王星蒙

(遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽 110161)

遼寧省位于我國東北地區(qū)南部，全省土地面積14.8萬km2。全省土壤分布有棕壤、潮棕壤、草甸土、潮土、泥炭土、沼澤土、褐土、水稻土等類型。根據(jù)地貌和土壤組合特點(diǎn)，遼寧土壤的區(qū)域性分布可分為遼東山地丘陵區(qū)、遼西低山丘陵區(qū)、遼河平原區(qū)3種類型。

遼寧省是畜牧業(yè)大省，從2014年開始遼寧省的蛋、肉、奶產(chǎn)量連續(xù)3a都居于全國前10的水平[1]。2019年，遼寧省豬牛羊禽肉產(chǎn)量365.6萬t，全年禽蛋產(chǎn)量307.9萬t，全年生牛奶產(chǎn)量133.9萬t，全年生豬出欄2240.2萬頭，年末生豬存欄1055.2萬頭[2]。隨著全省畜牧業(yè)的發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖場也快速發(fā)展，與此同時(shí)，為提高養(yǎng)殖效率、防治畜禽疾病等問題，抗生素和多種重金屬元素等添加劑常被添加到飼料中，并且大部分隨著畜禽糞便排出體外[3]，如處理不當(dāng)，極易造成周邊土壤受到重金屬污染，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大威脅。由于重金屬元素在土壤中移動性很小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，其在土壤中的含量會逐年累積[4]。本文通過對遼寧省16個(gè)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場周邊土壤進(jìn)行監(jiān)測分析及評價(jià)，進(jìn)而了解遼寧省畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤的環(huán)境質(zhì)量狀況。

1 研究方法

1.1 采樣時(shí)間

2020年4—6月。

1.2 點(diǎn)位布設(shè)

選取規(guī)模為500頭以上的豬、3萬羽以上的雞和100頭以上的牛等規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場。在養(yǎng)殖場外圍500m范圍內(nèi)采用網(wǎng)格法進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn)，網(wǎng)格大小為100m×100m，每個(gè)養(yǎng)殖場布設(shè)3～5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位和1個(gè)對照點(diǎn)。以500m緩沖區(qū)為范圍，建立100m×100m大小的網(wǎng)格，對網(wǎng)格進(jìn)行編號。查隨機(jī)數(shù)表，得到3～5個(gè)隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)對應(yīng)的網(wǎng)格編號，則該網(wǎng)格的中心點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)位。在距場界2000m以外(主導(dǎo)上風(fēng)向或地下水流向上游)布設(shè)1個(gè)對照監(jiān)測點(diǎn)。需要注意如果所布設(shè)的養(yǎng)殖場周邊一定距離分布有耕地或農(nóng)田，可將緩沖區(qū)進(jìn)行擴(kuò)大或增加相應(yīng)的點(diǎn)位。16個(gè)畜禽養(yǎng)殖場總計(jì)布設(shè)75個(gè)土壤監(jiān)測點(diǎn)位。

1.3 樣品采集及制備

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]采集和制備樣品。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位采集表層0～20cm的土樣。土樣避光自然風(fēng)干，揀出碎石、沙礫及動植物殘?bào)w等雜物，用木棍敲碎土樣。研磨后土樣過2mm篩，充分混合、攪拌至均勻，四分法取樣。1份用于pH值分析；1份細(xì)磨至0.15mm用于金屬元素分析。

1.4 樣品測定

土壤pH值、金屬元素均由取得資質(zhì)認(rèn)定的實(shí)驗(yàn)室檢測，具體檢測方法見表1。儀器設(shè)備通過檢定或校準(zhǔn)，按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度控制。

表1 各項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室測定方法

1.5 評價(jià)方法

1.5.1 單因子污染評價(jià)指數(shù)法

單因子污染評價(jià)指數(shù)計(jì)算公式：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi為單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為調(diào)查土壤中污染物的實(shí)測濃度；Si為污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值或參考值，本文選擇遼寧省土壤環(huán)境背景值[6]，污染程度劃分如表2。

表2 單項(xiàng)污染指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)分級

1.5.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法(內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法)計(jì)算公式：

(2)

式中，maxPi為單項(xiàng)污染指數(shù)的最高值；Pi為各單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。通常污染程度和污染水平劃分如表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法[7]計(jì)算公式：

(3)

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5.4 地累積指數(shù)評價(jià)法

地累積指數(shù)評價(jià)法[9]計(jì)算公式：

(4)

式中，Cn為實(shí)際采集的土壤中測試出的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1，K為轉(zhuǎn)換系數(shù)(一般取1.5)；Bn為該區(qū)域相對應(yīng)的土壤環(huán)境背景值，本文選擇遼寧省土壤環(huán)境背景值[6]。根據(jù)Muller指數(shù)值的大小可判定以下7個(gè)等級(表5)。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽養(yǎng)殖場周邊域土壤pH值監(jiān)測

