贵州省主要猕猴桃果园土壤重金属安全评价

2019-08-13 08:08:35 江苏农业科学 2019年1期

蔡娜 谢静 党华美

摘要:探讨贵州省主要猕猴桃果园土壤中镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、砷(As)、铜(Cu)、锌(Zn)的重金属含量特征,采用单因子污染指数法和多因子污染指数法分析猕猴桃果园土壤环境质量。在猕猴桃果园中土壤重金属Cd、Hg、Pb、As和Zn的平均含量处于正常水平,但是Cr和Cu的含量偏高,分别达到了385.20 mg/kg和 215.57 mg/kg;7种重金属中Cd和Cu存在单因子综合污染,Pb和Hg的单因子污染指数(Pi)均小于0.7,污染等级为安全。基于国家土壤环境质量二级标准的水城县的4个园区Pb、As和Hg的单因子污染指数都小于0.7,污染等级为安全,污染水平为清洁,而Cd的单因子污染指数都大于1,土壤重金属平均Pi大小排序为Cd>Cr>Cu>Zn>As>Hg>Pb;基于国家土壤环境质量二级标准的修文县2个乡(镇)的4个猕猴桃果园土壤中Zn、Pb和Hg单因子污染指数均未超过0.7,污染等级为安全,污染水平为清洁;基于国家土壤环境质量二级标准的Cd单因子污染指数除猕香苑小于0.7外,其余果园都大于1,土壤重金属平均Pi排序为Cd>Cu>Cr>As>Hg>Zn>Pb;基于国家土壤环境质量二级标准的修文县和水城县猕猴桃果园土壤重金属综合污染指数分别为1.38、2.03,污染等级分别为轻度和中度。Cu、Cd、Cr和As在一些地方甚至达到了重度污染,各果园在进行土壤Cu和Cd治理的同时,需要对Cr和As进行密切监测,找出外在污染源。

关键词:土壤;重金属;安全评价;猕猴桃;果园

中图分类号: X825 文献标志码: A 文章编号:1002-1302(2019)01-0255-06

猕猴桃营养丰富,且适应性强,栽培种植容易,成本低,效益高,是重点打造的重要果品之一,贵州六盘水市(水城)和修文县都是典型的猕猴桃种植基地。重金属污染因具有毒性、易通过食物链在植物、动物和人体内累积,对生态环境和人体健康构成严重威胁,其污染导致的安全问题也成为全球关注的环境问题之一。目前,我国大部分地区的土壤重金属污染问题比较突出,已经成为影响农产品产地环境质量,进而影响农产品质量安全的凸显问题。果园土壤重金属是构成猕猴桃产地环境监测的一项重要指标,土壤重金属含量被认为是影响农产品安全的重要因素,也是影响果品中重金属含量的主要因素之一[1-2]。在果园土壤重金属风险评价方面,前人研究主要集中在火龙果[3]、苹果[4]、柑橘[5]、梨[6]、葡萄[7]、樱桃[8]等果园,对于猕猴桃的研究则主要是溃疡病、产业化、品质等方面,在猕猴桃果园方面,李晓彤等对陕西省眉县和周至县猕猴桃果园中土壤重金属进行了研究,发现陕西省眉县和周至县猕猴桃果园土壤属尚清洁水平,土壤环境质量合格[9]。杨玉等研究湖南省54个猕猴桃果园,发现有31.5%的土壤受到了不同程度污染[7]。而涉及喀斯特地区的猕猴桃果园土壤重金属安全评价尚未有介绍[10],目前关于贵州等喀斯特地区猕猴桃果园的分析主要集中在果园土壤酸碱度和养分的调查和分析、土壤-猕猴桃系统重金属含量及其富集特征[11-12]。此外,刘晗发现贵州猕猴桃基地土壤重金属赋存形态主要为残渣态和有机结合态[13]。目前尚未有涉及贵州猕猴桃果园土壤重金属安全评价的问题。据此,笔者依据国家土壤环境质量二级标准和贵州省农业土壤背景值开展了贵州省不同地区猕猴桃果园土壤重金属环境质量评价,为确保贵州猕猴桃果园土壤的长期安全提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州的土壤多由碳酸岩发育而来,然而由碳酸岩发育的土壤中多存在镉(Cd)的地球化学高背景现象。修文县位于贵州省安顺地区东北部,地处106°22′~106°53′E,26°45′~27°12′N,北与息烽县接壤,东及东北与开阳县相连,南与贵阳市毗邻,西南与清镇县隔猫跳河相望,西及西北与黔西县、金沙县以乌江为界。修文县属亚热带季风性湿润气候,气候温和,冬无严寒,夏无酷暑,水热同期。年降水量为976.6~1 239.3 mm,年平均气温为13.2~15.0 ℃,无霜期平均为266 d。地形地貌较为复杂,山地总面积为572.80 km2,岩溶发育较好。修文县以猕猴桃为主的精品水果的种植面积达1.87万hm2,猕猴桃种植面积为1万hm2,种植面积占贵州省猕猴桃总种植面积的55%。

