通过分析内梅罗指数法、地质累积指数法、富集因子法、污染负荷指数法、潜在生态风险指数法等评价方法来阐述农田重金属存在的污染风险格局,众多研究中常用的评价法均表明当前农田受到重金属的危害处于比较严重的局面。研究总结了几种常用的土壤重金属评价方法的优点与缺点,并对土壤重金属污染景观格局、土壤重金属污染空间分布格局进行综述,结果表明不同土壤重金属在全局空间上具有一定的相似;并指出农田土壤重金属污染风险格局存在的问题进行展望。 The risk model of heavy metal pollution in farmland is analyzed by using Nemerow index method, geological accumulation index method, enrichment factor method, pollution load index method and potential ecological risk index method. At present, the harms of cultivated land to heavy metals are serious. The research summarizes the advantages and disadvantages of several commonly used soil heavy metal evaluation methods and summarizes the landscape pattern of soil heavy metal pollution and the spatial distribution pattern of soil heavy metal pollution, indicating that different soil heavy metals have similarities in the global space and the spatial pattern of heavy metals. Besides, it points out the problems existing in the risk pattern of heavy metal pollution in farmland soil.
韦小了1*,何腾兵1,2,3#
1贵州大学农学院,贵州 贵阳
2贵州省山地畜禽养殖污染控制与资源化技术工程实验室,贵州 贵阳
3贵州大学新农村发展研究院,贵州 贵阳
收稿日期:2018年7月24日;录用日期:2018年8月7日;发布日期:2018年8月14日
通过分析内梅罗指数法、地质累积指数法、富集因子法、污染负荷指数法、潜在生态风险指数法等评价方法来阐述农田重金属存在的污染风险格局,众多研究中常用的评价法均表明当前农田受到重金属的危害处于比较严重的局面。研究总结了几种常用的土壤重金属评价方法的优点与缺点,并对土壤重金属污染景观格局、土壤重金属污染空间分布格局进行综述,结果表明不同土壤重金属在全局空间上具有一定的相似;并指出农田土壤重金属污染风险格局存在的问题进行展望。
关键词 :农田土壤,重金属,空间分布,风险格局
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在自然的农业土壤中,许多重金属含量都是微小的。然而,由于外来污染物的排放超过一定水平,土壤污染发生,导致农产品受到污染。如今,农业用地的土壤污染已经成为一个社会问题而受到各国政府和科学家的广泛关注 [
土壤重金污属染是指由于人类活动或土壤形成原因,土壤中重金属含量超过其自然背景值所引起的生物和环境破坏现象 [
土壤是万物生长的基础,它与其他圈层的物体时刻进行物质和能量的交换。因此外界可通过大气沉降、污水灌溉、农药、化肥以及固体废弃物堆放等途径把重金属传入土体中导致土壤污染,其中尤以Cd、Pb、Cu、Hg、Zn及其复合物污染特别严重 [
目前,在土壤重金属污染评价方面,国内外通常采用以下几种方法:
1) 内梅罗单因子指数法
内梅罗单因子指数法是当前国内外用来评价综合污染指数计算最常用的一种方法,是一种突出最大值的计权型多因子环境质量指数,能从多方面综合地评价重金属的污染程 [
P i = C i / S i (1)
单因子污染指数法Pi,基于土壤元素背景值,采用单因子污染指数法对重金属累积污染程度进行评价。若Pi < 1,这表明土壤没有被人类污染;若Pi > 1,它已经被人类污染了。Pi是污染物I在土壤中的环境指标,;Si是污染物I (mg∙kg−1)的评价标准。
内梅罗综合指数法(Nemerow index)综合考虑了多种污染元素的综合效应,也是当前国内外许多科研者用来评价综合污染指数计算最常用的一种方法 [
P 综 = ( P i ¯ ) 2 + P i max 2 (2)
Pi为单项污染指数平均值;Pimax为最大单项污染指数。若 P 综 ≤ 0.7 未被污染,则安全水平;若 0.7 < P 综 ≤ 1.0 ,则达到警戒水平;
3) 地累积指数法
地累积指数法是由德国学者Muller提出的,王宁 [
I g e o = log 2 [ C n ( K ∗ B n ) ] (3)
其中:Cn为土壤重金属元素n的实测含量,(Bn为该研究区域土壤背景值),K为由于岩石差异引起土壤背景值变动而取的系数(一般K = 1.5)。地累积指数Igeo的分级标准如下, I g e o ≤ 0 ,无累积污染; 0 < I g e o ≤ 1 ,累积污染为没有–中度; I < I g e o ≤ 2 ,中度累积污染度; 2 < I g e o ≤ 3 中-强累积污染; 3 < I g e o ≤ 4 ,较强累积污染; 4 < I g e o ≤ 5 ,强–极强累积污染; I g e o > 5 ,极强累积污染。
4) 富集因子法
富集因子法是评价人类活动对土壤重金属浓度影响的参数。为了减少采样和样品制备的人为影响,并保证每个指标的可比性和等价性,通常选择参考元素作为参考标准。常用参比元素主要有Sc,Mn,Ti,Al,Fe,Ca等,国内外许多学者已开始把它应用到土壤重金属污染的评价中 [
