中國(guó)耕地土壤重金屬污染概況
摘要:依托收集的耕地土壤重金屬污染案例資料,建立了我國(guó)138個(gè)典型區(qū)域的耕地土壤重金屬污染數(shù)據(jù)庫(kù),并利用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),測(cè)算了我國(guó)耕地的土壤重金屬污染概況。研究表明:(1)我國(guó)耕地的土壤重金屬污染概率為16.67%左右,據(jù)此推斷我國(guó)耕地重金屬污染的面積占耕地總量的1/6左右;(2)耕地土壤重金屬污染等別中,尚清潔、清潔、輕污染、中污染、重污染比重分別為68.12%,15.22%,14.49%,1.45%,0.72%;(3)8種土壤重金屬元素中,Cd污染概率為25.20%,遠(yuǎn)超過(guò)其他幾種土壤重金屬元素;此外,也有一些區(qū)域發(fā)生Ni,Hg,As和Pb土壤污染,但是Zn、Cr和Cu元素發(fā)生污染的概率較小;(4)遼寧、河北、江蘇、廣東、山西、湖南、河南、貴州、陜西、云南、重慶、新疆、四川和廣西14個(gè)省、市和自治區(qū)可能是我國(guó)耕地重金屬污染的多發(fā)區(qū)域,特別是遼寧和山西的耕地土壤重金屬污染可能尤其嚴(yán)重。
關(guān)鍵詞:土壤污染;重金屬;耕地;污染概率
過(guò)去的50年中,大約有2.2萬(wàn)t的Cr,9.39×105t的Cu,7.89×105t的Pb和1.35×106t的Zn排放到全球環(huán)境中,其中大部分進(jìn)入土壤,引起了土壤重金屬污染。隨著我國(guó)工業(yè)和城市化的不斷發(fā)展,工業(yè)和生活廢水排放、污水灌溉、汽車廢氣排放等造成的土壤重金屬污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。重金屬污染不僅能夠引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能的變化,還能夠抑制作物根系生長(zhǎng)和光合作用,致使作物減產(chǎn)甚至絕收。更為重要的是,重金屬還可能通過(guò)食物鏈遷移到動(dòng)物、人體內(nèi),嚴(yán)重危害動(dòng)物、人體健康。鎘米、砷毒、血鉛等重金屬污染危害近年來(lái)常見(jiàn)諸報(bào)道,土壤重金屬污染已經(jīng)成為土壤污染中倍受關(guān)注的公共問(wèn)題之一。
自20世紀(jì)50年代日本出現(xiàn)的“水俁病”和“骨痛病”被查明分別由重金屬Hg和Cd污染引起后,重金屬污染問(wèn)題引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。學(xué)術(shù)界則主要在20世紀(jì)70年代開(kāi)始關(guān)注土壤重金屬污染研究,不過(guò)直到80年代末90年代初才逐漸成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外土壤重金屬污染的研究主要關(guān)注的有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:(1)土壤重金屬污染的來(lái)源,認(rèn)為污水灌溉、金屬礦場(chǎng)廢棄物、交通運(yùn)輸?shù)仁峭寥乐亟饘僭氐闹饕獊?lái)源;(2)土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)方法,包括綜合指數(shù)、潛在生態(tài)危害、富集因子、地積累指數(shù)、正負(fù)關(guān)聯(lián)方法、多元統(tǒng)計(jì)和GIS相結(jié)合等;(3)區(qū)域土壤重金屬污染的分布,探討了城市、農(nóng)田、城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶、工業(yè)區(qū)和金屬礦場(chǎng)周邊等不同區(qū)域的土壤重金屬污染問(wèn)題;(4)土壤重金屬污染的毒性以及通過(guò)食物鏈可能對(duì)于人體健康造成的傷害;(5)重金屬污染土壤的修復(fù),研究者提出了蜈蚣草、蚯蚓、真菌等動(dòng)植物修復(fù)方法。
