海南島農(nóng)用地土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鐘王月，鄒 偉，徐詩(shī)琴，林積泉

（1. 海南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海口 570228; 2. 海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，海口 571126）

土壤是賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境中必不可少的組成部分。目前，我國(guó)的重金屬污染土壤已達(dá)333萬(wàn)hm2，且還在不斷增長(zhǎng)[1]。由于城市化和工業(yè)化的推進(jìn)，大量的生產(chǎn)、生活及農(nóng)用化學(xué)藥品的不合理使用[2]，導(dǎo)致農(nóng)用地土壤環(huán)境惡化，土壤中的重金屬含量增加。由于重金屬污染具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性、潛在性等特點(diǎn)[3]，且土壤的流動(dòng)性較差導(dǎo)致其中的污染物隨著時(shí)間推移消減較慢，還在持續(xù)累積、增多，處理難度持續(xù)增加[4]。因此，近年來土壤中重金屬元素的積聚狀況及其對(duì)環(huán)境的污染研究成為土壤環(huán)境研究的熱門問題[5]。

海南島的獨(dú)特地理優(yōu)勢(shì)使其生態(tài)環(huán)境持續(xù)保持全國(guó)領(lǐng)先水平。目前關(guān)于海南島重金屬農(nóng)用地的研究主要有重金屬的污染評(píng)價(jià)、源解析和分布特征分析三方面，李福燕等[6]、徐詩(shī)琴等[7]對(duì)海南島農(nóng)用地土壤重金屬的分布狀況和來源進(jìn)行分析。在海南土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方面雖然有不少研究，但研究對(duì)象比較局限，主要為海南島熱帶作物農(nóng)場(chǎng)地和典型礦區(qū)土壤[8]，缺乏海南島全域農(nóng)用地重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布研究。本研究以海南島農(nóng)用地土壤為主要研究對(duì)象，對(duì)土壤重金屬的污染特征和污染現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)估，旨在對(duì)海南島農(nóng)業(yè)用地的環(huán)境質(zhì)量和土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出分析，為海南島農(nóng)用地土壤重金屬污染防控及合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 海南島的生產(chǎn)活動(dòng)主要以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)用地面積占海南島總面積的4/5以上[7]。地形地貌主要呈現(xiàn)為中間高、四周低。海南島年均氣溫維持在23～26℃之間，屬于典型的熱帶海洋季風(fēng)氣候。年均降水量1 500～2 500 mm。土壤pH值4.2～6.3，土壤類型有磚紅壤、赤紅壤、磚黃壤等，其中以磚紅壤分布最為廣泛。

1.2 樣品采集 研究樣品均來自海南島18個(gè)市縣（108°36′E～111°3′E、18°10′N～20°10′N）農(nóng)用地土壤，共設(shè)置土壤采樣點(diǎn)位133個(gè)（圖1）。2019年5月1日至2019年7月30日完成采樣任務(wù)，采樣時(shí)采樣點(diǎn)位的精準(zhǔn)定位借助GPS儀器，拍照并記錄樣點(diǎn)的土地利用類別和周圍環(huán)境狀況。土壤采樣時(shí)挖深約20 cm的土坑，用木鏟鏟去表層土壤，再用木勺挖取刨面土壤混合均勻后四分法取樣約2.5 kg。自然晾干后剔除里面的石粒及植物根系，并將土塊壓碎研磨，最后過篩（150 mm）后備用。根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目取一定質(zhì)量的土壤樣品進(jìn)行重金屬元素的含量測(cè)定。

圖1 海南島農(nóng)用地土壤采樣布點(diǎn)示意圖

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法 土壤有機(jī)質(zhì)（OM）和陽(yáng)離子交換量（CEC）測(cè)定分別參照重鉻酸鉀容量法（NY/T1121.6-2006）[9]以及三氯化六氨合鈷浸提-紫外分光光度計(jì)法（HJ889-2017）[10-11]；土壤經(jīng)微波消煮預(yù)處理后測(cè)定重金屬和pH的測(cè)定方法見表1[12-17]。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

1.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

1.4.1 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)（geological accumulation index，Igeo）法由德國(guó)學(xué)者M(jìn)üller[18]提出，作為研究土壤及沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)之一被普遍應(yīng)用。其計(jì)算公式為

