武漢市東湖高新區農田土壤重金屬含量及其生態風險評價

張貴友，杜 雷，王素萍，黃 翔，姜 利，洪 娟，練志誠，張利紅，葉莉霞，陳 鋼

（武漢市農業科學院環境與安全研究所，武漢 430000）

重金屬是指一些生物毒性較為顯著的微量元素，是土壤中一類具有潛在危害性的污染物，由于其在土壤中具有易富集和遷移的特性，不僅影響作物的生長發育，而且還會通過食物鏈進入動物體內，最終進入人體，在人體內積累，導致一系列的慢性病、畸形甚至癌癥的發生［1-5］。關于重金屬污染的研究主要是針對鉛、鎘、鉻、汞、砷、鎳這6 種元素，此外，作為生物生長發育必需元素的銅、鋅這2 種元素，其在高濃度的情況下也會對動植物和人類造成一定的危害，因此，將銅、鋅元素也歸為重金屬研究的范疇［6，7］。

當前土壤重金屬污染問題成為國內外的研究熱點，土壤重金屬含量水平不僅影響著土壤的可持續利用，而且對糧食安全也有著直接的影響［8，9］。隨著中國城市化不斷加快，工業化程度不斷提高，越來越多的污染物被排放到環境中，土壤作為重要的載體承受著越來越多的排放壓力，加上普遍存在的農藥和化肥等農用化學品的過量施用，導致了重金屬元素在土壤中的大量富集［10］，“鎘大米”、“鎘小麥”等一些餐桌上的問題也不斷提醒著人們，土壤重金屬污染已經嚴重影響到了人們的飲食安全和健康［11］。

已有學者對北京、天津、上海、長沙、杭州、重慶、廣州、海口等地的菜地土壤重金屬污染狀況進行過一系列的調查研究［12］，指出中國部分城市的菜地土壤已經受到了不同程度的重金屬污染：北京市懷柔區和大興區土壤鎘污染較為突出；天津市近半數地區土壤屬于輕度污染以上水平，開始影響到了當地居民健康；上海市崇明島地區土壤重金屬污染風險水平屬于輕度預警狀態；長沙市市郊蔬菜基地70%的土壤受到鎘污染，58.6% 的土壤受到重金屬綜合污染；杭州市農業土壤總體處于安全水平，個別地區土壤重金屬含量超過土壤二級標準；重慶市蔬菜基地土壤狀況總體較好，鎘和汞存在不同程度超標；廣州市菜地土壤重金屬污染以鎘為主，砷、汞次之，存在點源性污染；海口市蔬菜基地土壤鎘含量超過土壤二級標準，葉菜類蔬菜重金屬污染指數高于果菜類［13-20］。關于武漢市的土壤重金屬研究主要集中于湖泊沉積物、工業區土壤及主城區土壤［21-25］，鮮有針對城郊農田土壤重金屬的研究［26-28］。

以武漢市東湖新技術開發區為研究區域，對該區域農田土壤重金屬污染狀況進行調查和分析，采用單因子污染指數評價法和內梅羅綜合污染指數法綜合評價該區域農田土壤的重金屬潛在生態風險，為該區域農田土壤重金屬的污染防控和農業生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東湖新技術開發區位于武漢市東南部，面積518 km2，屬北亞熱帶季風氣候，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫16.4 ℃。

1.2 樣品采集

參照《土壤環境監測技術規范》進行網格法布局，同時兼顧區域內行政村農田種植面積，采集0～20 cm 耕作層土壤。采用多點混合采樣法，即在樣點50 m 范圍內采集5 個土壤樣品，充分混合后采用四分法留取1 kg 左右，共采集土壤樣品58 個。用聚乙烯塑料袋包裝帶回實驗室風干，剔除其中的植物殘根、石塊及雜物，用瑪瑙研缽研磨并過100 目篩，裝袋密封后備用。

1.3 樣品測定

土壤樣品采用微波消解法（硝酸-氫氟酸-雙氧水）進行預處理，即稱取0.2 g 左右土壤樣品于50 mL具蓋聚四氟乙烯消解管中，依次加入6 mL 硝酸、2 mL氫氟酸和1 mL 雙氧水，放入微波消解儀（SINEO JU?PITER-8）消解，消解液用ICP-OES（Thermo iCAP 6300）測定As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 的含量，用原子熒光光度計（普析通用PF31）測定Hg 的含量。分析方法準確度和精準度采用國家土壤標準物質GSS-5 和平行樣品進行控制，數據用Excel 和SPSS 19.0 處理。

1.4 重金屬污染評價

采用國家《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）農用地土壤污染風險篩選值作為評價基準，應用單因子污染指數評價法和內梅羅綜合污染指數法對農田土壤重金屬污染程度進行評價，評價標準見表1。

表1 農用地土壤污染風險篩選值 （單位：mg∕kg）

1.4.1 單因子污染指數評價法 單因子污染指數是土壤環境質量評價的常見指標，公式為Pi=Ci∕Si，Pi指土壤中污染物i的單項污染指數；Ci指污染物i的實測值；Si指污染物i的評價標準。Pi>1 表示土壤受到污染；Pi≤1 表示土壤未受污染；Pi越大，表明土壤受污染程度越嚴重，13 表示土壤受重度污染。