20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)相繼開(kāi)展了一些區(qū)域土壤重金屬污染的監(jiān)測(cè)工作。1997年,我國(guó)曾對(duì)24個(gè)市320個(gè)嚴(yán)重污灌區(qū)的土壤開(kāi)展了污染調(diào)查;2000年,農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)布了我國(guó)大中城市郊區(qū)、工礦區(qū)、污灌區(qū)、商品糧基地和基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)農(nóng)畜產(chǎn)品監(jiān)測(cè)結(jié)果,認(rèn)為我國(guó)大部分城市郊區(qū)土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬污染相當(dāng)嚴(yán)重。最近,我國(guó)剛剛完成了全國(guó)土壤污染普查工作,但由于種種原因,相關(guān)重金屬污染調(diào)查信息仍未發(fā)布。我國(guó)的土壤污染,尤其是耕地重金屬污染的形勢(shì)比較嚴(yán)峻,但又缺乏可以使用的全國(guó)范圍內(nèi)的耕地土壤重金屬污染數(shù)據(jù),不利于我國(guó)耕地重金屬污染總體概況的判定和相關(guān)政策的制定。鑒于此,本文嘗試以案例文獻(xiàn)資料收集的方式構(gòu)建我國(guó)耕地重金屬污染數(shù)據(jù)庫(kù),評(píng)價(jià)我國(guó)耕地土壤重金屬污染的狀況,提出有針對(duì)性的政策建議。
數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法
01數(shù)據(jù)來(lái)源
雖然我國(guó)目前尚缺乏可供公開(kāi)使用的全國(guó)范圍的耕地土壤重金屬污染調(diào)查數(shù)據(jù),但是許多已經(jīng)完成土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)和調(diào)查工作的區(qū)域,其相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了發(fā)表。通過(guò)對(duì)這些土壤重金屬污染案例數(shù)據(jù)的檢索和收集,構(gòu)建耕地土壤重金屬污染數(shù)據(jù)庫(kù),能夠在一定程度上提供反映我國(guó)耕地土壤重金屬污染狀況的數(shù)據(jù)。進(jìn)行耕地土壤重金屬污染文獻(xiàn)檢索的原則是:(1)重金屬污染案例區(qū)以地級(jí)市行政區(qū)為主要單位,兼顧省級(jí)和縣級(jí)行政單位,避免金屬礦場(chǎng)、污灌區(qū)等特殊的小尺度土壤重金屬污染案例文獻(xiàn);(2)重金屬污染數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)為農(nóng)田或耕地,采樣點(diǎn)較多;(3)重金屬污染數(shù)據(jù)年份較新(2000年以后),不同區(qū)域具有可比性;(4)文獻(xiàn)能夠提供耕地土壤金屬污染的原始數(shù)值。依據(jù)以上原則,通過(guò)對(duì)近千篇文獻(xiàn)進(jìn)行檢索,最終篩選建立了包括重金屬污染物數(shù)值、種類、地點(diǎn)、時(shí)間、土地利用類型等在內(nèi)的重金屬污染數(shù)據(jù)庫(kù)。最終收集到138個(gè)典型區(qū)域的土壤污染案例,涉及到26個(gè)省份、78個(gè)地級(jí)市和62個(gè)縣,案例區(qū)的位置見(jiàn)圖1。
目前,我國(guó)共有31個(gè)省份(不含港澳臺(tái))和346個(gè)左右的地級(jí)市,通過(guò)文獻(xiàn)檢索建立的土壤污染數(shù)據(jù)庫(kù)涉及我國(guó)83.87%的省份和22.5%左右的地級(jí)市,土壤污染數(shù)據(jù)的代表性良好,應(yīng)該可以大體反映我國(guó)耕地土壤的重金屬污染概況。
02研究方法
土壤重金屬污染的主要識(shí)別方法有對(duì)比法、地球化學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)分析方法等,分別可以通過(guò)“元素剖面對(duì)比”和“與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和背景值對(duì)比”、多元統(tǒng)計(jì)分析、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、空間統(tǒng)計(jì)分析等方法判定土壤重金屬污染狀況。其中,對(duì)比分析法在土壤污染識(shí)別方法中應(yīng)用廣泛,簡(jiǎn)便易行。因此,我們采用該方法來(lái)分析我國(guó)土壤重金屬污染的狀況。對(duì)比分析法采用了土壤重金屬污染單因子指數(shù)和內(nèi)羅梅污染指數(shù)兩種方法,單因子指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
Pi=Ci/Si(1)
