江西撫州煙區土壤重金屬風險評估與外源分析

萬應發，馮小虎，劉海偉，石 屹，趙 濤，熊孝年，張勇江，張文梅，譚洪來，楊啟冰

（1.江西省煙草公司撫州市公司，江西 撫州 344000；2.農業部煙草生物學與加工重點實驗室，中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

江西撫州煙區土壤重金屬風險評估與外源分析

萬應發1，馮小虎1，劉海偉2*，石 屹2，趙 濤1，熊孝年1，張勇江1，張文梅1，譚洪來1，楊啟冰1

（1.江西省煙草公司撫州市公司，江西 撫州 344000；2.農業部煙草生物學與加工重點實驗室，中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

為定量評價撫州煙區土壤重金屬污染風險和外源因素，采用野外采樣和室內檢測，對土壤、肥料和灌溉水重金屬狀況進行了分析。結果表明，撫州植煙土壤重金屬污染總體風險較低；煙用肥料和灌溉水重金屬均低于相關限量標準，但復合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有機肥中的Cd和Hg占土壤外源重金屬總量的比例均超過17%，是撫州煙草生產中需主要關注和控制的重金屬元素，其中有機肥是控制的重點；煙草生產季Cd外源總量占對應耕層土壤Cd含量的比例高于As、Cr、Hg和Pb，達到0.81%。所以Cd是撫州煙區土壤重金屬控制的重中之重，外源控制以肥料為主。

植煙土壤；肥料；灌溉水；重金屬；撫州

當前重金屬污染已經成為阻礙農業生產發展最突出的問題之一，高毒性、持久性、生物富集性是重金屬污染對環境造成危害的主要原因。土壤重金屬來源包括自然因素和人為因素。重金屬作為土壤礦物成分，成土母質和成土過程對其含量的影響較大，土壤元素背景值能較好反映這種自然因素的影響。而工農業生產等則是土壤重金屬的人為外源因素，主要有灌溉、施肥和應用農藥等直接人為活動和深受人為活動間接影響的大氣沉降等［1］。煙草是我國種植面積最廣的經濟作物之一，摸清煙區重金屬的外源情況及各源頭所占比重，對于采取適當措施控制，從而進一步降低農作物重金屬含量具有積極意義，但目前對我國煙區重金屬外源方面的分析研究較少［2-3］。因此，本研究在2012—2013年調查采集了江西省撫州市植煙土壤、煙用肥料和煙田灌溉水體樣品，檢測了其中砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）和鉛（Pb）的含量，評估土壤重金屬污染風險，并計算分析不同重金屬外源因素所占比重，對當地煙田土壤重金屬控制具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 調查范圍

撫州市（115°35′～117°18′E，26°29′～28°30′N），位于江西省東部，總面積1.88×104 km2，實有耕地面積2.64×105 hm2。境內東、南、西三面環山，中部丘陵與河谷盆地相間，地勢南高北低，漸次向鄱陽湖平原地區傾斜。地貌以丘陵為主，占總面積的50%；山地次之，占30%；崗地和河谷平原占10%。土壤類型主要有紅壤、水稻土、紫色土、黃壤和粗骨土等，其中紅壤和水稻土分別約占76%和18%。氣候屬南方濕潤多雨季風氣候區，全市年平均氣溫16.9～18.2℃，年平均降水量1600～1900 mm，年平均日照為1582～1928 h［4］。按照中國煙草種植區劃，撫州煙區分屬于皖南贛北丘陵烤煙適宜區［5］。此次調查范圍包括撫州市主要6個植煙縣：黎川、資溪、宜黃、廣昌、樂安和崇仁。

1.2 調查方法

1.2.1 土壤樣品 土壤樣品采集采用典型煙田采樣法［2］。典型煙田的確定采用“以煙定田”的思路：①首先依據撫州市土壤普查資料，按地形地貌、成土母質、土壤條件的空間差異，結合煙葉公司的種植區劃，以鄉鎮為單元，確定最能反映當地煙葉香型風格的典型植煙片區；②在每個植煙片區，依據煙站技術人員和煙農的經驗，加上野外農藝性狀調查，確定煙葉長勢和煙葉質量均具有代表性的田塊，同時參考各縣煙草種植面積和煙葉產量的空間分布情況，最終在市境內6個縣共確定了73個典型采樣點，其中黎川、資溪、宜黃、廣昌、樂安和崇仁樣點數分別為15、18、12、10、9和9個。同一田塊耕作層（0～20 cm）隨機多點采樣，組成混合農化土樣，經分揀雜物、自然風干、研磨后過100目篩備用。

