计算出了上海市土壤中汞含量。杜金辉等[11]通过改进的土壤环境容量模型计算出了崂山风景区土壤重金属的动态环境容量。马宏瑞等[12]对新疆油田开发区的石油类土壤环境容量进行了估算。段晴枫[13]采用静态吸附法研究了新疆某石化污水库周边的土壤吸附金属的影响因素。【本研究切入点】通过对精河县土壤重金属环境容量调查与计算，估算环境容量并预测其变化趋势。【拟解决的关键问题】估算精河县土壤重金属含量的静态及动态环境容量，并预测其近百年环境容量的变化趋势，研究成果可以为土壤环境管理、土壤资源保护、推进生态县市建设及工农业合理布局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

精河县隶属于新疆博尔塔拉蒙古自治州，位于新疆西北部，准噶尔盆地西南边缘，天山西部支脉婆罗科努山北麓，地理位置81°46′～83°51′E，44°02′～45°10′N。全县总面积11 275 km2，地形由南部和西部的天山山脉向北部、东部的艾比湖和荒漠戈壁倾斜，荒漠以及海拔800 m以上的山地占全县总面积的66%以上。精河县属典型的北温带干旱荒漠型大陆性气候，干燥少雨，蒸发量大，年平均降水量102 mm，1月平均气温-15℃，7月平均气温26℃，光照充足，昼夜温差大，春季多风沙、浮尘天气。全县实际地表水资源总量为10.48×108m3，水资源季节分布不均匀，洪水水量占很大比重。土壤主要有灰棕漠土、灰漠土、草甸土、沼泽土、盐土和风沙土等类型。

1.2 材 料

根据土壤类型采用非均匀布点方法在精河县共设置21个采样点。每个采样点分别采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100和100～120 cm土层样品，每个样不少于2.5 kg，共采集124个样品(根据成土情况，其中一个样点只采集到4层样品) 。土壤样品在室内自然风干，去除石砾和根系，磨碎过10目(测定土壤pH)和100目(测定土壤重金属含量)尼龙筛，留待实验室分析使用。

样品分析分为预处理和测定两阶段。预处理方法参见《土壤和固体废弃物监测分析技术》[14]。预处理完成后，样品测定委托新疆大学理化测试中心完成。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES，IRIS Advantage 1000，USA)测定镉(Cd)、钴(Co)、铬(Cr)、铜(Cu)、锰(Mn)、铅(Pb)和锌(Zn)7种重金属元素的含量。

1.3 方 法

1.3.1 土壤静态容量数学模型

采用以下公式计算土壤静态容量[3,10,15]：

(1)

其中，Cs为土壤静容量(kg/hm2)；M为1 hm2耕作层土壤重量(2.25×106kg/hm2)；Ci为某污染物的土壤环境标准(mg/kg)；Cbi为某污染物的土壤环境背景值(mg/kg)。

土壤静态容量使用静止的观点表征土壤环境的容纳能力，土壤环境质量标准是个定值，不同类型土环境背景值差异决定了土壤环境静态容量的高低，两者差值越大，土壤环境容量越高。土壤静态容量数学模型参数易获得、计算方便，许多学者在研究区域土壤环境容量时常选用此模型。新疆精河县土质特殊，结合实地调查及相关文献确定以艾比湖流域土壤环境现状值作为背景值[16]。

土壤静态容量的另一计算公式

(2)

其中，W为某元素达到临界含量值的环境容量(kg/hm2)；M为1 hm2耕作层土壤重(2.25×10 kg/hm2)；Cic为土壤中某种污染元素的临界含量值(mg/kg)；Cib为土壤中该元素的背景值(mg/kg)；Cio为已进入土壤的该种元素的含量值(mg/kg)；Cip=Cib+Cio，Cip指土壤中该元素的现状值(mg/kg)。

1.3.2 土壤动态容量数学模型

元素在土壤中实际上是处于一个动态的平衡过程：一是土壤本身含有一定的量值，即土壤背景值，这一量值是土壤成土过程中自然形成的，虽处在人为的元素循环中，但它具有自然的、相对稳定的特征；二是元素的输入是多途径、多次性的或者连续的过程；三是输入的元素将因地下渗漏、地表径流及作物吸收而损失，这些输出部分一方面影响了土壤元素的存在，另一方面这一存在量也影响着以后的输入。由于元素在土壤中处于这种动态平衡状态，因此，土壤相对于土壤环境质量标准所能容纳的量是一种变动的量值，即土壤具有变动的容量[2,11]。因此前人在考虑这些变化的情况下，根据物质平衡线性模型假定土壤污染物的输出量与土壤污染物含量之间呈直线关系，应用逐年递推方法得出如下平均动态年容量公式：

