福建省東部代表性區域農用地鎘污染狀況調查及風險評價

滕英 陳金鳳 張宇豪 張雅嫆 唐慶強

摘 要：研究福建省東部代表性區域內農用地鎘（Cd）污染現狀和發展趨勢并進行風險程度分析，以期為福建省東部地區農用地土壤Cd治理和農產品質量安全提供技術支撐。采集福建省東部農用地（水田329個、蔬菜地78個、果園41個、茶園47個）共495個土壤樣品，采用石墨爐原子吸收法測定土壤中的Cd含量，利用內梅羅污染指數法和潛在生態風險指數法等評價方法，對福建省東部代表性區域農用地Cd污染情況進行評價。結果表明： 福建省東部代表區域農用地Cd累積量大，8個區域農用地重金屬總Cd平均值分別為0.227、0.167、0.177、0.162、0.128、0.205、0.166、0.249 mg·kg-1，但有效態含量均低于0.080 mg·kg-1，呈輕度污染，能夠流入食物鏈的Cd量較少。由于地區間差異性顯著，且單個區域內總Cd和有效Cd含量均呈現上升趨勢，生態風險較強。

關鍵詞：土壤;重金屬;鎘;污染狀況調查;風險評價

中圖分類號：X 53?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：0253-2301（2021）11-0080-07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.11.013

Investigation and Risk Assessment of Cadmium Pollution in Agricultural Lands inthe Representative Regions of Eastern Fujian

TENG Ying1， CHEN Jin-feng1，2， ZHANG Yu-hao1， ZHANG Ya-rong1， TANG Qing-qiang3

（1. China Certification & Inspection Group Fujian Co.， Ltd.， Fuzhou， Fujian 350015， China; 2. College of

Eco-Environment and Urban Construction， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China;

3. Technology Center of Fuzhou Customs District， Fuzhou， Fujian 350001， China）

Abstract： The present situation and development trend of cadmium （Cd） pollution in agricultural land in the representative regions of eastern Fujian were studied and the risk degree was analyzed， in order to provide technical support for the Cd control in agricultural land soil and the quality safety of agricultural products in eastern Fujian. A total of 495 soil samples were collected from the agricultural lands in eastern Fujian （329 paddy fields， 78 vegetable fields， 41 orchards， and 47 tea gardens）. The content of Cd in soil was determined by using the method of graphite furnace atomic absorption spectrometry. Then， the Cd pollution of agricultural lands in the representative regions of eastern Fujian was evaluated by using the Nemerow pollution index method and potential ecological risk index method. The results showed that the accumulation of Cd in agricultural lands was large in the representative regions of eastern Fujian. The mean values of total Cd of heavy metals in agricultural lands of the eight regions were 0.227， 0.167， 0.177， 0.162， 0.128， 0.205， 0.166 and 0.249 mg·kg-1， respectively， but the effective state contents were all lower than 0.080 mg·kg-1， indicating slight contamination and a small amount of Cd that could flow into the food chain. Because of the significant differences among regions， and the increasing trend of total Cd and available Cd contents in a single region， the ecological risk was strong.

Key words： Soil; Heavy metals; Cadmium; Pollution investigation; Risk assessment

伴隨著工業快速發展，各類污染物在土壤中不斷積累[1-2]，土壤污染風險呈現加劇趨勢，特別是土壤重金屬污染尤其突出[3-5]。土壤一旦遭受重金屬污染，難以在短時間內消除，重金屬將影響植物地下根系有絲分裂，增大根系染色體畸變率[6]，并且可能流向食物鏈，因此，土壤重金屬污染與治理已成為研究焦點[7-8]。土壤重金屬污染物中，Cd的超標率遠大于Hg、As、Cu、Cr等重金屬。Cd為人體非必需元素，具有較強的潛伏性和毒性。目前國內對土壤Cd污染情況的研究，主要集中在各類大型工業區和水域底泥，如李法松等[9]對安慶周圍地區水域沉積物以Cd為主的重金屬污染展開研究，評估各水體存在的生態危害風險情況;許友澤等[10]對湘江底泥重金屬污染的研究表明，Cd的潛在生態風險最高，湘江干流的潛在生態風險明顯高于支流;陸泗進等[11]對礦場周邊農田的研究表明，Cd的水溶態和可提取態較其他重金屬高，在該地區Cd的潛在生態危害最高;張倩等[12]對大港工業區重金屬污染的研究中發現Cd和As污染情況最嚴重。

