寧波市稻田土壤重金屬污染狀況及潛在生態風險分析*

吳丹亞，龐欣欣，王明湖，席杰君，樓 飛

（寧波市農業監測中心，浙江寧波 315000）

寧波市稻田土壤重金屬污染狀況及潛在生態風險分析*

吳丹亞，龐欣欣，王明湖，席杰君，樓 飛

（寧波市農業監測中心，浙江寧波 315000）

文章以寧波市稻田土壤為研究對象，分析測定Hg、As、Pb、Cd、Cr含量，并依據國家土壤環境質量標準與寧波市土壤背景值對土壤重金屬污染狀況及生態風險進行評價。結果表明，寧波市區域內稻田土壤存在不同程度的重金屬累積，累積程度依次為Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg。以GB15618-1995為標準（二級標準），對土壤環境進行現狀評價后發現，Pb與As沒有超過國家二級標準，但Hg、Cd與Cr均有一定比例的樣點超過標準，超標率分別為14.3%、4.46%與1.49%，樣品總體超標率為17.8%。Hacanson潛在生態風險評價表明，80.7%的樣點無生態危害，18.3%樣點屬于一般生態危害，1.0%屬于強生態危害；Hg、Cd存在潛在生態風險，而As、Pb、Cr沒有潛在生態危害。研究區域內稻田土壤質量總體良好，Hg的高背景值是造成土壤超標的首要原因；鑒于大部分土壤為酸性或微酸性，還是應該關注個別區域的潛在生態風險問題。

稻田土壤 重金屬污染 潛在生態風險

土壤是農業生產的基礎，土壤質量直接關系農產品質量安全。但近年來，隨著工農業生產的迅速發展和城市化進程的加快，耕地土壤污染，特別是重金屬污染日益嚴重。國內不少學者對耕地土壤重金屬污染及風險評價進行了研究，結果表明我國受鎘、砷、鉛等重金屬污染的耕地面積近2.0×107hm2，約占總耕地面積的1/5[1]。環境保護部與國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》也表明耕地土壤環境質量堪憂，約有19.4%土壤點位超標，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環芳烴[2]。寧波市地處長三角地區，經濟發達，土壤重金屬污染問題也不容忽視。 有研究表明，寧波市郊蔬菜生產基地土壤重金屬汞、鎘、銅等綜合污染指數受污染比例高達70.7%，其中重度污染的占15.4%[3]，Cd污染比較突出[4]；慈溪市部分水稻田出現Hg、Cd污染[5]。重金屬不易被微生物分解，且容易通過食物鏈在生物體內富集和積累。當土壤中的重金屬累積到一定程度后，就會對土壤－植物系統產生危害，并可能通過接觸、食物鏈等途徑直接或間接危害人類健康和生態安全。相比較其他土地利用方式，稻田的重金屬污染更容易引起健康風險。文章通過對寧波市水稻主產區土壤的采樣調查，系統、全面地分析稻田土壤重金屬分布特征，并依據相關標準和模型，對其環境質量和潛在生態風險進行評價，為農產品安全生產及重金屬污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與分析

按照《農田土壤環境質量監測技術規范》（NY/T395-2012）的相關要求，采用梅花點法采集0～20 cm的表層土壤202個，采樣點覆蓋區域內主要的糧食功能區及水稻主產區。樣品經自然風干后，挑去石塊、作物根莖，用圓木棍碾碎，分別過10目、100目篩，備用。

土壤中Hg與As采用王水消解，以原子熒光分光光度法測定；Pb、Cd與Cr采用HNO3-H2SO4-HFHCl濕法消解，以原子吸收分光光度法測定。分析過程中加入標準樣品進行質量控制，并保證樣品平行比例在10%以上。pH用蒸餾水按水土比2.5∶1的比例浸提，用pH計測定。

1.2 評價方法

1.2.1 土壤累積性污染評價

累積性污染評價用寧波市土壤背景值中的平均值（表1）作為評價指標，以反映土壤重金屬累積性污染程度。比較單一重金屬污染程度用單項指數法，比較多種重金屬綜合污染程度用綜合指數法。

表1 寧波土壤環境背景值[6]mg/kg

表2 土壤重金屬累積性污染單項污染指數等級劃分標準[7]

表3 土壤重金屬累積性污染綜合污染指數等級劃分標準[7]

表4 國家土壤環境質量標準值 mg/kg

單項污染指數法，計算公式為：Pi=Ci/Si，式中：Pi 為環境中污染物i的單項污染指數；Ci為環境中污染物i的實測值；Si為污染物i的評價標準。

綜 合 指 數 法， 計 算 公 式 為：P綜=[（Pave2+Pmax2）/2]1/2；式中：P綜為綜合污染指數；Pave為土壤各污染物單項污染指數的平均值；Pmax為污染物中單項污染指數的最大值。

