为认识施加有机粪肥条件下,不同类型农田土壤重金属富集现状和污染危害,探索其防控途径,为有机粪肥的施用、重金属污染防治提供科学依据,确保作物质量安全,选择河北省某大棚生菜土和草莓土为研究对象,种植作物前在土壤中施加园区自制有机粪肥为底肥,作物生长过程中追加有机粪肥,采集施肥前和作物成熟期表层土壤,测定土壤中重金属铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、和砷(As)的含量,与风险筛选值进行比较,并采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属污染程度进行综合评价。结果表明:受到施加有机粪肥的影响,作物成熟期生菜土中Zn、As、Cd、Pb和Cr含量相对于施肥前都有所增加,作物成熟期草莓土中除了Ni以外的六种重金属含量也都有一定程度的升高。施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中七种重金属的含量均低于风险筛选值。从单因子污染指数和内梅罗综合污染指数来看,施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中的重金属污染都未超标。地累积指数的评价结果表明,有机粪肥的施加对生菜土中Zn的地累积指数影响较大,使作物成熟期生菜土中的Zn处于轻度污染。施加有机粪肥对草莓土中Zn、Cd和Pb的地累积指数影响较大,使作物成熟期草莓土中的重金属Cd接近中度污染,Zn和Pb也存在一定的轻度污染。潜在生态危害指数评价结果分析表明,施加有机粪肥后,作物成熟期生菜土中的Cd达到了中度生态危害,总的潜在生态指数也有所增加;草莓土中Cd由施肥前的中度生态危害达到生物成熟期的强生态危害,同时极大地提高了总的潜在生态指数。因此,施加有机粪肥对生菜土中的Zn和Cd以及草莓土中Zn、Pb和Cd的污染作用较大,在进一步生产和施用有机粪肥时应重点把控。 In order to recognize the status of heavy metal enrichment and pollution in different types of farmland soil with the application of organic fertilizer, explore its prevention and control methods, ensure the quality and safety of plants, the lettuce soil and strawberry soil in one of the green-houses in Hebei province were studied. Before cultivating the lettuce and strawberry, the organic fertilizer home-made by the park was applied into the soil, and organic fertilizer was added during the growth of plants. The surface soil before fertilization and during the ripening period of the plants was then collected. The heavy metals, including copper (Cu), zinc (Zn), nickel (Ni), plumbum (Pb), chromium (Cr), cadmium (Cd), and arsenic (As) were measured and compared with the risk screening values. The pollution degrees of heavy metals in soil were evaluated comprehensively by single factor pollution index method, Nemerow comprehensive pollution index method, geoaccumulation index method and potential ecological hazard index method, respectively. The results showed that the contents of Zn, As, Cd, Pb and Cr in lettuce soils at ripening stage increased compared with those before fertilization, and the contents of six heavy metals except Ni in strawberry soils at ripening period also increased to a certain extent. The contents of seven heavy metals in lettuce and strawberry soils before fertilization and during the ripening period of the plants were lower than the risk screening values. According to the single factor pollution index and Nemerow comprehensive pollution index, the heavy metal pollution in lettuce soil and strawberry soil before fertilization and during the ripening period of the plants did not exceed the standard. The evaluation results of the geoaccumulation index showed that the application of organic fertilizer had a great influence on the geoaccumulation index of Zn in lettuce soil, which made Zn in lettuce soil slightly polluted during the ripening period of the plants. Application of organic fertilizer had a prominent effect on the geoaccumulation index of Zn, Cd and Pb in strawberry soil, making Cd in strawberry soil during the ripening period of the plants close to moderate pollution, while Zn and Pb were also slightly polluted. Results of potential ecological hazard index evaluation showed that Cd in lettuce soil during the ripening period of the plants reached moderate ecological hazard and the total potential ecological index enhanced after applying organic fertilizer. After the application of organic fertilizer, the moderate ecological harm of Cd in strawberry soil before fertilization reached the strong ecological hazard during the ripening period of the plants, and at the same time, the total potential ecological index was greatly improved. Therefore, the application of organic fertilizer had a significant impact on the pollution of Zn and Cd in lettuce soil and Zn, Pb and Cd in strawberry soil, in that the further production and application of organic fertilizer should be mainly controlled.