由于各地區土壤的利用類型不同，農用地的耕作歷史、習慣不同，以及周邊環境不同等因素，導致土壤地塊具有非常顯著的地域差異。福建省地形多山起伏，垂直分異明顯，地勢上總體西北高東南低，中部和西部存在兩個大山帶，土壤類型隨地勢拔升依次為水耕人為土-鐵鋁土-富鐵土、雛形土-淋溶土、新成土的層狀分布[13]。盧翠英等[14]對福建省農田Cd污染的研究表明，福建省農田土壤重金屬鎘污染超標率遠超全國耕地Cd污染超標率，但目前對福建省各類農用地的Cd污染狀況全面評估的研究報道較少。福建省素有“八山一水一分田”的美稱，東部地區耕地集中，主要分布在沿海平原、沿河流域、丘陵梯田等，該地區主要以紅壤為主，具有典型的南方酸性土壤特性，對Cd具有較強的吸附特性[15]。福建省東部地區農用地Cd污染狀況評估，是該地區作物種類調整、土地治理、水肥調控等技術落實的基礎，因此，選取福建省東部具有典型土壤代表性的地塊作為研究對象，具有較強的針對性，研究成果具有較大的應用指導意義。本研究以農用地為試驗對象，通過對福建省東部大范圍區域內的水稻田、蔬菜地、果園等多種農作物種植土壤495個點位進行土壤中總Cd和有效Cd檢測，探究試驗區域內Cd污染現狀和發展趨勢并進行風險程度分析，以期為福建省東部地區農用地土壤Cd治理和農產品質量安全提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點位布設和樣品采集

為研究不同農用地利用類型土壤對重金屬Cd蓄積、遷移的影響，選取福建省東部具有代表性的8個區域地塊進行土壤樣品采集，該區域地塊糧食種植面積約為1067 km2。點位地塊對應的作物種植類型以水田為主，共取水田土壤樣品329個，還包含其他土壤類型點位：蔬菜地78個、果園41個、茶園47個。本次采樣點位合計495個，各作物種植類型土壤占比見圖1。

采用系統布點法，充分考慮農用地利用類型，根據布設的點位選擇田塊進行采樣，為保證樣品代表性，降低采樣誤差，使用采集混合樣的方案，在采樣地塊上選擇對角線法，以點位為中心設對角線，分5點，以5個點為采樣分點采集樣品混合。水田、蔬菜地采樣深度為0～20 cm，園地采樣深度為0～30 cm。先采用不銹鋼鏟等工具挖掘，而后用竹刀等工具切去與不銹鋼鏟直接接觸的部分，然后進行采集。采集樣品重量要達到風干后重量1 kg以上。采樣地塊不宜靠近田埂、道路、糞肥、垃圾、民房、施肥溝等。

1.2 樣品制備

土壤樣品制備分風干和研磨2個步驟。樣品風干：樣品先平鋪于牛皮紙上，攤成2～3 cm的薄層，將樣品多次壓碎、翻動，同時揀出沙礫、碎石、植物殘體等，待樣品干后進行研磨;樣品研磨：將土壤樣品利用碾碎、研磨等方法處理，再通過四分法、尼龍網篩選等方式制備多份樣品，10目樣品用于土壤pH、陽離子交換量、元素有效動態含量等項目的分析。細磨到全部過60篩目尼龍網的樣品，用于土壤有機質分析。研磨到全部過100篩目尼龍網的樣品，用于土壤元素全量分析。

1.3 樣品分析方法

土壤pH值測定采用電位測定法測定;土壤重金屬總Cd用HNO3、HF、HClO3酸消解等離子體質譜聯用法（ICPMS）測定;土壤重金屬有效態Cd用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取石墨爐原子吸收分光光度法測定[16]。

1.4 評價方法

采用國家標準GB15618-2018《土壤環境質量標準》中確定的風險篩選值作為污染評價參考值，采用內梅羅污染指數法對福建省東部代表性區域農用地Cd污染情況進行評價，內梅羅污染指數法既包含單因子指數法，又能直觀分析各區域以及場地整體的污染程度。最后，采用潛在生態風險指數法進一步探究土壤中重金屬Cd產生的生態風險。