式中:Pi—土壤中某污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci—污染物i的實(shí)測(cè)值(mg/kg);Si—污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)。Pi>1表示土壤受到了污染,P=1或<1則表示未受到污染,Pi值越大則污染程度越嚴(yán)重。因?yàn)槲廴就寥赖闹亟饘僭赝恢灰环N,所以還需要綜合考慮不同重金屬元素對(duì)于土壤的污染程度。綜合污染程度可以用內(nèi)羅梅污染指數(shù)來(lái)衡量,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
式中:I—土壤重金屬綜合污染指數(shù);Pimax—各土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值;Piave—各土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。內(nèi)羅梅污染指數(shù)的主要特點(diǎn)是可以突出考慮土壤中污染程度最大的重金屬元素的作用。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995),單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
土壤污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Si)是土壤污染程度判定的重要影響因素。目前,常用的土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般有土壤自然環(huán)境背景值和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)兩種。在檢索到的138個(gè)耕地重金屬污染案例中,土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一,差別較大,不利于全國(guó)范圍內(nèi)耕地土壤重金屬污染案例評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比。為了使評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的可比性,統(tǒng)一選用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)中規(guī)定的土壤重金屬含量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為土壤污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Si)(表2)。
結(jié)果與分析
01耕地土壤重金屬污染概率
依托建立的土壤重金屬污染數(shù)據(jù)庫(kù),利用內(nèi)羅梅土壤污染指數(shù)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可以測(cè)算出各個(gè)案例區(qū)的土壤重金屬綜合污染程度。將建立的數(shù)據(jù)庫(kù)作為全國(guó)土壤重金屬污染的抽樣調(diào)查數(shù)據(jù),通過(guò)測(cè)算抽樣案例的重金屬污染超標(biāo)率,可以近似估算我國(guó)的土壤重金屬污染面積比例。在138個(gè)案例區(qū)中,有23個(gè)案例區(qū)的重金屬污染綜合指數(shù)大于1(圖2,案例區(qū)編號(hào)116-138),發(fā)生土壤重金屬污染的概率為16.67%。由此可以推斷,我國(guó)耕地土壤的重金屬污染面積大概在16.67%左右,約占我國(guó)耕地總量的1/6,略低于近期經(jīng)常被學(xué)者和國(guó)土資源部門引用的我國(guó)有近1/5的耕地受到土壤重金屬污染的數(shù)據(jù)。
02耕地重金屬污染的等別
根據(jù)劃定的土壤污染等級(jí)(表1),我國(guó)耕地土壤屬于尚清潔的比例最高,為68.12%(表3),其次為輕污染,比例為15.22%;再次為尚清潔,比例為14.49%;中污染和重污染的比例較低,分別為1.45%和0.72%,雖然我國(guó)屬于清潔土壤的比例比較高,但值得警惕的是還有15.22%左右的土壤處于重金屬污染警戒線(尚清潔)內(nèi),與輕污染的比例幾乎相當(dāng)。
03主要污染元素和數(shù)值
通過(guò)計(jì)算8種土壤重金屬元素發(fā)生污染的概率,可以明晰我國(guó)耕地主要的土壤重金屬污染元素。由表4可知,Cd元素是當(dāng)前我國(guó)耕地土壤重金屬污染的最主要元素,污染發(fā)生概率為25.20%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他7種土壤重金屬。其次,Ni和Hg元素也具有比較高的污染概率,分別為5.17%和3.31%;也有部分案例區(qū)發(fā)生As元素和Pb元素的污染,概率分別為0.92%和0.72%。相對(duì)來(lái)說(shuō),Zn、Cr和Cu元素發(fā)生污染的概率較小。
