定襄縣農田土壤重金屬污染風險評估

向 云，劉利軍，楊雄杰，賈 靜，張 敏

（山西省環境科學研究院，山西太原030027）

土壤作為一種自然資源，已經被人們廣泛利用，而且在生態環境中也占有非常大的比例，是生態環境的重要組成部分[1]。伴隨著農業的不斷發展以及城市化進程的不斷推進，大量的重金屬物質通過各種途徑進入到土壤中，由于重金屬具有易富集、不可降解等一系列的特性，因此，對土壤會造成非常嚴重的污染，并且會帶來農產品質量下降等問題。針對這些問題，國內外的專家越來越需要獲得一些解決方案，從而使這類問題成為土壤學工作者研究的熱門話題[2]。現在大多數的土壤重金屬污染主要指的是通過人類的一系列涉重活動，使得生產過程中產生的重金屬元素滲入到土壤中，從而使原本的重金屬含量超過國家標準，進而降低了環境質量的一種現象。

我國土壤重金屬污染事件已經引起了廣大人民的重視。最近幾年的報道顯示，我國土壤重金屬污染事件在多地都有發生，這對當地的土壤以及農產品的質量造成了非常嚴重的影響，還對當地人民健康問題構成了威脅，影響了經濟社會的正常進步。因此，國家在近些年來特別強調需要建設修復土壤重金屬污染的試點工程，擴大對修復的相關知識的傳播力度以及相關技術的推廣應用，減緩土壤受到重金屬影響的速度，對已污染的土壤進行更大規模的修復，保障人民群眾的生活環境和糧食安全。導致土壤重金屬污染產生的物質基本為Hg、Cd、Pb 等一些劇毒物質，也包括有一定毒性的Zn、Cu、Cr 等常見物質。土壤中的微生物對其并不能進行分解，這些有害物質就會不斷積累增多，進而會對土壤理化性質產生影響，甚至可以轉化為具有更多毒性的烷基化合物，這些物質在植物體吸收之后，又會通過食物鏈在人或動物體內累積，從而對動植物以及人類的健康產生危害[3-5]。

目前，國內有關學者在研究土壤重金屬污染方面大多都在人類的各種活動所導致的污染及其對環境及人體健康帶來的風險等方面，而且絕大多數都是對現存污染源的研究，經常忽略歷史上所存在的污染源造成的影響[3]。因此，對于歷史污染源所產生的環境風險研究非常有限，僅有在污灌區進行了部分的研究[6]。

本研究以定襄縣3 個農村為研究區，分析了土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 等8 種重金屬的污染程度，估計出其可以產生的潛在生態風險，為土地整理技術的實施、土地資源的可持續開發利用及土壤重金屬污染修復治理工作提供理論依據和參考價值。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

定襄縣位于山西省忻州市，三面被山脈包圍，區域內有4 條河流經過。全縣地形由東向西呈簸箕形。北面通過五臺山余脈與原平市、五臺縣毗鄰，東南方向通過系舟山與盂縣、陽曲縣接壤，西面緊鄰忻府區。定襄縣東西長48 km，南北寬36 km，總面積865 km2。定襄地處忻定盆地，土地肥沃，氣候溫和，是忻州市糧食主產區。糧食作物大多數都是以一年一熟的作物為主，目前主要種植的作物有玉米、高粱以及一些油料作物，其中，玉米的種植面積相對于其他作物較大，因此，該地玉米的產出量較大，但由于該地全年的氣候較為干旱，因此，會對農作物生長產生影響。總的來說，干旱是制約該地農作物發展的主要因素，同時也會對當地土壤環境產生一些不利的影響。

1.2 樣品的采集與分析

按照《農田土壤環境質量監測技術規范》中有關的規定和要求，選擇忻州市定襄縣為此次的調查研究區，在研究區的3 個自然村北莊村、東街村和涼樓臺村進行采樣布點，根據各村中農田區域的大小以及各種可能出現的污染情況，在北莊村采取23個點，東街村采取13 個點，涼樓臺村采取63 個點，每個點位采取0～20 cm 的土壤，把這些樣品中存在的雜質去除之后進行混合，用四分法取1 kg 后裝入聚乙烯塑料袋中，注明所采樣的信息，貼好標簽，送至實驗室開展監測。在送至實驗室的過程中，盡量保證每個土樣不會受到各種污染，減少在運輸過程中可能會出現的偏差。確立采樣點S1、S2、S3、S4、S5 分別為北莊村大棚、北莊村大田、宏道東街、涼樓臺大棚和涼樓臺大田進行分析。

