河南糧食主產區土壤重金屬潛在生態風險評價

史聆聆　李小敏　馬建鋒　李　萌

(中國環境科學研究院，北京　100012)

河南糧食主產區土壤重金屬潛在生態風險評價

史聆聆李小敏馬建鋒李萌

(中國環境科學研究院，北京100012)

【摘要】為掌握河南省糧食主產區土壤重金屬污染狀況，對周口市太康縣、商丘永城市、南陽唐河縣96個農田土壤重金屬采樣監測數據，采用單因子指數、內梅羅綜合評價和潛在生態風險評價3種方法進行評價。結果表明：①三地土壤中Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni8項指標均達到《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)二級標準，單因子污染指數Ni最高(均值最大為0.61)、Pb最低(均值最大為0.10)；②內梅羅污染指數最大值為0.64，土壤清潔，處于安全水平；③考慮各指標的毒性不同，8項指標的單項潛在生態風險指數Cd最大(均值最大為10)、Pb和Zn較小(Pb均值最大為0.5、Zn均值最大為0.3)，單項指標和綜合評價均處于低風險等級；④3種評價方法的評價結果基本一致，河南省糧食主產區農田總體質量較好。

【關鍵詞】糧食主產區；土壤；重金屬；潛在生態風險評價

中圖分類號：X825

文獻標識碼：碼：A

文章編號：號：1673-288X(2015)05-0149-05

Abstract：In order to master the pollution of heavy metals in the main grain producing areas of Henan Province，three methods(single factor index，Nemero combined evaluation，and the potential ecological risk assessment) were used to evaluate the farmland soil heavy metals including Cd，Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn，Ni pollution condition in Zhoukou city Taikang county，Shangqiu city Yongcheng county and Nanyang city Tanghe county. The results showed：1)Soil heavy metals in three places achieved the second classof GB15618—1996 Environment Quality Standard for Soils，and the single factor pollution index of metal Ni was the highest(the maximum average value was 0.61) and Pb was the lowest(the maximum average value was 0.10) in three places. 2)The maximum of Nemero pollution index was 0.64，the soil were all clean，safe. 3) Considering different heavy metal toxicity，the maximum of potential ecological risk index was Cd(10)，the lowest was Pb(0.5) and Zn(0.3)，the single index and comprehensive assessment were in low risk level. 4) The quality of Henan farmland soil was all right，there had no difference among three methods of evaluation basically.

Keywords：main grain producing areas；soil；heavy metal；potential ecological risk assessment

作者簡介：包麗艷，研究員，吉林省環科院環境規劃所所長，研究方向為環境規劃與科研

近年來，農田土壤重金屬污染嚴重威脅農產品的產地環境，成為影響食品質量安全與農業生態環境的突出問題[1-5]，從2009年至今已有多起重大、特大重金屬污染事件，這些事件涉及甘肅、陜西、安徽、河南、湖南、福建、廣東等省。2013年環保部的調查顯示，華南地區部分城市有50%的耕地土壤遭受鎘、砷、汞等有毒重金屬和石油類有機物污染；長江三角洲地區有的城市連片的農田受多種重金屬污染，致使10%的土壤基本喪失生產力。據測算，當前每年受重金屬污染的糧是高達1200萬噸，相當于4000萬人一年的口糧[6]。土壤重金屬污染得到了政府部門和相關學者的重視，國家先后發布了污染場地調查、環境監測、風險評估、土壤修復等技術導則，學者大多利用各種方法對重污染企業重金屬污染開展研究。

目前對重金屬的評價，國內外學者從不同角度提出了許多評價方法，德國、英國、美國、瑞典等國的科學家從沉積學角度提出了多種重金屬的污染評價方法[7-10]，如內梅羅指數法，綜合評價模型如模糊綜合評價法、層次分析法等，基于統計理論的克里金插值方法、基于土壤景觀模型的方法等[11-17]。瑞典著名地球化學家Hakanson(1980)提出了潛在生態指數法，該方法結合了環境化學、生物毒理學方面內容，以定量的方法計算重金屬潛在危害指數并劃分危害等級，是目前此類研究中應用較為廣泛的一種評價方法[18-22]。高鵬等[23-30]在研究土壤重金屬污染評價中，也使用了潛在生態風險評價法，但在眾多環境污染評價中，往往是針對單個農田、菜地、城市、重污染企業、道路周邊的土壤進行評價，缺少對糧食主產區大范圍污染狀況的評價。河南是我國傳統意義上的糧食主產區，主要提供小麥、水稻、棉花等農產品，其中小麥產量約占全國1/4左右，在我國中部地區具有一定的代表性。筆者以河南省商丘市、周口市和南陽市糧食主產區土壤重金屬污染數據為基礎，分別利用單因子評價指數、內梅羅綜合評價指數和潛在生態風險指數法進行對比分析，并評估其潛在生態風險，對于糧食主產區土壤重金屬的污染治理、作物種植的重金屬污染規避、保障國家糧食安全等具有重要的指導價值。