水城县位于贵州省西部,地处104°33′57″~105°15′23″E,26°02′56″~26°55′21″N之间,东邻六枝、纳雍,西接宣威、威宁,南抵普安、盘县,北与赫章毗邻。水城县具有明显的季风气候特点,雨水充沛,雨热同季,暖湿共节,全县雨量充沛,年平均降水量在1 100~1 300 mm之间,平均气温在11~17 ℃之间,无霜期在240 d左右。贵州省六盘水市水城县猕猴桃种植基地作为全省综合排名第一的农业园区,是贵州省委、省政府重点打造的“100个现代高效农业示范园区”之一,总规划面积达4 384 hm2。贵州猕猴桃果园基本情况见表1。

1.2 样品的采集与制备

在选取的具有典型代表性的猕猴桃种植基地及大面积种植区,按对角线间隔进行取样。采样用竹削刀取0~40 cm土壤,充分混合后用四分法取舍,保留1 kg土壤装入布袋中,标记并带回实验室。将取回土壤摊放在洁净牛皮纸上风干,剔除石块、残根等杂物,用木棍碾压,过1 mm尼龙筛;进一步用瓷钵研细,过0.25 mm尼龙筛,供分析测点。其中为防止采样人为因素影响,样品混合、装袋、粉碎、研磨等处理过程应避免金属用具,使用木头、塑料、搪瓷等用具。修文县采集16个样品,水城县采集19個样品,共35个土壤样品。

1.3 样品测定

pH值:采用水浸提-电位法(水、土质量比=2.5 ∶ 1)测定。重金属铜(Cu)、锌(Zn)、铬(Cr)含量:用硝酸-高氯酸-氢氟酸三酸消解,采用火焰原子吸收分光光度法测定。镉(Cd)和铅(Pb)含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定;砷(As)和汞(Hg)含量采用王水消解,双道原子荧光光度计测定。为保证分析质量,每一批样品设置2个空白,样品消解以及上机过程中带有土壤标准物质[GSS-5、GBW(E)070043]进行质量控制。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016、SPSS 19.0进行统计分析。

1.5 土壤重金属污染评价方法

2 结果与分析

2.1 猕猴桃果园土壤重金属含量状况

从表4可知,修文县猕猴桃果园土壤重金属中,Cr含量最大值为(247.11±73.91) mg/kg,最小值为(108.47±86.97) mg/kg,平均值為(109.17±39.45) mg/kg,变异系数为36.14%;Cd含量的最大值为(1.08±0.25) mg/kg,最小值为(0.24±0.03) mg/kg,平均值为(0.32±0.33) mg/kg,变异系数为103.13%;Hg含量的最大值为(0.20±0.17) mg/kg,最小值为(0.08±0.02) mg/kg,平均值为(0.13±0.03) mg/kg,变异系数为23.08%;As含量的最大值为(76.12±44.94) mg/kg,最小值为(15.92±14.89) mg/kg,平均值为(27.51±6.51) mg/kg,变异系数为23.67%;Pb含量的最大值为(96.63±31.24) mg/kg,最小值为(22.35±18.13) mg/kg,平均值为(35.78±13.39) mg/kg,变异系数为37.42%;Cu含量的最大值为(155.93±10.55) mg/kg,最小值为(26.46±23.01) mg/kg,平均值为(50.26±23.89) mg/kg,变异系数为47.53%;Zn含量的最大值为(327.07±7.86) mg/kg,最小值为(71.54±28.87) mg/kg,平均值为(75.95±48.98) mg/kg,变异系数为64.49%。其中,在4个园区中Cr、Cd、Cu含量最高的是谷堡,分别是247.11、1.08、155.93 mg/kg,较低的为猕香苑、放马坪,前者Cr、Cd、Cu含量分别为124.56、0.24、46.00 mg/kg,后者Cr、Cu含量分别为108.47、26.46 mg/kg;As、Pb、Zn含量最高的为猕香苑,分别为76.12、96.63、327.07 mg/kg;Hg最高值和最低值为马关、放马坪,其值为0.20、0.08 mg/kg。从总体上看,修文县谷堡猕猴桃果园土壤重金属Cr、Cu、Cd的含量要比马关、放马坪、猕香苑的高。