將采集回的土壤樣品置于寬敞、干凈、透氣的室內，均勻分攤在大小適中的潔凈紙上，避免灰塵落入，經自然風干，并揀出其中的石子和植物根系后，再用瑪瑙研缽研細，使全部通過0.125 mm 的土壤篩。

經風干處理后的樣品，使用HNO3-HClO4-HF消解，測定土壤中Cr 的含量；用HNO3-H2SO4-HClO4消解，測定土壤中Cu、Zn 的含量；用HNO3-HClO4消解，測定土壤中Pb、Ni、Cd 的含量；用HNO3-H2SO4消解，測定土壤中As 的含量；采用原子熒光光度計測定土壤中的Hg 含量，其余元素采用原子吸收分光光度計進行測定。在前期準備中，盡量減少了各種對試驗結果的誤差，因此，本試驗的數據均無太大誤差。

1.3 評定方法

目前，國內外對土壤重金屬污染程度的評價方法主要采取單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法、幾何均值綜合評價模式、污染負荷指數法、地累積指數法、沉積物富集系數法、潛在生態危害指數法、模糊數學法、灰色聚類法、基于GIS 的地統計學評價法、環境風險指數法等多種方法[7-10]。在使用多種方法后可以發現，在眾多方法之中，單因子指數評價法與內梅羅綜合污染指數法由于使用后可以明確的展現所得到的結果，并且結果的準確性也相對較高，從而可以準確地反映出土壤污染程度，因此，通過把這2 種方法結合起來進行分析，可以更好的對區域內土壤重金屬污染程度進行評價，從而使所得到的結果更加接近真實結果[11-13]。

1.3.1 單因子指數評價法 單因子評價法是用來評價單個污染因子對土壤的污染程度，污染指數愈小，說明該因子對環境介質污染程度愈輕[14]，其主要是通過分析單個污染因子來研究其對土壤重金屬的污染程度，如果得到的結果越小，則表示該污染因子對土壤環境的影響程度越低[15]，這種方法計算簡便，可以清晰地看出評價樣本與其對應評價標準的比值關系，容易篩選評價區的主要污染因子，判斷污染狀況。其計算公式如下。

式中，Pi為i 因子的單項污染指數，Ci為i 因子的實測濃度值，Si為i 因子的評價標準值，本研究采用《國家土壤環境質量標準GB 15618—2018》中的二級標準對農田污染土壤進行分類和定級，當Pi≤1.0 時，說明該因子重金屬含量小于當地土壤背景值，即該區域土壤沒有受到重金屬污染；當Pi＞1.0時，說明該因子的含量已超過當地土壤背景值，該區域的土壤重金屬含量較高，已經受到了重金屬的污染。Pi值越大時，說明該土壤受到重金屬污染的程度越高，土壤污染則更加嚴重。

1.3.2 綜合污染指數法 綜合污染指數法即內梅羅污染指數法，是將目標單個污染數按一定方法綜合起來考慮對環境介質的影響程度，采用兼顧單元因子污染指數平均值和最大值的一種評價方法[16]，其計算公式如下。

式中，Piave為土壤中各污染物的指數平均值；Pimax為土壤中單項污染物的最大污染指數；P綜為采樣點的綜合污染指數。P綜分級等級為：P綜≤0.7，為Ⅰ級，清潔（安全）；0.7＜P綜≤1.0，為Ⅱ級，尚清潔（警戒線）；1.0＜P綜≤2.0，為Ⅲ級，輕度污染；2.0＜P綜≤3.0，為Ⅳ級，中度污染；P綜＞3.0，為Ⅴ級，重污染。該方法可突出反映高濃度污染物對土壤環境質量的影響，綜合評價各種污染物對土壤質量的貢獻率。

1.3.3 地累積指數法 它是由德國科學家MULLER提出來的，是研究沉積物中的重金屬污染程度的定量指標，此方法不僅對土壤環境背景值進行了充分考慮，還研究了各種人類活動下重金屬污染對土壤的影響，因此，這種方法從2 個方面反映出污染狀況，一方面是自然變化所產生的影響狀況，另一方面是人類活動對污染狀況的影響[17]。計算公式如下。