式（2）中ESIab表示出口產品相似度指數；a、b、k分別為a國、b國和k市場表示兩國（地區）出口到k市場的第i種商品額；示兩國（地區）出口到k市場的商品總額；ESIab的取值范圍[0，100]，數值越大，表明兩國（地區）出口到k市場的商品，相似度越高，商品競爭力就越強；反之則互補性越強。

單項污染指數等級劃分按表2規定進行，綜合污染指數等級劃分按表3規定進行。

1.2.2 土壤質量現狀評價

土壤質量現狀評價以國家土壤環境質量標準（GB15618-1995，表4）中的二級標準作為評價標準，用單項污染指數Pi來衡量土壤是否受污染。計算方法與污染等級劃分標準同累積性評價。

1.2.3 潛在生態風險評價

采用Hakanson潛在生態風險指數法來衡量土壤重金屬對環境存在的生態風險。該方法不僅考慮了土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系起來，綜合考慮了重金屬的毒性在土壤中普遍的遷移轉化規律和評價區域對重金屬污染的敏感性，是綜合反映重金屬對生態環境影響潛力的指標[8～11]。計算公式為：Cif=Cis/Cin；Eir=Tir*Cif；RI=∑Eir；其中：Cif為重金屬的單項污染指數，Cis為重金屬i的實測含量，Cin為參比標準（文章采用區域背景值）；Eir為土壤中i元素的潛在生態危害系數，Tir為i元素的毒性系數，反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度。目前采用的Cr、As、Pb、Cd與Hg的毒性系數分別為2、10、5、30與40。RI為多種重金屬的綜合生態危害指數。土壤潛在生態風險的分級標準見表5。

表5 土壤潛在生態風險分級

表6 研究區域重金屬含量的描述性統計 mg/kg

2 結果與討論

2.1 稻田土壤重金屬含量的描述性統計

寧波市稻田土壤重金屬含量如表6所示。對照表1，Pb、Cd與Cr在寧波市稻田中均有不同程度的累積，其中Pb的累積最為嚴重。與80年代末背景值相比，Pb、Cd與Cr的算術平均值分別增加了47.7%、28.5%與13.3%；從最大值來看，Pb、Cd與Cr含量分別增加15.6%、75.6%與67.5%；超過90%的樣點Pb含量均高于相應的背景值，說明Pb在稻田土壤中累積比較嚴重；超過一半樣點的Cd含量超過背景值，接近一半樣點的Cr含量超過背景值，說明Cd與Cr的累積也不可忽視。王斌[12]研究表明，寧波市鄞州區土壤Pb與Cd的算術平均值較背景值分別增加了55.2%與32.5%，與該研究基本一致。

寧波市稻田土壤中As、Hg的算術平均值分別為5.83 mg/kg與0.209 mg/kg，分別為背景值的0.80倍與0.81倍，低于背景值。這可能與背景值的布點位置有關。第二次土壤普查中，寧波市土壤環境背景值調查研究只對鎮海、北侖、江北、江東、海曙5個區進行布點[13]，并沒有在全大市鋪開。鎮海、北侖、江北、江東、海曙5個區Hg、As含量可能較其他地區要高，從而整體上拉高了寧波市的背景值。該研究中鎮海、北侖、江北3地的Hg、As均值分別為0.278 mg/kg與6.47 mg/kg，明顯高于全市的平均值0.209 mg/kg與5.83 mg/ kg。但從順序統計量來看，約25%的樣點含量高于相應的背景值，說明Hg在局部區域還是得到了一定的累積。

稻田中5種重金屬含量的頻度分布柱狀圖與正態分布密度曲線如圖1。從頻度圖上看，Hg、As、Pb、Cd與Cr含量的眾數區分別集中于0.02～0.11 mg/kg、4～4.8 mg/kg、35～40.5 mg/kg、0.12～0.17 mg/kg與39～59 mg/kg，Hg、Cd與Cr的含量明顯表現為中低含量段頻度高，高濃度區頻度低的特點；從正態分布密度曲線上看，Pb、As的土壤樣品含量比較符合正態分布，而Hg、Cd與Cr的含量分布屬于偏態的正態分布。

