德宏州耕作土壤表層重金屬含量特征及潛在生態風險評價

張國云，楊俊華，郭 晉，周新惟，康云昌

1. 德宏州土壤肥料工作站，云南 芒市 678400 2. 德宏州農業科學研究所，云南 芒市 678400 3. 云南省農業環境保護監測工作站，云南 昆明 650034

土壤是農產品生產的基礎。隨著工業污染物和生活垃圾的大量輸入及長期使用化肥，農藥，污水灌溉等都容易導致金屬元素的積累[1-2]，在初期并不表現出對環境的危害性，但當其存儲量超過土壤承受能力，必將導致嚴重的生態危害[3]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點，因此，研究土壤重金屬污染特征，評價其潛在的生態危害十分必要[4-5]。土壤重金屬污染不僅影響土壤的生態功能，也影響植物生長、農產品質量，而且通過食物鏈傳遞進而影響人體健康，其危害性越來越受關注[6-7]。許多學者對土壤重金屬污染做了大量研究，龍永珍等[8]對湖南省長沙-株洲-湘潭地區土壤進行評價發現，Cd已達到嚴重污染程度；許學宏等[9]對江蘇蔬菜產地土壤重金屬污染現狀調查評價發現，Cd、Hg污染嚴重；馬成玲等[10]對長江三角洲常熟市農田不同土種土壤重金屬進行污染評價發現，30.6%的土壤Hg超標；王麗娟等[11]對陜西省長武縣不同土壤利用方式剖面重金屬垂直分布特征研究發現，不同利用方式對不同土壤深度重金屬分布影響強度不同。目前，對種植業不同利用方式土壤重金屬污染研究較少。該文通過對德宏州不同利用方式耕地土壤環境質量進行Hakanson潛在生態危害指數法評價分析，既有利于耕地質量保護和提升，也為農產品質量安全生產提供保障，為農業提質增效提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 樣品的采集與制備

樣品采集區域為東經97°31′40″～98°15′0″，北緯24°24′1″～24°20′10″，位于云南西部，與緬甸毗鄰，海拔800～1 300 m，年均氣溫18.4～20.3 ℃，年降雨量1 436～1 709 mm，年日照時間2 281～2 453 h，森林覆蓋率62.8%，生態環境良好，以種植業為主，主要作物有水稻、玉米、甘蔗、茶葉等，山區一年一熟，壩區一年兩熟或三熟，工業欠發達，僅有制糖、水電、冶硅業，采樣區面積13.33萬hm2。

根據調查區基本情況，按土類及成土母質劃分若干采樣單元，隨機布設取樣點位和點數(圖1)，GPS精確定位。2010年夏糧收獲后進行土壤樣品采集，按“隨機”、“均等”、“混合”的原則，采用“S”形采樣法，在代表性田塊采集表層(0～20 cm，多年生作物采集0～60 cm)土壤10～15個分點，去除雜質，充分混均后，用四分法縮分留1 kg，用塑料袋裝好，做好標記和原始記錄，共采集土壤樣品385個，其中玉米地133個，稻田96個，蔗園58個，茶園26，膠園32個，果園27個，菜園13個。土樣風干后，磨細，分別過0.85、0.25、0.15 mm篩，各制備土樣100 g供檢測分析pH及重金屬含量。

注：底圖源自云南地圖網站(http://ditu.yunnanditu.com/yunnan_dehong/)下載的1∶1 000 000云南省德宏州行政版底圖，審圖號為GS(2012)6023 號，下載日期為2013-03-16。圖1 采樣點分布圖

1.2 檢測分析

參照《土壤環境質量監測技術規范》(HJ/T 166—2004)[12]、《農田土壤環境質量監測技術規范》(NY/T 395—2000)[13]、《土壤質量Pb、Cd的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)[14]標準進行分析。土壤經硫酸-硝酸-高錳酸鉀消解，原子熒光光度法(AFS-230原子熒光光度計)測定Hg；土壤經硫酸-硝酸-高氯酸消解，原子熒光光度法(AFS-230原子熒光光度計)測定As；土壤經鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法(PE-1100B原子吸收分光光度計)測定Pb、Cd，火焰原子吸收分光光度法(PE-1100B原子吸收分光光度計)測定Cu；土壤經硫酸-硝酸-氫氟酸消解，二苯碳酰二肼光度法(721分光光度計)測定Cr；玻璃電極法(0rion-210酸度計)測定土壤pH。

1.3 評價方法及標準

潛在生態危害指數法是瑞典科學家Hakanson[15]根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提出的對土壤或沉積物中重金屬污染進行評價的方法。不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起進行評價。其表達式為

1.4 數據處理

采用Excel2003和DPS7.0軟件進行數據分析。

2 結果與討論

表1 重金屬污染潛在生態危害指標

2.1 土壤重金屬含量特征

由表2可以看出，各重金屬元素變異系數(CV)從大到小依次為Hg>As>Pb>Cd>Cu>Cr。變異系數是表征樣本間變異程度的重要尺度，CV<10%為弱變異，CV=10%～30%為中等變異，CV>30%為強變異，研究區6種元素均為強變異，表明分布不均勻，空間變異大，受到人類活動干擾[16-17]。

