氣型污染農田土壤中重金屬含量及潛在生態風險評價*

李慶波，趙小學，李紅萍，程學敏，劉 佳，丁記者，朱靜媛#，成永霞#

1)鄭州大學公共衛生學院環境衛生學教研室 鄭州 450001 2)河南省濟源市重金屬監測與污染治理重點實驗室 濟源 459000

?

氣型污染農田土壤中重金屬含量及潛在生態風險評價*

李慶波1)，趙小學2)，李紅萍1)，程學敏1)，劉 佳1)，丁記者1)，朱靜媛1)#，成永霞2)#

1)鄭州大學公共衛生學院環境衛生學教研室 鄭州 450001 2)河南省濟源市重金屬監測與污染治理重點實驗室 濟源 459000

#通信作者：朱靜媛，女，1976年7月生，博士，副教授，研究方向：環境相關疾病及生物標志，E-mail:yuanzhu@zzu.edu.cn；成永霞，女，1968年11月生，本科，高級工程師，研究方向：環境監測，E-mail:cyx4543@163.com

氣型污染；農田土壤；重金屬；鎘；潛在生態危害指數

目的：評價河南某工廠附近由于工業廢氣沉降引起的農田土壤重金屬污染狀況及潛在生態風險。方法：于該工廠西側(該地常年主導風向下風側)，依次選擇距離741～2 556 m的7塊農田觀察區(G1～G7)，分4個季節采集混合土樣，測定土壤中汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅、鎳、鉻8種重金屬含量。單項累積指數法和內梅羅指數法進行重金屬累積性評價，Hakanson潛在生態危害指數法進行土壤生態風險評價。結果：28份農田混合土樣中鎘、鉛含量分別超過土壤環境質量二級標準6.08和0.07倍。G1和G2觀察區6種重金屬含量均高于其他較遠距離的各觀察區，G3觀察區的砷、汞、銅和鋅含量高于G6、G7觀察區含量(P<0.05)。鎘、鉛、汞的單項累積指數范圍在8.15～342.69之間，達到重度累積。G1～G7觀察區的綜合累積指數為731.13～30 588.88，均達到重度累積；G1～G7觀察區的總潛在生態危害指數范圍為1 620.29～14 659.37，均達到極強生態危害。結論：該氣型污染農田土壤中鎘、鉛、汞污染達到重度累積，存在極強生態危害。

農業用地土壤重金屬污染來源可以是污染物的大氣沉降，生活污水和工業廢水灌溉，固體廢棄物堆放以及農藥，化肥或畜禽糞便的施用等[1]。大氣中重金屬污染物主要來自于礦產工業廢氣、機動車尾氣和燃煤，其中礦產工業的廢氣排放是大氣中重金屬污染物的主要來源[2]。目前我國大氣污染狀況不容忽視，由于大氣沉降造成的農田土壤重金屬污染狀況值得關注。該研究對河南某地鉛鋅深加工工廠附近農田土壤的重金屬污染狀況及潛在生態風險進行了分析和評價，以期為該地區的重金屬污染防控及進一步的健康危害研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集 選擇河南某地鉛鋅深加工工廠附近的農田，排除工業廢水灌溉及廢渣堆放污染史，考慮該地常年主導風向為東風，將該工廠主煙囪西側741、943、1 514、1 617、1 777、2 103和2 556 m處的農田標記為G1～G7號觀察區，按照土壤環境監測技術規范(HJ/T 166-2004)，以大約200 m×200 m為一個采樣區，分4個季節進行土壤耕層混合土樣采集，共收集土壤混合樣本28個。土壤耕層混合土樣采集方法：每塊土壤采樣區按照梅花布點法設置5個采樣點，每個采樣點去除土壤表面雜質，采樣锨垂直入土，采集土壤深度約20 cm，采集土樣量約1 kg，將5個位點土樣在牛皮紙上均勻混合，四分法取得混合土樣約1 kg裝于采樣袋中。詳細記錄采樣點周圍的環境及氣象因素。