1.4.1 土壤重金屬Cd富集評價 以福建省土壤Cd背景值[17]作為參考值，土壤中總Cd高于背景值意指存在富集行為;具有富集現象的樣品個數占樣本總數的比例為富集比例;總Cd與背景值的比值為富集倍數。

1.4.2 內梅羅污染指數法 單因子污染指數：Pi=Ci/Si。

式中，Pi為污染物單因子指數;Ci為實測濃度mg·kg-1;Si為土壤環境質量標準mg·kg-1。根據所得Pi的大小，判定土壤中某項污染物的污染程度。當P≤1時，表示無污染;當13時，表示重度污染。

內梅羅污染指數：P=[（ Pi2max+Pi2ave）/2]1/2

式中，Pimax為污染指數的最大值;Piave為污染指數的平均值。土壤污染水平分級標準見表1。

1.4.3 潛在生態風險指數法 本研究采用Hankanson提出的潛在生態危害指數法進行土壤環境風險評價[18-20]。該方法考慮重金屬含量， 將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，采用等價屬性指數分級法評價，反映某一特定環境中各種污染物的影響和多種污染物綜合影響，定量劃分潛在生態危害的程度。潛在生態危害指數法的表達式如下：

Cif=Ci/Ci0，

Eir=Tif×Cif

式中：Ci、Ci0分別為污染物i的實測值（mg·kg-1）、參比值（mg·kg-1），Tif為Hakanson制定的標準化重金屬毒性響應系數，金屬元素Cd、Pb、Cu、Cr、Zn、As、Hg的毒性響應系數分別為30、5、5、2、1、10、40。采用Hakanson提出的潛在生態危害評價指標（表2）對生態危害進行分級。

2 結果與分析

2.1 土壤Cd污染狀況

2.1.1 土壤中總Cd含量比較 福建省東部代表區域農用地Cd污染全量測定結果的統計分析見表3。

從表3可知，8個區域農用地重金屬總Cd平均值分別為0.227、0.167、0.177、0.162、0.128、0.205、0.166、0.249 mg·kg-1。與福建省土壤Cd背景值[17]對比發現，8個地區農用地的Cd富集比例均高于90%，平均含量遠高于背景值，富集倍數分別為4.20、3.09、3.28、3.00、2.37、3.80、3.07、4.61。各區域Cd在表層土壤中的積累程度較大，均已達到較高的水平，其中區域1和區域8的富集倍數均超過了4.00，區域6和區域8的富集比例甚至達到100%。地球環境化學研究表明，土壤元素的累積通常伴隨變異性的增強[21]。本研究進一步研究福建省東部代表區域農用地總Cd含量變異系數的波動情況，分析土壤中Cd含量的累積狀況。從表3可知，區域5、區域6和區域7的變異系數分別為42.89%、41.56%和45.99%，其他區域Cd 含量變異系數均超過50%，區域8的變異系數最高，達到了107.83%。

差異顯著性分析結果表明，多個區域土壤總Cd含量存在顯著性差異，富集倍數較高的區域1、區域8與 區域2、區域4、區域5、區域7之間存在顯著性差異（P<0.05），區域3顯著低于區域8（P<0.05），區域6顯著高于區域5（P<0.05）。上述研究表明，福建省東部代表區域農用地土壤Cd累積量大、富集倍數高，且具有較高的變異性，這說明該地區土壤總Cd變量處于較大的變動中。

2.1.2 土壤有效Cd含量比較 土壤中有效Cd是Cd能夠被植物吸收和利用的數量。測試分析了土壤中有效Cd含量，結果（表5）表明，8個區域土壤中有效Cd含量分別為0.064 、0.063、0.061、0.052、0.046、0.079、0.050、0.080 mg·kg-1。對比DB 35/859-2016《農產品產地土壤重金屬污染程度的分級》，結果顯示，8個區域共計495個土壤點位中，95.35%的土壤有效Cd含量低于農產品產地土壤重金屬污染安全值，僅在區域1和區域8各存在1個高危級，區域2和區域8各存在1個限制級，各區域警戒級點位數量在1～4個，其余點位均處于安全級內。各區域有效Cd變異系數較高，僅區域6變異系數為45.24%，其余區域均高于50%，尤其是區域1、區域8變異系數分別為150.97%、180.26%，表明土壤有效Cd呈現出明顯的上升趨勢。差異顯著分析結果表明有效Cd僅區域5與區域6、8之間存在顯著性差異，其余區域間差異性并不顯著。上述研究表明，福建省東部代表性區域農用地土壤有效Cd總體處于安全級，但部分點位變異較大的特點。