1.2.2 肥料樣品 撫州煙區一般施肥量為9 kg/667 m2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1～1.2∶2.5～3。肥料樣品采集方法參照國家推薦標準GB/T 6679—2003 固體化工產品采樣通則，同一廠家同一肥料品種不重復。合計采集煙用肥料15個樣品，肥料生產廠家分別來自江西、湖北、廣東、四川、福建等地，其中煙草專用復合肥、鈣鎂磷肥、硫酸鉀、硝酸鉀和有機肥各3個，各肥料一般施用量分別為70、25、15、7.5和50 kg/667 m2。

1.2.3 灌溉水樣品 灌溉水采樣方法參照農業行業推薦標準NY/T 396—2000 農用水源環境質量監測技術規范。共采集灌溉水樣品30個。撫州煙田灌溉水量平均為10 t/667 m2。

1.3 檢測方法

土壤樣品稱量0.1 g左右（精確到0.0001 g），加入5 mL濃HNO3、2 mL H2O2和2 mL HF，微波法消解。肥料樣品稱量0.2 g左右（精確到0.0001 g），加入5 mL濃HNO3、2 mL H2O2，微波法消解。消解液經稀釋后使用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，型號X Series 2，美國Thermo公司）測定As、Cd、Cr、Hg和Pb。灌溉水樣品2000 rpm離心5 min后上清液直接檢測。HNO3為電子純，H2O2和HF為優級純。

1.4 數據分析

采用單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數相結合評價土壤重金屬的污染狀況。單因子指數用于對單一重金屬的污染程度進行評價，其計算公式為：

式中，Pi為重金屬i的單項污染指數；Ci為重金屬i的測定值；Si為重金屬i的評價標準，本研究采用農業行業推薦標準NY/T 852—2004 煙草產地環境技術條件標準。根據單因子指數值判斷某種重金屬的污染程度，指數值越大，污染也越嚴重。

內梅羅綜合污染指數是在單項污染指數法評價的基礎上，采用各個單元素污染指數平均值和最大值通過計算后的綜合指數進行評價，其計算公式為：

式中，Pmax為所有單項污染指數的最大值；ˉP為所有單項污染指數的平均值，P為綜合污染指數，數值越大，表示污染越嚴重。

根據環境行業推薦標準HJ/T 166—2004 土壤環境監測技術規范，劃定污染指數的如下分級標準：當P≤0.7時，污染程度為Ⅰ級，處于清潔水平（安全）；當0.7＜P≤1.0時，污染程度為Ⅱ級，尚清潔（警戒線）；當1.0＜P≤2.0時，污染程度為Ⅲ級，輕度污染；當2.0＜P≤3.0時，污染程度為Ⅳ級，中度污染；當P＞3.0時，污染程度為Ⅴ級，重度污染。

應用IBM SPSS 19.0進行數據分析，方差分析采用Ducan法（p＜0.05），應用Microsoft Excel 2010繪圖。

2 結 果

2.1 土壤重金屬含量狀況

撫州市植煙土壤重金屬含量見表1。對比農業行業標準NY/T 852—2004 煙草產地環境技術條件，僅Cd和Hg各有2個樣品超標，超標率為2.7%；其他3種重金屬的含量分別為其限量標準的As 0.08%～31.23%，Cr 2.75%～33.26%，Pb 3.55%～30.87%。5種重金屬的變異系數說明土壤As和Hg的含量波動范圍稍大于Cd、Cr和Pb。撫州市煙田土壤Cd和Hg是需注意控制的元素。

表1 撫州植煙土壤重金屬含量Table 1 Contents of heavy metals in tobacco-growing soils of Fuzhou

2.2 土壤重金屬地區間差異

植煙土壤采集于撫州市轄下6個縣，各縣土壤重金屬含量對比見圖1。廣昌植煙土壤的As含量顯著高于黎川、資溪和宜黃；廣昌的Cr僅與樂安差異不顯著，而顯著高于其他4縣區；黎川與宜黃的Cr也僅與崇仁差異不顯著，而顯著低于其他3縣區；Pb含量分成兩組，黎川、資溪、崇仁與宜黃、廣昌、樂安，同組之間差異不顯著，前組顯著高于后組；黎川和廣昌的Cd顯著高于資溪、宜黃和樂安，資溪的Cd也顯著低于崇仁；黎川的Hg顯著高于其他5縣，資溪的Hg顯著低于黎川、崇仁、宜黃和廣昌。所以，各地需要重點關注的重金屬元素不同，如廣昌的As、Cd和Cr，黎川的Cd、Hg和Pb，崇仁的Pb等。

