秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究

王愛(ài)雯 申婭 楊建波 郎利珠 吳岑岑 江水萍

摘要[目的]研究秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。[方法]以秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤為研究對(duì)象，采用單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地質(zhì)積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行特征分析及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。[結(jié)果]研究區(qū)域土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb 5種重金屬的平均含量均符合《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，除Cr外，其余4種均高于重慶市土壤背景值。土壤中重金屬元素的污染程度從大到小依次為As、Cd、Hg、Cr、Pb，平均單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子由強(qiáng)到弱依次為Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中Hg處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，另外4種重金屬均處于較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。[結(jié)論]該研究可為秀山縣生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞秀山縣；重金屬；地質(zhì)積累指數(shù)法；潛在生態(tài)危害指數(shù)法

中圖分類(lèi)號(hào)X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）17-0053-04

Abstract[Objective]To study the distribution characteristics and ecological risk of heavy metals in agricultural soils of Xiushan County. [Method]Taking the agricultural soil in Xiushan County as the research object， the characteristics of heavy metals in the soil and ecological risk assessment were carried by the single factor pollution index method， nemero comprehensive pollution index method， geological accumulation index method and potential ecological hazard index method. [Result]The results showed that the average content of As， Cd， Cr， Hg， Pb were in accordance with the soil environment quality standard the secondary standard（GB15618—1995）in research area soil heavy metals. In addition， the average content of Cr was lower than the soil background values in Chongqing， the rest of the four kinds of heavy metal was higher than its background values. The pollution degree of heavy metals in soil ranged from big to small were As， Cd， Hg， Cr， Pb， the average individual ecological risk factors from strong to weak order were Hg， Cd， As， Pb， Cr， among them Hg was a high ecological risk， the other four kinds of heavy metal were at a lower ecological risk level. [Conclusion]The study can provide scientific reference for ecological environment protection in Xiushan County.

Key wordsXiushan County；Heavy metals；The geological accumulation index method；The index method of potential ecological harm

作者簡(jiǎn)介王愛(ài)雯（1983—），男，重慶人，工程師，從事環(huán)境管理和監(jiān)測(cè)研究。

收稿日期2017-04-14

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量愈加關(guān)注，土壤環(huán)境質(zhì)量成為關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量也越來(lái)越重視，尤其是“土十條”的頒布，把土壤污染防治提升為當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要工作。由于重金屬特有的生物富集性，能在生物鏈中轉(zhuǎn)移、傳遞，若長(zhǎng)期暴露，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害，這已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。土壤中的Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金屬（類(lèi)金屬）通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重影響人體健康，甚至是危害整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[4]。作為人體營(yíng)養(yǎng)元素的重金屬，長(zhǎng)期暴露或過(guò)量對(duì)人體有害[5]。

秀山縣位于重慶市生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)域，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好。但近年來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤環(huán)境質(zhì)量也呈現(xiàn)不同程度的問(wèn)題。筆者以秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤為研究對(duì)象，檢測(cè)土壤中重金屬元素的含量水平，利用單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地質(zhì)積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對(duì)土壤重金屬進(jìn)行特征分析和潛生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期為秀山縣生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集

按土壤利用性質(zhì)，分類(lèi)采集秀山縣農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域土壤樣品（包括飲用水水源地、農(nóng)田、菜地、居民生活區(qū)和其他等類(lèi)別）。參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）[6]，使用雙對(duì)角線(xiàn)法設(shè)置采樣點(diǎn)，共采集10個(gè)混合樣品（其中1～5號(hào)為城市郊區(qū)土壤樣品，6～10號(hào)為重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)土壤樣品）。采樣時(shí)，先去除地表礫石及動(dòng)植物殘?bào)w，使用硬質(zhì)塑料鏟垂直挖取40 cm×40 cm土壤剖面，分層取樣后混合為1個(gè)代表樣品，取約1 kg樣品裝入樣品袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除土壤中作物根系和石礫等雜物，置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干。土壤風(fēng)干后，用木棒粗磨，過(guò)2 mm孔徑尼龍篩后，采用四分法取均勻土樣在瑪瑙研缽中研磨，過(guò)100目尼龍篩后，取混勻樣品裝入塑料瓶中密閉保存，備用。