(3)

式中：Wn为某一区域土壤耕作层中，几年后预期某重金属元素的总量(kg/hm2)；Wo为观察起始年时耕作层中该元素的总量(kg/hm2)；K为残留率，表示经过一年耕作后，某元素在土壤中的含量为上一年土壤中含量及当年输入量之和的比率；Qn为平均动态年容量kg/(hm2·a)；n为控制年限。

该公式可描述土壤中重金属的累积过程，土壤重金属污染物的变化主要取决于残留率K。土壤污染物的残留率是反映污染物动态平衡的参数，作为反映土壤动态环境容量的关键，它不仅取决于土壤的结构和功能，而且与进入到土壤环境中的污染物性质密切相关[17]。根据精河县艾比湖流域重金属元素背景值和土壤标准值，应用公式计算精河县主要土壤的静态容量和动态容量。据研究，重金属在土壤中不易被自然淋溶，迁移残留率一般在90%左右[18]。因缺乏精河县土壤K值的相关实验数据，在计算中假定各种重金属元素在土壤中的残留率K=0.9。

1.3.3 评价方法

基于重金属污染既可能是单一因素作用的结果，也可能是多元素共同作用的结果，采用综合污染指数法进行重金属土壤的环境质量评价。

首先获得单因子污染指数，其计算公式为：

(4)

式中，Pi为第i种污染物的单因子污染指数；Ci为第i种污染物实测值；Si为第i种污染物的评价标准。

获得综合污染指数，计算公式为：

P=∑Wi×Pi.

(5)

式中，Wi为权重，依据《土壤环境质量标准》中重金属污染物对土壤的危害程度大小。利用改进的层次分析法(AHP法)[15]确定其权重值为：Wi=(Cd，0.360 0；Cu，0.142 1；Pb，0.254 2；Zn，0.042 1；Cr，0.023 2)。

1.3.4 评价标准

土壤环境质量标准是对土壤重金属污染状况进行评价的基础，根据《土壤环境质量标准(GB15618-1995)》和艾比湖流域土壤环境重金属背景值，将第二级标准作为该地区土壤评价标准，将土壤质量分为六个等级。表1

表1 新疆农田土壤质量综合评价分级标准Table 1 The grading standards of the soil quality evaluation in Xinjiang

2 结果与分析

2.1 土壤重金属背景值

鉴于目前全国及新疆的土壤环境背景值资料均属于上世纪80年代资料，第二次全国土壤环境背景值调查结果尚未公布，故选择2010年艾比湖流域土壤背景值作为精河县4种土壤类型的不同重金属元素的背景值。表2

表2 艾比湖流域重金属元素的环境背景值Table 2 The background values of heavy metal in soils in Ebinur Lake basin(mg/kg)

2.2 土壤重金属元素临界含量值

进入土壤的污染物通过各种途径对环境、生物和人群产生影响，大致可概括为：土壤-作物(作物效应)，土壤-植(动)物-人体(人体健康效应)，土壤-微生物(土壤生物效应)。当污染物或某种元素在土壤中的含量控制在某浓度值时，对人类、生态、环境不会产生不可容忍的危害，该浓度限值被称为此种污染物或元素在土壤中的临界含量值，它是计算环境容量的一个重要参数。由于各地土壤组成差异较大，要给土壤环境制定统一的标准或允许限值较为困难[9]。以《土壤环境质量标准(GB15618-1995)》中的二级标准为据(II类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染；II类土壤环境质量执行二级标准)。精河县主要土壤类型草甸土、林灌草甸土、风沙土、盐土的pH值均大于7.5，确定研究区4种土壤类型各个元素的临界标准值以国标中二级标准中的>7.5一列为限。研究表明，4种土壤中的Cr和Mn均超过该国标中的二级标准值，Cr的超标率要超过Mn，其他元素含量均控制在二级标准之内。因此，精河县重金属环境容量的计算主要以Co、Cr、Cu、Pb、Zn为主。表3

表3 土壤环境质量标准规定的三级标准值Table 3 The three standard values for the environmental quality standards in soil

2.3 土壤环境质量

利用改进的AHP法对精河县土壤环境质量综合评价结果。单因子指数结果表明Cd的含量在1.21～19.00 mg/kg，平均含量3.96 mg/kg，严重超过精河县土壤重金属二级标准，超标率达6倍多，属于重度污染。Mn和Zn属于质量等级三级，造成土壤轻度污染。其余重金属元素为无污染。土壤综合质量指数为2.354 7，表明该县综合污染指数等级为Ⅳ级，属于中度污染。表4

表4 精河县土壤重金属含量及土壤环境质量Table 4 The content of soil heavy metals in Jinghe county and its environmental quality(n=124)