徐艳丽,李莹,阴美晓,郑磊,田永兰*,张化永
华北电力大学工程生态学与非线性科学研究中心,北京
收稿日期:2019年8月3日;录用日期:2019年8月22日;发布日期:2019年8月29日
为认识施加有机粪肥条件下,不同类型农田土壤重金属富集现状和污染危害,探索其防控途径,为有机粪肥的施用、重金属污染防治提供科学依据,确保作物质量安全,选择河北省某大棚生菜土和草莓土为研究对象,种植作物前在土壤中施加园区自制有机粪肥为底肥,作物生长过程中追加有机粪肥,采集施肥前和作物成熟期表层土壤,测定土壤中重金属铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、和砷(As)的含量,与风险筛选值进行比较,并采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属污染程度进行综合评价。结果表明:受到施加有机粪肥的影响,作物成熟期生菜土中Zn、As、Cd、Pb和Cr含量相对于施肥前都有所增加,作物成熟期草莓土中除了Ni以外的六种重金属含量也都有一定程度的升高。施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中七种重金属的含量均低于风险筛选值。从单因子污染指数和内梅罗综合污染指数来看,施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中的重金属污染都未超标。地累积指数的评价结果表明,有机粪肥的施加对生菜土中Zn的地累积指数影响较大,使作物成熟期生菜土中的Zn处于轻度污染。施加有机粪肥对草莓土中Zn、Cd和Pb的地累积指数影响较大,使作物成熟期草莓土中的重金属Cd接近中度污染,Zn和Pb也存在一定的轻度污染。潜在生态危害指数评价结果分析表明,施加有机粪肥后,作物成熟期生菜土中的Cd达到了中度生态危害,总的潜在生态指数也有所增加;草莓土中Cd由施肥前的中度生态危害达到生物成熟期的强生态危害,同时极大地提高了总的潜在生态指数。因此,施加有机粪肥对生菜土中的Zn和Cd以及草莓土中Zn、Pb和Cd的污染作用较大,在进一步生产和施用有机粪肥时应重点把控。
关键词 :有机粪肥,重金属污染,风险筛选值,地累积指数,潜在生态危害指数
Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
土壤是农业最基本的生产资料,是农业发展的基础,是不可再生的自然资源。土壤重金属污染是世界性的重大环境问题。有调查显示,我国受重金属污染的耕地面积已达2000万hm2,占全国总耕地面积的1/6,全国每年因重金属污染的粮食高达1200万t,造成的直接经济损失超过200亿元 [
重金属主要是指密度大于5.0 g/cm3的金属元素,包括铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铁(Fe)、锰(Mn)、钼(Mo)、钴(Co) [
重金属污染风险评价是判断重金属污染水平的重要手段。张凌云等人 [
土壤中重金属的来源有自然源和人类活动。自然源主要是地质活动,如岩石风化、火山喷发等,人类活动主要有农业活动、工业污染、生活污染等 [
本研究选取了河北省某施用有机粪肥的大棚内生菜土和草莓土作为研究对象,通过对土壤中Zn、Ni、Pb、As、Cd、Cr和Cu含量进行分析,结合农用地土壤污染风险管控标准中的风险筛选值进行重金属含量评价,采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对研究区域的重金属污染情况及潜在生态危害进行定量评价,综合分析有机粪肥施加对土壤环境质量造成的影响,以期为有机粪肥施加的农田土壤的安全与重金属污染防控提供参考依据。
本研究选用大棚生菜土和草莓土作为研究对象,是北方地区具有代表性的两种大棚土壤。一方面,生菜和草莓具有一定的经济价值,在北方地区的大棚种植较为普遍;其次,大棚生菜和草莓种植期与收割期较为接近,通过对比可以得出不同类型土壤的性质差异。选取的生菜大棚和草莓大棚常年种植生菜和草莓,6月将玉米秸秆与土壤混合,7月添加5方自制有机粪肥和土的混合物作为底肥,覆膜高温杀菌约1个月,之后利用模具人工成垄,并于8月底9月初在草莓大棚播种草莓,9月中下旬在生菜大棚种植生菜,12月份生菜和草莓都到达了成熟期。在生菜大棚和草莓大棚内采用等距取样法进行样品采集,生菜每隔16垄、草莓每隔25垄取耕作层(0~20 cm)的农田土壤1 kg,分别取5次,当场充分混匀,采用四分法平铺成圆形,分成四等分,取相对的两份混合,然后再平分,直到样品大约为1 kg为止。将所采集的土壤样品带回实验室,摊平在塑料薄膜上,室温自然风干,避免阳光照射。样品风干后用陶瓷研钵研磨,使土壤样品全部通过100目尼龙筛,分装、备用。