在该公式中,EF是土壤中重金属的富集因子;Bn (背景)是评价和参考区中某一元素的浓度;Cref (sample),Bref (backgroud)是评价区和参考区浓度的参考元素。Sutherland [
5) 污染负荷指数法
污染负荷指数法是由Tomlinson等提出的,周静 [
C F i = C i / C o i (5)
P L I = C F 1 ∗ C F 2 ∗ C F 3 ∗ ⋯ ∗ C F n n (6)
其中:CFi为重金属元素i的最高污染系数;Ci为重金属元素i的实测含量,Coi为重金属元素i的评价标准,PLI为某一点的污染负荷指数;n为重金属元素个数;PLIzone为某一区域的综合污染负荷指数;m为采样点个数。污染负荷指数PLI的分级标准如下: P L I ≤ 1 ,未污染; 1 < P L I ≤ 2 ,中度污染; 2 < P L I ≤ 3 ,重污染; P L I > 3 ,严重污染。
6) 潜在生态风险指数法
潜在生态风险指数法是由瑞典学者Hankason等提出的,黄华斌为安溪铁观音茶园土壤中重金属运用此法以及其他方法评价重金属污染特征及潜在生态风险,结果表明,不同乡镇茶园重金属平均含量均超过福建省土壤环境背景值,采用定量方法测定不同重金属的潜在危害等级 [
C f i = C i / C n i (7)
E r i = T r i ∗ C f i (8)
R I = ∑ i n = 1 , E r i ∑ i n = 1 , [ T r i ∗ ( C i / C n i ) ] (9)
其中: C f i 为土壤重金属i的污染参数;Ci为土壤重金属i的实测浓度; C n i 为计算所需的参比值。 T r i 为单个污染物的性响应参数; E r i 为土壤重金属i的潜在生态危害系数;RI为多种重金属的综合潜在生态危害指数,危险等级见表2。
评价重金属的方法有很多种,各方法各有优缺点。根据前人的研究总结了几种常用的重金属评价方法的优点与不足(表3)。
重金属富集因子 | 重金属污染程度 |
---|---|
E F < 2 | 未-轻 |
2 ≤ E F < 5 | 中等 |
5 ≤ E F < 20 | 重 |
严重 | |
40 ≤ E F | 极重 |
表1. 富集因子与重金属污染程度的关系
危害程度 | 轻 | 中 | 强 | 较强 | 极强 |
---|---|---|---|---|---|
E r i | <40 | 40~80 | 80~160 | 160~320 | >320 |
RI | <150 | 150~300 | 300~600 | 600~1200 | >1200 |
表2. 不同重金属潜在危害等级
常用评价方法 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|
单因子指数法 | 具有明确的目标、可比性显著以及计算简便。 | 只局限于土壤中某种特定元素的分析,不能反映出污染元素的综合效应。 |
内梅罗综合指数法 | 数学公式计算快捷、物理概念清晰等能够更为全面、地反映出研究区域内的土壤重金属的污染状况。 | 不能考虑重金属元素的毒性差异,得出的评价结果往往比较机械。 |
地累积指数法 | 所需要的数据单一、方法简便,同时综合考虑了人为污染因素和地球化学背景值等多要素所造成的影响。 | 未考虑到重金属的形态差异与地理空间差异性的影响。 |
富集因子法 | 选取参考元素作为参考标准,减少了采样过程中人为的影响,保证了指标之间的可比性和等价性。参比元素需要稳定的性质,不易受到环境和分析测试的影响。 | 参考元素的选择不规范,不同区域背景值的不确定性。 |
污染负荷指数法 | 可以反映各重金属对区域污染的贡献程度,还可以进一步反映各重金属污染的时空变化特征。 | 该方法不考虑由不同污染源引起的背景差异。 |
潜在生态风险指数法 | 将环境生态效应与毒理学联系起来。 | 不考虑重金属相互作用的影响。 |
表3. 几种常用的重金属评价方法的优点与不足
土壤受五大成土因素的影响,具有复杂性和时空变异性,土壤性质随空间位置的变化称为空间变异,包括土壤性质在水平空间上的变异和随土壤垂直剖面而变化的变异,对于农业土壤而言,其空间变异性通常是指水平空间变异 [
景观生态学最早于1939年由德国科学家Troll提出,至20世纪80年代由中国老一辈引入中国 [
目前对农田重金属污染风险的评价较多,但还存在一些问题:一是对农田土壤重金属污染风险评价方法还不完善,每个地方的土壤背景值不一样,因此在评价重金属污染风险上要结合当地的土壤背景并且结合多种评价方法来综合评价土壤重金属污染风险。二是对重金属污染的研究虽然多,但关注点集中在重金属总量上,而在重金属的形态研究上相对不足,今后应该在土壤重金属的形态上做进一步研究。三是土壤重金属空间结构具有明显的尺度依赖性,但土壤重金属空间分布的研究多集中在单一空间尺度。四是对土壤重金属污染格局划分比较少,划分侧重于重金属污染景观格局和空间分布的格局,而对土壤重金属污染风险格局的划分少,在今后的研究中需要进一步深入研究。掌握农田土壤重金属污染风险格局以及影响因素,为农田土壤保护和农产品质量安全提供科学依据。
一是农田受到重金属的危害处于比较严重的局面,从区域上来说西南部地区的重金属最为严重,其中重金属镉、铅和汞是污染最严重的重金属。矿区土壤重金属污染严重,尤其是儿童。三是土壤重金属污染的潜在生态风险,对人体健康危害的研究较少。四指出农田土壤重金属污染风险格局存在的问题进行展望。
国家自然科学基金委员会-贵州省人民政府喀斯特科学研究中心项目:喀斯特地区重金属污染过程与防控机制研究(U1612442)。
韦小了,何腾兵. 农田土壤重金属污染风险格局研究进展 Research Progress on Risk Profile of Farmland Soil Heavy Metal Pollution[J]. 土壤科学, 2018, 06(04): 77-84. https://doi.org/10.12677/HJSS.2018.64010