论文部分内容阅读
摘要：为查明五马河沿岸农田土壤环境质量状况，实地采集表层土壤样品63个，分析Cu、Cd、Pb、Zn、Hg和As共6种重金属元素全量，采用“超标倍数法”和“双权重超标赋权法”组合而成的改进模糊数学综合评价法进行综合评价，同时运用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对评价结果进行对比分析。结果表明，土壤样品中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As含量平均值分别为37.99、0.013、51.58、93.71、0.148、6.33 mg/kg，Cu和Pb含量平均值超过了土壤环境质量Ⅰ级标准。改进模糊数学法评价显示，各样点Ⅰ级隶属度均较高，说明研究区土壤质量安全。单因子污染指数反映研究区有3.17%样点Cu污染达到中等污染水平，内梅罗综合污染指数表明研究区有33.33%的点位处于轻度污染水平，表明研究区土壤环境质量总体良好，应做好土壤环境质量安全的预防和保护工作。
关键词：五马河;土壤;重金属;改进模糊数学;污染指数;污染评价;对比分析;综合评价
中图分类号： X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0246-05
土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可或缺的自然资源，也是人类环境的重要组成部分。目前我国农田土壤正遭受各种污染的威胁，总污染超标率达16.1%，其中80%农田土壤污染是由重金属超标导致的[1-2]。重金属进入土壤后，既会对土壤中微生物的数量和活性产生影响，同时被作物的根系吸收后影响作物的生长及品质，最终经食物链进入人体，威胁人体健康[3]。目前，土壤重金属污染评价方法较多，比较常用的有单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法和地累积指数法等[4-8]。由于评价目标、尺度和评价指标的差异性，不同模型计算的评价结果也可能不同。模糊数学法自1965年由Zadeh提出以来经多年的运用及发展，发现其在土壤环境质量评价中分辨率明显高于其他评价方法[9]。但传统模糊综合评价模型在确定土壤污染因子权重时常采用超标倍数法或双权重超标赋权法，前者会导致评价结果只考虑重金属浓度而忽略毒性，后者会弱化低浓度高毒性重金属的影响[10]。因此，本研究采用基于上述2种权重赋值法的改进模糊综合评价法，对五马河沿岸农田土壤重金属进行综合评价，并与单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行对比分析，以期使评价结果更加客观。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
五马河位于贵州省仁怀市南部（106.1～106.6°E、27.5～27.8°N），地处赤水河上游，大娄山脉西侧北段，流经长岗镇、鲁班镇、五马镇、茅坝镇4镇，全长39.3 km。研究区属中亚热带湿润季风气候，年降水量800～1 100 mm，土壤类型为石灰土、黄壤、紫色土、水稻土和黄棕壤。该地区经济主要以农业为主，粮食作物主要为高粱、油菜、烤烟等。
1.2 样品采集
结合流域农田分布情况，沿流域约每1 km的距离设置1个采样点，并确保距离河岸1 km以内。于2017年4月对土壤样品进行采集，在采样过程中参照NY/T 395—2000《农田土壤环境质量监测技术规范》[11]，采用10 m×10 m内“梅花形”布设5个子样点，采集样点土壤表层0～20 cm土壤，混合均匀后用四分法取样，留取约1 kg土壤样品，放入聚乙烯自封袋，并用记号笔标记编号，同时用GPS记录采样点位置信息。样点分布见图1。
1.3 样品处理及测定
土壤经自然风干后，剔除样品中植物根系、有机残渣以及可见侵入体后充分研磨，混匀后分成2份，一份土样过60目筛用于测定土壤pH值，另一份土样过100目筛用于土壤重金属含量测定。其中，铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）含量采用四酸熔样法（王水、HClO4、HF）于140 ℃电热板上持续加热消解完成，火焰原子吸收光谱仪（AAS-G800）测定;汞（Hg）和砷（As）含量采用王水水浴加热法消解，原子荧光光谱仪（AFS-E230）测定。为保证分析的准确性和精确性，试验过程用国家标准物质即黄红壤成分分析标准物质（GBW07309）作为质量控制，并进行平行样分析，测试误差控制在5%以内。