河北省作为我国畜牧业最发达的地区之一,规模化养殖场畜禽粪便有机肥的农田利用是最经济有效的资源化利用和污染控制途径 [
指标 | Zn | Ni | As | Cd | Pb | Cr | Cu |
---|---|---|---|---|---|---|---|
含量(mg/kg) | 135.7 | 19.6 | 5.8 | 0.04 | 6.6 | 38.8 | 低于检测线(<0.0005%) |
表1. 所施用有机粪肥中的重金属含量
土壤pH值测定:称取过100目尼龙筛的风干土壤10 g,放入装有25 ml去离子水的烧杯中,用玻璃棒搅拌均匀后,放置30 min钟后取上清液用pH计(雷磁PHS-3C型)进行测定。土壤样品经HNO3-HCI-HCIO4消煮,土壤中Zn、Ni、Cu和Cr采用iCE3300 AAS原子吸收光谱仪测定 [
土壤中重金属含量的评价标准采用(GB 15618-2018)《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》要求进行。根据标准中的农用地土壤风险筛选值与实际土壤中重金属含量的关系,划分重金属元素污染风险和进一步环境质量评估。风险筛选值的具体数值见表2。农用地土壤风险筛选值是指农用地土壤中重金属污染物的含量等于或低于该值,对农产品的质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低,一般情况下可以忽略 [
1) 单因子污染指数法
单因子污染指数法是指某种重金属污染物的实测值与该重金属的评价标准的比值,用得出的比值对土壤环境的污染程度进行评判分级,确定土壤污染程度的方法 [
序号 | 污染物项目 | 风险筛选值 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
pH ≤ 5.5 | 5.5 < pH ≤ 6.5 | 6.5 < pH ≤ 7.5 | pH > 7.5 | |||
1 | 镉(Cd) | 水田 | 0.3 | 0.4 | 0.6 | 0.8 |
其他 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.6 | ||
2 | 砷(As) | 水田 | 30 | 30 | 25 | 20 |
其他 | 40 | 40 | 30 | 25 | ||
3 | 铅(Pb) | 水田 | 80 | 100 | 140 | 240 |
其他 | 70 | 90 | 120 | 170 | ||
4 | 铬(Cr) | 水田 | 250 | 250 | 300 | 350 |
其他 | 150 | 150 | 200 | 250 | ||
5 | 铜(Cu) | 果园 | 150 | 150 | 200 | 200 |
其他 | 50 | 50 | 100 | 100 | ||
6 | 镍(Ni) | 60 | 70 | 100 | 190 | |
7 | 锌(Zn) | 200 | 200 | 250 | 300 |
表2. 农用地土壤污染风险筛选值(单位mg/kg)
注:① 重金属和类重金属As均按元素总量计。② 对于水旱轮作地,采用其中较严格的风险筛选值。
其计算公式为:
P i = C i S i (1)
式中:Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数;Ci为土壤中污染物i的实测含量,单位与Si保持一致;Si为土壤污染物i的评价标准量,以国家标准农用地土壤污染风险筛选值作为评价标准。Pi越大,其受污染程度越高,不同的单因子污染指数对应的土壤污染超标等级见表3。
等级 | 单因子污染指数Pi | 评价等级 |
---|---|---|
1 | P i ≤ 1 | 无污染 |
2 | 1.0 < P i ≤ 2.0 | 轻微污染 |
3 | 2.0 < P i ≤ 3.0 | 轻度污染 |
4 | 3.0 < P i ≤ 5.0 | 中度污染 |
5 | P i > 5.0 | 重度污染 |
表3. 土壤重金属含量单因子指数法评价超标分级标准
2) 内梅罗综合污染指数法
内梅罗综合污染指数法用来评价土壤综合超标或污染情况,突出最高一项超标指数的作用 [
计算公式如下:
