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开封市污灌区土壤重金属污染评价 周振民1，朱彦云1，冯飞2 1. 华北水利水电学院，河南 郑州 450011；2. 中国水利水电第五工程局，四川 成都 610066 摘要：通过分析污水灌溉在农业生产中的利弊及我国土壤的污染现状，运用内梅罗指数法及潜在生态危害指数法，分别参照国家土壤环境质量二级标准和土壤背景值对开封市污灌区土壤重金属污染状况进行了评价。结果表明，以二级标准为评价标准，评价结果为安全级别，以土壤背景值为评价标准，评价结果为轻度污染。但污灌区重金属含量明显超过清灌区重金属含量，Pb污染已达到中等污染水平，当地应采取有效措施以保护土壤免受污染。 关键词：内梅罗指数；潜在生态危害指数；土壤重金属污染；有效措施 中图分类号：X53        文献标识码：A        文章编号：1672-2175（2008）06-2267-04 污水灌溉在我国是利用污水资源，发展农业生产和减轻水源污染的一项兴利除害措施。污水灌溉既可利用水资源，节约农业用水，又可利用其营养物质，促进农作物、牧草增产。冯绍元等[1]通过清、污水田间灌溉对比发现污水灌溉对冬小麦生长发育有一定的促进作用，尤其是对产量和叶面积影响最为明显。然而，污水灌溉在其快速发展的同时，也对土壤、作物、地下水和人群健康造成了一定的影响[2]。许多调查表明，常年不合理的污灌引起严重的土壤有机污染、重金属污染和酸碱盐污染，据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约140万hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染的占46.7%，中度污染的占9.7%，严重污染的占8.4%[3]。杨军等[4]发现北京市凉凤污灌区土壤中7种重金属显著高于背景值，与20世纪70年代中期的调查结果比较，发现Hg、Pb、Cu和As含量都有所增加。卢桂兰等[5]对北京市通州污灌区土壤重金属的调查也有相似结论。郭郢[6]对大同市南郊区北村乡污灌区环境污染现状与恶性肿瘤发病因素进行调查研究，发现污灌区环境受污染，农作物减产，消化系统癌发病率高。钟凌[7]通过在西北农林科技大学灌溉试验站进行的清、污水灌溉田间试验，研究了不同污水灌溉条件下重金属铅、铬在夏玉米体内残留的特征结果表明，在清、污水灌溉条件下，重金属铅、铬在玉米根、茎、籽粒中都出现累积现象。随着城市化、工业化的迅速发展，土壤重金属的污染问题已列入环保部门的议事日程。郭凤震[8]指出灌溉水源中的氯离子含量对土壤和浅层地下水有影响。污水中的重金属元素可通过吞食、吸入和皮肤吸收等途径进入人体，直接危害人体特别是儿童的健康，还会通过污染食物、大气和水环境间接影响环境质量，因此土壤重金属污染问题已经成为人们关注的焦点之一[9]。 开封市是我国北方典型的农业大市，污灌面积占全市灌溉面积的88%，韩晋仙[10]以开封市化肥河污灌区为例，研究了污水灌溉对潮土中重金属含量及分布的影响，结果表明，污水灌溉已经导致了该区潮土较明显的重金属累积。为进一步研究污水灌溉重金属对土壤环境的影响情况，为当地农业可持续发展提供科学的决策依据，选择在开封市兴隆乡太平岗村污灌区进行污水灌溉技术试验，本文将运用内梅罗污染指数法[11]与潜在生态危害综合指数法[12]对其土壤重金属污染进行评价。 1  试验概况 污灌试验区位于开封市15 km的兴隆乡太平岗村二组。地理位处于北纬34.78°、东经114.51°，海拔68.05 m，多年平均地下水埋深3.4 m。该地区地势平坦，地面比降为1/2500～1/3000。土壤为黄河冲积平原土质，质地为壤土或沙壤土，有机质少，pH值为8.45～8.60，孔隙度为43.3%～50.26%，密度为1.32～1.50 g·cm-3。主要作物有水稻、玉米、棉花、花生、大豆等。自然条件在河南省平原区具有一定的代表性，供试土壤为黄河冲积物发育的壤土，污水试验采用惠济河水体污水，主要研究污水灌溉三种重金属砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）对土壤环境的影响，实验中取表层土壤，深度为0～20 cm，样品采集后，送至河南省科学院化工实验室进行分析，并与清灌区表层土壤重金属含量进行对比。 2  土壤质量评价标准选取 根据土壤应用功能和保护目标，土壤环境质量划分为3类[13]，Ⅰ类主要适应于国家规定的自然保护区、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本保持自然背景水平；Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染；Ⅲ类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。本文计算中选取土壤环境质量二级标准作为参照。