2.3 土壤重金屬污染風險評估

通過計算土壤樣點5種重金屬的單因子污染指數和綜合污染指數，對撫州煙區土壤重金屬按污染程度進行分類，評估重金屬污染的風險程度（表2）。單因子污染指數表明，撫州煙區土壤As、Cr和Pb均處于清潔水平，Cd和Hg樣點97%以上處于清潔和尚清潔水平，僅少量樣品處于污染水平。綜合污染指數也表明，撫州煙區土壤90%以上處于清潔水平，僅2.7%處于污染水平，說明撫州煙區土壤重金屬風險較低，也同樣表明Cd和Hg是重點關注和控制的重金屬元素。

2.4 肥料重金屬狀況

圖1 撫州各縣區土壤重金屬含量比較Fig.1 Average contents of heavy metals in tobacco-planted soils in different counties of Fuzhou

表2 基于污染指數的撫州植煙土壤重金屬風險評估 %Table 2 Risk assessment of heavy metals in tobaccogrowing soils of Fuzhou with pollution indices

撫州市煙用肥料重金屬含量見表3。對比國家標準GB/T23349—2009 肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態指標，肥料中5種重金屬均不超標，As含量最大值為其限量標準的8.21%，Cd 22.19%，Cr 15.20%，Hg 32.43%，Pb 8.99%。所以，撫州煙用肥料重金屬風險較低。

表4對比了5種不同類型肥料中重金屬含量的差異，發現肥料中的Cd和Pb沒有顯著性差異，專用復合肥中的As、有機肥中的Hg和磷肥中的Cr分別顯著高于其他肥料，是需要重點關注的元素。

2.5 灌溉水重金屬狀況

撫州市煙田灌溉水中重金屬含量見表5。同樣對比農業行業標準NY/T 852—2004 煙草產地環境技術條件，灌溉水中As含量最大值為其限量標準的23.16%，Cd 1.23%，Cr 3.77%，Hg 70.73%，Pb 1.31%。其中Cd和Hg變異系數小于As、Cr和Pb。所以，撫州煙田灌溉水中重金屬風險也較低。

2.6 土壤重金屬外源分析

撫州煙草生產季植煙土壤重金屬外源進入總量和各外源比例見表6和圖2，其中煙草耕層土壤以150 t/667m2計算，肥料與灌溉水進入量按單位面積煙草生產季肥料施用量和灌溉量進行計算（施肥量和灌溉量見2.2），農田大氣重金屬沉降數據來自文獻并以半年進入量計算［6］。由總量計算可知，每個煙草生產季As、Cr、Hg和Pb外源總量分別占對應耕層土壤重金屬含量的比例均小于0.5%，而Cd的比例達到0.81%，所以Cd是撫州煙區土壤重金屬控制的重點。從各外源比重分析，重金屬外源以大氣沉降為最多，包括粉塵煙氣的干沉降和降水的濕沉降，占As、Cr和Pb外源總量的68%以上，其中Pb已達到90.8%。調查中的灌溉水帶入的重金屬均占外源總量的2%以下，只要控制水源的污染，灌溉水的影響可以忽略不計。肥料是植煙土壤外源重金屬的另一重要因素，其中復合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有機肥中的Cd和Hg均超過外源總量的17%，復合肥中的Cd、有機肥中的As、Cr和Pb也均超過了外源總量5%，均是此后煙田重金屬外源控制的重點。

表3 撫州煙用肥料重金屬含量Table 3 Contents of heavy metals in tobacco fertilizers ofFuzhou

表4 撫州不同種類煙用肥料重金屬含量比較Table 4 Average contents of heavy metals in different tobacco fertilizers of Fuzhou

表5 撫州煙田灌溉水重金屬含量Table 5 Contents of heavy metals in tobacco irrigation water of Fuzhou

表6 撫州煙田耕層土壤煙草生產季重金屬外源總量及其所占比例Table 6 Input of heavy metals into the soil in the tobaccoplanting season of Fuzhou

3 討 論

圖2 撫州煙草生長季植煙土壤重金屬外源進入狀況Fig. 2 Proportion of heavy metal input into soil in the tobacco-planting season of Fuzhou