式中，Cn是樣品中元素n 的實測值（mg/kg）；Bn是沉積物中該元素n 的地球化學背景值（mg/kg），本研究取山西土壤背景值（Zn 69.4 mg/kg，Pb 21.4 mg/kg，Cu 21.4 mg/kg，Cr 62.5 mg/kg，Cd 0.094 mg/kg）；k為考慮各地巖石差異可能會引起背景值變動而取的系數，一般取值為1.5。地累積指數劃分等級為：Igeo≤0，為1 級，無污染；0＜Igeo≤1，為2 級，無污染-中污染；1＜Igeo≤2，為3 級，中污染；2＜Igeo≤3，為4 級，中污染- 重污染；3＜Igeo≤4，為5 級，重污染；4＜Igeo≤5，為6 級，重污染- 極重污染；Igeo＞5，為7 級，極重污染。

1.3.4 潛在生態危害指數法 土壤中重金屬污染直接或者間接的對陸地生態系統生物具有潛在危害，潛在生態危害指數（RI）評價方法是1990 年瑞典科學家H?KANSON 建立的一套應用沉積學原理評價重金屬污染程度及生態及其潛在生態危害評價的方法，該法從重金屬生物毒性角度出發，反映了多種污染物的綜合影響[18]，其計算公式如下。

式中，RI 為多種重金屬綜合潛在生態危害指數；Eir為單個重金屬的潛在生態危害指數；Csi為表層土壤重金屬元素i 分析測量值；Cni為i 元素參比值，本研究以山西重金屬含量為背景值（Zn 69.4 mg/kg，Pb 21.4 mg/kg，Cu 21.4 mg/kg，Cr 62.5 mg/kg，Cd 0.094 mg/kg）；Tir為重金屬元素毒性系數，Zn、Pb、Cu、Cr 和Cd 的 值分別為1，5，5，2，30[15]。重金屬污染的生態危害指數分級標準如表1 所示。

表1 Eir 和RI 分級標準

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量測定結果分析

由表2 可知，Hg 的變異系數最大，達到了33%，Zn 的變異系數最小，為3%。變異系數反映了一個數據集的離散程度，其值越大說明數據的離散程度越高，其數值越小說明數據的離散程度越小。因此，Hg 的離散程度相對于其他元素要高，Zn 的離散程度相對較小。

表2 定襄縣各農村采樣點農田土壤重金屬含量統計值比較 mg/kg

從8 種元素的平均值來看，Cd 含量的平均值與背景值相差最小，平均值是背景值的0.63 倍，Hg含量的平均值與背景值相差最大，平均值是背景值的1.76 倍。總體上來看，Zn 和Hg 在土壤中的累積程度相對于其他元素要高。從表2 可以看出，8 種重金屬含量均未超過國家土壤環境質量標準。

2.2 單因子評價結果分析

從表3 可以看出，各點Cd 的Pi值均小于1.0，表明土壤未受到人類農業生產的污染；各點Cu 的Pi值均大于1.0，且在S4 樣點最高，說明在涼樓臺大棚處，土壤受到農業生產Cu 污染的影響較大；各點Zn 的Pi值均大于1.0，且在S1 點最高，說明在北莊村大棚處土壤受到農業生產Zn 污染的影響較大；除了S1 點以外，各點Pb 的Pi值均大于1.0，且在S5 點最高，說明在涼樓臺大田處，土壤受到農業生產Pb 污染的影響較大；S2 和S4 點Cr 的Pi值大于1.0，且在S4 點最高，說明在涼樓臺大棚處，土壤受到農業生產Cr 污染的影響較大；S2 和S4 點Ni的Pi值均大于1.0，且在S4 點最高，說明在涼樓臺大棚處，土壤受到農業生產Ni 污染的影響較大；S3點As 的Pi值大于1.0，說明在宏道東街處，土壤受到農業生產As 污染的影響較大；各點Hg 的Pi值均大于1.0，且在S2 點最高，說明在北莊村大田處，土壤受到農業生產Hg 污染的影響較大。雖然都有受到不同重金屬的影響，但土壤中的重金屬含量均未超過國家標準。

