聊城市農田土壤污染評價及農業功能分區

關鍵詞： 重金屬；有機污染物；輕微污染；生態風險評價；農業功能分區

中圖法分類號： X53 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）02-0184-09

隨著我國經濟快速發展和人民生活水平的顯著提高，人民群眾越來越重視食品安全，對綠色食品需求量大大增加。土壤健康對保障農產品安全有不可替代的作用。重金屬、有機氯農藥六六六BHCs、滴滴涕DDTs 和苯并［a］芘BaP 是目前土壤中較為常見的污染物［1-2］。它們殘留時間長，生態環境效應復雜，不僅影響植被生長和導致生物多樣性喪失，而且還通過食物鏈進入人體，威脅人類健康［3-4］。

目前我國重金屬污染土壤已達3.33×10⁶ hm²，聯合國環境規劃署已將Pb、Cu、Cd、Hg、Cr、Ni、Zn 和As 這8 種重金屬列為優先控制污染物［5］。國內外關于土壤重金屬的研究內容多集中在空間分布特征［6-7］、風險評估［8-9］、源解析［10-11］、健康影響［12］以及生態修復［13］等方面；研究區域多集中在礦區［14-15］、農業用地［16-17］和工業區［18-19］；研究方法最常用污染指數法、地累積指數法、富集因子法、潛在生態風險指數法和地統計學與地理信息系統相結合的研究方法。關于有機污染物的研究多集中于有機氯農藥的殘留量、分布特征和風險評價［20-22］，研究介質除土壤［23-24］外，河流、湖泊沉積物［25-27］也較為常見，但對土壤中BaP的分析研究［28-29］較少。總體來說，關于農田土壤質量的現有研究多集中于單一污染物種類，有機無機復合污染研究鮮見報道。

2016 年國務院印發了《土壤污染防治行動計劃》，明確要求摸清農產品產地污染底數，掌握土壤環境質量狀況，并在此基礎上進行土壤污染風險管控，做到對農產品產地分級分區分類科學管理。根據聊城市農業發展規劃與政府戰略部署，本研究首次以《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618-2018）［30］和《綠色食品 產地環境質量》（NY/T 391-2021）［31］和山東省土壤背景值［32］三重標準及其之間的關系作為評價依據，對聊城市土壤重金屬、BHCs、DDTs和BaP污染現狀和生態風險進行綜合評價，并在此基礎上采用地統計學方法，確認適宜種植綠色食品和無公害農產品的土壤分布區域，為農產品產地分級分區的評價、認定和管理提供科學依據［33-34］。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

聊城市位于山東省西部，地處黃河沖擊平原，地勢西南高、東北低，海拔高度27.5～49.0m，土壤類型以砂土、壤土和黏土為主。區域氣候為溫帶大陸性季風氣候，光照充足、氣溫適宜、土層深厚、降水適中，有利于小麥、玉米、蔬菜、果樹等植物的生長和畜禽養殖以及各種農產品的深加工。

1.2 采樣點布設

2017～2020年間，在聊城市轄東昌府區、陽谷縣、高唐縣、東阿縣、茌平縣、莘縣、冠縣和臨清市8 個縣（市、區）共布設了74 個國控采樣點，土地利用類型為水澆地，如圖1所示。

1.3 樣品采集與測定

用不銹鋼取土鉆采集0～20cm 表層土壤。為提高樣品代表性，本著“等量”和“多點混合”的采樣原則，在采樣中心點周圍30cm范圍內多點采集，均勻混合后構成一個樣品，一份裝入聚乙烯樣品袋，用于pH和重金屬測定；一份密封于棕色玻璃瓶中，用于有機污染物測定，并記錄周邊環境。污染物濃度在山東省生態環境監測中心檢測，使用原子吸收分光光度計測定土壤中Cu、Pb、Cd、Cr、Zn、Ni 濃度，使用全自動原子熒光分光光度計測定Hg、As濃度，使用氣象色譜-質譜法測定BHCs （4 種異構體α-BHC、β-BHC、γ-BHC和δ-BHC的含量總和）、DDTs （4種衍生物pp′-DDE、pp′-DDD、op′-DDT、pp′-DDT的含量總和）和BaP。

1.4 評價方法

1.5 評價標準

土壤環境質量評價采用《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618-2018）［30］（記作A標準，涉及11 種污染物）作為評價依據。農業功能分區不但采用A標準，還同時采用《綠色食品 產地環境質量》（NY/T 391-2021）［31］（記作B標準，涉及6 種重金屬）作為評價依據。根據A、B 標準分別計算出Nemerow 綜合指數PiA和PiB，依據兩者關系作為判據（表3）進行農業功能分區。

1.6 數據處理與分析

采用Excel 2010 和SPSS 20.0 進行土壤重金屬含量、污染指數、潛在生態風險指數、單因素方差分析ANOVA（Analysis of Variance）和LSD（Least Significant Digit）多重比較的統計和分析；采用Arcgis 2022 繪制土壤采樣點圖、P_iA和P_iB空間分布圖以及農業功能分區圖。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬和有機污染物含量統計