2.2 寧波市水稻田重金屬污染的風險評價

2.2.1 累積性污染評價

選擇寧波市土壤背景值來定量評價區域內稻田土壤的重金屬累積程度。表7表明，在所調查的202個樣品中，49個樣品Hg、66個As、183個Pb、127個Cd與99個Cr超過背景值，比例分別為24.3%、32.7%、90.6%、62.9%與49%，從單項污染指數的評價結果上看，寧波市稻田土壤中主要重金屬的累積程度依次為Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg，其中Pb、Cd與Cr的累積比較嚴重；從污染（累積）程度上來看，18.3%Hg、32.7%As、82.7%Pb、52.5%Cd與 44.5%Cr屬于輕污染（輕度）累積，只有2.5%Hg、1.5%Pb、2.5%Cd與2.0%Cr屬于重度累積，寧波市稻田土壤主要重金屬的累積屬于輕度累積。

圖1 土壤不同含量重金屬出現的頻率

表7 土壤累積性污染單項污染指數評價結果

表8 土壤累積性污染綜合污染指數評價結果

綜合污染指數（表8）的評價結果表明，寧波市稻田土壤綜合污染指數分布范圍為0.75～4.66，所有樣點都受到不同程度的綜合污染，其中55.9%樣點屬于輕污染、32.7%樣點屬于中污染、11.4%樣點屬于重污染，區域內土壤普遍存在重金屬累積問題。

2.2.2 土壤環境現狀評價

以《土壤環境質量標準》中的二級標準作為評價標準，采用單項指數進行評價，結果顯示：As、Hg、Pb、Cd與Cr的單項污染指數分布范圍分別為0.030～0.54、0.046～4.4、0.054～0.37、0.076～2.5、0.077～1.23，均值分別為0.21、0.67、0.16、0.50、0.27，變異系數分別為40.7%、62.3%、24.1%、39.7%、39.2%，其中29個樣品Hg超標、9個樣品Cd超標、3個樣品Cr超標，Hg、Cd與Cr的超標率分別為14.3%、4.46%與1.49%；同時有4個樣點Hg與Cd同時超標，1個樣點Cd與Cr同時超標，樣品總的超標率為17.8%。

在超標樣品中，Hg的超標比例高達80.5%，是造成土壤總體超標的首要原因。寧波市土壤重金屬Hg的背景值是全國平均值的3.92倍，明顯高于全國背景值，且該研究中Hg14.3%的超標率與寧波市背景值調查中10%的樣點Hg含量超過0.419 mg/kg相一致；Hg的高背景值可能是造成寧波市土壤Hg高超標率的主要原因。

表9 稻田土壤重金屬污染潛在生態危害評價結果

2.2.3 稻田土壤潛在生態風險分析

應用Hacanson潛在生態風險指數法進行評價，結果顯示（表9）：As、Pb、Cr的單因子潛在生態危害系數Eir均低于40，屬于無生態危害等級；但Hg與Cd的潛在生態危害風險比較復雜，其中74.8%的Hg、61.4%的Cd屬于無生態危害等級，19.3%的Hg、34.6%的Cd屬于一般生態危害等級，4.9%的Hg、3.5%的Cd屬于中等生態危害等級，1.0%的Hg、0.5%的Cd屬于強生態危害等級；RI均值為89.0，表明土壤總體無潛在生態危害風險，但RI跨度較大，其中80.7%的樣點無生態危害，18.3%樣點屬于一般生態危害，1.0%屬于強生態危害。

有研究表明水稻是對鎘吸收能力最強的大宗作物[14]，而且吸收能力受土壤pH的影響很大，酸性條件下，稻米Cd的含量相對就較高[15]。而該研究土壤中83.7%土壤為酸性或微酸性，土壤酸化現象比較普遍，個別區域內Cd的潛在生態風險不容忽視。

3 結論

寧波市稻田土壤環境質量總體較好，但與寧波市土壤背景值相比，Pb、Cd與Cr的平均含量分別增加了47.7%、28.5%與13.3%。研究區域內土壤普遍存在重金屬累積問題，應引起充分重視。

土壤現狀評價結果表明，寧波市稻田土壤超標的重金屬元素有Hg、Cd與Cr，超標率分別為14.3%、4.46%與1.49%；樣品總的超標率為17.8%。Hg是最主要的超標元素，這可能跟當地Hg的背景值有關。

Hacanson潛在生態風險評價表明，As、Pb、Cr的單因子潛在生態危害系數屬于無生態危害等級；但5.9%土壤樣品中Hg呈中等或強生態危害等級，4.0%土壤樣品中Cd呈中等或強生態危害等級；土壤多因子潛在生態風險結果顯示，80.7%的樣點無生態危害，18.3%樣點屬于一般生態危害，1.0%屬于強生態危害。鑒于區域內稻田土壤的酸化現象，還是應該關注局部區域的潛在生態風險問題。

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寧波市農科教項目（寧波市水稻田土壤重金屬累積與風險分析2012NK41）