表3 定襄縣各農村采樣點農田土壤重金屬單因子污染指數比較

2.3 綜合污染指數評價結果分析

從圖1 可以看出，采樣點的綜合污染指數介于1.0～2.0，污染等級為III 級，屬于輕度污染。經調查研究發現，該地區污染點位較高的地區大多集中于道路兩側的農用地以及一些通過污水灌溉的地區，初步判定可能是由于以上2 種情況導致的農用地土壤污染，因此，要加強該區域的監測力度，來控制污染。

2.4 地累積指數法評價結果分析

由表4 可知，除了Zn 和Hg 之外，其余土壤重金屬元素的地累積指數都小于0，為1 級，無污染；各個采樣點Zn 的地累積指數介于-1～1，污染等級介于1～2 級，污染程度屬于無污染和無污染-中污染之間；Hg 在各個采樣點的地累積指數介于0～2，污染等級為介于2～3 級，污染程度屬于無污染- 中污染和中污染之間。總體來看，各種重金屬的污染順序為Hg＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Cd。

表4 定襄縣各農村采樣點農田土壤重金屬地累積指數比較

2.5 潛在生態風險評價

由表5 可知，除了Hg 以外，其他重金屬在各個采樣點單個潛在生態危害指數值均小于40，風險等級處于I 級水平，污染程度為輕微生態污染；Hg在S1、S4 和S5 采樣點的單個潛在生態風險指數值介于40～80，其風險等級均為II 級，污染程度為中等生態危害，在S2 和S3 點單個潛在生態危害指數值介于80～160，其風險等級均為III 級，污染程度為強生態危害。在整個采樣處8 種重金屬的單個潛在生態危害程度為：Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。從表5 可以看出，8 種重金屬的綜合潛在生態危害指數分布情況為：除了S3 采樣點以外，其余點的綜合潛在生態危害指數值均小于150，其生態風險等級為I 級，污染程度為輕微生態危害；S3 的綜合潛在生態危害指數值介于150～300，其生態風險等級為II 級，污染程度為中等生態危害。

表5 定襄縣各農村采樣點農田土壤重金屬潛在生態風險比較

總的來說，定襄縣農田土壤各采樣點處幾種重金屬中Hg 的潛在生態風險最高，最大潛在生態風險出現在S2，也就是北莊村大田處。綜合潛在生態風險最高處為S3，也就是宏道東街，可能該地區農田出現過污水灌溉的現象，使得土壤重金屬出現累積的現象。

3 結論

本研究結果表明，定襄縣農田土壤各重金屬含量雖然未超過國家標準，但除了Cd 之外，其余重金屬的含量總體上都超過了土壤的背景值，說明這些重金屬在采樣點各處的累積狀況較為嚴重，雖未超標，但也需要引起重視。

從單因子污染指數評價結果可以看出，Cd 在各采樣點均未構成污染，其余重金屬在不同的采樣點，影響的程度也不同，北莊村大棚處受到Zn 的污染較為嚴重，北莊村大田處受到Hg 的污染較為嚴重，宏道東街處受到As 的污染較為嚴重，涼樓臺大棚處受到Cu、Cr 和Ni 的污染較為嚴重，涼樓臺大田處受到Pb 的污染較為嚴重。從內梅羅綜合污染指數評價的結果可以看出，各采樣點均屬于輕度污染，在北莊村大田和宏道東街處的污染狀況相對于其他采樣點要較為嚴重。各重金屬的地累積指數的污染順序為Hg＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Cd。從潛在生態風險評價的結果可以看出，Hg 的生態風險最大，在北莊村大田處和宏道東街處達到了強生態危害。各重金屬的單個潛在生態危害程度為：Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。從綜合潛在生態危害評價結果中可以看出，在宏道東街處，綜合為中等生態危害，其余點為輕微生態危害。

從研究結果可以看出，Hg 的大量富集可能與當地的污水排灌等方式有關，因此，在治理污染土壤時，應充分進行土壤環境的綜合評價，因地制宜地進行土壤污染修復工作，防止污染物的再度轉移，而造成污染的源頭也需要有關部門的高度關注，從源頭解決污染問題。由于重金屬具有持久性和滯后性等特征，因此，在以后的研究中需要加強對重金屬污染場地的風險評價研究，從而對改善土壤環境、促進農業的不斷發展提供強有力的支撐[19-21]。