1.2樣品消解與測(cè)試

精確稱(chēng)量0.5 g土壤樣品，經(jīng)鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸體系消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測(cè)定Cd、Pb、Cr含量，用原子熒光光度法測(cè)定Hg和As含量。土壤pH采用1.0∶2.5的土水質(zhì)量比，用pH計(jì)測(cè)定。

1.3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法

1.3.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

選擇毒性較強(qiáng)的As、Cd、Cr、Hg、Pb 5類(lèi)重金屬作為評(píng)價(jià)因子[7-8]，采用重慶市土壤背景值[9]和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15168—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]。

1.3.2評(píng)價(jià)方法。

1.3.2.1單項(xiàng)污染指數(shù)法。

單項(xiàng)污染指數(shù)法以土壤重金屬元素的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠直觀地反映土壤中各項(xiàng)污染指標(biāo)的情況，評(píng)價(jià)土壤受污染因子的污染程度。公式如下[11]：

式（1）中，Pi為土壤中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為調(diào)查點(diǎn)位土壤中污染物i的實(shí)測(cè)濃度（mg/kg）；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（mg/kg）。

1.3.2.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。

內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法以土壤污染指數(shù)最大值與土壤污染指數(shù)平均值為參數(shù)，對(duì)土壤污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)估。公式如下[8]：

式（2）中，P綜為土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pi，max為土壤污染指數(shù)最大值；Pi，ave為土壤污染指數(shù)平均值。根據(jù)P綜大小，綜合判定土壤重金屬污染程度（表1）。

1.3.2.3地質(zhì)積累指數(shù)法。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外常用地質(zhì)積累指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。地質(zhì)積累指數(shù)法是在評(píng)價(jià)中增加人為因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值與自然成巖作用對(duì)背景值的影響，通過(guò)重金屬污染級(jí)別，反映沉積物中重金屬富集程度。公式如下[12]：

式（3）中，Igeo為地質(zhì)積累指數(shù)；Ci為元素i在沉積物中的實(shí)測(cè)值（mg/kg）；BEi為元素i的化學(xué)背景值（mg/kg）；BEi為元素i的重慶市土壤元素背景值[7]；K值為1.5。Forstner等[13]將地質(zhì)積累指數(shù)分為7個(gè)級(jí)別（表2）。

1.3.2.4潛在生態(tài)危害指數(shù)法。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法（Hakanson）可以定量評(píng)估潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和危害程度，將土壤重金屬含量、重金屬生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采取具有可比性、等價(jià)屬性指數(shù)分級(jí)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。公式如下：

式（4）中，RI為重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eir是元素i潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Tir是元素i的毒性系數(shù)；Cir是元素i的污染參數(shù)；Cin是重慶市土壤元素背景值[7]；ci是土壤中重金屬的測(cè)試濃度。Hakanson根據(jù)“元素豐度原則”和“元素稀釋度”，對(duì)毒性響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行規(guī)范處理后定值為Hg=40，Cd=30，As=10，Pb=Cu=5，Cr=Ni=2，Zn=1。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Eir）與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）分別分為5個(gè)等級(jí)和4個(gè)等級(jí)[14]（表3、4）。