由表5可以看出,水城县猕猴桃果园土壤重金属中,Cr含量最大值为(426.79±355.06) mg/kg,最小值为(112.56±88.95) mg/kg,平均值为(216.76±44.70) mg/kg,变异系数为20.62%;Cd含量的最大值为(5.74±0.39) mg/kg,最小值为(0.46±0.34) mg/kg,平均值为(1.15±0.65) mg/kg,变异系数为56.52%;Hg含量的最大值为(0.16±0.03) mg/kg,最小值为(0.03±0.01) mg/kg,平均值为(0.07±0.03) mg/kg,变异系数为42.86%;As含量的最大值为(37.97±5.62) mg/kg,最小值为(3.02±1.93) mg/kg,平均值为(11.22±6.43) mg/kg,变异系数为57.31%;Pb含量的最大值为(55.90±13.63) mg/kg,最小值为(18.26±12.96) mg/kg,平均值为(24.25±7.58) mg/kg,变异系数为31.26%;Cu含量的最大值为(301.02±162.03) mg/kg,最小值为(162.21±138.12) mg/kg,平均值为(172.94±47.80) mg/kg,变异系数为27.64%;Zn含量的最大值为(241.59±155.06) mg/kg,最小值为(77.97±69.42) mg/kg,平均值为(160.54±16.11) mg/kg,变异系数为10.03%。Cr含量最高是都格,为426.79 mg/kg;As、Cu、Hg含量最高都为顺场,分别为37.97、301.02、0.16 mg/kg;Pb、Zn含量最高的均为猴场,分别为55.90、241.59 mg/kg;Cd含量的最高、最低值分别出现在猴场、发耳,分别为5.74、0.46 mg/kg;Pb、Hg含量最低的均为都格,分别为18.26、0.03 mg/kg。

2.2 猕猴桃果园土壤重金属分布特征

变异系数反映了各果园土壤中各重金属元素分布的均匀性。由表6可知,除Hg、As外,其余5种元素水城县的变异系数要小于修文县,表明其在水城县分布得要均匀些,Hg、As在修文县分布较均匀,其中Cd在修文县的变异系数超过100%,分布极不均匀。7种重金属的平均变异程度中,修文县猕猴桃果园中As的变异系数最小,在修文县的4个园区中分布最均匀;Cd在谷堡、放马坪、猕香苑分布较不均匀;Zn的分布除了在猕香苑的分布极不均匀,变异系数甚至达到了139.61%, 其余3个园区分布较为均匀。 在水城县4个果园中,Zn的变异系数最小,分布最为均匀;Hg在发耳、都格、顺场分布较为不均匀;Cd在猴场分布极不均匀,变异系数甚至达到了101.77%。以变异系数大小为标准对土壤重金属变异性进行粗略分级:变异系数<10%,土壤重金属含量表现为弱变异性;10%≤变异系数<100%,土壤重金属含量表现为中等变异性;变异系数≥100%,土壤重金属含量表现为强变异性。在修文县的4个地方中,除Zn、Cd、As、Cu外,其余土壤重金属都为中等变异性;在水城县的4个地方中,除Cd在猴场为强变异性外,其余元素在各个地区均为弱变异性或中等变异性。

2.3 猕猴桃果园土壤重金属污染评价

2.3.1 基于国家土壤环境质量二级标准的内梅罗综合污染指数法评价结果 由表7可以看出,修文县的4个猕猴桃果园中Zn、Pb和Hg单因子污染指数均未超过0.7,污染等级为安全,污染水平为清洁;Cd单因子污染指数除猕香苑小于0.7外,其余都大于1,土壤重金属平均Pi值为Cd>Cu>Cr>As>Hg>Zn>Pb,因此土壤中Cd的含量要严格控制。修文县猕猴桃果园土壤综合污染指数平均值为1.38,污染等级为轻度污染。由表8可知,水城县的4个园区Pb、As和Hg的单因子污染指数都小于0.7,污染等级为安全,污染水平为清洁,Cd的Pi都大于1,土壤重金属平均Pi值排序为Cd>Cr>Cu>Zn>As>Hg>Pb。其综合污染指数平均值为2.03,污染等级为中度污染。

2.3.2 基于贵州省土壤背景值的内梅罗综合污染指数法评价结果 根据贵州省土壤背景值,计算单因子和多因子综合污染指数。从单因子污染指数来看,在修文县的4个园区中Cu、As和Cr的单因子综合污染指数都≥0.7,Cu和As在贵州省土壤背景值下分别在谷堡和猕香苑表现出重度污染,其余4种元素的Pi都在2以下。7种重金属元素的评价Pi值排序为 Cu>As>Hg>Cr>Pb>Zn>Cd,修文縣土壤重金属元素Cd在贵州省土壤背景值下其平均Pi值最小,在贵州省土壤背景值下Cd的含量是国家土壤环境质量二级标准中含量的2倍以上。其综合污染指数都大于1.0,平均综合污染指数为2.20,污染等级为中度污染,详见表9。