P 综 = ( P i max ) 2 + ( P ¯ i ) 2 2 (2)
式中:P综为土壤综合评价指数;Pimax为重金属单因子污染指数最大值。 P ¯ i 为土壤各重金属单因子污染指数平均值。
其计算公式为:
P ¯ i = 1 n ∑ i = 1 n P i (3)
内梅罗综合污染指数高低对应的土壤污染超标等级及水平参见表4。
等级 | 综合污染指数P综 | 污染程度 |
---|---|---|
1 | P 综 ≤ 0. 7 | 未超标 |
2 | 0.7 < P 综 ≤ 1 | 轻微超标 |
3 | 1.0 < P 综 ≤ 2.0 | 轻度超标 |
4 | 2.0 < P 综 ≤ 3.0 | 中度超标 |
5 | P 综 > 3.0 | 重度超标 |
表4. 土壤重金属含量内梅罗综合污染指数法评价超标分级标准
3) 地累积指数法
地累积指数Igeo,也被称为Muller指数。地累积指数除了考虑到地球化学背景值对重金属污染物的影响,还能够评估人为活动对重金属累积的作用 [
该指数的计算公式如下:
I g e o = log 2 [ C i / ( k B i ) ] (4)
式中:Ci为重金属在土壤中的实测值(mg/kg),Bi为重金属的土壤背景值,本研究以河北省的土壤背景值为标准 [
地累积指数Igeo | ≤0 | 0~1 | 1~2 | 2~3 | 3~4 | 4~5 | >5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
级数 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
污染等级 | 无 | 无-中 | 中 | 中-强 | 强 | 强-极强 | 极强 |
表5. 地累积指数与重金属污染等级
4) 潜在生态危害指数法
潜在生态危害指数法是目前最为常用的评价土壤(沉积物)重金属污染程度的方法之一,由瑞典著名地球化学家Hakanson在1980年提出,它结合化学、生物毒理学、生态学等方面的内容,以定量的方法划分出重金属潜在危害的程度 [
潜在生态危害指数的计算方法如下:
C f i = C D i C R i (5)
E r i = T r i × C f i (6)
R I = ∑ E r i = ∑ T r i × C f i (7)
式中: C f i 是重金属的污染指数; C D i 为土壤重金属实测值; C R i 为土壤背景值; E r i 是单种重金属的潜在生态危害系数; T r i 是重金属的毒性系数,Zn、Ni、As、Cd、Pb、Cr和Cu的毒性系数分别为1、5、10、30、5、2和5。RI是多种重金属潜在生态危害指数。潜在生态危害分级标准见表6。
单种重金属的潜在生态危害 系数( E r i )范围 | 单因子污染物生态危害程度 | 潜在生态危害指数(RI)范围 | 总的潜在生态危害程度 |
---|---|---|---|
E r i < 40 | 轻度 | R I < 150 | 轻度生态危害 |
4 0 ≤ E r i < 8 0 | 中度 | 150 ≤ R I < 300 | 中度生态危害 |
80 ≤ E r i < 160 | 强 | 300 ≤ R I < 600 | 强生态危害 |
160 ≤ E r i < 320 | 很强 | R I ≥ 600 | 很强生态危害 |
E r i ≥ 320 | 危险级 |
表6. 重金属污染潜在生态危害指标与分级关系
通过对施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土的pH与Zn、Ni、As、Cd、Pb、Cr和Cu七种重金属含量进行测定,得出的结果见表7。根据我国第二次土壤普查养分分级标准 [
从表7可以得出,施肥前生菜土中Zn含量最高为79.8 ± 0.02 mg/kg,Cd含量最低为0.11 ± 0.01 mg/kg,七种重金属含量的排序为Zn > Cr > Cu > Ni > Pb > As > Cd。其中,Zn、Ni、Cu和Cd的含量高于背景值,这可能是由于常年施用有机粪肥引起的重金属积累。作物成熟期生菜土中Zn含量最高为144 ± 4.24 mg/kg,Cd含量最低为0.14 ± 0.03 mg/kg,七种重金属含量的递减排序为Zn > Cr > Cu > Pb > Ni > As > Cd。其中,Zn、Pb、Cd和Cu的含量高于背景值,表明这生菜土中已遭受到不同程度的Zn、Pb、Cd和Cu污染。和施肥前生菜土中重金属含量比较可得,作物成熟期生菜土中除了Ni、Cu以外的其他五种重金属含量均高于施肥前生菜土,这表明有机粪肥的施用一定程度上增加了生菜土中的Zn、As、Cd、Pb和Cr的重金属含量。除此之外,重金属还可能来自其他人为活动,包括灌溉和施加农药等。据报道,Pb可能存在一些农药中 [