1.2 重金屬測定 室內自然風干土樣，分揀出石礫及植物根系等雜物，研磨并過100 目篩備用。檢測用硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸均為優級純，購自北京化學試劑公司。采用美國利曼公司Hydra-C原子吸收分光光度儀測定土壤中總汞含量(GB/T 17136-1997)；采用北京吉天公司AFS 9330型原子熒光光譜儀測定土壤中總砷含量(GB/T 22105.2-2008)；采用美國利曼公司電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-AES)測定土壤中鉛、鋅含量；采用日本安捷倫公司7700x 型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定土壤中鎘、鉻、鎳、銅的含量。根據春、夏、秋、冬4個季節對7塊觀察區土壤中8種重金屬含量進行測定，每個觀察區每種重金屬含量共測定4次，結果取平均值。重金屬超標倍數計算公式：重金屬超標倍數=(土壤某污染物實測值-土壤環境質量二級標準值)/土壤環境質量標準二級標準值。

1.3 耕地土壤重金屬累積性評價

1.3.1 單項累積指數計算

Pi = Ci/ Si

式中，Pi即耕地土壤中重金屬i的單項累積指數；Ci為耕地土壤中重金屬i的實測濃度，單位mg/kg；Si為耕地土壤中重金屬i的累積性評價指標值，單位mg/kg，該研究中參照河南省農田土壤元素背景值[3]。

1.3.2 綜合累積指數(內梅羅指數)計算

Pi≤1.0或P綜合≤0.7為未累積；1.03.0或P綜合>2.1為重度累積。

1.4 Hakanson潛在生態危害評價 Hakanson潛在生態危害評價的計算公式[4]如下：

Er=TrCf

Cf=Cx/Cs

式中，RI為多種重金屬的總潛在生態危害指數；Er為單一重金屬潛在生態危害指數；Cf為某一項金屬的單項污染指數；Cx為底泥或土壤中該項重金屬的實測值；Cs為該項金屬的評價標準值，該研究取河南省農田土壤背景值；Tr為金屬的毒性系數[4]。

Er<40或RI<150為輕微生態危害；40≤Er<80或150≤RI<300為中等生態危害；80≤Er<160或300≤RI<600為強生態危害；160≤Er<320或RI≥600為很強生態危害；Er≥320為極強生態危害。

1.5 統計學處理 應用SPSS 21.0對數據進行統計學處理。每個觀察區8種重金屬含量分布差異采用單因素方差分析進行比較，兩兩比較采用SNK-q檢驗；不同季節7個觀察區8種重金屬含量分布差異采用符號秩和檢驗進行比較。檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 氣型污染農田土壤重金屬含量測定 結果見表1。由表1可知，除鉻外的7種重金屬含量均超過河南省農田土壤元素背景值[3]，與土壤環境質量二級標準值比較，鎘和鉛的超標倍數分別達6.08和0.07。

表1 氣型污染農田土樣中8種重金屬含量測定結果(n=28)

2.2 不同觀察區農田土樣重金屬含量分布 結果見表2。與土壤環境質量二級標準值相比，鎘含量在7塊觀察區農田超標倍數為3.1～34.1倍，鉛含量在G1～G4觀察區超標倍數為0.1～5.1倍。

2.3 不同季節農田土壤重金屬含量分布 在不同季節，8種重金屬只有砷、鎳和鉻含量分布差異有統計學意義；冬季砷含量高于其他3個季節，春、夏季節鎳含量高于秋、冬季節，夏季鉻含量低于其他3個季節，差異均有統計學意義，見表3。

2.4 氣型污染農田土壤重金屬累積性評價 結果見表4。由表4可知，鎘、鉛、汞的單項累積程度最大，單項累積指數達4級，為重度累積；距工廠越近的農田，綜合累積指數越大；距工廠最遠的G7觀察區，其P綜合也遠超過重度累積限值。