1材料與方法

1.1　樣品采集與處理

樣品采集區域分別為河南省商丘市永城市、周口市太康縣、南陽市唐河縣的耕地，布點網格約為1km×1km，使用GPS衛星定位儀進行定位布點。共采得96個樣品，其中永城市蘇陳莊36個、太康縣東扶村35個、唐河縣咎崗鄉25個，采樣點附近均無工礦企業。

采樣深度20cm，具體到每個點，一般劃定1m×1m的網格范圍，在其四周4個點和中心點分別取樣，組成一個約1kg干重的土壤混合樣品，然后用無菌的聚乙烯袋將采集的樣品裝好，并貼上標注有采樣序號和日期的標簽，運回實驗室經風干、粗磨、細磨、過100目篩制備后分析測試。其中，風干是在風干室將土樣放置于風干盤中，攤成2～3cm的薄層，適時壓碎、翻動，揀出碎石、沙礫、植物殘體等。粗磨是在磨樣室將風干的樣品倒在有機玻璃板上，用木錘敲打，用木滾、木棒、有機玻璃棒再次壓碎，揀出雜質，混勻，并用四分法取壓碎樣，過孔徑0.25mm(20目)尼龍篩。過篩后的樣品全部置無色聚乙烯薄膜上，并充分攪拌混勻。細磨是研磨到全部過孔徑0.15mm(100 目)篩。

1.2　分析方法

待測8種重金屬為：Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni。其中，w(Cd)、w(Pb)采用GB/T 17141—1997《石墨爐原子吸收分光光度法》測定；w(Hg)采用GB/T22105.1—2008《原子熒光法》測定；w(As)采用GB/T22105.12—2008《原子熒光法》測定；w(Cu)、w(Zn)采用GB/T17138—1997《火焰原子吸收分光光度法》測定；w(Cr)采用HJ491—2009《火焰原子吸收分光光度法》測定；w(Ni)采用GB/T17139—1997《火焰原子吸收分光光度法》測定。

1.3　評價標準

環保部目前正在制訂《農用地土壤環境質量標準》，并于2015年1月開始征求意見，但目前正式稿尚未發布，本文仍按原《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)中旱地、二級標準進行評價。

2評價方法

2.1　單因子評價指數Pi

Pi=Ci/Si

式中，Pi為各種重金屬的單因子指數，Si為《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)中各種金屬的評價標準值。

2.2　內梅羅綜合評價指數

式中：PN為內梅羅綜合評價指數，Pi平均為各種重金屬單項污染指數的平均值，Pi最大為各種重金屬單項污染指數的最大值。

內梅羅綜合污染指數反應了各污染物對土壤的作用，同時突出了高濃度污染物對土壤環境質量的影響。內梅羅綜合污染指數土壤污染評價標準見表1所示。

表1　土壤內梅羅綜合污染指數評價標準

2.3　潛在生態風險指數

該法主要衡量土壤中重金屬對環境存在的生態風險。Hacanson[31]認為土壤中重金屬對環境存在潛在的生態風險可用如下公式表示：

表2　土壤潛在生態風險分級

3結果與討論

3.1　結果

3.1.1單因子污染指數評價

河南糧食主產區土壤中各重金屬元素的單因子污染物指數計算結果見表3。

由監測結果可知，太康縣東扶村境內耕地土壤重金屬污染單因子指數范圍為0.03～0.54，各重金屬平均值污染指數范圍為0.05～0.42，重金屬污染單因子指數由高到低依次排序為：Ni>As>Zn>Cr>Cd>Cu>Pb>Hg。唐河縣咎崗鄉附近土壤重金屬污染單因子指數范圍為0.08～0.85，各重金屬平均值污染指數范圍為0.10～0.61，重金屬污染單因子指數由高到低依次排序為：Ni>Cr>Cu>Cd>Zn>As>Hg>Pb。永城市蘇陳莊附近土壤重金屬污染單因子指數范圍為0.02～0.57，各重金屬平均值污染指數范圍為0.03～0.40，重金屬污染單因子指數由高到低依次排序為：Ni>As>Cr>Cd>Cu>Zn>Pb>Hg。綜上，金屬Ni的單因子污染指數在三地均為最高，As、Cr次之，Pb和Hg均為最低，但是所有重金屬濃度均不超二級標準。