2結(jié)果與分析

2.1重金屬含量統(tǒng)計(jì)及特征

由表5可知，研究區(qū)域土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb 5種重金屬的平均含量分別為1960、022、27.80、0.29、22.40 mg/kg，各因子平均含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值要求，說(shuō)明研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況總體良好。但與重慶市土壤背景值相比較，除Cr低于重慶市土壤背景值外，其余4種重金屬均高于其背景值。按采樣點(diǎn)樣品的單個(gè)重金屬超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)，全部采樣點(diǎn)僅有Cr達(dá)標(biāo)，Cd、Pb超標(biāo)率均為40%，As、Hg的超標(biāo)率均為100%，其中Hg與背景值的比值遠(yuǎn)超過(guò)其他5種，是背景值的784倍。5種重金屬變異系數(shù)為22.0%～61.2%，其中Cd的變異系數(shù)最高，表明研究區(qū)域土壤已經(jīng)受到人為活動(dòng)的影響[15]，同時(shí)反映出Cd受人為因素影響較為明顯；Pb的變異系數(shù)最小，可能是受自然因素的影響[16]。

2.2重金屬污染評(píng)價(jià)

單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和地質(zhì)積累指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。

單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤中5種重金屬元素的污染程度從大到小依次為As、Cd、Hg、Cr、Pb。不同采樣點(diǎn)土壤重金屬的污染程度表現(xiàn)為Cd、Hg、Cr、Pb單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，說(shuō)明這4種重金屬均未對(duì)研究區(qū)土壤產(chǎn)生污染；2、7、10號(hào)采樣點(diǎn)As的單項(xiàng)污染指數(shù)分別為1.33、1.02、1.01，說(shuō)明該區(qū)域土壤受輕微污染，與其他4種重金屬比較，As污染指數(shù)總體偏高，說(shuō)明各采樣點(diǎn)的As可能有相似的來(lái)源或污染途徑。用土壤污染分擔(dān)率分析，As、Cd、Cr、Hg和Pb分擔(dān)率從大到小依次為As（50.9%）、Cd（22.0%）、Hg（17.0%）、Cr（5.9%）、Pb（38%），說(shuō)明As、Cd、Hg是土壤主要重金屬污染物。As的最大值超標(biāo)倍數(shù)最大，個(gè)別采樣點(diǎn)位As超標(biāo)不容忽視。農(nóng)業(yè)區(qū)域中重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)（采樣點(diǎn)6～10）與城市郊區(qū)（采樣點(diǎn)1～5）比較發(fā)現(xiàn)，城市郊區(qū)土壤樣品中As、Cd、Cr、Hg和Pb的污染指數(shù)普遍高于重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)，這可能與城市郊區(qū)的人為活動(dòng)有關(guān)。

內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤平均污染指數(shù)為0.650，各采樣點(diǎn)污染指數(shù)均未超過(guò)1，土壤污染程度安全，土壤污染水平清潔。2、5、7、10號(hào)采樣點(diǎn)，土壤污染處于警戒線(xiàn)內(nèi)，其中2、5、10號(hào)采樣點(diǎn)與As元素超標(biāo)，5號(hào)采樣點(diǎn)與As、Cd元素濃度接近標(biāo)準(zhǔn)限值有關(guān)。

地質(zhì)積累評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤中Cd、Cr、Pb的地質(zhì)積累指數(shù)均小于0，表明土壤未受Cd、Cr、Pb的污染，污染等級(jí)為0，但As、Hg地質(zhì)積累指數(shù)在0～1，表明土壤受As、Hg污染，污染程度為輕污染，污染等級(jí)為輕度。比較發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)積累指數(shù)法統(tǒng)計(jì)中，除Cd、Cr、Pb外，各采樣點(diǎn)土壤Hg的地質(zhì)積累指數(shù)均大于As，這與評(píng)價(jià)時(shí)采用的重慶地區(qū)土壤背景值密切相關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明研究區(qū)域土壤受Hg的污染程度明顯大于As，這與土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)及特征的結(jié)果基本一致。