式中，Igeo為重金屬i的地累積指數(shù)，Ci為重金屬i的實(shí)際檢出值（mg·kg-1），Si為重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（mg·kg-1），本研究以海南島土壤環(huán)境背景值作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)值。K為修正系數(shù)，一般取1.5。評(píng)價(jià)等級(jí)劃分如表2所示。

表2 地累積指數(shù)區(qū)間及污染程度分級(jí)[17]

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法 潛在生態(tài)指數(shù)法（potential ecological risk index，IR）于1980年由瑞典化學(xué)家Hakanson[19]首次提出，常用于評(píng)價(jià)土壤重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。該方法不僅考慮到對(duì)不同且相互獨(dú)立的單一重金屬元素在計(jì)算時(shí)進(jìn)行了權(quán)衡，還打破了單一要素評(píng)價(jià)結(jié)果的局限性，并能很好地綜合體現(xiàn)出重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響[19-20]。其計(jì)算公式為

式中，IR為n種重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ei為單一金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ti為單個(gè)污染物的毒性響應(yīng)參數(shù)，As、Cd、Cr、Zn、Hg的毒性參數(shù)分別為10、30、2、1、40，Pb=Ni=Cu毒性參數(shù)為5[20-21]；Fi是第i種重金屬的污染系數(shù)；Ci為土壤中第i種重金屬的實(shí)測(cè)含量；Ce為計(jì)算所需的參考背景值[22-23]。以海南島土壤背景值作為參考背景值，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。為了更好地反映出海南島農(nóng)用地土壤重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)程度在空間上的分布情況，對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)程度再進(jìn)行細(xì)分為低風(fēng)險(xiǎn)Ⅰ類（0＜IR≤50）、低風(fēng)險(xiǎn)Ⅱ類（50＜IR≤100）和低風(fēng)險(xiǎn)Ⅲ類（100＜IR≤150）。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析 海南農(nóng)用地土壤重金屬含量的描述統(tǒng)計(jì)解析采用SPSS25.0，運(yùn)用Excel2010軟件整理分析實(shí)驗(yàn)分析測(cè)得的數(shù)據(jù)，圖表的繪制使用Origin 2021軟件，海南島農(nóng)用地的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖使用ArcGIS10.8軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和pH 土壤有機(jī)質(zhì)（OM）是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來源之一，能促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的分解，具有提高土壤的保肥性和緩沖性的作用。在一定含量范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)的含量與土壤肥力水平呈正相關(guān)。陽(yáng)離子交換量是土壤緩沖性能的主要來源，其大小代表了土壤保肥能力高低。土壤pH值是土壤的基本性質(zhì)之一，也是影響土壤肥力的重要因素之一。土壤養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照全國(guó)第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)[24-25]，土壤有機(jī)質(zhì)＜6 g·kg-1為極缺，≥6～＜10 g·kg-1為缺乏，≥10～＜20 g·kg-1為較缺，≥20～＜30 g·kg-1為中等，≥30 g·kg-1為豐富；土壤pH小于4.5為強(qiáng)酸性，4.5～5.5為酸性，5.5～6.5為弱酸性，6.5～7.5為中性，7.5～8.5為弱堿性，8.5～9.5為堿性；陽(yáng)離子交換量≥20 mol·kg-1為保肥能力強(qiáng)的土壤，＜20～≥10 mol·kg-1為保肥能力中等的土壤，＜10 mol·kg-1為保肥能力弱的土壤。由表4可知，海南農(nóng)用地土壤陽(yáng)離子交換量和有機(jī)質(zhì)平均值為7.25 mol·kg-1、17.82 g·kg-1。土壤pH值范圍為4.52～8.50，由強(qiáng)酸性到弱堿性，平均值為6.16，pH為酸性的土壤點(diǎn)位占比87.30%。以上數(shù)據(jù)說明研究區(qū)農(nóng)用地土壤以酸性土壤為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量不高，陽(yáng)離子交換量較低，土壤保肥能力一般。

表4 研究區(qū)土壤基本理化性質(zhì)及重金屬含量

2.2 土壤重金屬含量 海南島農(nóng)用地土壤8種重金屬含量的平均值均未超出農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值[26]（GB15618-2018），且低于海南島的土壤背景值，說明海南島農(nóng)用地土壤重金屬含量總體居于較低濃度水平。變異系數(shù)的大小能反映出重金屬在土壤中的分布情況，數(shù)值越大說明土壤中重金屬含量分布越不均勻，受到的人為影響也越大。統(tǒng)計(jì)顯示，8種重金屬元素的變異系數(shù)高，而As、Cr、Ni、Cu超過100%，數(shù)據(jù)離散程度大。這表明海南島農(nóng)用地土壤中各重金屬元素空間分布不均勻，有少部分點(diǎn)位污染情況突出且受到人為影響。