施肥前草莓土中Zn的含量最高,为84.2 ± 0.01 mg/kg;Cd含量最低,为0.13 ± 0.01 mg/kg。七种重金属的排序为Zn > Cr > Cu > Ni > Pb > As > Cd。其中,Zn、Cd和Cu的金属含量高于背景值,可能是由
指标 | 河北省土壤背景值 | 施肥前生菜土 | 作物成熟期生菜土 | 施肥前草莓土 | 作物成熟期草莓土 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平均值 ± 标准差 | 风险筛 选值 | 平均值 ± 标准差 | 风险筛 选值 | 平均值 ± 标准差 | 风险 筛选值 | 平均值 ± 标准差 | 风险筛 选值 | ||
pH | 6.45 ± 0.01 | 7.2 ± 0.03 | - | 6.09 ± 0.01 | 7.58 ± 0.01 | - | |||
Zn | 78.40 | 79.8 ± 0.02 | 200 | 144 ± 4.24 | 250 | 84.2 ± 0.01 | 200 | 173 ± 2.83 | 300 |
Ni | 30.80 | 35 ± 1.25 | 70 | 26 ± 1.41 | 100 | 21 ± 0.08 | 70 | 21 ± 2.82 | 190 |
As | 13.60 | 2.53 ± 0.02 | 40 | 7.18 ± 0.08 | 30 | 3.56 ± 0.02 | 40 | 6.1 ± 0.21 | 25 |
Cd | 0.09 | 0.11 ± 0.01 | 0.3 | 0.14 ± 0.03 | 0.3 | 0.13 ± 0.01 | 0.3 | 0.28 ± 0.01 | 0.6 |
Pb | 21.50 | 4.2 ± 1.01 | 90 | 30 ± 1.41 | 120 | 4.8 ± 1.43 | 90 | 38 ± 1.41 | 170 |
Cr | 68.30 | 51 ± 1.22 | 150 | 51 ± 1.42 | 200 | 48 ± 0.09 | 150 | 65 ± 0.71 | 250 |
Cu | 21.80 | 36 ± 2.11 | 50 | 33 ± 2.12 | 100 | 30 ± 2.43 | 50 | 31 ± 0.7 | 100 |
表7. 河北省土壤背景值(mg/kg)和施肥前以及作物成熟期生菜土和草莓土pH值、重金属含量(mg/kg)与风险筛选值(mg/kg)
常年施加有机粪肥造成的重金属积累污染。作物成熟期草莓土中Zn的含量最高,为173 ± 2.83 mg/kg;Cd含量最低,为0.28 ± 0.01 mg/kg。重金属的含量排序为Zn > Cr > Pb > Cu > Ni > As > Cd。作物成熟期的草莓土中七种重金属含量均大于等于施肥前的草莓土,表明施加有机粪肥对作物成熟期草莓土中的重金属含量影响较大。作物成熟期草莓土七种重金属中Zn、Pb、Cd和Cu的含量高于背景值,表明作物成熟期草莓土受到施加的有机粪肥的影响增加了草莓土中Zn、Pb、Cd和Cu的污染。施肥前和作物成熟期草莓土中七种重金属含量均低于重金属风险筛选值,说明草莓土中重金属污染风险低。
总的来说,施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中均是Zn的含量最高,Cd的含量最低。作物成熟期的生菜土和草莓土受到施加有机粪肥的影响,作物成熟期生菜土中Zn、As、Cd、Pb和Cr含量相对于施肥前都有所增加,作物成熟期草莓土中除了Ni以外的六种重金属含量也都有一定程度的升高。除此之外,施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中的重金属污染风险都很低。
生菜土和草莓土中重金属污染物的超标评价与分级方法采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法。将土壤样品中的重金属含量带入公式(1),可计算得到单因子污染指数,结合计算得到的单因子污染指数带入公式(2),可得内梅罗综合污染指数,同时根据表3和表4中的相关评价标准确定土壤重金属的污染程度。