2.2 土壤中Cd污染風險評價

2.2.1 土壤中Cd單因子污染指數評價結果 GB 15618-2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》規定了水田和其他農用地在不同pH條件下對應的土壤污染風險篩選值不同（表5）。采用單因子污染指數法進行評價，結果（表6）表明：在所調查8個區域的Cd單因子污染指數均存在部分超標點位（表6），495個點位有45個點位土壤屬于超標情況，各區域的超標率分別為17.35%、7.94%、9.68%、5.36%、2.70%、10.87%、7.32%、7.27%，其中區域1超標率最高，該區域涉及98個點位，有17個點位超標。調查區域絕大多數超標土壤屬于輕度污染，有3個區域共3個點位屬于中度污染，分別分布于區域3、區域4和區域8各1個，有2個區域共2個點位屬于重度污染，區域1和區域8各1個。以區域為評價單位，各區域Cd單因子污染指數平均值都處于警戒線以下，表明福建省東部代表性區域污染程度較輕，受污染農用地未超過10%，受污染點位90%為輕度污染，土壤中 Cd分布不均，少部分點位污染程度嚴重。

2.2.2 土壤Cd內梅羅污染指數評價結果 福建東部地區8個區域，土壤Cd內梅羅污染指數分別為3.78、1.42、1.80、1.56、0.78、1.28、1.03、4.89（圖2），其中，有7個區域的土壤均受不同程度等級的污染。區域5所受到的Cd污染尚處于警戒線范圍內，土壤尚清潔;區域2、區域3、區域4、區域6、區域7的土壤所受到的Cd污染屬輕度污染，土壤已經受到輕度污染;區域1、區域8的土壤所受到的Cd污染屬重污染，土壤受污染相當嚴重。

2.2.3 土壤中Cd潛在生態風險評價結果 根據福建省東部代表區域農用地Cd潛在生態風險評價（圖3），福建東部代表性區域8個區域Cd潛在風險系數分別為126.08、92.78、98.51、89.92、70.98、113.94、92.26、138.40。所有區域平均Cd潛在風險系數均高于低風險系數閾值40，其中區域5處

在40≤Eir<80范圍內，其生態風險程度屬于中等強度，其他7個區域Eir均高于80，屬于強風險等級。表明研究區域土壤Cd污染潛在生態危害強，污染風險較大，考慮到毒性響應因素，可通過低富集型作物種植等農藝調控和替代種植等措施實現農業安全生產需求。

3 結論

本研究選取福建省東部區域具有代表性的水田、蔬菜地、果園、茶園等不同用地類型的農用地進行科學布點，共采集495個土壤樣品，采用多種評價手段進行土壤Cd污染風險評價。研究結果表明，試驗區域內土壤中存在總Cd富集現象，但土壤中有效Cd含量多數低于土壤重金屬污染安全值，說明土壤中雖然Cd元素含量高，但多數處于不活躍狀態。原因可能是土壤長期施用生石灰，改變土壤pH，使得游離Cd轉變為以氧化物結合態以及殘渣態形式存在。但基于福建省當下酸性土壤特質和作物根系有機酸分泌對土壤pH的影響，土壤Cd污染問題仍然需要得到重視。

通過不同風險評價手段多維度評價調查地塊的Cd污染情況及潛在風險，內梅羅污染指數評價法表明福建省東部區域污染程度總體表現為輕度污染，但土壤潛在生態風險多數區域處于強風險，這也是土壤Cd全量大、活躍態低的結果。雖然目前土壤中有效Cd含量多數低于農產品產地土壤重金屬污染安全值，但鑒于土壤重金屬富集情況直接影響農作物生長，甚至影響農產品的質量安全，為控制農用地土壤的生態環境風險，應加強土壤環境監測和農產品協同監測，對于農用地土壤總Cd、有效Cd變異系數大、地區差異性顯著的現象，應當采取安全利用措施。此外，由于農用地土壤中存在多種重金屬協同污染的情況，因此還需考慮其他重金屬的污染風險，以及與Cd協同污染的風險。

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（責任編輯：林玲娜）