2.4 重金属土壤环境容量计算

根据土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的背景值和临界值，运用公式(2-1)和(2-2)分别以20、50、80和100 a为控制年限[5]，计算得到精河县土壤重金属元素的静态容量。结果表明，精河县每种土壤类型的各种重金属元素静态容量排序结果，草甸土、林灌草甸土、风沙土和盐土均表现为：Pb>Cr>Zn>Cu>Co。各种土壤重金属元素在不同土壤类型中含量大小的排序为：Co与Pb规律一致，盐土>林灌草甸土>草甸土>风沙土；Cr、Cu、Zn规律一致，盐土>林灌草甸土>风沙土>草甸土。说明盐土和林灌草甸土对重金属的容量均比风沙土和草甸土大。随年限的变化，每种土壤的重金属含量呈现减少趋势，且20～50 a变化趋势更快，之后呈缓慢减少，每种重金属在各土壤的含量值差异不大。表5

表5 精河县土壤重金属元素的静容量Table 5 The static capacity of soil heavy metals in Jinghe county(kg/(hm2·a))

同样根据土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的背景值、临界值以及残留率K值，分别以20、50、80和100 a为控制年限，计算出精河县该4种类型土壤中上述元素的动态环境容量。

结果表明，每种土壤不同年限下的平均年动态容量表现为20 a>50 a>80 a>100 a。同一种重金属在不同土壤类型中的动态容量排序为：Co和Pb在控制年限20、50、80 a时为：盐土>林灌草甸土>草甸土>风沙土；Cr、Cu和Zn在控制年限20、50、80 a时为：盐土>林灌草甸土>风沙土>草甸土；上述元素在控制年限100 a时不论土壤类型如何，元素的平均年动态容量均基本保持一致。同一种重金属在不同土壤类型中的动态容量排序与静态容量排序相同。表6

表6 精河县土壤重金属平均年动容量Table 6 The dynamic capacity of soil heavy metals in Jinghe county(kg/(hm2·a))

2.5 不同土壤类型间动静态重金属容量的差别

分析不同土壤类型间动态、静态重金属容量的差异性，对于4种典型的土壤来说，每种土壤的平均动态年容量均比静态年容量大，说明土壤不仅在土壤环境临界值或者标准值范围之内具有一定的容纳量，由于其自身的自净作用和污染物的输入、输出也占了一定比例，土壤环境的动态变化过程对污染物也具有一定的容纳能力。随着年限的增长，动态、静态容量均越来越小，但是静态年容量的减少速度快于动态容量，因此人类的生产生活活动必须控制在合理的范围值之内，充分利用土壤动态的自净变化过程，才不至于对土壤环境造成污染。

土壤静态年容量和动态年容量与土壤的环境质量标准和背景值有关。其中，动态年容量还与控制年限有关，年限越长，平均动态年容量越小，动态总容量越大。对于每种重金属元素，在不同的土壤中，不同年限下的平均动态容量差别甚微。说明土壤动态净化重金属过程中，其主要影响因素和该重金属本身的物理化学性质关系密切，土壤类型并不是决定性的因素。

鉴于各种土壤的环境容量数据具有相似性，以Co为例，对其土壤静态容量和动态容量进行比较，观察二者之间的差别。结果表明，虽然在不同的土壤环境中，动态和静态环境容量也不同，但是动态总容量与静态总容量的差值表现为相同的变化规律。随着年限的增加，差值越来越大，并且增长速度也更快，说明土壤在保持目前不受污染现状值的情况下，随着土壤自净作用，环境容量会趋于好转，最为关键的是，不同土壤中相同年限情况下动态总容量与静态总容量的差值也不大。表7-11

表7 草甸土中重金属含量的静态容量和动态容量的比较Table 7 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in meadow soil

表8 林灌草甸土中重金属含量的静态容量和动态容量的比较Table 8 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in shrub meadow soil

表9 风沙土中重金属含量的静态容量和动态容量的比较Table 9 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in aeolian sandy soil

表10 盐土中重金属含量的静态容量和动态容量的比较Table 10 The compare between static capacity and dynamic capacity about heavy metals in saline soil

表11 4种典型土壤中Co的静态容量和动态容量比较Table 11 The compares between static capacity and dynamic capacity about Cobalt in four typical types of soils