8種主要土壤重金屬污染元素?cái)?shù)值中,除Cd、Ni和Hg元素的平均值較接近《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)外(表5),其余幾種重金屬元素含量的平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò),這并不代表除這3種重金屬元素以外的其他5種土壤重金屬元素?zé)o污染之憂。實(shí)際上,其余5種重金屬元素在小區(qū)域的耕地土壤污染也時(shí)有發(fā)生。污染概率,或者經(jīng)過(guò)空間插值的土壤污染面積比重的測(cè)算仍然是衡量土壤重金屬污染的最佳方法。
04耕地土壤重金屬污染的重點(diǎn)區(qū)域
將收集的案例按照東、中、西部三大區(qū)域進(jìn)行劃分,分別統(tǒng)計(jì)相應(yīng)區(qū)域的案例數(shù)量和污染案例數(shù)量,可以大概估算出我國(guó)東、中、西部的土壤重金屬污染概率。三大區(qū)域的土壤重金屬污染,呈現(xiàn)出中部重金屬污染概率最高,東、西部低的特點(diǎn)(表6)。當(dāng)然,這與常規(guī)認(rèn)識(shí)上的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域土壤重金屬污染或許會(huì)更重一些的判斷略有偏差。主要原因可能有兩方面,一是東、中、西部土壤污染案例的分配并不完全符合對(duì)應(yīng)區(qū)域行政區(qū)數(shù)量比例。另一方面,中部地區(qū)的土壤重金屬污染可能確實(shí)也比想象中嚴(yán)重。中部地區(qū)較重的土壤重金屬污染可能與我國(guó)中部地區(qū)分布有大量的煤炭和金屬礦場(chǎng)及其相關(guān)開(kāi)采有關(guān)。
收集的案例中,東部地區(qū)的土壤重金屬污染主要發(fā)生在遼寧(3個(gè))、河北(1個(gè))、江蘇(2個(gè))和廣東(1個(gè));中部地區(qū)的土壤重金屬污染主要發(fā)生在山西(3個(gè))、湖南(2個(gè))和河南(1個(gè));西部地區(qū)的土壤重金屬污染主要發(fā)生在貴州(1個(gè))、陜西(2個(gè))、云南(2個(gè))、重慶(2個(gè))、新疆(1)、四川(1個(gè))和廣西(1個(gè))。這14個(gè)省份可能是我國(guó)土壤重金屬污染發(fā)生概率比較高的省份,特別是土壤污染發(fā)生案例超過(guò)3個(gè)的遼寧和山西的耕地土壤重金屬污染可能尤其嚴(yán)重。
05土壤重金屬污染因素
污水灌溉、涉重金屬企業(yè)“三廢”排放、汽車尾氣排放、不合理的農(nóng)藥和肥料的施用等,一般被認(rèn)為是造成農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的主要原因。首先,化工、礦山等行業(yè)排放的污水重金屬元素含量一般較高,污水未經(jīng)必要的處理而直接灌溉農(nóng)田常常會(huì)造成土壤重金屬污染。例如,利用冶煉、電鍍、燃料、汞化物等工業(yè)污水進(jìn)行灌溉,能引起Cd,Hg,Cr,Cu等重金屬污染。根據(jù)農(nóng)業(yè)部進(jìn)行的全國(guó)污灌區(qū)調(diào)查,在約140萬(wàn)公頃的污水灌區(qū)中,遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區(qū)面積的64.8%。
其次,涉重金屬企業(yè)的“三廢”排放,也能夠通過(guò)大氣沉降、水體流動(dòng)等方式造成土壤重金屬污染。其中,化工、冶金、煉焦、火力發(fā)電、造紙、玻璃、毛革、電子工業(yè)等企業(yè)會(huì)釋放大量的重金屬元素As;采礦、冶金和電鍍行業(yè)則可能產(chǎn)生大量的含Cd廢水、廢氣和廢渣。我國(guó)的Pb、Zn礦蘊(yùn)藏豐富,其開(kāi)采會(huì)引起周邊土壤的Pb,Cd等重金屬污染。此外,我國(guó)電池行業(yè)生產(chǎn)的大量Cd、Ni電池,在回收時(shí)作為普通垃圾處理,也存在巨大的污染隱患。
第三,畜禽糞、化肥、農(nóng)藥以及殺菌劑長(zhǎng)期使用,也會(huì)導(dǎo)致土壤Cu,As等重金屬元素的積累。工廠化養(yǎng)殖畜禽中飼料添加劑的應(yīng)用,常常導(dǎo)致畜禽糞中含有較高的重金屬Cu,As等,如果作為有機(jī)肥施用時(shí)可以引起土壤重金屬污染。部分農(nóng)藥的成分中含有Hg,As,Cu,Zn等重金屬元素,長(zhǎng)期使用可以引起重金屬污染。地膜的生產(chǎn)過(guò)程中則由于加入了含有Cd,Pb的熱穩(wěn)定劑,大量的施用也會(huì)引起重金屬污染。化肥的重金屬元素則一般來(lái)自磷肥的施用,例如許多品味較差的過(guò)磷酸鈣和磷礦粉中往往含有微量的As,Cd重金屬元素。相對(duì)來(lái)說(shuō),氮肥和鉀肥的重金屬含量較低。此外,許多農(nóng)用化學(xué)品如Cu制劑,含Hg,As的制劑使用后也會(huì)使土壤遭受污染。