規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場周邊點(diǎn)位總計(jì)有75個(gè)，土壤pH值監(jiān)測結(jié)果顯示，pH≤5.5的點(diǎn)位數(shù)有20個(gè)，占比

表5 地累積指數(shù)評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)

26.7%；5.57.5的點(diǎn)位數(shù)有20個(gè)，占比26.7%。土壤pH值最大值為8.21，最小值為4.36，中位值為6.5，平均值為6.46，標(biāo)準(zhǔn)差為1.13。

2.2 畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬含量分析

各監(jiān)測點(diǎn)位土壤樣品重金屬測量值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。由表6可知，土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni和As的均值分別是遼寧省土壤背景值的2.4、1.4、1.3、1.0、1.1、1.3、1.0和0.8倍，其中Cd的超標(biāo)倍率最高，其余金屬的含量接近土壤背景值。另外，8類土壤重金屬中Cd的變異系數(shù)很大，為130%，屬于極高變異度；Hg和Cr為高變異度，其余均為中變異度。說明Cd、Hg和Cr 3種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)值變化的幅度較大，連續(xù)性較弱，空間變異性較大。

2.3 畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬污染評價(jià)

根據(jù)單因子指數(shù)評價(jià)方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表7)可知，采集的75個(gè)土壤樣品點(diǎn)位中，通過單因子污染指數(shù)計(jì)算得出的平均值從高到低的順序依次為Cd>Pb>Hg>Zn>Cu>Ni>Cr>As，其中Cd和Hg的重度污染點(diǎn)位比例分別為8%、1.3%，其余均分布在無污染和輕微污染。計(jì)算出的平均值排序上同時(shí)也反映出了8類重金屬對土壤的污染狀況。

表6 測量值統(tǒng)計(jì)表

表7 單因子污染評價(jià)統(tǒng)計(jì)

由內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算出的綜合污染指數(shù)評價(jià)法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表8)可知，內(nèi)梅羅計(jì)算出綜合污染指數(shù)的平均值為1.78，其中最大值為12.62，最小值為0.66，處于輕度污染和中度污染的比例為49.3%和21.3%，表明畜禽養(yǎng)殖場周邊總體處于輕中度污染的污染程度，由于研究區(qū)內(nèi)的重金屬Cd、Hg有數(shù)值均很高，且單因子指數(shù)的最大值元素為Cd和Hg，即超過遼寧省土壤環(huán)境背景值的倍數(shù)最大，因此Cd、Hg元素是造成內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)增大的主要原因。

表8 綜合污染評價(jià)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度(Er)的平均值(圖1)表明，研究區(qū)土壤重金屬Er的平均值排序?yàn)镃d>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度(Er)的平均值分別為71.9、53.0、7.8、6.7、5.7、4.9、1.9、1.3，其中重金屬Cd和Hg被評價(jià)為輕微生態(tài)危害，其余6種重金屬被評價(jià)為清潔生態(tài)危害；潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)<150，即評價(jià)為清潔生態(tài)危害的點(diǎn)位數(shù)為46，占總點(diǎn)位數(shù)的61.3%；RI介于150～300(輕微生態(tài)危害)的點(diǎn)位數(shù)為22，占總點(diǎn)位數(shù)的29.3%；RI介于300～600(中度生態(tài)危害)的點(diǎn)位數(shù)為6，占總點(diǎn)位數(shù)的8.0%；RI>600的(強(qiáng)生態(tài)危害)點(diǎn)位數(shù)為1，占總點(diǎn)位數(shù)的1.3%；總體上研究區(qū)處于清潔-輕微生態(tài)危害的污染狀況，其中潛在生態(tài)危害指數(shù)最大值達(dá)到635.3，導(dǎo)致RI偏高的主要原因是重金屬Cd和Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度Er值出現(xiàn)高值，從數(shù)據(jù)的整體性上可以看出，Cd和Hg是研究區(qū)影響生態(tài)危害水平的主要原因。

圖1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度平均值

根據(jù)地累積指數(shù)(Igeo)的計(jì)算公式得出研究區(qū)各個(gè)點(diǎn)位的地累積指數(shù)值，并根據(jù)算術(shù)平均數(shù)和中位數(shù)繪制出地累積指數(shù)評級圖(圖2)，研究區(qū)土壤重金屬地累積指數(shù)Igeo的算術(shù)平均值排列順序?yàn)镃d>Pb>Zn>Cu>Ni>Hg>Cr>As，其中Cd被評定為輕度污染，其余元素均被評定為無污染。Cd屬于輕度污染和偏中度污染的點(diǎn)位占比分別為25.3%和10.7%；Hg和Pb屬于輕度污染的點(diǎn)位占比分別為30.7%和34.7%；其余金屬屬于無污染的點(diǎn)位占比均大于80%。這表明，研究區(qū)內(nèi)Cd、Hg和Pb有小范圍上的污染，其它重金屬基本未受到污染。

