基于指數法的土壤砷和重金屬污染評價以某廢棄農田為例

陶愷赟

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 自然資源部上海資源環境監督檢測中心，上海 200072）

目前我國土壤環境問題突出，尤其是重金屬污染嚴重，甚至威脅到了人體健康[1-3]。其中，農用地土壤質量因為直接與農作物食品安全關聯而受到重視[4-5]。但是，過去的研究對廢棄農田的土壤質量關注較少。隨著城市化和工業化的快速發展，農村地區的農用地面積大量減少，而用地規劃沒有及時跟上，導致部分農田閑置。有研究表明，基于重金屬生物可利用性考慮，廢棄農用地可能對孩童（1至6歲）產生危害[6]。所以，評價土壤中的重金屬污染程度，對加強土壤環境風險管控，保障人體健康等具有重要的意義。

國內外土壤重金屬污染評價方法中，指數法的應用較廣泛。Kowalska等列出了18種指數，包括地累積指數（Igeo）、內梅羅指數（PN）、富集因子（EF）、潛在生態危害指數（RI）等，不同的指數各有利弊及適用范圍[7]。地累積指數（Igeo）同時反映了人為活動和自然地質對重金屬含量的影響，常用于評價農田土壤重金屬污染[8]。另外，在使用指數對土壤環境質量進行評價時，不僅要考慮評價的目的（如反映人類活動或自然背景的影響），還要考慮指數方法的模糊度等影響因素。當污染物濃度較低時，為了避免“誤報”需要方法沒有模糊性，內梅羅指數（PN）較為適用[9]。

因此，本研究將某廢棄農田作為研究對象，選擇常用的地累積指數和內梅羅指數對其土壤中砷和重金屬的污染狀況進行評價，以期為研究區域的土壤污染防治工作提供技術支持。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區為長江三角洲沖積平原內的某廢棄農田，歷史上一直用作農用地，在2016年左右耕作活動停止成為荒地，有雜草生長。其北側約100 m處為地表河流，南側約150 m處為水泥道路，東側約100 m處為建筑物。表層主要為耕填土，厚約0.7～1.0 m，松散稍濕，含植物根莖。

1.2 樣品采集和前處理

采用系統布點法將區域劃分為面積不大于80 m×80 m的10個區塊，在每個區塊內布設一個監測點，共10個土壤采樣點。采樣時利用GPS對采樣點進行定位，找到采樣點位置后先去掉表層的草皮、碎石等雜物，然后采集填土層內的土壤，并依次編號為S01～S10。

采集的土壤送至實驗室后，室溫下避光風干，并經過研磨過篩、混勻縮分等步驟制備成粒度小于200目的樣品以供測試。

1.3 樣品測試

測試指標的選擇主要從保護農產品質量安全角度出發，兼顧提高內梅羅指數法的適用性，選擇了砷、鎘、鉻、汞、鉛這5項作為參評元素[10]。土壤中的砷和汞元素采用微波消解—原子熒光法測定；鎘和鉛元素采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；鉻采用火焰原子吸收分光光度法測定。

表1 測試方法的質量保證和質量控制結果Table 1 The quality assurance and quality control results of analytical methods

1.4 評價方法

地累積指數（Igeo）取決于樣品某個指標的實測值和地球化學背景值。針對研究區內的某一個監測點，其計算公式為：

式中：Ci——第i種指標的實測值；

Bi——第i種指標的背景值；

1.5——修正系數；

Igeo——地累積指數。

內梅羅指數（PN）是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數。針對研究區內的某一個監測點，其計算公式為：

式中：Pi——第i種指標的單項污染指數；

Ci——第i種指標的實測值；

1)補充營養。開花前后噴2～3次0.3%～0.4%的尿素溶液，盛花初期噴1次0.3%～0.5%的硼砂溶液，花后噴1次0.4%的磷酸二氫鉀溶液能提高坐果率。

C0——第i種指標的標準限值；

PN——內梅羅綜合污染指數。

地累積指數（Igeo）和內梅羅指數（PN）的分級標準與污染程度之間的對應關系見表2。一般當Igeo＜0或PN≤0.7時，環境質量較好。

表2 污染等級劃分Table 2 Classi fi cation of pollution levels

2 結果與討論

2.1 土壤砷和重金屬含量總體特征

本研究中所測得的土壤樣品pH值為7.85～8.34、呈弱堿性，因此選取《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）中pH＞7.5情況下的風險篩選值作為是否超標的評判依據[11]。同時，環境背景值反映了一定的自然歷史期間一定的地域內某些原有或準原有狀態的物質豐度，因此選取全國土壤背景值來判斷自然成因和人類活動對元素積累的影響[12-13]。

由表3可見，所有土壤樣品中的砷、鎘、鉻、汞和鉛的含量均值（最大值）分別為8.00（9.90）、0.16（0.34）、89.17（132.64）、0.11（0.21）、27.75（35.93）mg/kg， 均低于其對應的農用地土壤污染風險篩選值。這說明所測的砷和重金屬對該廢棄農田的土壤生態環境的風險低。但是與全國土壤背景值相比，除了砷含量低于背景值，其余重金屬的含量均值都超過背景值。尤其是重金屬汞，其含量均值超過了背景值近2倍，這說明該廢棄農田表層土壤中的重金屬總體上存在積累現象。

