不同農地利用方式土壤砷、汞累積特征分析及評價研究

朱溪橋，高雪松，唐世超，鄧良基，李啟權，胡玉福

（1.四川農業大學資源環境學院，四川成都611130；2.成都市國土規劃地籍事務中心，四川成都610074）

重金屬具有不可降解、易富集等特征，且易通過物理、化學和生物等表生地質作用，借助地表徑流、地下水和大氣傳輸進入表生地球化學循環系統，進而進入生態鏈的循環中，對農田生態環境及食品安全存在潛在威脅。砷由于其化學性質和環境行為與重金屬有很多相似，因此也將其包括進土壤重金屬范圍內。砷和汞都是引起土壤污染的重要元素，并且與人類健康關系密切，屬于易致癌物質[1-2]。當土壤中的砷、汞累積到一定程度時還會減少作物的產量，降低耕地產能，從而影響社會和經濟的可持續發展[3]。土壤重金屬作為生態環境質量好壞的重要指示物，其含量受土壤肥力、土壤物理性質、田塊地理位置、灌溉方式以及土地利用方式等自然因素和人類活動因素的共同影響[4-5]。研究表明土地利用方式對土壤重金屬含量影響顯著。宋成軍等[6]通過前人研究，闡明了土地利用在土壤重金屬污染風險預測和污染土壤修復中的重要作用。白玲玉等[7]發現土地利用方式對 As、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn的累積具有顯著影響，其中設施菜地累積較顯著。上述研究證明土地利用與重金屬含量有密切關系。都江堰作為成都平原上重要的商品糧油、蔬菜、水果生產基地，農地利用方式多樣，其生態質量水平直接關系到現代農業資源的合理利用。本文以都江堰為研究區域，分析不同農業利用方式下土壤耕層砷、汞的富集狀況，并利用地累積指數法和潛在生態風險指數對農田土壤砷、汞污染狀況和潛在生態風險進行評價，以期為該區現代農業中重金屬監測防控、農產品安全生產提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區位于成都平原西北部，地理位置介于東經103°25'42"～103°47'，北緯 30°44'54"～31°22'9"。區域屬中亞熱帶濕潤氣候區，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，年均氣溫15.2℃，年均降雨量1243.80mm，年平均日照時數1016.9h，無霜期長，年均無霜期269d。成土母質主要為侏羅系自流井群巖層風化物、第四紀全新統沖洪積物，侏羅系沙溪廟組巖層風化物。土壤類型以黃壤、水稻土為主，土地利用類型以旱地、水田、果園、菜地為主。農業生產采用多熟制，主要種植玉米、小麥和水稻；種植的經濟作物主要是油菜、獼猴桃等，土地墾殖率較高。

1.2 樣品采集及分析

土壤采樣點的布設按照網格法和分層抽樣法進行設計。野外樣品采集過程中利用1:5萬地形圖和GPS（Etrex）進行樣點定位，并根據實地情況進行樣點調整，共獲得73個土壤樣點，其中旱地29個，水田22個，果園、菜地土壤樣本共22個（圖1）。每個樣點在同一地塊內按照梅花布點法取5個小樣點，制成一個混合樣，每個土樣最后保留0.5kg。準確稱取100目干燥土壤樣品0.1000g到三角燒杯中，用10mL王水半封閉在電熱板上消解溶樣（溫度≤140℃）3h，將樣品取下冷卻，用超純水將消解液轉移到50mL刻度試管中定容，搖勻，靜置待用，用氫化物原子熒光光譜法（HG-AFS）測定Hg含量，同時做試劑空白；取10mL澄清液至25mL的容量瓶中,加入5mL硫脲-抗壞血酸混合溶液,用水稀釋至刻度，放置30-40min，用氫化物原子熒光光譜法（HG-AFS）測定As含量，同時做試劑空白。分析過程所用試劑均為優級純，所用的水均為超純水。土壤理化性狀指標的測定采用土壤農化常規分析方法[8]檢測。

圖1 研究區位置和樣點分布圖

1.3 生態風險評價方法

為了定量評價研究區土壤砷、汞在4種不同農地利用方式下對生態安全的影響，本研究采用地累積指數（the index of geoaccumulation,Igeo）和潛在生態指數法對土壤砷、汞2種重金屬污染程度及潛在生態風險進行評估。

1.3.1地累積指數法 地累積指數法是在20世紀60年代晚期在歐洲發展起來的用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標[9]。其計算公式如下：

式中Cn為實測重金屬含量，mg/kg；Bn為當地沉積物重金屬含量背景值，mg/kg；K一般取1.5，是為消除各地巖石差異可能引起背景值變動的修正系數[9]。地累積指數的分級標準與污染程度的劃分見表1。