2.3 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 地累積評(píng)價(jià) 各采樣點(diǎn)As、Cd、Cr、Pb、Ni、Cu、Zn、Hg的地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果均值都小于0，說明其整體上比較清潔。由圖2可知，海南農(nóng)用地土壤受到重金屬As、Ni、Hg的輕微污染。受Cd的污染點(diǎn)位最多，其中輕度污染采樣點(diǎn)為24個(gè)，占18.05%；偏中度污染點(diǎn)4個(gè)，占3.01%。Cr的輕度污染和偏中度污染采樣點(diǎn)為7個(gè)和5個(gè)，其中占比分別為5.34%、3.82%；中度污染點(diǎn)1個(gè)，占0.76%。Ni的輕度污染和偏重度污染采樣點(diǎn)為3個(gè)和9個(gè)，占比分別為2.29%、6.87%；中度污染點(diǎn)1個(gè)。Cu的輕度污染采樣點(diǎn)為8個(gè)，占6.11%；其中偏中度污染點(diǎn)3個(gè)，占比為2.29%。Zn的輕度污染采樣點(diǎn)7個(gè)，占5.34%；偏中度污染點(diǎn)3個(gè)，占2.29%。以上分析結(jié)果說明個(gè)別點(diǎn)位Cd、Cr、Ni、Cu、Zn元素含量過高，主要分布在臨高、澄邁、海口、定安和瓊海。

圖2 各采樣點(diǎn)農(nóng)用地土壤中8種重金屬Igeo統(tǒng)計(jì)

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 海南農(nóng)用地土壤重金屬的平均單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Ei）的計(jì)算過程中的參比值取海南島土壤背景值，結(jié)果（圖3）顯示，海南農(nóng)用地土壤重金屬的平均單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Ei）表現(xiàn)為Cd（29.56）大于Hg （12.36）大于Pb（3.86） 大于 Ni（3.27）大于 As（2.94） 大于 Cu（2.54）大于 Cr（1.58）大于Zn（0.69），8種重金屬的Ei均值均小于40，都屬于低風(fēng)險(xiǎn)。由圖2可知土壤樣品中Cr、Pb、Cu和Zn均為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，As和Ni處于中等污染等級(jí)和重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的采樣點(diǎn)的數(shù)量分別各1個(gè)，其余均為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。Hg處于中等風(fēng)險(xiǎn)的采樣點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)，占總采樣點(diǎn)數(shù)量的2.26%。Cd處于中等、重度風(fēng)險(xiǎn)的采樣點(diǎn)有29個(gè)和5個(gè)，占采樣點(diǎn)數(shù)量的21.80%和3.16%，以上結(jié)果表明，海南農(nóng)用地土壤的局部采樣點(diǎn)受到Cd的超標(biāo)危害，可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 土壤重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占比

海南農(nóng)用地土壤各采樣潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（IR）計(jì)算結(jié)果顯示（表5），各采樣點(diǎn)IR平均值為56.81，為低等風(fēng)險(xiǎn)水平。采用GIS軟件中的反距離權(quán)重法，默認(rèn)插值步長(zhǎng)為12個(gè)點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間插值得到圖4。如圖4（b）可知，海南島絕大部分地區(qū)的農(nóng)用地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)都處于低風(fēng)險(xiǎn)，點(diǎn)位占比為96.24%。只有極少部分區(qū)域?qū)儆谥械蕊L(fēng)險(xiǎn)，點(diǎn)位占比為3.76%。從金屬元素對(duì)IR的貢獻(xiàn)率來看，Cd的貢獻(xiàn)率達(dá)到52.04%，說明重金屬Cd是海南農(nóng)用地土壤的主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境生態(tài)危害最大。

表5 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（ Ei ）統(tǒng)計(jì)

圖4 海南島農(nóng)用地土壤重金屬綜合地累積指數(shù)（a）和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布（b）