土壤母質和成土過程是土壤重金屬的主要內源因素。江西礦產豐富，僅撫州市地下就有銅、鈾、瓷土、金、鎢、煤、稀土、螢石、石墨等20多種，已探明儲量的礦床230處［4］，而重金屬易跟礦產伴生。江西省As、Cd、Cr、Hg和Pb的土壤背景值分別為14.90、0.11、45.90、0.08和32.30 mg/kg，其中As、Cd、Hg、Pb高于全國平均水平［7］，存在潛在的環境風險。魏益華等［8］報道撫州部分煙區土壤中Cd和Hg含量超過了相應標準值，Cd和Hg為主要風險因子，這與本文的分析相一致。因此撫州植煙土壤重金屬有潛在的環境風險，需要控制重金屬的外源進入，特別是Cd和Hg。土壤重金屬來源主要為肥料、農藥殘留、大氣、降水和灌溉。農藥的使用會加重As、Pb等重金屬污染，但目前含重金屬類農藥在煙草生產中已被限制使用，因此本研究并未將農藥施用對植煙土壤和煙葉重金屬的外源影響考慮在內。近年來大氣沉降對土壤、植物中重金屬積累的影響已受到人們的關注，已有研究證實大氣沉降對植物中重金屬積累的影響包括間接或直接的影響，即通過污染土壤影響土壤上生長植物的重金屬積累和通過植物地上部分吸收進入植物體［9］。本研究中大氣沉降重金屬數據采用文獻中我國農田多年沉降的平均值，雖然地域之間由于工農業布局等因素或略有差異，但確定的是大氣沉降已成為土壤或環境中重金屬主要來源之一。除污水灌溉以外，普通農田灌溉水，如河水、湖水、水庫水、地下水等中重金屬含量一般均低于限量標準，由于灌溉僅是對自然降水的補充，所以本文也證明灌溉水中重金屬僅占外源總量的較小部分，定期監測即可，不必采取控制措施。肥料是土壤外源重金屬的另一重要因素，雖然一般農家肥重金屬的含量較低，但許多集中式大規模畜禽養殖場由于使用的飼料等中存在重金屬，產出的糞肥重金屬甚至超標［10］，磷肥也含有不可忽視的重金屬［11］。肥料中重金屬也是土壤各種外源途徑中較為可控的因素。通過重金屬不同外源進入量比例的計算發現，復合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有機肥中的Cd和Hg均是撫州煙草生產中需主要關注和控制的重金屬元素，其中有機肥是控制的重點。

4 結 論

（1）撫州植煙土壤重金屬污染總體風險較低，As、Cr和Pb處于清潔水平，Cd和Hg是主要風險因子。（2）煙用肥料重金屬均低于國家限量標準，但復合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有機肥中的Cd和Hg占有土壤外源重金屬總量較高的比例，是撫州煙草生產中需主要關注和控制的重金屬元素，其中有機肥是控制的重點。（3）灌溉水中的重金屬含量均遠低于行業標準，其占外源總量的比例也較小，不是控制的重點。（4）煙草生產季Cd外源總量占對應耕層土壤Cd含量的比例高于As、Cr、Hg和Pb，所以Cd是撫州煙區土壤重金屬控制的重中之重。

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［4］ 撫州市地方志辦公室. 自然環境［EB/OL］. 2013. http∶//www.jxfz.gov.cn/ljfz/sqgl/201304/t20130412_19 19072.htm.

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Risk Assessment and Input Source Analysis of Heavy Metals in the Soil of Tobacco-planting Regions of Fuzhou， Jiangxi Province

WAN Yingfa1， FENG Xiaohu1， LIU Haiwei2*， SHI Yi2， ZHAO Tao1， XIONG Xiaonian1，ZHANG Yongjiang1， ZHANG Wenmei1， TAN Honglai1， YANG Qibing1
（1. Fuzhou Branch of Jiangxi Tobacco Company， Fuzhou 344000， China； 2. Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing，Ministry of Agriculture， Tobacco Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266101， China）

The samples of soil， fertilizer and irrigation water were collected in tobacco field in Fuzhou， Jiangxi Province， and the contents of As， Cd， Cr， Hg and Pb in these samples were determined in laboratory. The input sources of heavy metals in the soil were also calculated and analyzed. The results showed that heavy metal contents in the fertilizers and irrigation water were both below the limit standards. The contents of As and Cr in compound fertilizers， Cr in phosphate fertilizers， Cd and Hg in organic fertilizers made up more than 17% of total input sources of the according heavy metals in the soil. These metals in those fertilizers are therefore the key of source control， especially in organic fertilizers. The Cd inputted into soil in the tobacco-planting season was 0.81% of total Cd in topsoil， which was higher than those of As， Cr， Hg and Pb. Therefore， Cd should be given primary importance among priorities in controlling of heavy metals in tobacco-planted soils of Fuzhou.

tobacco planted soil； fertilizer； irrigation water； heavy metal； Fuzhou

S572.06

1007-5119（2015）06-0043-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2015.06.008

中國煙草總公司江西省公司科學研究與技術開發計劃項目（201101005）；國家煙草專賣局特色優質煙葉開發重大專項“低危害煙葉開發”（TS-06-20110037）

萬應發（1966-），男，農藝師，主要從事煙葉質量管理及土壤修復方面工作。E-mail：854776061@qq.com。*通信作者，E-mail：

heaveyliu@163.com

2015-04-16

2015-09-06