河北省主要污灌土壤质量及其污染风险评价研究

发布时间：2020-06-23 08:22

【摘要】：土壤是人类生存和发展的物质基础,其质量的优劣不仅影响着农作物的产量,而且还决定着农产品的安全品质和农业发展的可持续性。然而,在水资源日益短缺和水污染不断加剧的双重压力下,长期污灌土壤的生态环境污染问题日趋凸显,并严重制约着我国农业的可持续发展。因此,本研究以河北省主要不同区域(衡水、石家庄、沧州和保定)的污灌土壤为研究对象,分析了反映土壤质量的理化性质、酶活性、重金属及其各形态含量水平和农作物的重金属污染水平,评价了污灌土壤的肥力质量、环境质量、综合质量以及农作物的健康风险,指出了污灌土壤现存的主要问题,对于遏制污灌土壤环境质量的下降、调控污灌土壤肥力质量、确保污灌农作物产品安全均具有十分重要意义。所取得的主要研究结果如下: (1)河北省主要污灌土壤质地总体上属于壤土,其中衡水、石家庄和保定区域属于中壤土,沧州区域属于重壤土。对于0～20cm污灌土壤pH值而言,石家庄和保定区域50%以上的样本为中性,衡水和沧州区域80%以上的样本为碱性,但是不同区域90%以上的20～40cm污灌土壤样本仍为碱性。根据全国第二次土壤肥力状况普查结果和河北省土壤肥力状况的分级标准可知,河北省0～20cm污灌土壤的有机质、全钾和速效钾含量达中等偏上水平,全氮、速效氮、全磷和速效磷含量则处于低等水平,其中石家庄区域的相对等级水平最高。0-20cm污灌土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和转化酶活性与大部分理化性质指标显著相关,石家庄和保定区域污灌土壤酶活性最高,衡水和沧州污灌土壤酶活性最低,且突出表现在土壤脲酶活性上。20～40cm污灌土壤的养分含量和酶活性均明显降低,且不同区域间的差异也显著减小。基于模糊数学法的污灌土壤肥力质量评价结果显示,衡水、石家庄、沧州和保定区域0-20cm污灌土壤肥力质量综合指数分别为0.42、0.67、0.40和0.61,分别属于中等、较高、中等和较高的肥力等级水平。 (2)河北省主要污灌土壤重金属含量的大小顺序为,FeTiMnZnVCrPb CuNiCoAsSnCdHg(20～40cm土层的为CuPb),除Fe、Mn和As外,其余重金属元素平均含量的最高值均出现在石家庄区域。与河北省土壤背景值相比,大部分重金属元素的累积现象较明显,突出表现在Hg、Cd、Zn和Pb元素上,且存在不同程度超中国土壤环境质量II级标准、无公害和绿色食品产地标准的样本比例,最高为Cd的44.4%,最低为Pb的8.9%。主成分分析和聚类分析结果一致表明,污灌土壤中的Cd、Cr、Cu、Pb、Sn和Zn主要受人类生产活动的影响,而As、Fe、Mn、Co、Ti和V则主要受自然成土过程的影响。污灌土壤中的大部分重金属元素以残渣态和铁锰氧化态的形式存在,而可交换态(除Cd和Cr)的比例则最低。污灌土壤环境质量评价及预警结果显示,较高水平的Hg、Cd、Zn、Pb和Cu累积,在污染土壤环境的同时,也构成了严重的生态危害,其中石家庄污灌土壤的综合潜在生态风险达很强程度,预警级别达中度及重度的相对比例为57.15%;保定和沧州污灌土壤的生态风险达较强程度,预警级别达中度及重度的相对比例分别为25.00%和6.67%;衡水污灌土壤的生态风险达中等水平,94.44%的相对风险概率处于无警级别。 (3)与中国食品卫生相关标准相比,污灌粮食籽粒(除棉花)主要存在Pb和Hg的超标问题,且小麦超标样本比例(8.5%和16.7%)略高于玉米的(6.0%和10.0%);污灌叶菜类蔬菜(除菜花)主要存在Zn、Ni、Pb、Cd和Hg的超标,其中菠菜Pb和Cd的超标样本比例高达50%以上,而白菜、油菜、香菜和韭菜的超标样本比例主要集中在10%-30%之间;根菜类蔬菜主要存在Zn、Ni、Pb和Cd的超标,除大葱外,其它根菜类的超标比例均较高,其中芥菜和白萝卜的Pb超标比例均达100%,这主要与农作物对重金属的富集能力密切相关。污灌农作物健康风险评价结果显示,除芥菜Pb和玉米Ni的单一重金属健康风险指数(HRI)接近1外,其它农作物的HRI均小于1。但是,玉米、芥菜、菠菜、白萝卜、香菜和油菜可食部分所有重金属的综合健康风险指数THQ1,表明这些污灌作物具有较高的健康风险,尤其是对儿童。结合污灌农作物可食部分重金属含量与土壤重金属形态间的相关性和食品卫生标准中重金属含量的最大允许量获得,种植粮食和蔬菜作物的污灌土壤重金属Pb、Zn、Cd、Cr的交换态临界含量分别为4.47 mg kg~(-1)、10.99 mg kg~(-1)、0.27 mg kg~(-1)、42.38 mg kg~(-1)和8.45 mg kg~(-1)、16.38 mg kg~(-1)、0.15 mg kg~(-1)、52.97 mg kg~(-1);种植粮食作物的污灌土壤重金属Pb和Cr的碳酸盐态临界含量分别为1.75 mg kg~(-1)和8.83 mg kg~(-1),种植蔬菜作物的污灌土壤重金属Zn的碳酸盐态临界含量分别为42.37 mg kg~(-1);种植粮食作物的污灌土壤重金属Zn和Cr的铁锰氧化态临界含量分别为67.08 mg kg~(-1)和14.29 mg kg~(-1),种植蔬菜作物的污灌土壤重金属Cr的铁锰氧化态临界含量为31.19 mg kg~(-1)。 (4)采用Box-Cox转化法对污灌土壤养分化学、酶学和有效态重金属指标进行正态性检验及其转化后,基于主成分分析法(PCA)的污灌土壤质量综合分析评价显示,衡水区域的污灌土壤综合质量最优,石家庄区域的最差,保定和沧州的位列中等,且不同区域间存在显著差异(P0.05)。由此可见,受人类生产活动影响的重金属Cd、Pb、Cr、Cu、Sn和Zn是降低石家庄区域污灌土壤环境质量和综合质量的主要因子,需进行重金属污染土壤的修复或种植低富集的农作物(如棉花、菜花和大葱),提高其环境质量,避免农作物安全品质污染事故的发生;对于其它污灌区域,特别是衡水地区应注重土壤肥力质量的改善措施与良性种植模式的运用,同时建立长期的、动态的污灌土壤质量定位监测机制,减轻对人体健康的危害,逐步实现污灌土壤的可持续发展。
【学位授予单位】：河北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X53
【图文】：