1.4 改进模糊数学综合评价法
由于土壤重金属污染涉及到许多模糊性概念，因此本试验采用改进的模糊数学综合评价法对研究区土壤中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As等6种重金属进行综合评价。同时，采用单因子污染指数评价法[12]和内梅罗综合污染指数评价法[13]进行评价，以期使评价结果更加客观、合理。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量分析
分析结果（表2）表明，土壤样品中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As含量平均值分别为37.990、0.013、51.580、93.710、0.148、6.330 mg/kg，其中Cu、Pb含量平均值超過了土壤环境质量Ⅰ级标准。研究区63份土壤样品中，各重金属元素含量超出土壤环境质量Ⅰ级标准的比例为0～74.60%，其中Cd含量平均值未超出Ⅰ级标准，Pb含量平均值的超标率最高，为 74.60%。Cd含量最大值与最小值差距最大，最大值与最小值的比值高达25.33;Hg含量最大值与最小值差距最小，比值为4.15。变异系数能反映各样点重金属含量的平均变异程度，根据Wilding对变异程度的分类[18]可知，Zn和Hg（变异系数为0.32和0.28）为中等变异，而Cu、Cd、Pb和As（变异系数分别为0.40、0.72、0.38和0.41）为高等变异[19]。若变异系数大于0.5，说明重金属含量空间分布不均匀，存在点源污染的可能[20]。研究区土壤中重金属Cd的变异系数为0.72，变异较显著，说明Cd受某些局部污染源的影响比较明显。峰度是描述总体中所有取值分布形态陡缓程度的统计量，偏度是描述数据分布形态的统计量[21]。研究区重金属统计结果中，Cd、Zn、Hg和As偏度和峰度系数较大，表明部分土壤样本呈现高含量区，处于高累积状况。 2.2 土壤重金属相关性分析
土壤中的重金属除来自土壤母质层外，主要还有农业活动（包括灌溉水、农业、化肥）、大气降尘以及工业污染等多种来源[22]。重金属之间的相关系数可以表明其来源途径的相似性程度，一般相关系数较高的重金属之间具有依存关系，可能有相似的来源途径;相关系数较低的重金属之间则依存关系弱，来源途径不尽相同[23]。相关分析结果（表3）表明，五马河沿岸农田土壤中，Cd含量与Hg、As含量之间呈显著正相关（P
关键词：五马河;土壤;重金属;改进模糊数学;污染指数;污染评价;对比分析;综合评价
中图分类号： X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0246-05
土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可或缺的自然资源，也是人类环境的重要组成部分。目前我国农田土壤正遭受各种污染的威胁，总污染超标率达16.1%，其中80%农田土壤污染是由重金属超标导致的[1-2]。重金属进入土壤后，既会对土壤中微生物的数量和活性产生影响，同时被作物的根系吸收后影响作物的生长及品质，最终经食物链进入人体，威胁人体健康[3]。目前，土壤重金属污染评价方法较多，比较常用的有单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法和地累积指数法等[4-8]。由于评价目标、尺度和评价指标的差异性，不同模型计算的评价结果也可能不同。模糊数学法自1965年由Zadeh提出以来经多年的运用及发展，发现其在土壤环境质量评价中分辨率明显高于其他评价方法[9]。但传统模糊综合评价模型在确定土壤污染因子权重时常采用超标倍数法或双权重超标赋权法，前者会导致评价结果只考虑重金属浓度而忽略毒性，后者会弱化低浓度高毒性重金属的影响[10]。因此，本研究采用基于上述2种权重赋值法的改进模糊综合评价法，对五马河沿岸农田土壤重金属进行综合评价，并与单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行对比分析，以期使评价结果更加客观。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