1.4.2 內梅羅綜合污染指數法 內梅羅綜合污染指數法是目前常用的另一種土壤環境質量評價方法，在進行環境質量評價以及土壤污染程度的比較上具有較強實用性，使得不同污染物間或不同地域間環境質量的比較成為可能。 該公式為P綜=，P綜指土壤污染綜合指數；P指各污染物污染指數的算術平均值；Pimax指各污染物中最大污染指數。P綜≤0.7 表示安全；0.73 表示重度污染。

2 結果與分析

2.1 東湖高新區農田土壤重金屬含量情況

東湖高新區58 個土壤采樣點中各重金屬含量如表2 所示。不同樣點土壤重金屬含量變化范圍較大，As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn 的含量范圍分別為7.28～15.23、0.01～0.42、33.61～107.64、14.10～83.30、0.04～1.90、13.51～47.43、7.53～57.74、44.93～138.29 mg∕kg，變異系數分別為15.80%、64.10%、21.02%、33.13%、153.98%、21.29%、44.84% 和22.78%，可見Hg 的變異系數較高，表明Hg 在東湖高新區的分布差異較大。將不同樣點農田土壤中各重金屬的含量與湖北省土壤背景值對比發現，37.93% 的樣點土壤中As的含量高于湖北省土壤背景值；15.52% 的樣點土壤中Cd 的含量高于湖北省土壤背景值；3.45%的樣點土壤中Cr 的含量高于湖北省土壤背景值；39.66%的樣點土壤中Pb 的含量高于湖北省土壤背景值；84.48%的樣點土壤中Hg 的含量高于湖北省土壤背景值；8.62% 的樣點土壤中Ni 的含量高于湖北省土壤背景值；5.17%的樣點土壤中Cu 的含量高于湖北省土壤背景值；17.24% 的樣點土壤中Zn 的含量高于湖北省土壤背景值。表明各種重金屬在東湖高新區農田土壤中均有一定程度的積累，且Hg、As 和Pb 在農田土壤中的積累范圍較廣。

2.2 東湖高新區農田土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數評價法 以農用地土壤污染風險篩選值為評價基準值，采用單因子污染指數評價法對采樣點土壤環境質量進行評價，結果如表3所示。東湖高新區農田土壤中除Cd 之外其他7 種重金屬均處于清潔水平，在58 個農田土壤樣點中也僅發現1 個樣點中存在Cd 輕度污染情況，表明東湖高新區農田土壤總體處于清潔水平。

表2 東湖高新區農田土壤重金屬含量

表3 單因子污染指數評價結果

2.2.2 內梅羅綜合污染指數評價法 以農用地土壤污染風險篩選值為評價基準值，采用內梅羅綜合污染指數評價法對采樣點土壤環境質量進行評價，結果如表4 所示。與單因子污染指數評價法一致，58個樣點中僅1 個樣點存在輕度污染情況，表明東湖高新區農田土壤總體處于安全水平，通過對污染指數較高的小范圍農田土壤進行土壤改良，減少高重金屬含量肥料的使用來降低該區域農田重金屬含量，改善土壤污染。

表4 內梅羅綜合污染指數法評價結果

3 小結與討論

對武漢市東湖高新區農田土壤中8 種重金屬（As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn）的含量進行測定分析及污染指數評價分析，得出結果如下。

1）東湖高新區農田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu 和Zn 的平均含量分別為11.57、0.12、61.85、26.45、0.16、28.95、17.07、70.55 mg∕kg，有80% 以上的農田土壤中Hg 含量超過湖北省土壤背景值，40%以上的農田土壤中As 和Pb 含量超過湖北省土壤背景值。

2）東湖高新區農田土壤單因子污染指數評價和內梅羅綜合污染指數評價表明，1.72% 的農田土壤存在Cd 輕度污染情況，其余重金屬元素含量處于清潔水平，東湖高新區農田土壤總體處于安全水平，未對農業安全生產造成不良影響。

3）長期過量施用含重金屬的肥料可能是造成東湖高新區農田土壤大范圍Hg、As 和Pb 積累的主要原因，不使用污水灌溉、減少肥料中重金屬含量以及控制肥料過度施用可在一定程度上減少重金屬污染。

將測定結果與湖北省土壤背景值進行比較，并以農用地土壤污染風險篩選值作為基準值，評價重金屬元素的單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數可知，在所調查的東湖高新區農田土壤中均發現了一定量的重金屬元素，有84.48% 的土壤樣點中Hg含量超過湖北省土壤背景值，此外，有近40% 的土壤樣點中As 和Pb 含量超過了湖北省土壤背景值，表明東湖高新區農田土壤中Hg、As 和Pb 的污染范圍較廣，在58 個樣點中發現有1 個樣點存在Cd 污染較高的情況，也表明Cd 的點源污染情況存在，而東湖高新區農田土壤總體處于清潔水平。

有研究指出，肥料原料中含有一定量的重金屬元素，同時肥料生產中也容易出現重金屬污染的情況［29］，這就造成了肥料中一般會含有重金屬元素，東湖高新區農田土壤中Hg、As 和Pb 的高分布性可能與農戶長期過量施肥有關［30］，不使用污水灌溉和控制肥料的過量施用可有效控制當地農田土壤的重金屬含量的積累，改善當地土壤狀況。