2.3潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由表7可知，研究區(qū)域土壤中5種重金屬平均單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)程度由強(qiáng)到弱依次為Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中As、Pb、Cr處在輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd處在中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg處在很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需引起重視。從各個(gè)采樣點(diǎn)分析，研究區(qū)域土壤中5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在217.3～610.7，10個(gè)采樣點(diǎn)中，有3個(gè)采樣點(diǎn)處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，6個(gè)采樣點(diǎn)處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，1個(gè)采樣點(diǎn)處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)研究區(qū)域污染程度屬于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子的貢獻(xiàn)率看，Hg的比例高達(dá)79.1%，說(shuō)明Hg是研究區(qū)域土壤質(zhì)量的首要風(fēng)險(xiǎn)因子，這與地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果一致。城市郊區(qū)（采樣點(diǎn)1～5）土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)（采樣點(diǎn)1～6），整個(gè)研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值為396.4，處于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)，需采取防治措施，確保土壤環(huán)境安全。

3結(jié)論

（1）研究區(qū)域土壤中5種重金屬As、Cd、Cr、Hg、Pb的平均含量分別為19.60、0.22、27.80、0.29、22.40 mg/kg，符合《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15168—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，除Cr外，其余4種均高于重慶市土壤背景值。

（2）單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤中5種重金屬元素的污染程度從大到小依次為As、Cd、Hg、Cr、Pb。內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤平均污染指數(shù)為0650，為清潔水平。

（3）地質(zhì)積累評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)土壤受As、Hg污染，污染程度為輕污染。參考重慶地區(qū)土壤背景值，研究區(qū)域土壤受Hg的污染程度大于As。

（4）潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤中5種重金屬的平均單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子由強(qiáng)到弱為Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中Hg處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，另外4種均處于較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。城市郊區(qū)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)，整個(gè)研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為396.4，屬于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)，需采取防止措施，確保土壤環(huán)境安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 王月容，盧琦，周金星，等.洞庭湖退田還湖區(qū)不同土地利用方式下土壤重金屬分布特征[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（6）：734-739.

[2] 陳守莉，孫波.污染水稻土中有效態(tài)重金屬的空間分布及影響因子[J].土壤，2008，40（1）：66-72.

[3] LOMBARDI L，SEBASTIANI L.Copper toxicity in Prunus cerasifera：Growth and antioxidant enzymes reponses of in vitro grown plants[J].Plant science，2005，168（3）：797-802.

[4] BAI J M，LIU X P.Heavy metal pollution in surface soils of Pearl River Delta，China[J].Environmental monitoring and assessment，2014，186（12）：8051-8061.

[5] 何振立，周啟星，謝正苗.污染及有益元素的土壤化學(xué)平衡[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998：244-276.

[6] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：HJ/T 166—2004[S].北京：中國(guó)環(huán)境出版社，2004.

[7] 鄭國(guó)璋.農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染研究的理論和實(shí)踐[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[8] 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：原理、方法與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[9] 李真熠，趙超凡，楊志敏，等.重慶市土壤重金屬污染的功能分異評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2013，30（4）：35-40.

[10] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB15618—1995[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[11] 楊暢，馬宏偉，田立新，等.葫蘆島市典型區(qū)土壤重金屬污染特征及評(píng)價(jià)[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20（2）：71-73.

[12] 彭景，李澤琴，侯家渝.地積累指數(shù)法及生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法在土壤重金屬污染中的應(yīng)用及探討[J].廣東微量元素科學(xué)，2007，14（8）：13-17.

[13] FORSTNER U，AHLFW，CALMANO W，et al.Sediment criteria development contributions from environmental geochemistry to water quality management [M]//HELING D，ROTHE P，F(xiàn)ORSTNER U，et al.Sediments and environmental geochemistry：selected aspects and case histories.Heidelberg，Berlin：SpringerVerlag，1990：311-338.

[14] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control a sedimentological approach [J].Water research，1980，14（8）：975-1001.

[15] 王波，劉曉青，馮昌偉.蕪湖市部分市售蔬菜重金屬含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（31）：143-146.

[16] LI F Y，F(xiàn)AN Z P，XIAO P F，et al.Contamination，chemical speciation and vertical distribution of heavy metals in soils of an old and large industrial zone in Northeast China[J].Environmental geology，2009，57（8）：1815-1823.