污灌对周边农田土壤砷垂直分布特征及评价研究

赵悦彤 魏张东

（河南大学迈阿密学院，河南 开封 475004）

0 引言

由于我国城市化进程的加快以及工业的快速发展，我国土壤正在承受着来自多方面的压力［1］。随着砷在冶金业、医疗、电子等方面的广泛应用，大量的砷进入土壤中，造成严重的土壤污染。由于土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性等特点［2］，因此进入土壤的砷容易在作物体内富集，导致砷浓度越来越高，影响作物的生长发育状况，之后通过食物链的传递最终危害人体健康［3］。进入土壤的砷多以三价砷和五价砷的形态存在，两种形态之间可以相互转化，且三价砷的毒性远高于五价砷，其毒性约为五价砷毒性的60倍［4］。据统计，我国土壤砷浓度的平均含量为11.2 mg/kg［5］，而我国省会城市重金属砷浓度的均值为12.44 mg/kg［6］，这一数值已超过砷的土壤环境背景值，这表明我国大部分地区的土壤已经出现土壤砷污染的现象，一定程度上造成了生态环境的恶化，对人类健康构成潜在威胁。土壤重金属污染来源广泛，除了土壤母质来源，还包括大气沉降、工业固体废弃物的不当处置、矿业活动、农药和化肥等，污水灌溉也是导致土壤出现重金属污染的重要原因之一［7］。我国作为农业大国，粮食种植面积1.2×108hm2，农业用水量在全国用水总量中所占的比例已经达到70%以上，每年农业生产缺水量达到3×1010m3［8］。早期由于水资源较缺乏，我国自1957年开始引用化肥河中的污水，将其用于浇灌农田，化肥河沿途接纳来自化肥厂、化工厂等各工矿企业所排放的污水，而工业污水中含有不利于作物生长发育的重金属砷等。目前，我国许多地区的粮食、蔬果等食物中已经出现砷、铅重金属含量超标的现象［9］。本研究以开封市东郊惠济河一带的污灌区作为研究对象，沿污灌河从南到北设置三条采样辐射线，然后对农田土壤分层采样，测定土壤中重金属砷的含量，分析距污灌河不同距离的土壤剖面的污染状况，利用单因子污染指数法以及内梅罗综合污染指数法对研究区域进行污染风险评价，从而为重金属砷污染土壤修复治理、科学合理地利用土壤资源提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于河南省开封市东郊惠济河一带，该污灌区总面积约400 hm2，土壤类型主要以潮土为主，化肥河由北向南贯穿该研究区，属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温在14℃左右。东郊沟是惠济河上游支流之一，整体呈南北走向，发源于开封市东北的防洪大堤，流经顺河回族区、禹王台区和祥符区，最终汇入惠济河，全长约15 km，沿途接纳化肥厂、化工厂、炼锌厂、药业公司等工矿企业所排放的工业废水，目前年均接纳工业废水量约2.2×107t［10］。

1.2 样品的采集与测定

沿东郊沟自南向北依次选取三个样区（P1、P2、P3），在每个样区中，每间隔100 m设置一个土壤剖面，三个样区共设置9个土壤剖面，具体的剖面设置情况见表1。在各土壤剖面进行分层采样，在0~110 cm段每隔5 cm采集一份土壤样品，将同层土样混合均匀后，各取1 kg土样，分别装入样品袋。由于P3区域的P3-B样点在采集过程中出现地下水渗出的现象，故P3-B样点剖面样品采集到80 cm处。三个土壤剖面共采集192份土壤样品。将土壤样品放置于通风整洁、无扬尘的室内，使其自然风干，进行磨碎处理后过100目筛，分装保存，用于后续试验操作。

表1 土壤剖面的基本情况

使用微波消解/原子荧光法（原子荧光分光光度计，AFS-3100，北京海光仪器有限公司）测定土壤中重金属砷含量。

1.3 数据处理

使用Excel对所得数据进行整合、计算与分析，并采用Origin软件进行绘图操作。

1.4 评价方法

本研究采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法［11］对该研究区域土壤剖面的重金属污染程度进行评价，单因子与多因子相结合的评价方式可以更准确客观地判断该地区的污染状况。

1.4.1 单因子污染指数法。单因子污染指数法是一种利用实测数据与标准对比分类的方法，其计算公式如式（1）。

式中：P i为重金属i的污染指数；C i为重金属i的实测浓度值，mg/kg；S i为重金属i的背景值，mg/kg。

1.4.2 内梅罗综合污染指数法。内梅罗综合污染指数法是当前国内外计算综合污染指数最常用的计算方式之一，其计算公式如式（2）。

式中：P综为综合污染指数；Pˉ为单因子污染指数的平均值；P imax为单因子污染指数的最大值。

2 结果与讨论

2.1 研究区土壤剖面砷含量的垂直分布

研究区域P1的三个样点处土壤剖面不同深度砷含量见图1。

图1 P1样区各土壤剖面不同深度砷含量

P1样区整体砷含量在3.77~46.20 mg/kg，砷浓度平均值为21.16 mg/kg，表层0~30 cm的土壤受到重金属砷污染的程度最高。P1-A土壤剖面砷浓度平均值为14.45 mg/kg，最大值为46.20 mg/kg，最小值为3.77 mg/kg；P1-B土壤剖面砷浓度平均值为12.61 mg/kg，最大值为31.98 mg/kg，最小值为5.64 mg/kg；P1-C土壤剖面砷浓度平均值为4.67 mg/kg，最大值为6.02 mg/kg，最小值为3.83 mg/kg。因此，在P1样区中，距化肥河最近的样点P1-A受到污染的程度最严重，样点P1-B次之，并且这两处样点的0~30 cm段土壤砷含量均已超过我国土壤砷浓度的背景值，距离污灌河最远的样点P1-C受到重金属砷的影响最小。