最后,公路交通活動(dòng)中,含鉛汽油和潤(rùn)滑油的燃燒、汽車輪胎的老化和剎車?yán)镆r的機(jī)械磨損,均會(huì)排放一定量的重金屬。汽車尾氣和輪胎磨損產(chǎn)生的含有重金屬成分的粉塵,通過(guò)大氣可以沉降到達(dá)道路附近的土壤中,在公路的兩側(cè)形成較明顯的Pb,Zn,Cd等元素的污染帶。
討論與結(jié)論
(1)全國(guó)138個(gè)典型區(qū)域土壤污染案例的分析表明,我國(guó)耕地土壤重金屬污染發(fā)生的概率為16.67%,由此可以推斷我國(guó)耕地受土壤重金屬污染的比重占耕地總量的1/6左右。在耕地土壤重金屬污染等級(jí)上,尚清潔、清潔、輕污染、中污染和重污染5個(gè)等別的比例分別為68.12%,15.22%,14.49%,1.45%,0.72%,尚清潔等級(jí)比例最高,重污染等級(jí)比例最低。
(2)8種土壤重金屬污染元素中,Cd元素發(fā)生污染的概率最高,為25.20%;Ni元素和Hg元素的污染概率其次,分別為5.17%和3.31%;As元素和Pb元素發(fā)生污染的概率再次,分別為0.92%和0.72%;Zn、Cr和Cu元素發(fā)生污染的概率較小。
(3)根據(jù)重金屬污染案例發(fā)生的數(shù)量和區(qū)域位置,遼寧、河北、江蘇、廣東、山西、湖南、河南、貴州、陜西、云南、重慶、新疆、四川和廣西14個(gè)省份可能是我國(guó)耕地土壤重金屬污染的重點(diǎn)區(qū)域,其中遼寧和山西的耕地土壤重金屬污染可能尤其嚴(yán)重。
(4)本文雖然收集了全國(guó)138個(gè)典型區(qū)域的土壤重金屬污染案例,案例區(qū)數(shù)量具有一定的代表性。但由于并不是嚴(yán)格按照不同行政區(qū)域數(shù)量比重分配案例區(qū)樣本量,土壤重金屬污染案例的測(cè)算結(jié)果可能有一定的偏差。
(5)本文測(cè)算的我國(guó)耕地土壤重金屬污染比重在1/6左右,這略低于被廣泛引用的我國(guó)有1/5的耕地遭受重金屬污染的數(shù)據(jù)。不過(guò),我們測(cè)算的耕地重金屬污染比重也可能存在一些問(wèn)題。整體上,重金屬污染案例區(qū)在西南地區(qū)的分布相對(duì)較少,而西南可能是我國(guó)耕地重金屬污染不太嚴(yán)重的區(qū)域。從這個(gè)角度考慮,本文測(cè)算的耕地土壤重金屬污染概率可能仍然偏高。
(6)選取不同的土壤重金屬污染測(cè)算標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有所不同。為了使土壤重金屬污染測(cè)算結(jié)果在全國(guó)范圍內(nèi)具有可比性,本文收集的138個(gè)案例區(qū)統(tǒng)一選取了《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為重金屬污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò),在有些研究中也會(huì)選取當(dāng)?shù)氐耐寥雷匀槐尘爸底鳛樵u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)?shù)氐耐寥雷匀槐尘爸刀紩?huì)小于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),相對(duì)較為嚴(yán)格。如果采用當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境背景值作為土壤重金屬污染的測(cè)算標(biāo)準(zhǔn),那么本文測(cè)算的耕地土壤重金屬污染概率仍會(huì)大大提高。采用不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)明顯不同。可以肯定的是,發(fā)生耕地土壤重金屬積累(超過(guò)背景值)的概率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤重金屬污染。但是,發(fā)生土壤重金屬元素的積累是否就可以被認(rèn)定為土壤污染,到底采用何種標(biāo)準(zhǔn)作為衡量土壤污染的標(biāo)準(zhǔn)仍是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。
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