對(duì)照潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) （表3），結(jié)合圖4（b）和圖5發(fā)現(xiàn)，海南島絕大部分地區(qū)都處于低風(fēng)險(xiǎn)，其中低風(fēng)險(xiǎn)Ⅰ類主要分布在海南島南端市縣和最北邊的文昌市，中部及北部大部市縣為低風(fēng)險(xiǎn)Ⅱ類，面積占比最多為53%；而低風(fēng)險(xiǎn)Ⅲ類只小范圍分布于定安瓊海交界處、臨高澄邁交界處和昌江東方交界處，約占海南島面積的3.1%，只有極小部分占比約0.7%的地區(qū)為中度風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 海南島農(nóng)用地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度面積占比

通過圖4對(duì)比可知，土壤環(huán)境綜合評(píng)價(jià)方法中的地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)的土壤污染程度和空間分布結(jié)果無明顯差異，均表明研究區(qū)定安縣南部、澄邁縣北部以及昌江縣和東方市接壤處的農(nóng)用地土壤重金屬含量較高。定安縣南部、澄邁縣北部的農(nóng)用地土壤重金屬存在個(gè)別點(diǎn)位重金屬的含量較高可能與海南瓊北地區(qū)高背景值有關(guān)。

3 討 論

上述研究結(jié)果表明，海南農(nóng)用地土壤以酸性土壤為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量不高，陽(yáng)離子交換量較低，土壤保肥能力一般。由于海南島屬典型的熱帶海洋性氣候，全年暖熱，雨量充沛，濕熱程度增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解強(qiáng)烈，風(fēng)化產(chǎn)物和成土產(chǎn)物的分解和淋溶程度高，富鋁化作用顯著，土壤呈酸性。而隨著降水量的增加，土壤陽(yáng)離子交換量呈減少的趨勢(shì)，鹽基飽和度降低也會(huì)導(dǎo)致土壤酸度增加[27]。

海南島農(nóng)用地土壤質(zhì)量總體良好，土壤中8種重金屬含量平均值均低于海南土壤背景值，但存在局部區(qū)域富集情況。根據(jù)地累積污染指數(shù)結(jié)果可知，海南島農(nóng)用地土壤83.46%的點(diǎn)位達(dá)到清潔水平，7.52%的點(diǎn)位處于輕度污染，4.51%的點(diǎn)位屬于偏中度污染，無重度污染土壤點(diǎn)位。個(gè)別點(diǎn)位Cd、Cr、Ni、Cu、Zn元素含量過高，主要分布在臨高、澄邁、海口、定安和瓊海。由于這些區(qū)域是位于新生代基性火山巖以及中生代中酸性火山巖土壤高背景值區(qū)域[28]因此受到成土母質(zhì)的影響，該地區(qū)的土壤Cr、Ni、Cu含量會(huì)較高。海南土壤重金屬Cd元素受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)輸入的影響明顯大于其他元素[29]，而Cd污染的原因則可能與頻繁施用化肥農(nóng)藥有關(guān)[30]，導(dǎo)致Cd在土壤中大量富集。

根據(jù)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果顯示，海南島農(nóng)用地土壤受到重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體為低風(fēng)險(xiǎn)。重金屬元素Cd的中等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位和重度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位為21.80%和3.76%，所占比重最大。本研究結(jié)果說明研究區(qū)農(nóng)用地土壤主要風(fēng)險(xiǎn)因子為Cd元素，這可能與頻繁施用化肥農(nóng)藥有關(guān)[30]。因此，為有效防治研究區(qū)農(nóng)用地土壤Cd富集，應(yīng)改良農(nóng)藝技術(shù)。如精準(zhǔn)施肥，推廣緩釋肥、控釋肥，降低重金屬含量較高肥料的施用。科學(xué)合理使用農(nóng)藥，可優(yōu)先施在土壤中降解較快的生物農(nóng)藥。對(duì)土壤污染嚴(yán)重地區(qū)可通過換土、覆土、客土等技術(shù)，對(duì)重金屬離子Cd進(jìn)行有效的剝離和去除。

海南島絕大部分地區(qū)都處于低風(fēng)險(xiǎn)；中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要是定安縣南部、澄邁縣北部以及昌江縣和東方市交界處。中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域需重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)《海南省地質(zhì)礦產(chǎn)志》可知，昌江鐵、鉛、鎳、鈷礦產(chǎn)較豐富，主要礦區(qū)為石碌礦區(qū)；東方市金礦資源較豐富，大型礦區(qū)有東方二甲金礦[31]；因此昌江和東方市接壤處的農(nóng)用地土壤重金屬含量高可能與當(dāng)?shù)氐牡V區(qū)開采影響有關(guān)[32]。