表1 地累積指數法分級標準

1.3.2潛在生態指數法 潛在生態指數法是Hakanson應用沉積學原理建立的評價重金屬污染和潛在生態風險的方法。該方法兼顧了環境中各項污染物影響和污染物綜合影響，并定量劃分出重金屬的潛在生態風險程度，是目前評價重金屬潛在生態風險廣泛應用的方法[5]，其計算式如下：

根據Hakanson的分級標準[5]，重金屬潛在生態風險評價指標見表2。

表2 潛在生態危害系數、危害指數與生態危害程度分級

2 結果與分析

2.1 不同農地利用方式土壤pH、有機質和土壤砷、汞含量分析

研究選擇對重金屬含量有較大影響的pH和有機質作為理化指標進行分析（表3）。pH是影響土壤重金屬形態與含量的重要指標，大部分采樣點土壤pH呈酸性，僅23.29%的樣點土壤pH呈弱堿性，其中pH最高值出現在水田土壤中，而菜地所有樣點均小于7；有機質含量最高的是果園土壤，菜地次之，水田最低。

表3 研究區不同農地利用方式土壤理化性質分析

4種農地利用方式下土壤砷、汞含量存在差異（表4）。研究區土壤As平均含量為7.24mg/kg，不同農地利用下其含量由高到低的順序排列為：果園＞水田＞菜地＞旱地。果園中As平均含量最高，為8.61mg/kg，分別高出旱地、水田和菜地土壤的1.28倍，1.14倍和1.21倍。As在果園土壤中含量高，這與該用地方式下肥料的施用量有關。果園由于其生物量大，因此施肥量顯著高于其他糧田[10]。實地調查發現研究區果園主要施加磷肥及鉀肥，有研究表明磷肥的含砷量最高，有的甚至高達273mg/kg[11]。除此之外，果園中大量施用的殺蟲劑也是果園土壤中重金屬的重要來源，這些殺蟲劑除直接與果樹葉片、作物粘結外，大部分均散落在土壤表面，并在土壤中殘留累積[12]。對4種農地利用方式土壤砷含量進行單因素方差分析，果園土壤中砷同旱地土壤中的砷存在顯著性差異(p<0.05)。與背景值比較，研究區73個樣點土壤砷含量平均值（7.46mg/kg）并未達到國家背景值（11.20mg/kg）和川西平原背景值（7.79mg/kg）。旱地、水田、菜地中土壤砷含量平均值低于川西平原背景值，而果園中土壤砷含量低于國家背景值，高于川西平原背景值11.5%。4種不同農地利用方式均有樣點超出川西平原背景值，其比例分別為31.03%，45.45%，55.56%以及75%。與國家土壤環境質量標準(GB156l8～1995)相比，4種農地利用方式土壤砷都處于一級標準，并未造成污染。

土壤Hg平均含量為0.29mg/kg，不同土地利用下其含量由高到低依次為：果園＞菜地＞旱地＞水田。果園土壤中Hg含量為0.330mg/kg，分別是旱地、水田和菜地土壤的1.22倍，1.26倍和1.19倍。土壤Hg在菜地中含量也較高，這是因為菜地利用強度大，復種指數高，因此其化肥和有機肥的投入量遠高于糧田[13]。對4種農地利用方式土壤砷含量進行單因素方差分析，果園和旱地以及果園和水田差異顯著(p<0.05)。與背景值比較，研究區73個樣點土壤汞含量平均值（0.29mg/kg）高于川西平原背景值（0.18mg/kg）61.1%，高于國家背景值（0.07mg/kg）314.3%。旱地、水田、果園和菜地中土壤汞含量平均值分別高于川西平原背景值50.0%、44.4%、83.3%和55.6%。4種不同農地利用方式均有90%以上樣點數超出川西平原背景值。與國家土壤環境質量標準(GB156l8～1995)相比，僅在旱地利用方式中有1處樣點處于一級標準，占旱地樣點3.4%，其余96.6%為二級標準，水田、果園和菜地樣點均處于二級標準，但并未危害人體健康。與土壤砷比較，土壤中汞的富集更明顯一些。

變異系數是統計數波動的參數，在一定程度上反映了該元素的分布特征。4種不同農地利用方式，土壤砷、汞的變異程度都比較弱，說明在這4類土地利用中其空間分異較小或污染程度具有相似性。