2.5 氣型污染農田土壤重金屬污染潛在生態危害評價 結果見表5。

表2 8種重金屬在不同觀察區農田土樣中含量比較(n=4) mg/kg

*：與G1觀察區比較，P<0.05；#：與G2觀察區比較，P<0.05；△：與G3觀察區比較，P<0.05。

表3 觀察區農田土樣4個季節重金屬含量分布(n=7) mg/kg

表內數據為中位數(四分位間距)；*：與冬季含量比較，P<0.05；#：與夏季含量比較，P<0.05；△：與春季含量比較，P<0.05。

表4 不同距離農田土壤重金屬的Pi及P綜合

表5 農田土壤重金屬的Er和RI

3 討論

3.1 氣型污染農田土壤中重金屬的污染特征 目前我國對來自工業廢氣沉降而形成的土壤氣型污染關注不多。該研究選擇的河南某地鉛鋅加工廠主要從事電解鉛、白銀、黃金等有色金屬及貴金屬產品的冶煉，工廠附近的農田排除了工業廢水灌溉及廢渣堆放污染史，可判定其重金屬污染來源主要為氣型污染。檢測結果顯示，7塊觀察區農田主要存在鎘、鉛污染，其含量分別超過土壤環境質量二級標準值3.1～34.1倍和0.1～5.1倍；其鎘、鉛、銅、砷和汞含量高于北京、上海等12個地區農田土壤重金屬污染平均值[5]，提示該氣型污染農田土壤中重金屬污染嚴重。兩兩比較結果顯示，距工廠741、943和1 514 m的G1～G3采樣區的6種重金屬含量高于距工廠1 617～2 556 m的G4～G7采樣區，差異有統計學意義，提示距離工廠越近，農田土壤重金屬含量越高。這種污染分布特征與土壤氣型污染分布特點相符，即在該地常年主導風向下風側，距離工廠(污染源)越近的農田土壤可能接受更多的工業廢氣沉降。在不同季節，該地土壤主要污染重金屬含量分布差異無統計學意義，僅砷、鎳和鉻等重金屬(污染較輕或無污染)的分布差異有統計學意義，這與重金屬在土壤中較難遷移轉化、一旦污染即具有一定穩定性有關。

3.2 氣型污染農田土壤中重金屬污染風險水平 土壤重金屬累積性評價發現鎘、鉛、汞為重度累積，8種重金屬的總潛在生態危害主要來自于鎘、汞和鉛。隨著距工廠距離的增加，7塊觀察區農田RI值逐漸降低，但最低值仍遠超過極強生態危害限值，其中距離工廠最近的G1觀察區RI值超過極強生態危害限值約20倍。該研究中RI值范圍與貴州鉛鋅礦[6]、湖南鉛鋅礦[7]等點源污染周圍農田土壤RI最大值較接近，但遠遠大于面源污染區域，如黃淮平原流域[8]、深圳[9]等的農田土壤RI最大值，提示其生態風險形勢嚴峻。相比較于其他土壤重金屬污染類型(如礦業生產和輸油管道污染等)[10-11]，這是土壤重金屬點源氣型污染及其生態風險分布的特點，可根據距離工廠遠近決定污染控制的優先地區等。鑒于土壤中重金屬可通過糧食和蔬菜等途徑增加人體內暴露水平[12]，進而產生相應的人體健康危害[13-14]，對該觀察區農田的治理和修復亟待進行，同時需加強對鎘、汞、鉛等重金屬氣型污染的防控和治理。

[1]LIU P,ZHAO HJ,WANG LL,et al.Analysis of heavy metal sources for vegetable soils from Shandong Province,China[J].China Agric Sci,2011,10(1):109

[2]LIU GN,YU YJ,HOU J,et al.An ecological risk assessment of heavy metal pollution of the agricultural ecosystem near a lead-acid battery factory[J].Ecol Indic,2014,47(SI):210

[3]邵豐收,周皓韻.河南省主要元素的土壤環境背景值[J].河南農業,1998(10):29

[4]YUAN GL,SUN TH,HAN P,et al.Source identification and ecological risk assessment of heavy metals in topsoil using environmental geochemical mapping: typical urban renewal area in Beijing, China[J].J Geochem Explor,2014,136:40

[5]WEI BG,YANG LS.A review of heavy metal contaminations in urban soils, urban road dusts and agricultural soils from China[J].Microchem J,2010,94(2):99

[6]BRIKI M,JI HB,LI C,et al.Characterization, distribution, and risk assessment of heavy metals in agricultural soil and products around mining and smelting areas of Hezhang, China[J].Environ Monit Assess,2015,187(12):767