表3　土壤重金屬單因子污染指數

3.1.2內梅羅綜合污染指數評價

河南糧食主產區土壤中各重金屬元素的單因子污染物指數計算結果見表4。

表4　土壤重金屬內梅羅綜合污染指數

由表4可以看出，所有監測點位的內梅羅綜合污染指數最大值為0.64，最大值和平均值均小于0.70，說明該地的土壤較清潔，重金屬污染屬于安全水平。

3.1.3土壤潛在生態風險評價

河南糧食主產區土壤中各重金屬元素的潛在生態風險指數計算結果見表5。

由表5可知，太康縣東扶村境內耕地土壤8種重金屬的單項潛在生態風險系數均在9.5以下，處于低風險等級；總體潛在生態風險指數為16，土壤總體也處于低風險等級。各重金屬元素對土壤潛在生態風險貢獻大小順序為：Cd>As>Ni>Hg>Cu>Cr>Pb=Zn。唐河縣咎崗鄉附近土壤8種重金屬的單項潛在生態風險系數均在16.0以下，處于低風險等級；總體潛在生態風險指數為24，土壤總體也處于低風險等級。各重金屬元素對土壤潛在生態風險貢獻大小順序為：Cd>Hg>Ni>Cu>As>Cr>Pb>Zn。永城市蘇陳莊附近土壤8種重金屬的單項潛在生態風險系數均在12.5以下，處于低風險等級；總體潛在生態風險指數為15，土壤總體也處于低風險等級。各重金屬元素對土壤潛在生態風險貢獻大小順序為：Cd>As>Ni>Hg>Cu>Cr>Pb>Zn。綜上，三個地方金屬Cd的單項潛在生態風險系數均為最大，Pb和Zn的系數最小，但總體為清潔水平，8種重金屬的單項潛在生態風險和總體潛在生態風險均為低風險等級。

表5　土壤重金屬單項潛在生態風險系數與潛在生態風險指數

3.2　討論

鄭燕平[34]在2003～2006年，對河南省境內的102例農田表層土壤進行取樣，分析其中的Cr、Zn、Cu、Pb、Ni、As等8種重金屬元素的含量，結果表明當時河南農田土壤中除Cr偶有超出我國GB15618—1995《土壤環境質量標準》二級標準外，其他項目均不超標，重金屬污染由高到低排序為Cr>Zn>Ni>Cd>Hg>Cu>Pb>As。此次采樣分析數據與鄭燕平10年前的監測總體結果基本一致，但重金屬污染高低排序有所不同，究其原因，10年前Cr含量較高的土壤主要是粗骨土和石質土天然本底值較高，此次Ni的單因子污染指數較高可能是因為土壤背景值較高所致，Cd的生態風險指數較高是因為潛在生態風險評價考慮了Cd的毒性所致，從側面反映了該結果的可靠性。

2014年4月環保部和國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出，我國耕地土壤環境質量堪憂，長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出，而這些地區正是我國主要的糧食產區。與這些地區相比，河南糧食主產區的土壤重金屬污染情況相對較好。

重金屬含量較高主要有幾個原因：一是土壤中鎘等重金屬本底值高，我國有色金屬礦產資源豐富，鎘等重金屬元素的基礎含量高。二是我國有色金屬傳統的開采迄今已有上百年的開采歷史，長期的礦山開采、金屬冶煉和含重金屬的工業廢水、廢渣排放造成了土壤污染。三是由于氣候變化、環境污染導致酸雨增加，土壤酸化，在酸性增強的條件下，土壤中的鎘等重金屬活性也隨之增強，更易被水稻等作物吸收。四是施用含有重金屬的化肥、畜禽糞便(飼料中添加重金屬)都可能引起土壤重金屬含量的增加。王晶[35]等人的研究表明，工況企業和高速公路沿線的耕地土壤重金屬明顯較高，河南作為產糧大省，本次調查結果雖然未出現重金屬超標情況，但仍要注意土壤重金屬污染防范。

4結論

(1)對河南糧食主產區商丘市永城市、周口市太康縣、南陽市唐河縣耕地土壤重金屬污染評價結果顯示，三地土壤均滿足《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)二級標準，土壤重金屬污染均處于清潔的、安全的、低風險等級。按照單因子污染指數評價，金屬Ni的單因子污染指數在三地均為最高，As、Cr次之，Pb和Hg均為最低，Ni的指數高可能是由本底值較高所致；按照潛在生態風險指數評價，Cd的單項潛在生態風險指數均為最大，Pb和Zn的系數最小，Cd的指數偏高主要是因為其毒性較大所致。

(2)3種評價方法在總體結果上基本沒有差異，與10年前河南省農田土壤監測結果基本一致。與全國其他糧食主產區相比，土壤重金屬污染情況相對較好。但在單個重金屬排序上略有不同，這主要是因為潛在生態風險評價考慮了各重金屬的毒性差異，使評價結果更為科學。

(3)河南作為全國的糧食主產區，高質量農田耕地是保障糧食生產安全的基礎，要全面實施農業化學品施用環境風險管理和土壤重金屬污染源頭控制，建立起保障耕地質量保護的有效防線。探索制定生態合理的綠色施肥制度，根據作物的容肥規律、土壤供肥性能與肥料效應，合理施用有機肥和無機肥等。

(4)由于本次調查采樣時間和點位有限，使評價結果具有一定的局限性，今后可擴大采樣范圍、增加采樣點位、在一段時間內跟蹤調查等，持續關注糧食主產區土壤重金屬濃度變化，對保障糧食安全具有重要意義。

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The Soil Heavy Metal Potential Ecological Risk Assessment of Main

Grain Producing Areas in Henan Province

SHI LinglingLI XiaominMA JianfengLI Meng

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing，100012)

《環境與可持續發展》簡介

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引用文獻格式：包麗艷等.淺談建設美麗吉林的總體目標和主要標志[J].環境與可持續發展，2015，40(5)：154-156.