表4 研究區不同農地利用方式下土壤砷、汞含量描述性統計表

2.2 土壤重金屬及其與pH、有機質的相關關系

土壤As、Hg含量與土壤pH、有機質之間的相關性分析可知(表5)，土壤pH與土壤As和Hg含量呈負相關，其中與土壤Hg相關性顯著（p＜0.05），這一結果與佘加平[16]研究結果一致。土壤中有機質與土壤中As呈顯著負相關（p＜0.05），土壤Hg含量與有機質含量呈顯著正相關（p＜0.05），這是因為土壤對砷的吸附主要是通過帶正電荷的微粒和帶負電荷的砷絡陰離子之間的相互作用實現，有機質是土壤中普遍存在的帶負電荷的膠體，它與土壤間吸附反映往往優先于砷絡陰離子，因此土壤中有機質含量越高，土壤顆粒所帶正電荷就相應減少，最終結果反映出土壤中砷和有機質之間的負相關[17]；而有機質含量高說明土壤腐殖質含量高，土壤腐殖質對Hg2+有很強的螯合能力和吸附能力，通過生物小循環和土壤上層腐殖質的形成，使得土壤中的Hg積累[18]。As與Hg相關性不顯著，說明研究區土壤As和Hg來源可能并不一致。

2.3 不同農地利用方式土壤砷、汞地累積指數評價

本文以四川省砷、汞土壤環境背景值分別作為研究區土壤砷、汞的背景值，以4種農地利用方式下的砷、汞的平均含量作為研究區農用土壤的代表性含量進行地累積指數計算，從而評估其土壤砷、汞的總體污染富集程度。

表5 研究區土壤砷、汞與土壤pH和有機質的相關性分析

地累積指數分析結果見表6，反映了土壤砷、汞在不同農地利用方式下的污染程度。按照地累積指數分級標準（表1），4種土地利用方式中土壤As含量均處于安全水平，而土壤Hg存在污染，這與之前的結論一致。土壤汞污染在果園內最嚴重，菜地次之，旱地最小，而在水田中土壤汞地累積指數小于0，還未受到污染。研究區汞污染程度僅在1級，屬于輕度污染。

表6 研究區土壤中砷、汞的地累積指數及其污染級別

運用木桶定理，引入了綜合地累積指數Itot，將研究區所有重金屬地累積指數Igeo的最大值定位為Itot，并根據綜合地累積指數進行評估。從表6數據分析可以得出研究區綜合地累積指數Itot值最高僅為1，除水田土壤沒有出現重金屬砷、汞的富集外，其他三種農業用地均出現富集現象。

2.4 不同農地利用方式土壤砷、汞的潛在生態風險評價

根據Hakanson歸一化處理后的毒性系數，本研究將砷和汞的毒性系數分別取值為10和40[10]，對研究區不同農地利用方式砷和汞潛在生態風險因子及指數進行計算，并選取川西平原土壤砷、汞環境背景值為參比值，結果列于表7。

表7 不同農地利用方式土壤中重金屬的潛在生態因子（Ei）和潛在生態風險指數（RI）統計

4種農地利用方式下土壤砷、汞綜合潛在危害指數順序為 R果園＞R菜地＞R旱地＞R水田，分別為 68.63、67.57、84.33和70.82，均小于150，屬輕度污染。從單元素角度分析可知：土壤As在果園中值最大，為 11.06，旱地中最小，為 8.63；土壤Hg在果園中值最大，為73.27，水田中最小，為57.89。兩者比較，土壤As在4種農地利用方式中值均小于40，風險等級屬于A級，潛在生態風險低；土壤Hg在不同農地利用方式中值均高于40小于80，風險等級屬于B級，其潛在生態風險程度高于As。上述結果表明，不同農地利用方式中，土壤重金屬元素砷和汞含量存在差異，并均存在富集趨勢，對該區生態環境存在潛在威脅。

3 結論

（1）4種不同的農地利用方式下，土壤砷含量從高到低依次為：果園＞水田＞菜地＞旱地；土壤汞含量由高到低依次為：果園＞菜地＞旱地＞水田。土壤砷和汞在果園土壤中含量最高，分別為8.61mg/kg、0.33mg/kg，與川西平原背景值相比，分別高出10.5%、83.3%。這與不同農地利用方式下土地利用強度以及不科學的化肥、農藥施加有關。

（2）研究區土壤pH與Hg含量呈顯著負相關（p＜0.05）；土壤有機質與As含量呈顯著負相關（p＜0.05），與Hg含量呈顯著正相關（p＜0.05）。

（3）研究區耕地除水田土壤以外，其余三種農業利用方式土壤砷、汞污染屬于1級污染，污染程度屬于輕度污染。其中不同農地利用方式下土壤表層汞污染程度主要為輕度污染，而砷污染級別均為0級，即還沒有出現砷污染。

（4）綜合潛在風險指數表明研究區兩種重金屬的潛在生態風險值較低，生態危害程度為輕微污染。從單元素角度分析，汞的潛在生態危害程度高于砷，在現代化農業生產活動中應注意合理施肥及耕作，以避免重金屬的進一步富集。

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