土壤环境标准及背景值见表1，污灌区和清灌区0～20 cm土层的重金属监测结果见表2。 表1  土壤环境标准及背景值 Table 1  Soil-enviornmental standard and background value                                                     mg·kg-1 重金属 一级 二级 三级 土壤 背景值 pH值 自然背景 <6.5 6.5~7.5 >7.5 >6.5 As 15 40 30 25 40 7.24 Hg 0.15 0.30 0.50 1.0 1.5 0.01 Pb 35 250 300 350 500 4.1 表2  清灌区、污灌区0～20 cm（表层）土层的重金属监测结果 Table 2  Heavy metal Content in 0～20 cm (surface) soil layer in fresh water irrigated area and waste water irrigated area    mg·kg-1 取样日期 （月-日） As Hg Pb 污灌 清灌 污灌 清灌 污灌 清灌 11-03 16.3 6.6 0.01 0.01 43.0 6.5 12-16 17.2 7.2 0.01 0.01 27.5 4.8 02-25 7.0 0.01 10.6 04-05 15.1 8.0 0.01 0.01 30.8 5.4 04-17 18.3 0.01 44.6 04-20 16.2 8.1 0.01 0.01 36.8 7.4 04-28 14.8 8.5 0.01 0.01 34.8 6.4 05-05 16.6 8.1 0.01 0.01 33.4 5.6 05-13 18.4 8.4 0.01 0.01 39.6 6.1 05-20 17.4 8.0 0.01 0.01 37.9 5.6 05-28 16.6 0.01 30.8 平均值 15.8 7.86 0.01 0.01 33.6 5.98 3  评价方法 3.1  内梅罗污染指数法 内梅罗污染指数  式中和最大分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。 内梅罗指数反映了各重金属污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，可按内梅罗污染指数，划定污染等级。内梅罗指数土壤污染评价标准[14]见表3。 表3  土壤内梅罗污染指数评价标准 Table 3  Soil evaluation standard of Nemerow pollution index 等级 内梅罗污染指数 污染等级 Ⅰ PN≤0.7 清洁（安全） Ⅱ 0.7＜PN≤1.0 尚清洁（警戒限） Ⅲ 1.0＜PN≤2.0 轻度污染 Ⅳ 2.0＜PN≤3.0 中度污染 Ⅳ PN＞3.0 重污染 3.2  潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数(RI)评价方法[15]为瑞典科学家Hakanson于1980年建立的一套应用沉积学原理评价重金属污染和生态危害的方法。该方法作为国际上土壤(沉积物)中重金属研究的先进方法之一，不仅反映了某一特定环境中不同污染物的影响，同时也反映了多种污染物的综合影响，并定量划分出潜在危害程度，是目前应用很广的一种方法。计算方法如下： （1）单个重金属污染系数的确定： 式中：为某一重金属的污染系数，为土壤(沉积物)重金属浓度实测值，为计算所需的参照值。Hakanson提出以现代工业化前沉积物中金属的最高背景值作为参比值，也有的学者在评价中以国家土壤环境标准值作为参比值。为了反映特定区域的分异性，本文选择开封市土壤环境背景值作为比较基准。 （2）土壤(沉积物)重金属污染度，是多种重金属污染系数之和： （3）各重金属的毒性响应系数值，用来反映重金属在水相、沉积固相和生物相之间的响应关系。采用Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数为评价依据，其毒性响应系数分别为：Zn=1＜Cr=2＜Cu=Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40 （4）某单个重金属的潜在生态危害系数值，按下式确定： （5）土壤(沉积物)多种重金属潜在生态危害指数RI值，按 确定，重金属污染潜在生态危害分级标准见表4。 4  实例计算 4.1  内梅罗指数法，内梅罗指数计算见表5。 根据土壤内梅罗污染指数评价标准0.48<0.7，土壤污染等级为Ⅰ级（清洁）。 表4  重金属污染潜在生态危害指标与分级关系 Table 4  The relationship between heavy metal potential pollution and Classification 单因子污染物 生态风险程度 潜在生态风险指数RI 总潜在生态 风险程度 轻度 RI<150 轻度 中度 150≤RI<300 中度 较重 300≤RI<600 重度 重度 RI≥600 严重 严重 RI≥600 严重 4.2  潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数计算见表6。 