圖2 地累積指數(shù)評級圖

2.4 畜禽養(yǎng)殖場周邊監(jiān)測點(diǎn)與對照點(diǎn)的對比

通過計(jì)算畜禽養(yǎng)殖場中監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)的平均數(shù)與對照點(diǎn)內(nèi)梅羅指數(shù)的變化率，來體現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖場的污染狀況。對照點(diǎn)變化率計(jì)算公式：

(5)

由圖3可知，A養(yǎng)殖場等8個(gè)養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率為正，說明其監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)大于對照點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)；J養(yǎng)殖場等7個(gè)養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率為負(fù)，說明其監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)小于對照點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)；I養(yǎng)殖場的變化率為0，說明其監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)與對照點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)相同。A養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率為78.3%，說明其監(jiān)測點(diǎn)的污染程度遠(yuǎn)高于比對照點(diǎn)；B養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率均超過20%，說明其監(jiān)測點(diǎn)的污染程度顯著高于比對照點(diǎn)；C和D養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率均超過10%，說明其監(jiān)測點(diǎn)的污染程度略高于比對照點(diǎn)；E養(yǎng)殖場等9家養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率均小于±5%，說明其監(jiān)測點(diǎn)與對照點(diǎn)污染程度基本一致；N、O和P養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率均低于-20%，說明其對照點(diǎn)的污染程度高于比監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 16個(gè)中規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場對照點(diǎn)變化率統(tǒng)計(jì)圖

3 討論

有研究表明，莆田市畜禽養(yǎng)殖場周邊農(nóng)田土壤8種元素中，只有As未富集，其它7種重金屬元素均存在不同程度的富集現(xiàn)象，其中Cd、Cu、Zn超背景值較高，富集較明顯[10]。遼寧省16個(gè)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中Cd、Cu、Zn的超標(biāo)倍數(shù)分別為2.4、1.1、1.3，Cu、Zn在不同的土壤重金屬污染評價(jià)中均評價(jià)為輕微污染以下。同時(shí)，本次監(jiān)測的規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場點(diǎn)位大部分均處在農(nóng)田之中，并且距離村莊較近，受污染的畜禽養(yǎng)殖場和污染點(diǎn)位集中分布在遼西地區(qū)，受污染的養(yǎng)殖場存在監(jiān)測點(diǎn)和對照點(diǎn)同時(shí)受污染的情況。綜上，并不能將污染歸因于畜禽養(yǎng)殖場的影響。以位于遼西地區(qū)的A養(yǎng)殖場為例，A養(yǎng)殖場點(diǎn)位存在超標(biāo)的污染因子為鎘，對照點(diǎn)為輕微污染，監(jiān)測點(diǎn)位為輕度、中度污染。由于對照點(diǎn)存在污染情況，因此不能直接將監(jiān)測點(diǎn)的污染歸結(jié)為養(yǎng)殖場。A養(yǎng)殖場所處的遼西地區(qū)鎘金屬含量濃度高且污染區(qū)域集中，采樣區(qū)附近的某有色金屬冶煉企業(yè)存在歷史污染[11]，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)，可以將污染成因歸納為受歷史污染影響。

4 結(jié)論

遼寧省畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中Cd、Hg、Pb、Cu和Zn5種重金屬均高于遼寧省土壤背景值，其中Cd的含量是背景值的2.4倍，Cd為極高變異度；Hg和Cr為高變異度，其余均為中變異度。

單因子污染指數(shù)顯示，8種重金屬整體為無污染-輕微污染，Cd和Hg存在重度污染點(diǎn)位；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)顯示，畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤總體處于輕中度污染的污染程度；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染系數(shù)(Er)顯示，Cd和Hg被評價(jià)為輕微生態(tài)危害，其余6種重金屬被評價(jià)為清潔生態(tài)危害，潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)顯示，畜禽養(yǎng)殖場周邊處于清潔-輕微生態(tài)危害的污染狀況。地累積指數(shù)(Igeo)顯示，Cd被評定為輕度污染，其余元素均被評定為無污染。

監(jiān)測點(diǎn)與對照點(diǎn)的對比顯示，16家畜禽養(yǎng)殖場中，有8個(gè)養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率為正，有7個(gè)養(yǎng)殖場的對照點(diǎn)變化率為負(fù)，1個(gè)養(yǎng)殖場的變化率為0。