表2 耕作層土壤重金屬含量特征統計

注:除超標樣本比例和CV單位為“%”外，其他指標的單位均為“mg/kg”；ND表示未檢出；空表示無數據，下同。

用Pearson法進行各重金屬元素相關性分析，結果表明，Cr、Pb、Cu之間呈顯著相關，As、Pb、Cr及Hg、Cu之間呈極顯著相關，元素之間的相關性表現為顯著或極顯著，表明元素間具有一定的同源關系或有一定的復合污染[20]。與云南省表層土壤背景值比較發現(表2)，6種重金屬元素均有不同比例樣本超過背景值，超標比例依次為Pb>Cr>Hg>As>Cd>Cu，Pb含量平均值高于背景值，表明Pb有外源進入，并有一定積累[21]。

直方圖能夠直觀地顯示重金屬元素的含量特征(見圖2)，結合表2進行綜合分析，Hg、Cu(P=0.121、P=0.200>0.05)呈對數正態分布，指示Hg、Cu 2種元素來源相同，主要由土壤母質分化產生；Pb、Cd、As、Cr呈正偏態分布，表明來源比較復雜[22]。

2.2 重金屬潛在生態危害評價結果

2.2.1 富集污染評價

由表3可以看出：整個研究區重金屬元素富集系數均在1以下，為輕微污染，各重金屬污染程度從重到輕依次為Cu>Cd>Cr>Pb>Hg>As；不同土壤利用方式污染程度從重到輕依次為菜園>稻田>蔗園>茶園>膠園>玉米地>果園；不同利用方式重金屬元素富集系數差異較大，玉米地、稻田、蔗園、茶園、膠園、果園、菜園各重金屬污染程度從重到輕依次為Cd>Cu>Cr>Hg>As>Pb、Cr>Cu>Cd>Pb>As>Hg、Cr>Cd>Cu>Pb>Hg>As、Cu>Pb>Hg>As>Cd>Cr、Cu>Cd>Cr>Hg>Pb>As、Cu>Cd>Pb>Hg>Cr>As、Hg>Cr>Cu>Cd>As>Pb。

圖2 重金屬分布直方圖

表3 耕作層土壤重金屬統計表

注：表中數據為平均值加標準差，下同。

由表4可以看出，各重金屬元素富集系數樣本超標比例依次從大到小依次為Hg、Cu>Cr>Cd>As>Pb。利用方式，玉米地Pb、Cd、Hg各有1.5%的樣本及Cu 0.75%的樣本達中度污染；稻田Pb 0.75%、Cu 5.21%的樣本達中度污染；茶園As、Cu各有3.85%的樣本達中度污染；果園Cd、Hg 3.7%的樣本達中度污染；膠園As、Cu各有3.13%的樣本達中度污染；蔗園Cd 1.72%、Cr 10.34%的樣本達中度污染；菜園Hg 46.15%、As 15.38%、Cu 7.69%的樣本達中度污染。表明研究區土壤重金屬已表現出局部污染現象。

表4 耕作層土壤重金屬污染程度分布頻率 %

2.2.2 單因子潛在生態風險評價

由表5分析表明，研究區重金屬元素單因子潛在生態風險指數均在40以下，為輕微生態危害，各重金屬元素單因子潛在生態危害從大到小依次為Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr，這與重金屬元素富集系數排序不一致，一方面受毒性響應系數大小影響，另一方面是某些重金屬元素污染程度較高。從不同利用方式重金屬元素單因子潛在生態危害看，玉米地、稻田、蔗園、果園Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr，茶園、膠園、菜園Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr，表明Pb、Cr 對研究區土壤生態風險危害較小，Cd、Hg生態風險危害較大，應給予密切關注。

表5 耕作層土壤重金屬統計表

單因子潛在生態風險指數超標樣本統計，僅玉米地Cd、Hg分別有1.5%、0.75%樣本及菜園Hg有46.15%樣本潛在生態危害指數達到中等危害，表明研究區土壤局部已受到重金屬Cd、Hg中度生態危害，經實地調查，采樣點周圍無工礦企業，是否因土壤背景值高所至，還是農業投入品的投入導致污染，需進一步研究。

2.2.3 綜合潛在生態風險評價

研究區綜合各樣本潛在生態危害指數為5.24～96.81，平均值為28.32，各樣本RI<150，均處于輕微生態危害，說明整個研究區土壤表層生態環境總體較優越。不同利用方式綜合潛在生態危害指數依次為菜園>膠園>蔗園>玉米地>茶園>稻田>果園。不同的土壤利用方式導致不同的耕作制度，影響著土壤重金屬來源特征。菜園土壤生態風險危害較大，推斷主要原因是蔬菜地多位于城市郊區存在城市污水灌溉；其次，復種指數高、利用強度大，農業投入品如有機肥、化肥、農藥等投入量大所至[23]。

2.2.4 聚類分析

因不同利用方式重金屬元素富集系數及單因子潛在生態風險指數差異較大，簡單地用平均值比較分析不能充分表現出土壤污染特征。因此，進一步進行系統聚類分析，以歐氏距離為衡量類間差異大小的依據，采用最短距離法將富集系數、單因子潛在生態風險指數進行土壤利用方式聚類和重金屬元素聚類[24-25]。結果表明(表6)，富集污染程度，菜園污染相對較重，茶園次之，污染因子以Hg為主；單因子潛在生態風險危害，菜園、膠園生態危害相對較重，茶園次之，研究區生態風險危害因子以Hg、Cd為主。

表6 聚類表

3 結論

1)德宏州耕作土壤重金屬分布差異較大。6種重金屬元素空間變異強烈，Hg、Cu含量呈對數正態分布，Pb、Cd、Hg、As、Cr呈正偏態分布，Pb含量平均值高于云南省背景值，Cd、As、Cr、Pb均有外源影響。

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