湖北省某地農田土壤中重金屬污染的風險評價

易甜　姚晶晶　李書謙　彭立軍

摘要：通過對湖北省某地農田土壤中5種重金屬（As、Cd、Cr、Hg、Pb）的污染風險進行評價，了解該地區(qū)農田重金屬污染現狀。采用統計學分析方法，并結合單因子污染指數和潛在生態(tài)風險指數法對土壤中重金屬污染狀況進行評估。結果表明，土壤中重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的平均含量均未超過國家二級標準，其單因子污染指數平均值都小于0.7。重金屬超標的46個樣本點的潛在生態(tài)危害綜合指數結果表明，輕微生態(tài)危害樣品點45個；中等生態(tài)危害樣品點1個；該研究區(qū)農田重金屬潛在生態(tài)危害由重至輕依次為Cd、Cr、Hg、Pb、As。從整體水平來看，該研究區(qū)土壤污染等級處于安全狀態(tài)。

關鍵詞：農田；重金屬；污染；風險評價

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6379-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.074

Abstract： This study was conducted to establish the contamination status，and explore the pollution assessment of As，Cd，Cr，Hg and Pb in the agricultural soils from an place in Hubei province. Potential ecological risk assessment of the heavy metals was analyzed with statistics，single-factor and Hakanson potential ecological risk index techniques.The results showed that the average values of soil heavy metal content of As，Cd，Cr，Hg and Pb were lower than the national soil environmental quality standard grade II and the average values of the single factor index was less than 0.7. The results of 46 of heavy metal exceeding samples showed that there was 45 slight pollution risk index regions and 1 medium pollution risk index region. Cd pollution in soils was the most serious，followed by Cr，Hg，Pb，and As.As a whole，the study of agricultural soil pollution level was in a safe level.

Key words：agricultural soil；heavy metals；pollution；risk assessment

隨著經貿全球化的迅速發(fā)展，農產品貿易日趨成熟，各國政府對糧食質量安全問題尤為重視。農田土壤環(huán)境是糧食的生產源頭和重要環(huán)境要素，土壤環(huán)境直接影響糧食的安全。重金屬作為土壤一個基本生態(tài)安全指標，是評判區(qū)域性生態(tài)環(huán)境的必要參數[1，2]。分析農田土壤重金屬的基本狀態(tài)是判斷該地區(qū)糧食質量安全的有效的手段。

該試驗以湖北省某地區(qū)農田土壤為研究對象，分析土壤重金屬砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）和鉛（Pb）的污染狀況，并采用單因子指數法和潛在危害指數法，評價湖北省某地農田重金屬污染程度和潛在生態(tài)危害，該研究對提高糧食生產質量和對不同污染程度的土壤進行規(guī)避或修復具有一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料

根據地塊情況，選擇采用梅花五點法、對角線法、棋盤法或蛇形法，采集湖北省某地糧食主產區(qū)耕作層土壤（0～20 cm）樣品400個，樣品pH均小于6.5。土壤樣品風干磨碎，并過100目標準尼龍篩，裝棕色瓶備用。采樣時嚴格避免與金屬器具的接觸，以免污染樣品[3]。

1.2 方法

1.2.1 重金屬含量測定 用HCl-HNO3消解，原子熒光光度計法測定As和Hg[4]。用HNO3-HClO4-HF法消解，石墨爐原子光度法測定Pb和Cd，火焰原子光度法測定Cr[4，5]。在樣品消化和測定過程中，各設3個空白樣品、平行樣品和標準物質（GSS-2、GSS-15）同步分析，控制分析結果質量。

1.2.2 數據統計 數據采集與統計參照《中華人民共和國土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618-1995）分析農田土壤重金屬污染情況進行統計分析，得出其重金屬含量分布狀況。根據國家土壤環(huán)境質量標準對土壤環(huán)境質量分類，Ⅱ類主要適用于一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。國家土壤環(huán)境質量標準對各類土壤環(huán)境質量執(zhí)行標準的級別規(guī)定，Ⅱ類土壤環(huán)境質量執(zhí)行二級標準，二級標準為保障農業(yè)生產，維護人體健康的土壤限制值[6]。該研究區(qū)農田pH小于6.5，屬于酸性土壤，所有土壤限制值按照酸性土壤標準來評價。

1.2.3 單因子污染指數法[3] 單因子污染指數法常用于評價土壤被某一重金屬的污染程度，是中國較為通用的方法，其計算公式為：

Pi=■ （1）

式（1）中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質量指數；Ci為污染物i的實測濃度；Si為污染物i的評價標準值。具體分級標準見表1。

1.2.4 潛在生態(tài)危害指數法[7] 潛在生態(tài)危害指數法由瑞典科學家Hakanson提出，是根據重金屬性質及其在環(huán)境中遷移轉化沉積等行為特點，從沉積學的角度評價土壤或者沉積物中的重金屬[7，8]。該方法首先要測得土壤中重金屬的含量，通過與土壤中重金屬元素背景值的比值得到單項污染指數，然后引入重金屬毒性響應系數，得到潛在生態(tài)危單項系數，其計算公式為：