从表8可以看出,施肥前生菜土中七种重金属的单因子污染指数递减排序为:Cu > Ni > Zn > Cd > Cr > As > Pb。七种重金属单因子污染指数均小于1,处于无污染等级。内梅罗综合污染指数小于0.7,说明重金属污染没有超标。作物成熟期生菜土中七种重金属的单因子污染指数递减排序为:Zn > Cd > Cu > Cr = Ni > Pb > As。七种重金属单因子污染指数均小于1,处于无污染等级,内梅罗综合污染指数小于0.7,说明重金属污染没有超标。
施肥前草莓土中七种重金属的单因子污染指数递减排序为:Zn > Cd > Cu > Cr > As > Pb >Ni。七种重金属单因子污染指数均小于1,处于无污染等级。内梅罗综合污染指数为0.48小于0.7,说明重金属污染没有超标。作物成熟期草莓土中七种重金属单因子污染指数递减排序为:Zn > Cd > Cu > Cr > As > Pb > Ni。七种重金属单因子污染指数均小于1,处于无污染等级,内梅罗综合污染指数也小于0.7,属于未超标。
指标 | 施肥前生菜土 | 作物成熟期生菜土 | 施肥前草莓土 | 作物成熟期草莓土 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单因子污染指数 Pi | 内梅罗综合污染指数 P综 | 单因子污染指数 Pi | 内梅罗综合污染指数 P综 | 单因子污染指数 Pi | 内梅罗综合污染指数 P综 | 单因子污染指数 Pi | 内梅罗综合污染指数 P综 | |
Zn | 0.40 | 0.48 | 0.58 | 0.47 | 0.42 | 0.48 | 0.58 | 0.46 |
Ni | 0.50 | 0.26 | 0.30 | 0.11 | ||||
As | 0.06 | 0.24 | 0.09 | 0.24 | ||||
Cd | 0.37 | 0.47 | 0.43 | 0.47 | ||||
Pb | 0.05 | 0.25 | 0.05 | 0.22 | ||||
Cr | 0.34 | 0.26 | 0.32 | 0.26 | ||||
Cu | 0.72 | 0.33 | 0.60 | 0.31 |
表8. 施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数
综上分析可得施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中七种重金属的单因子污染指数均小于1,各种重金属都处于无污染等级,且内梅罗综合污染指数都小于0.7,表明重金属污染未超标。
选取研究区域所在省河北省土壤背景值作为评价标准,计算出研究区域土壤重金属地累积指数,对应相应重金属污染等级,得出重金属污染评价结果。从表9中的评价结果可以发现:在施肥前生菜土的七种重金属中,地累积指数大小排序为:Cu > Cd > Ni >Zn > Cr > Pb > As。Cu的地累积指数最高为0.14,表明由于常年施用有机粪肥,在施肥前的生菜土中会累积Cu污染。其余六种重金属的地累积指数均小于0,表明没有出现重金属累积污染。作物成熟期生菜土中的七种重金属的地累积指数大小排序为:Zn > Cu > Cd > Pb > Ni > Cr > As。重金属Zn的地累积指数最高,有一定程度的累积污染,Cu刚刚出现累积污染。重金属Ni、As、Cd、Pb和Cr的地累积指数均小于0,对环境无污染。将施肥前生菜土和作物成熟期生菜土中的重金属地累积指数进行比较可得,作物成熟期生菜土中除了Cu和Cr以外的其他五种重金属的地累积指数均大于等于施肥前生菜土,表明有机粪肥的施加增长了生菜土中的地累积指数,提高了生菜土中的重金属累积量。生菜土中Cu的地累积指数的减少可能是由于生菜对Cu的富集作用较大。
施肥前草莓土中七种重金属的地累积指数大小顺序依次为:Cd = Cu> Zn > Cr > Ni > As > Pb,这七种重金属的地累积指数均小于0,表明草莓土在施肥前不存在重金属累积污染。作物成熟期草莓土中的七种重金属的地累积指数大小顺序依次为:Cd > Zn > Pb > Cu > Cr > Ni > As,有机粪肥的施加对草莓土中重金属Zn、Cd和Pb的地累积指数影响较大,其中,Cd的地累积指数为0.99,接近中等污染水平,Zn、Pb有一定程度的累积污染,处于轻度污染水平,其余四种重金属的地累积指数小于0,表明不存在重金属累积污染。
综合以上分析表明,有机粪肥的施加对生菜土中Zn的地累积指数影响较大,作物成熟期生菜土中的Zn处于轻度污染。施加有机粪肥对草莓土中Zn、Cd和Pb的地累积指数影响较大,使草莓土中的重金属Cd接近中度污染,Zn和Pb也存在一定的轻度污染。因此,在之后的农业生产中,要加强对生菜土中Zn