由表6可看出，土壤重金属总的潜在生态风险程度为轻度污染，但重金属铅的11个测次中有7次属中度污染，污染率已达到64%。砷、汞属于轻度危害水平。 5  结论 表5  内梅罗指数计算表 Table 5  Calculation table of Nemerow index 项目 土壤环境二级标准/(mg·kg-1) 实测值/(mg·kg-1) 实测值/标准值 As 25 15.8 0.632 Hg 1 0.01 0.01 Pb 350 33.6 0.096 平均值 0.246 最大值 0.632 PN 0.48 从上述计算结果来看，污灌区土壤各项指标虽均未超过二级土壤标准值，但从表2中可以看出污灌区土壤中各项指标均在自然背景值以上，污灌区重金属含量明显高于清灌区，砷超出一级土壤标准值的23%，超出清灌区实测值的130%，铅超出一级土壤标准值的27%，超出清灌区实测值的537%，已达中度污染，应引起有关部门的高度重视，当地农业部门应采取行之有效的措施保护土壤免受污染。污灌区应根据本地土壤特点和污水水质特点，找到制约污水利用的关键性污染物，并据此制定合理的灌水技术。 另外，土壤污染通常具有隐蔽性和滞后性，它往往要通过对土壤样品进行分析化验和农作物的残留检测，甚至通过研究对人畜健康状况的影响才能确定。同时，土壤污染往往具有不可逆转性，许多有机化学物质的污染也需要较长的时间才能降解，土壤污染一旦形成就会造成长远的影响，而且难以消除，仅仅依靠切断污染源的方法则往往很难恢复，有时要靠换土、淋洗土壤等方法才能解决问题，其他治理技术见效较慢。因此，要加强土壤的监测与分析研究、土壤污染的预警系统研究、重金属在植物中的迁移研究、建立基于GIS的潜在污染土地管理的基本信息库以及管理咨询信息库等内容，从“过程”中加土壤环境安全管理。除此之外，还要加强土壤污染防治立法，注重预防原则、污染者付费原则、可持续发展原则与公众参与原则等必备原则，以实现我国农业的健康、可持续发展。 参考文献： 表6  土壤重金属潜在生态危害指数评价结果 Table6  The evaluation of potential ecological risk index in heavy metal pollution 测次 砷As() 汞Hg() 铅Pb() RI 1 23 40 52 115 2 24 40 34 97 3 10 40 13 63 4 21 40 38 98 5 25 40 54 120 6 22 40 45 107 7 20 40 42 103 8 23 40 41 104 9 25 40 48 114 10 24 40 46 110 11 23 40 38 100 [1]  冯绍元, 齐志明, 黄冠华, 等. 清、污水灌溉对冬小麦生长发育影响的田间试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2003, 22(3): 11-15. 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Then, based on the national secondary standard for soil environmental quality and measured data, farmland heavy metal pollution in Kaifeng Irrigation area were evaluated by using Nemerow and potential ecological risk index method. It is proved by study findings that the soil quality are safe under the national secondary standard, but the soil quality was slightly polluted under the soil background value standard. Compared with fresh water irrigated area, farmland soil Pb pollution reached middle level. Therefore, It is necessary to take effective measures to prevent farmland pollution. Key words: Nemerow index; potential ecological risk index; heavy metal farmland pollution; effective measures