五马河位于贵州省仁怀市南部（106.1～106.6°E、27.5～27.8°N），地处赤水河上游，大娄山脉西侧北段，流经长岗镇、鲁班镇、五马镇、茅坝镇4镇，全长39.3 km。研究区属中亚热带湿润季风气候，年降水量800～1 100 mm，土壤类型为石灰土、黄壤、紫色土、水稻土和黄棕壤。该地区经济主要以农业为主，粮食作物主要为高粱、油菜、烤烟等。
1.2 样品采集
结合流域农田分布情况，沿流域约每1 km的距离设置1个采样点，并确保距离河岸1 km以内。于2017年4月对土壤样品进行采集，在采样过程中参照NY/T 395—2000《农田土壤环境质量监测技术规范》[11]，采用10 m×10 m内“梅花形”布设5个子样点，采集样点土壤表层0～20 cm土壤，混合均匀后用四分法取样，留取约1 kg土壤样品，放入聚乙烯自封袋，并用记号笔标记编号，同时用GPS记录采样点位置信息。样点分布见图1。
1.3 样品处理及测定
土壤经自然风干后，剔除样品中植物根系、有机残渣以及可见侵入体后充分研磨，混匀后分成2份，一份土样过60目筛用于测定土壤pH值，另一份土样过100目筛用于土壤重金属含量测定。其中，铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）含量采用四酸熔样法（王水、HClO4、HF）于140 ℃电热板上持续加热消解完成，火焰原子吸收光谱仪（AAS-G800）测定;汞（Hg）和砷（As）含量采用王水水浴加热法消解，原子荧光光谱仪（AFS-E230）测定。为保证分析的准确性和精确性，试验过程用国家标准物质即黄红壤成分分析标准物质（GBW07309）作为质量控制，并进行平行样分析，测试误差控制在5%以内。
1.4 改进模糊数学综合评价法
由于土壤重金属污染涉及到许多模糊性概念，因此本试验采用改进的模糊数学综合评价法对研究区土壤中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As等6种重金属进行综合评价。同时，采用单因子污染指数评价法[12]和内梅罗综合污染指数评价法[13]进行评价，以期使评价结果更加客观、合理。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量分析
分析结果（表2）表明，土壤样品中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As含量平均值分别为37.990、0.013、51.580、93.710、0.148、6.330 mg/kg，其中Cu、Pb含量平均值超過了土壤环境质量Ⅰ级标准。研究区63份土壤样品中，各重金属元素含量超出土壤环境质量Ⅰ级标准的比例为0～74.60%，其中Cd含量平均值未超出Ⅰ级标准，Pb含量平均值的超标率最高，为 74.60%。Cd含量最大值与最小值差距最大，最大值与最小值的比值高达25.33;Hg含量最大值与最小值差距最小，比值为4.15。变异系数能反映各样点重金属含量的平均变异程度，根据Wilding对变异程度的分类[18]可知，Zn和Hg（变异系数为0.32和0.28）为中等变异，而Cu、Cd、Pb和As（变异系数分别为0.40、0.72、0.38和0.41）为高等变异[19]。若变异系数大于0.5，说明重金属含量空间分布不均匀，存在点源污染的可能[20]。研究区土壤中重金属Cd的变异系数为0.72，变异较显著，说明Cd受某些局部污染源的影响比较明显。峰度是描述总体中所有取值分布形态陡缓程度的统计量，偏度是描述数据分布形态的统计量[21]。研究区重金属统计结果中，Cd、Zn、Hg和As偏度和峰度系数较大，表明部分土壤样本呈现高含量区，处于高累积状况。 2.2 土壤重金属相关性分析
土壤中的重金属除来自土壤母质层外，主要还有农业活动（包括灌溉水、农业、化肥）、大气降尘以及工业污染等多种来源[22]。重金属之间的相关系数可以表明其来源途径的相似性程度，一般相关系数较高的重金属之间具有依存关系，可能有相似的来源途径;相关系数较低的重金属之间则依存关系弱，来源途径不尽相同[23]。相关分析结果（表3）表明，五马河沿岸农田土壤中，Cd含量与Hg、As含量之间呈显著正相关（P