由表10可知,在贵州省土壤背景值下水城县的4个果园中,Pb、As、Hg的单因子污染指数都小于1,Cu和Cr的单因子污染指数均≥1.0,其中Cr在都格的单因子污染指数大于3,达到了重度污染。平均单因子污染指数排序为Cr>Cd>Cu>Zn>Pb>Hg>As,土壤中的Cr要严格控制。平均综合污染指数为2.13,污染等级为中度。

2.4 猕猴桃果园土壤重金属含量相关性分析

由表11可知,修文县猕猴桃果园土壤中的7种元素中,Cr和Cu的含量有着极显著的正相关,As和Pb、Zn的含量有着极显著的正相关,Pb和Zn的含量呈显著正相关,表明它们之间的同源性很强。Hg和As、Pb、Zn的含量有极显著负相关。由表12可以看出,在水城县猕猴桃果园土壤中的7种元素中,Pb和Cd的含量呈显著正相关,由于土壤重金属污染不仅仅是重金属元素单独作用的结果,而是由多种重金属元素协同造成的。各个地区重金属元素相关性分析结果显示,各园区土壤重金属元素间存在不同的显著或极显著相关性,表明各地区土壤重金属来自不同类型的复合污染源。

3 讨论

3.1 贵州主要猕猴桃果园土壤重金属基本特征

从土壤重金属含量特征上分析可知,8个猕猴桃果园中Cr、Cu、Zn含量均显著高于贵州省的土壤背景值,影响果园土壤中Cr、Cu含量的主要因素是成土母质[4,16-17],而Zn含量偏高可能与Zn肥、含Zn农药及畜禽粪便等有机肥的使用有关[18-19]。As的平均含量除在猕香苑和放马坪存在一定的超标情况外,其余地方的平均含量均低于贵州省土壤背景值,王济等认为土壤中As的主要输入途径是农药的使用,如砷酸钙、砷酸铅[20-21]。猕香苑土壤重金属除Hg有一点超标外,其余各重金属元素平均含量均在背景值之下。

从土壤重金属分布特征上看,Cd和Hg在各园区里分布基本上都存在较大差异,而Cr、Cu、Pb、As和Hg分布要稍微均匀些,在发耳,重金属Cu、Zn和Pb为弱变异,分布最为均匀。整体上看出,除Zn、Cd在马关、猕香苑和猴场分布极不均匀外,其他地区土壤重金属含量的变异系数均为中等变异性。这表明各地区土壤重金属含量分布存在极为显著的差异,这可能与果园地形、周边环境等有一定的关系,从未来土壤环境改善和治理的角度来看,Zn、Cd在修文县治理难度较大,由于分布的差异性较大,大范围的治理方法无法大规模地开展,而从水城的情况初步来看,可采用大范围的预防和治理措施。

3.2 贵州主要猕猴桃果园土壤重金属污染防治措施

综合2种评价结果,Cu和Cd是各地区土壤重金属污染的主要因子,此结果与杨玉等的研究结果[21-26]一致,猕猴桃果园土壤重金属以Cd污染为主,Cd参照国家土壤二级标准表现出轻度污染,但在贵州省土壤背景值下污染等级为安全,因为贵州省为Cd元素地球化学异常区,各地区中Zn、Pb、As和Hg虽未在国家土壤二级标准上表现出污染性,但由于其在各地区存在普遍或局部的积累,说明其在外来污染源的作用下,表现出相对贵州省土壤背景值的污染,其中Zn、Pb和Hg存在中度或轻度污染,而Cu、Cd、Cr和As在一些地方甚至达到了重度污染。修文县和水城县猕猴桃果园土壤重金属综合污染指数分别为1.38、2.03,污染等级分别为轻度和中度污染。结果表明,各地区在进行土壤Cu和Cd的治理的同时,需要对Cr和As进行密切监测,找出外在污染源。

4 结论

在猕猴桃果园中,土壤重金属Cd、Hg、Pb、As和Zn的平均含量处于正常水平,但是Cr和Cu的含量偏高,分别达到了385.20 mg/kg和215.57 mg/kg。

水城县的4个果园Pb、As和Hg的单因子污染指数都小于0.7,污染等级为安全,污染水平为清洁,Cd的Pi都大于1,土壤重金属平均Pi值排序为Cd>Cr>Cu>Zn>As>Hg>Pb;修文县的4个猕猴桃果园中Zn、Pb和Hg单因子污染指数均未超过0.7,污染等级为安全,污染水平为清洁;Cd单因子污染指数除马关小于0.7外,其余都大于1,土壤重金属平均Pi值排序为Cd>Cu>Cr>As>Hg>Zn>Pb;在2种评价标准下,修文县、水城县猕猴桃果园土壤重金属综合污染指数分别为1.38、2.03,污染等级分别为轻度、中度。

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