砷、鉻、鉛的變異系數分別為15.60%、28.78%、17.36%，屬于中等變異（15%～36%）；而鎘和汞的變異系數分別為45.30%和44.19%，屬于強變異（＞36%）。較高的變異系數說明該廢棄農田中的重金屬分布不均勻，并且可能受人為污染源的影響[14]。砷和重金屬的偏態系數從大到小排列依次為：鎘＞汞＞鉛＞鉻＞砷。除砷外，重金屬的偏態系數均大于0，屬于正偏斜分布，可能受人類活動的影響[15]。

表3 土壤砷和重金屬含量統計特征分析Table 3 Descriptive statistics of arsenic and heavy metals contents in soil

2.2 土壤砷和重金屬污染評價

（1）內梅羅指數法評價

利用熱圖分析能夠直觀地呈現出不同采樣點之間土壤污染狀況的差異（如圖1和圖3）。以圖1為例，橫軸代表的是不同的污染指標，縱軸代表的是不同的采樣點，方框內的數值為根據公式(2)計算而得的單因子指數。一般當單因子指數Pi≤1時，可以認為土壤沒有受到參評指標的污染。由圖1可見，計算所得的單因子指數在0.02～0.57之間，均小于1。這說明以風險篩選值為參照，采樣點表層土壤中砷、鉛、鉻、鎘和汞的污染狀況均為“無污染”級別。總體上，研究區各采樣點表層土壤中砷和鉻的單因子指數普遍較高，汞的單因子指數相對較低。由聚類分析可知，砷和鉛可以歸為一組，鎘和汞可以歸為一組，鉻單獨為一組，歸為一組的元素可能來源相似。有研究表明砷、鉛、鎘和鋅可能來源于人為因素，比如汽車尾氣排放、生活垃圾處置以及使用磷肥和殺蟲劑[16]。

根據公式(3)計算得到各采樣點表層土壤重金屬的內梅羅綜合污染指數，見圖2。內梅羅指數范圍在0.26～0.46，均小于表2中“清潔”所對應的限值0.7，可以認為研究區內各采樣點表層土壤沒有受到砷、鉛、鉻、鎘和汞的污染。最高的內梅羅指數出現在S8采樣點，最低的內梅羅指數出現在S1采樣點，不同采樣點之間的差異較小。

圖1 單因子指數熱圖分析Fig.1 Results of single pollution index based on the heat map

圖2 研究區的內梅羅指數評價結果Fig.2 Nemerow pollution index evaluation results in the study area

（2）地累積指數法評價

根據公式(1)計算得到研究區內各采樣點表層土壤中砷、鉛、鉻、鎘和汞的地累積指數，見圖3各對應的方框中。對照表2中地累積指數的污染等級劃分，研究區內有70%采樣點表層土壤的汞元素為“無污染到中度污染”狀態，剩余30%的采樣點表層土壤的汞元素達到了“中度污染”狀態，這與內梅羅指數評價法得到的汞污染狀況為“無污染”結果差異較大。除此之外，S2、S7和S6采樣點的表層土壤鎘元素為“無污染到中度污染”狀態，S8采樣點的表層土壤鎘元素更是達到了“中度污染”狀態，S3和S9采樣點的表層土壤鉻元素為“無污染到中度污染”狀態。但是，根據內梅羅指數評價結果，研究區內各采樣點表層土壤并沒有受到這些重金屬的污染。導致評價結果出現差異的原因可能是地累積指數更強調元素地球化學背景值的影響[17]。所以，地累積指數以背景值作為參比可以用來評價重金屬在土壤中的累積污染[18]。由圖4可知，不同采樣點表層土壤中砷和重金屬的地累積指數平均值從大到小排列依次為：汞（0.74）＞鎘（0.17）＞鉻（-0.18）＞鉛（-0.33）＞砷（-0.92）。這與部分研究表明的聊城市土壤重金屬的富集程度（汞＞銅＞鎘＞鋅＞鉻＞鉛＞砷＞鎳）基本一致[19]。與全國土壤背景值相比，該研究區內的各采樣點表層土壤中汞和鎘元素總體上有累積現象。有研究發現，磷肥中的汞的含量明顯高于氮肥和鉀肥[20]。重金屬在農田土壤中產生積累可能是長期施肥導致，尤其是施用含有多種重金屬的磷肥。

圖3 地累積指數熱圖分析Fig.3 Results of geoaccumulation index (Igeo) based on the heat map

圖4 土壤中砷和重金屬地累積指數箱形圖Fig.4 Box-plot of Igeo for As and heavy metals in soils

3 結論

（1）研究區內表層土壤中的鎘和汞的變異系數較高，可能受人為污染源的影響；

（2）與土壤環境質量標準相比，采用內梅羅指數對研究區廢棄農田的砷和重金屬污染狀況進行評價，結果顯示：各采樣點表層土壤沒有受到砷、鉛、鉻、鎘和汞的污染，評價等級均為“清潔（安全）”；

（3）與全國土壤背景值相比，采用地累積指數對研究區廢棄農田的砷和重金屬污染狀況進行評價，結果顯示：各采樣點表層土壤中砷和重金屬的地累積指數平均值從大到小排列依次為：汞＞鎘＞鉻＞鉛＞砷，其中汞和鎘元素總體上存在累積現象。