Eir=Tir×Pi=Tir×■ （2）

式（2）中，Eir為單項潛在生態(tài)危害系數，Tir為重金屬i的毒性系數，Pi為單因子污染指數。此值反映了該種重金屬的毒性水平及水體對其污染的敏感性。

通過對單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數加權，得到該區(qū)域農田中多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數（RI），其計算公式為：

RI=■Eir （3）

式（3）中，RI為綜合潛在生態(tài)危害系數，Eir為單項潛在生態(tài)危害系數。重金屬的生物毒性系數、參比值和評價標準，分別如表2和表3所示[9]。

1.2.5 數據處理 采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 19.0分析軟件進行整理與分析。

2 結果與分析

2.1 統計學方法

利用分析軟件對研究區(qū)土壤重金屬含量進行描述性分析，各項統計指標如表4所示。從表4中可以得出，研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量變化范圍分別為1.63～59.50 mg/kg，0～0.90 mg/kg，22.20～135.00 mg/kg，0.03～1.87 mg/kg和16.10～315.00 mg/kg。研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Hg和Pb含量平均值均超過湖北省土壤背景值，其中，重金屬Pb積累最為明顯，含量為背景值的1.54倍；其他依次為Hg（1.50倍）、As（1.37倍）和Cd（1.06倍）。重金屬Cr含量低于背景值，說明沒有明顯積累。與國家土壤質量標準相比，研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量均低于國家二級標準，說明該研究區(qū)土壤并未受到較大污染，保護較好。

峰度和偏度是描述數據正態(tài)分布的兩個指標。峰度是統計數據分布的陡峭程度，偏度則顯示分布左右對稱的情況。峰度最大的是重金屬Hg（111.71），說明數據分布高聳狹窄；峰度最小的是Cr，峰度小于0且接近于0，說明數據分布比較平坦。5個重金屬的偏度均大于0，說明數據多集中在正態(tài)中心左側。

變異系數作為反映統計數據波動特征的參數，可從一定程度上反映其積累的分布與均勻狀態(tài)。變異系數最大的重金屬是Hg，表明重金屬Hg的分布最不均勻，且受人為干擾強于其他4種重金屬。

2.2 單因子污染指數法

根據單因子污染指數法的計算公式，計算結果如表5所示。以土壤環(huán)境質量標準GB 15618-1995中的二級標準限值為評價標準，研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的污染指數平均值范圍為0.16～0.59，均小于0.7，說明整體上污染指數較低，污染情況較輕，這與統計學方法結論保持一致。Cr的Pi最大值為0.54，小于0.7，表明Cr屬于清潔等級；As和Pb的污染指數最大值分別為1.98和1.26，兩者的超標樣數分別為10和2，說明有部分地區(qū)農田已經達到輕度污染級別，需要引起重視，避免污染日趨嚴重；Cd和Hg污染指數最大值分別為3.00和6.24，兩者的超標樣數分別為23和16，已經達到重度污染級別，從數量上和廣度上都遠遠超過其他重金屬，必須引起高度重視，并對污染嚴重區(qū)域農田進行綜合治理。

2.3 潛在生態(tài)危害指數法

根據單因子污染指數法結果，針對重金屬超標的46個樣本點，進行重金屬潛在生態(tài)危害評價。經計算，湖北某地農田土壤中5種金屬的潛在生態(tài)危害指數（Eir）和潛在生態(tài)危害綜合指數（RI）如表6所示。

根據單因子潛在生態(tài)危害指數（Eir）分析，重金屬As、Hg和Pb危害程度相對較低（Eir<40）；重金屬Cr有7個采樣點屬于中等生態(tài)危害（40≤Eir<80），2個采樣點達到強生態(tài)危害（80≤<160）；重金屬Cd有13個采樣點屬于中等生態(tài)危害（40≤Eir<80），2個采樣點達到強生態(tài)危害（80≤Eir<160），1個采樣點甚至出現了很強生態(tài)危害的信號（160≤Eir<320）。

潛在生態(tài)危害綜合指數（RI）結果表明，在研究區(qū)土壤重金屬超標的46個采樣點中，屬于輕微生態(tài)危害（RI<150）的有45個；屬于中等生態(tài)危害1個（150≤RI<300）。

無論以單因子的潛在生態(tài)系數（Eir），還是以多因子的潛在生態(tài)危害指數（RI）來評價，該研究區(qū)土壤重金屬污染最嚴重的是Cd，其次是Cr、Hg、Pb、As。

3 小結

與國家土壤質量標準相比，研究區(qū)農田土壤中5種重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量均低于國家二級標準，其單因子污染指數平均值都小于0.7，說明研究區(qū)農田整體上并未受到較大污染，保護較為完善。針對重金屬超標的46個樣本點，進行重金屬潛在生態(tài)危害評價。潛在生態(tài)危害綜合指數RI結果表明，研究區(qū)中屬于輕微生態(tài)危害（RI<150）的有45個；屬于中等生態(tài)危害1個（150≤RI<300）；該研究區(qū)農田重金屬潛在生態(tài)危害由重至輕依次為Cd、Cr、Hg、Pb、As。

參考文獻：

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