面积分布,区域图,污水灌溉,区域

面积已达到360万hm2，遍布131个省市（图1-1），尤其是严重缺水的北方，污水已成为农业灌溉用水的一个主要水源。在工业用水和城市生活用水不断增加的同时，污水排放量也在不断增加。根据我国现阶段国情和经济实力可以预见，在全国水资源日益匮缺、污水排放量和农业灌溉需水量增加的情况下，再加上农民生计及对农产品产量的刚性需求，污水灌溉将有增无减，污水水质超标问题也很难得到彻底有效地解决[15]。图1-1 我国污水灌溉农业的区域及其面积分布（引至方玉东, 2011[14]）Fig.1-1 Distribution and area of sewage-irrigated soils in China(from Fang Y D, 2011[14])污灌面积 Sewage-irrigated area/ hm2>50 00030 000-50 00020 000-30 00010 000-20 0005 000- 10 000<5 000未统计

趋势图,时间变化,现状图,土壤健康

康测试系统输出的健康评价结果可以直接为采取物理、化学和生物学的田间管理措施提供参考，便于从整体上把握土壤健康现状（图1-1）。图1-2 土壤健康的结构框架图(引至VRO[36])Fig.1-2 A schematic diagram showing how soil health is the balance of inherent soil properties,uncontrollable environmental conditions, and management practices(from VRO[36])时间 TimeT0壤质量土oilSqalituy退化 Degrading维持 Sustaining提高 Aggrading图1-3 土壤质量的时间变化趋势 (引至 Seybold et al. 1998[23]).Fig.1-3 Conceptual changes in temporal soil quality indicating degradation, maintenance, or improvement

【参考文献】