指标 | 施肥前生菜土 | 作物成熟期生菜土 | 施肥前草莓土 | 作物成熟期草莓土 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
地累积指数 | 级数 | 污染等级 | 地累积指数 | 级数 | 污染等级 | 地累积指数 | 级数 | 污染等级 | 地累积指数 | 级数 | 污染等级 | |
Zn | −0.56 | 0 | 无污染 | 0.29 | 1 | 无-中 | −0.48 | 0 | 无污染 | 0.56 | 1 | 无-中 |
Ni | −0.40 | 0 | 无污染 | −0.83 | 0 | 无污染 | −1.14 | 0 | 无污染 | −1.14 | 0 | 无污染 |
As | −3.01 | 0 | 无污染 | −1.51 | 0 | 无污染 | −2.52 | 0 | 无污染 | −1.74 | 0 | 无污染 |
Cd | −0.36 | 0 | 无污染 | −0.01 | 0 | 无污染 | −0.12 | 0 | 无污染 | 0.99 | 1 | 无-中 |
Pb | −2.94 | 0 | 无污染 | −0.10 | 0 | 无污染 | −2.75 | 0 | 无污染 | 0.24 | 1 | 无-中 |
Cr | −1.01 | 0 | 无污染 | −1.01 | 0 | 无污染 | −1.09 | 0 | 无污染 | −0.66 | 0 | 无污染 |
Cu | 0.14 | 1 | 无-中 | 0.01 | 1 | 无-中 | −0.12 | 0 | 无污染 | −0.08 | 0 | 无污染 |
表9. 施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土重金属地累积指数评价结果
和草莓土中Zn、Cd和Pb的污染管制。
将土壤重金属实测值、土壤背景值和重金属毒性系数带入公式(5)、(6)和(7),得到施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中单种重金属的潜在生态危害系数和总的潜在生态危害指数,并计算出单种重金属在潜在生态危害指数的贡献率。从表10可以得出,施肥前生菜土中七种重金属均属于轻度生态危害,总的潜在生态指数54.39 < 150,属于轻度生态危害。而在作物成熟期生菜土中的重金属潜在生态危害系数排序为Cd > Cu > Pb > As > Ni > Zn > Cr。其中,除了Cd存在中等强度生态危害外,其余重金属都属于轻度生态危害,总的潜在生态危害指数72.06 < 150,属于轻度生态危害。每种重金属对污染危害的相对贡献以单种重金属的潜在生态危害系数和总的潜在生态危害指数的比值( E r i / R I )来计算,在施肥前和作物成熟期的生菜土中,Cd都是主要的污染物,其贡献率分别达到64.55%和62.10%。施加有机粪肥一定程度上提高了生菜土中Zn、As、Cd和Pb的潜在生态危害系数,总的潜在生态危害指数也有所增加。
指标 | 施肥前生菜土 | 作物成熟期生菜土 | 施肥前草莓土 | 作物成熟期草莓土 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
E r i | RI | 贡献率 | E r i | RI | 贡献率 | E r i | RI | 贡献率 | E r i | RI | 贡献率 | |
Zn | 1.02 | 54.39 | 1.87% | 1.84 | 72.06 | 2.55% | 1.07 | 57.99 | 1.85% | 2.21 | 117.31 | 1.88% |
Ni | 5.68 | 10.45% | 4.22 | 5.86% | 3.41 | 5.88% | 3.41 | 2.91% | ||||
As | 1.86 | 3.42% | 5.28 | 7.33% | 2.62 | 4.51% | 4.49 | 3.82% | ||||
Cd | 35.11 | 64.55% | 44.68 | 62.01% | 41.49 | 71.55% | 89.36 | 76.17% | ||||
Pb | 0.98 | 1.80% | 6.98 | 9.68% | 1.12 | 1.92% | 8.84 | 7.53% | ||||
