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随着我国经济的快速发展,城镇化和工业化过程加快,农业高强度利用趋势明显,含汞(Hg)污染物得以通过各种途径进入土壤。土壤中Hg元素的积累转化,已在点源范围、区域范围以至全球范围内构成了对环境的潜在危害,亦对动植物以及人体健康产生影响。土壤作为全球最大的Hg库,同时也担负着提供农产品的职责,因而Hg在土壤-作物系统中的迁移转化逐渐引起人们的关注。对不同尺度下土壤Hg的时空变异、积累转化特征、土壤Hg在土壤-作物系统中的迁移及影响因素等进行系统研究,对于土壤利用、环境评价及污染修复都具有重要的参考价值和指导意义。
本研究以长江三角洲经济发展程度较高的江苏省苏州市为研究区,在其中选择县(市)级尺度的张家港市、镇级尺度的某镇以及点源尺度的张家港市某典型排污企业为研究对象,在不同的研究尺度上分别采集土壤样品以及与土壤样点相对应的作物样品,同时在县(市)和镇级尺度研究区还采集了大气降尘样品,分析土壤基本性质、Hg的全量和有效态、剖面Hg的化学形态、作物和大气降尘Hg含量,结合GIS软件和相关的统计分析,研究了不同尺度上土壤Hg积累的空间变异特征、土壤-作物系统中Hg的迁移转化规律及污染来源和环境风险等。结果表明:
1.无论是县(市)级尺度、镇级尺度,还是点源尺度上都存在着不同程度的土壤Hg积累。张家港市土壤Hg积累主要受历史上农业面源污染的影响,但是积累程度较轻;某污染重镇受快速工业化和城镇化的影响,土壤Hg严重积累;而点源某企业只在局地范围内造成一定的Hg积累。三个尺度土壤全Hg的平均值分别为140μg kg-1、1345μg kg-1和582μg kg-1,土壤有效Hg平均值分别为39μg kg-1、51μg kg-1和53μg kg-1,作物Hg平均值分别为Hg13μg kg-1、20μg kg-1和13.3μg kg-1。
2.在县(市)级尺度的张家港市,土壤Hg含量变幅较大。尽管分布有大量的工业企业以及强烈的农业管理措施,但目前土壤Hg并未受到明显的污染,大部分土壤处于安全级别,仅在南部人为土区呈酸性的土壤中Hg含量超过了国家土壤环境质量二级标准(300μg kg-1),表现出零星的样点超标,超标率为1.10%。不同土壤类型间的差异明显,土壤全Hg、有效Hg和水稻Hg都表现出明显的南部人为土高于北部雏形土的现象。不同采样方式间,远离企业采样的土壤全Hg积累显著高于靠近企业采样,当地曾大量使用的含汞农药和制剂造成的残留是重要的原因。而有效Hg则是在靠近企业的采样方式下其含量较高于远离企业采样方式下的含量,企业附近土壤较低的pH值和较高的有机质含量以及企业点源污染的影响范围较小都是影响因素。
3.镇级尺度的某镇,土壤出现了明显Hg积累,99%的样点超过国家二级标准。土壤和水稻高含量Hg主要积聚于城镇周围,随着距城镇距离的增加其含量逐渐降低。大气Hg沉降量在空间上变化不大。进入土壤中的Hg主要在土壤表层0~20 cm范围内富集,但直至60 cm深处依然存在积累现象,整个剖面土壤活性态和半活性态Hg含量占全Hg的比例变化不大。大量积累的土壤Hg造成水稻Hg含量也较高,约41%的水稻样点超过国家食品污染物限量标准(20μg kg-1)。
4.点源尺度的典型企业周边,土壤汞污染程度较重,但影响范围较小。参考国家二级标准的评价标准,有83.4%的样点受到了汞污染,其中有30%的样点达到了严重污染水平。但污染较严重的区域为离点污染源约50 m范围内,影响范围约为400 m。在土壤剖面上,企业污水灌溉导致高含量的Hg主要聚集在表层0~15 cm,但有向下迁移的趋势,直至土体50 cm以下才达到背景值,严重威胁着地下水品质。尽管土壤污染严重,但作物籽粒基本处于清洁水平,约13%样点稻米Hg超标,小麦Hg无超标,表明土壤中积累的Hg向作物迁移较少,稻米Hg含量明显高于小麦籽粒。作物汞和土壤汞的相关性研究表明,小麦Hg和土壤Hg相关性较弱,而水稻Hg与土壤Hg相关性较好。因此,作物对Hg的吸收差异主要取决于作物类型。
5.考虑到在县(市)级尺度上,目前含Hg农药的停止使用、点源企业废水排放造成影响的局部性,在镇级尺度上较低的大气Hg沉降量和土壤积累的Hg已与土壤条件达到平衡的事实表明,本论文研究区目前Hg的积累来源与程度已明显减少。而针对大量蓄积在土壤中的Hg,如何控制好其活性和生物有效性才是更需要关注的焦点,土壤性质变化和土地利用方式改变会对土壤Hg活性和生物有效产生明显影响,今后应采取措施修复污染土壤或者通过改变作物种类来减少土壤Hg含量或抑制作物对Hg的吸收,达到环境治理的目的。