3 讨 论

通过以上对精河县重金属土壤环境容量的计算以及对多年限的总静态容量和动态容量及其差值的计算分析可以看出，对于重金属静容量大的盐土和林灌草甸土来说，可以在今后当地的土地经济中加大合理使用力度，而对于静容量较小的风沙土和草甸土则应严格限制使用，以尽量延长到达环境容量的使用时间。不同重金属的动容量在不同土壤类型中排序也有差异，鉴于土壤本身独特的功能和对环境的特殊作用，保护土壤环境，必须采取全面强化管理，多源严格控制，预防为主，综合防治的方针[19]，并根据不同土壤类型对重金属容纳能力的差异，选择适宜的土壤类型进行土地利用。前人也提到了土壤动态净化重金属过程中，其主要影响因素与该重金属本身的物理化学性质关系密切，土壤类型并不是决定性的因素。因而在发展精河县社会经济各项事业的同时，控制每年允许输入土壤环境中的重金属的量，即要求各部门各行业，共同践行严格的环保标准，把重金属土壤环境容量的资源优势转换成经济优势，更好地造福当地各族人民。由于时间条件的限制，没有对造成总的静态容量和动态容量及其差值差异原因和该地区土壤类型对重金属容量影响较小的原因进行进一步深入分析。另外，对土壤环境容量研究的实质在于明确污染物与土壤生态系统结构之间直接的关系以及土壤系统的调节能力行为模型，这方面模拟还不够，尚待日后工作的进一步展开。

4 结 论

精河县各种土壤各重金属元素的静容量排序均为Pb>Cr>Zn>Cu>Co。其中盐土和林灌草甸土对于重金属的容量均比风沙土和草甸土大。每种土壤在不同控制年限下的平均年动容量表现为20 a>50 a>80 a>100 a。同一种重金属在不同土壤类型中的动态容量排序为：Co和Pb在控制年限20、50、80 a时为盐土>林灌草甸土>草甸土>风沙土；Cr、Cu和Zn在控制年限20、50、80 a时为盐土>林灌草甸土>风沙土>草甸土；上述元素在控制年限100 a时不论土壤类型如何，元素的平均年动态容量均基本保持一致。

精河县土壤综合质量指数为2.354 7，污染级别为Ⅳ级，达中度污染。Cd过量的地区从国家土壤环境质量标准2008修订版来看，不适宜用作农业用地，但可作为居住、商业及工业用地；精河县土壤中的其他重金属元素在保持目前不受污染现状值的情况下，随着土壤自净作用，环境污染现状会趋于好转。土壤环境容量是以某污染物总量表示的。而土壤重金属污染往往是复合污染，伴生元素的存在会对某一种金属的迁移转化行为、生物生态效应等产生影响，而目前土壤环境容量模型，不能反映复合污染的情况。

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Fund project:Key program of NSFC (41130531)

Tendency Prediction about Soil Environmental Capacity of Heavy Metals in Jinghe County in Recent 100 Years

MA Hui-ying1，2, YANG Xiao-donge1，2, Lǖ Guang-hui2

(1. College of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,Urumqi830046,China)

【Objective】 To inquire the soil environmental capacity of heavy metals, to understand the carrying capacity of soil environment accurately, provide a scientific basis on the soil quality assessment and research the control over the regional heavy metal pollution.【Method】The static and dynamic environmental capacity of soil heavy metals in Jinghe county were estimated by the model of soil environmental capacity, and the development trend was predicted.【Result】Ranking of the static capacity of heavy metals in these 4 sorts of soil in Jinghe County were: meadow soil, shrub meadow soil, aeolian sandy soil and saline soil: Pb> Cr> Zn> Cu> Co; While the dynamic capacity of the same heavy metals in different types of soil were: when Co and Pb are in control terms 20, 50, 80 years: saline soil > shrub meadow soils > meadow soil > aeolian sandy soil; and when Cr, Cu, Zn are in control terms 20, 50, 80 years: saline soil > shrub meadow soils > aeolian sandy soil >meadow soil; all these elements got the same average annual capacity when the control term is 100 years despite the types of soil. The static capacity of heavy metals in saline soil, shrub meadow soil were both larger than that in aeolian sandy soil and meadow soil, so it is possible to take advantage of the larger soil capacity for the local economic development.【Conclusion】Soil comprehensive quality index in Jinghe County is 2.354，7, the pollution level belongs to Ⅳ, and the degree of pollution is medium. It will be a improved situation by its' self- purification if there were no more additional pollution by the other heavy metals in Jinghe County.

environmental capacity; soil heavy metals; static capacity; dynamic capacity; soil quality assessment

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.08.022

2016-03-24

国家自然科学基金重点项目(41130531)

马辉英(1980-)，女，新疆乌鲁木齐人，博士研究生，讲师，研究方向为污染生态学，(E-mail)25443766@qq.com

吕光辉(1963-)，男，山东青岛人，教授，博士，博士生导师，研究方向为干旱区生态学，(E-mail)ler@xju.edu.cn

S151.9

A

1001-4330(2016)08-1521-12