Cr | 1.49 | 2.75% | 1.49 | 2.07% | 1.41 | 2.42% | 1.90 | 1.62% | ||||
Cu | 8.26 | 15.18% | 7.57 | 10.50% | 6.88 | 11.87% | 7.11 | 6.06% |
表10. 施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土重金属潜在生态危害指数
施肥前草莓土中Cd的潜在生态危害系数41.49 > 40,刚达到中度生态危害,其余六种重金属均为轻度生态危害,总的潜在生态危害指数57.99 < 150,处于轻度生态危害。作物成熟期草莓土中七种重金属潜在生态危害系数的递减顺序为:Cd > Pb > Cu > As > Ni > Zn > Cr。其中,只有Cd属于强生态危害,其余重金属皆是轻度生态危害,总的潜在生态危害指数117.31 < 150,属于轻度生态危害。施肥前和作物成熟期草莓土中Cd污染的贡献率依旧最大,分别达到71.55%和76.17%。施加有机粪肥对草莓土中除了Ni以外的六种重金属的潜在生态危害系数均有影响,其中,对Cd的潜在生态危害系数影响最大。同时,施加有机粪肥极大地增长了总的潜在生态危害指数。
综上可得,施加有机粪肥后,作物成熟期生菜土中的Cd达到了中度生态危害,总的潜在生态指数也有所增加。草莓土中Cd由施肥前的中度生态危害达到作物成熟期的强生态危害,同时极大地增长了总的潜在生态危害指数。Cd为生菜土和草莓土中潜在生态危害的主要贡献因子,是后续农业活动中需要关注的重点。
1) 有机粪肥的施用一定程度上增加了生菜土中的Zn、As、Cd、Pb和Cr的重金属含量,草莓土中Zn、As、Cd、Pb、Cr和Cu的重金属含量也有所提高。施肥前和作物成熟期的生菜土和草莓土中的重金属含量均低于农用地土壤污染风险管控标准中的风险筛选值,表明有机粪肥的施加引起的重金属污染风险较低。
2) 施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中的单因子污染指数均小于1,内梅罗综合污染指数均小于0.7,表明施肥前和作物成熟期生菜土和草莓土中各种重金属污染均未超标。
3) 地累积指数法的评价结果表明,有机粪肥的施加提高了生菜土中Zn的地累积指数,使作物成熟期生菜土中的Zn达到轻度污染水平。同时,作物成熟期草莓土中的Zn、Cd和Pb在施加有机粪肥的作用下都达到了轻度污染水平,Cd接近中度污染水平。在接下来的有机粪肥施加和农业生产中,需要采取一定的措施对生菜土中的Zn和草莓土中的Cd、Zn与Pb污染进行管控。
4) 潜在生态危害指数法的评价结果表明,有机粪肥的施加提高了生菜土和草莓土中Cd的潜在生态危害系数。在施加有机粪肥后,作物成熟期生菜土的Cd达到了中度生态危害,作物成熟期草莓土中的Cd达到了强生态危害,同时也增长了作物成熟期生菜土和草莓土的总的潜在生态危害指数。在生菜土和草莓土中,Cd污染的贡献率最大,具有较高的潜在生态危害,需采取相应措施减轻重金属Cd带来的危害。
根据选取的四种方法的评价结果进行分析可得,施加有机粪肥对生菜土中的Zn和Cd以及草莓土中Zn、Pb和Cd的影响作用较大。从整体上看,有机粪肥的施加提高了生菜土和草莓土中重金属含量,生菜土和草莓土中重金属污染程度都有所加深,在进一步生产和施用有机粪肥的过程中应重点控制。对于土壤重金属污染的评价,方法众多,但是仍然没有一种方法被广泛接受和使用,使用单一的评价方法在实际过程中进行评价时,都有各自的局限性,无法给出准确且全面的结果,而两种或者多种评价方法相结合来评价土壤重金属的污染程度能够尽可能降低这种局限性。此外,在进行土壤重金属污染风险评价时,需综合考虑重金属种类、累积程度、生物毒性和人类活动等参数指标,才能更加科学客观的凭据重金属在土壤中的环境风险。
本研究受到国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07101003)、中央高校基本科研业务费专项资金(2018MS051)资助。
徐艳丽,李 莹,阴美晓,郑 磊,田永兰,张化永. 有机粪肥施加对不同类型农田土壤重金属污染的影响Effects of Organic Fertilizer on Heavy Metal Pollution in Different Types of Farmland[J]. 环境保护前沿, 2019, 09(04): 584-596. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.94080