[7]LU SJ,WANG YY,TENG Y,et al.Heavy metal pollution and ecological risk assessment of the paddy soils near a zinc-lead mining area in Hunan[J].Environ Monit Assess,2015,187(10):627

[8]ZHOU L,YANG B,XUE N,et al.Ecological risks and potential sources of heavy metals in agricultural soils from Huanghuai Plain, China[J].Environ Sci Pollut Res,2014,21(2):1360

[9]WU J,SONG J,LI W,et al.The accumulation of heavy metals in agricultural land and the associated potential ecological risks in Shenzhen,China[J].Environ Sci Pollut Res Int,2016,23(2):1428

[10]SHI P,XIAO J,WANG YF,et al.Assessment of ecological and human health risks of heavy metal contamination in agriculture soils disturbed by pipeline construction[J].Int J Environ Res Public Health,2014,11(3):2504

[11]LI Z,MA Z,VAN DER KUIJP TJ,et al.A review of soil heavy metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment[J].Sci Total Environ,2014,468-469:843

[12]劉文一,李巖,崔留欣,等.沙穎河沈丘段重金屬污染及居民機體內暴露水平調查[J].鄭州大學學報(醫學版), 2015,50(3):410

[13]ZHAO Q,WANG Y,CAO Y,et al.Potential health risks of heavy metals in cultivated topsoil and grain, including correlations with human primary liver, lung and gastric cancer, in Anhui province, Eastern China[J].Sci Total Environ,2014,470-471:340

[14]CAO S,DUAN X,ZHAO X,et al.Health risks from the exposure of children to As, Se, Pb and other heavy metals near the largest coking plant in China[J].Sci Total Environ,2014,472:1001

(2016-04-13收稿 責任編輯姜春霞)

doi：10.13705/j.issn.1671-6825.2016.06.009

Pollution and potential ecological risk assessment of heavy metals in agricultural soils of gas-type pollution

LIQingbo1),ZHAOXiaoxue2),LIHongping1),CHENGXuemin1),LIUJia1),DINGJizhe1),ZHUJingyuan1),CHENGYongxia2)1)DepartmentofEnvironmentalHealth,CollegeofPublicHealth,ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001 2)JiyuanCityKeyLaboratoryofHeavy-MentalMonitoringandPollutionControl,Jiyuan459000

gas-type pollution; agricultural soil; heavy metal; cadmium; potential ecological risk index

Aim: To evaluate the pollution and potential ecological risk of heavy metals caused by industrial waste gas deposition of agricultural soils near a factory in Henan. Methods: Seven agricultural observation areas(G1-G7) were selected among different distances from 741 to 2 556 m on the west side of the factory(the area perennial dominant wind direction leeward), and twenty-eight mixed soil samples were collected in four seasons. The concentrations of heavy metals in agricultural soils(Hg, As, Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, and Cr) were detected. Single cumulative index method, Nemerow index method and Hakanson potential ecological risk index method were used to assess the accumulation of heavy metals and potential ecological risk of the farmland. Results: Contents of seven kinds of heavy metals except for Cr in 28 soil samples exceeded the corresponding background values in Henan Province, also, the mean contents of Cd and Pb compared with Soil Environmental Quality Standard were 6.08 and 0.07 times, respectively. Contents of six kinds of heavy metals except for Cr and Ni in observation area G1 and G2 were higher than other observation areas, and the concentrations of As, Hg, Cu, and Zn in G3 area were higher than those in G6 and G7 areas(P<0.05). Single cumulative indexes of Cd, Pb and Hg ranged from 8.15 to 342.69, and reached up to most severe level. Nemerow indexes of seven different observation areas were also most severe(between 731.13 and 30 588.88). The total potential ecological risk(1 620.29-14 659.37) of seven observation areas was extremely severe. Conclusion: The concentrations of Cd, Pb, and Hg in gas-type polluted agricultural soils reach up to severe accumulation and have an extremely severe ecological risk.

10.13705/j.issn.1671-6825.2016.06.008

*國家自然科學基金青年基金項目 81202174

R124