研究区域P2的三个样点处土壤剖面不同深度砷含量见图2。

图2 P2样区各土壤剖面不同深度砷含量

P2样区整体砷含量在2.81～32.13 mg/kg，砷浓度平均值为10.47 mg/kg。P2-A土壤剖面砷浓度平均值为12.82 mg/kg，最大值为27.31 mg/kg，最小值为3.41 mg/kg；P2-B土壤剖面砷浓度平均值为13.66 mg/kg，最大值为32.13 mg/kg，最小值为6.25 mg/kg；P2-C土壤剖面砷浓度平均值为4.94 mg/kg，最大值为12.21 mg/kg，最小值为2.81 mg/kg。由于P2样区周边存在化肥厂等工矿企业，加之受到化肥河污灌的影响，因此也受到了较严重的土壤污染，且污染主要集中在土壤表层。

研究区域P3的三个样点处土壤剖面不同深度砷含量见图3。

图3 P3样区各土壤剖面不同深度砷含量

P3样区整体砷含量在2.72~9.00 mg/kg，砷浓度平均值为6.15 mg/kg。P3-A土壤剖面砷浓度平均值为6.07 mg/kg，最大值为8.05 mg/kg，最小值为3.87 mg/kg；P3-B土壤剖面砷浓度平均值为8.03 mg/kg，最大值为9.00 mg/kg，最小值为6.49 mg/kg；P3-C土壤剖面砷浓度平均值为4.35 mg/kg，最大值为6.39 mg/kg，最小值为2.72 mg/kg。P3样区由于整体距离污染源较远，且周边无工矿企业等的影响，因此整体污染程度较轻，且重金属砷的含量均低于我国土壤砷环境背景值。

2.2 土壤剖面砷污染风险评价

2.2.1 单因子污染指数法。单因子污染指数分级标准见表2。

表2 单因子污染指数分级标准

将各研究区域土壤剖面不同深度下的砷浓度值代入式（1）计算，得到的单因子污染指数见图4。

图4 各研究区域土壤剖面单因子污染指数

由图4可以看出，就研究区域P1土壤剖面而言，36~75 cm段以及96～110 cm质量等级为清洁，31~35 cm段以及76~95 cm段质量等级为尚清洁，0～30 cm段质量等级为超标；对于研究区域P2，56~60 cm段、81~90 cm段以及96~110 cm段质量等级为清洁，41~55 cm段、61~80 cm段以及91~95 cm段质量等级为尚清洁，0~40 cm段质量等级为超标；而研究区域P3的0~10 cm段、26~30 cm段以及46~110 cm段质量等级为清洁，11~25 cm段以及31~45 cm段质量等级为尚清洁，不存在质量等级超标的区域。因此，在污染程度方面，P3区域土壤受污染程度最轻，而P1及P2均存在质量等级超标的部分，出现了比较严重的土壤砷污染现象。

2.2.2 内梅罗综合污染指数法。内梅罗综合污染指数分级标准见表3。

表3 内梅罗综合污染指数分级标准

将相对应的数据代入式（2）中，可分别求得三个研究区域土壤剖面的内梅罗综合污染指数，见图5。

图5 各研究区域土壤剖面内梅罗综合污染指数

由图5可知，研究区域P1的36~110 cm段均处于安全或警戒程度，31~35 cm段污染程度为轻度污染，16~30 cm段污染程度为中度污染，0~15 cm段污染程度为严重污染；研究区域P2的56~110 cm段污染程度为安全或警戒，31~55 cm段污染程度为轻度污染，0~30 cm段污染程度为中度污染，无重度污染区域；而研究区域P3则全部处于安全或警戒程度。由此可见，三个区域所受到的土壤污染程度不同，污染程度P1＞P2＞P3，与单因子污染指数法所得结果基本相符。

3 结论

①污灌区农田常年引用东郊沟的污水直接对农田进行浇灌，各样区分别出现了不同程度的土壤重金属污染，但每个土壤剖面的砷含量存在差异。总体来看，总体土壤污染程度P1＞P2＞P3，且砷污染基本都集中在表层土壤，P1及P2样区各有两个样点0~30 cm段的土壤砷含量已超过我国土壤砷的背景值，受污染程度较严重。

②随着土壤深度的增加，三个样区的土壤砷污染程度均呈下降趋势。P1样区土壤砷污染主要集中在0～30 cm段，31~40 cm段污染程度大幅下降，在41～110 cm段砷含量趋于稳定；P2样区0~50 cm段污染较严重，砷浓度远超过土壤背景值，51~110 cm段污染程度减缓且砷浓度逐渐趋于稳定；P3样区整体砷含量差异较小且不存在污染较严重的区域。随着与东郊沟距离的增加，污灌区农田土壤砷浓度呈下降趋势，但由于P2样区周围存在工矿企业，所以部分样点砷浓度较高。在P1样区中，P1-A及P1-B两个样点由于距离东郊沟较近，受到重金属砷的影响更大，污染更严重，而P1-C样点距东郊沟较远，受污染程度较轻；在P2样区中，由于样区附近建设有化肥厂等工矿企业，因此该样区也受到了一定程度的重金属污染，P2-A及P2-B两个样点由于距离相对更近，受污染则相对较严重，而P2-C样点由于远离化肥河及化肥厂，受影响较小，土壤砷浓度低于背景值；P3样区整体距化肥河较远且无工矿企业等的影响，砷浓度较低，土壤污染程度较轻。