聊城市土壤重金屬和有機污染物含量統計見表4。研究區內74 個樣本點中，土壤pH 值的范圍為7.73～8.84，屬堿性土壤。8 種重金屬含量均100%檢出，含量平均值排序為：Zn （62.10 mg·kg^-1）gt;Cr （56.34 mg·kg^-1）gt;Ni （27.93 mg·kg^-1）gt;Cu （24.08 mg·kg^-1）gt;Pb（20.62 mg·kg^-1） gt;As （11.27 mg·kg^-1） gt;Cd（0.20 mg·kg^-1）gt;Hg （0.04 mg·kg^-1），Zn 和Cr的含量之和約占8 種重金屬總含量的58.46%。以《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》［30］作為評價標準，除了一個采樣點（冠縣大近村）的Cd含量（1.12 mg·kg^-1）超過風險篩選值（0.6 mg·kg^-1）0.87 倍但低于污染風險管制值（4.0 mg·kg^-1）外，其他點位各重金屬含量均低于污染風險篩選值。BaP的檢出率為95.94%，含量平均值為0.002 2 mg·kg^-1，僅占風險篩選值的4×10^-3。BHCs在所有采樣點均未檢出，DDTs 的檢出率為5.40%，這4 個采樣點分別位于陽谷縣安樂鎮西北、茌平縣錄店村、臨清市潘莊村和趙塔頭村，最大值（1.59 mg·kg^-1）出現在茌平縣錄店村，超出風險篩選值14.9倍。

變異系數CV 反映了重金屬含量在不同地域間的波動程度，以此作為受外界影響程度的判定依據。CVlt;0.16 為弱變異，0.16≤CV≤0.36 為中等變異，CVgt;0.36 為強變異［36］。各污染物變異系數排序為：DDTs（ 2.53）gt;BaP（ 0.72）gt;Cr（ 0.65）gt;Hg （0.48）gt;Cu （0.25）gt;Zn （0.21）gt;As （0.20）gt;Pb （0.16）gt;Ni （0.15）gt;Cd （0.14）gt;BHCs（ 0）。其中，DDT_s、BaP、Cr 和Hg 屬強變異，Cu、Zn、As 和Pb 屬中等變異，Ni、Cd 和BHCs屬弱變異。表明DDT_s、BaP、Cr 和Hg 在不同點位的含量差異較大，受人類活動影響較大。

2.2 不同縣市污染物含量差異分析

為進一步明確各污染物含量在8縣市間的分布差異，選擇ANOVA 方法進行了定量比較（表5），并在此基礎上進一步采用LSD多重比較分析方法，比較了各污染物在8縣市間的兩兩差異（表6）。

由表5可知，DDT_s和Cr 的含量在8 縣市間存在極顯著差異，BaP 和Hg的含量存在顯著差異。由表6 可知，茌平縣DDT_s含量與其他縣市之間均存在極顯著差異。結合茌平縣各采樣點DDT_s含量可知，這種差異性主要來自于茌平縣錄店村，這一個采樣點的DDT_s 含量占整個研究區74個采樣點DDT_s總量的30%，這可能是由于錄店村采樣點歷史上或近期有大量DDT_s 輸入所致。

東阿縣BaP含量與陽谷縣、冠縣、東昌府區、莘縣和高唐縣之間存在極顯著差異。經調查發現，東阿縣BaP有兩大來源，一是移動源排放的燃油尾氣，主要包括國二及以下非道路移動機械和國四及以下重型載貨車輛；二是工業企業的廢氣排放，含有印刷涂膠工序的規模彩印包裝企業有21家，含有調膠、施膠和噴漆工序的規模木業板材企業有35家，含有噴漆、流平、烘干工序的規模建材和機械制造業有46家，這些工序排放的廢氣中含有大量BaP，此類企業數量遠遠高于其他縣市。

陽谷縣Hg 含量與茌平縣、東阿縣、冠縣、莘縣和高唐縣之間存在極顯著差異，其中碧桃園村和郎營村兩個點位的Hg 含量明顯高于其他點位。碧桃園村采樣點緊鄰021 縣道，在021 與022 縣道交匯處附近，郎營村采樣點緊鄰246 省道。有研究表明［37］，機動車尾氣排放能夠造成公路附近土壤中Hg污染，尾氣Hg污染本質是燃油富含汞元素所致。因此可初步認為陽谷縣Hg污染是由交通運輸所致。

冠縣Cr 含量與茌平縣、東阿縣、陽谷縣、東昌府區和臨清市之間存在極顯著差異。結合各縣市Cr 平均含量可知，冠縣Cr 平均含量明顯低于其他縣市。通過比較山東省土壤Cr 含量背景值［32］可知，聊城市土壤Cr 含量平均值56.34 mg·kg^-1 小于背景值62 mg·kg^-1，Cr 含量未出現富集現象，受人為源影響較小。因此可初步認為冠縣Cr 含量與其他區域差異顯著，主要源自母質風化和成土作用。

2.3 土壤污染評價

聊城市土壤重金屬和有機污染物的Iij和Pj評價結果見表7。按照I_ij等級劃分標準，所有污染物處于無污染水平，但DDTs 的I_ijgt;1 的樣點有3 處，分別位于茌平縣錄店村（I_ij=15.90，重度污染）、臨清市趙塔頭村（I_ij=3.91，中度污染）和臨清市潘莊村（I_ij=1.90，輕微污染），這可能是由于歷史上或近期有大量DDT_s 輸入所致。Cd 的I_ijgt;1的采樣點只有1 處，位于冠縣大近村（I_ij=1.87，輕微污染），該采樣點西鄰248 省道，南鄰聊城衛路電子科技有限公司，北部有山東得邦電力設備有限公司、冠縣潤昌交通設施有限公司和昌泰鋼結構有限公司。有研究表明［6］，汽車輪胎與地面磨損會產生含Cd 顆粒物，通過大氣干濕沉降和揚塵在土壤中積累。因此初步認為大近村Cd污染是由工業活動和交通運輸共同作用所致。

按照P_j等級劃分標準，DDTs 處于重度污染水平，Cd處于輕度污染水平，其他污染物均處于清潔水平。DDTs 重度污染和Cd 輕度污染原因仍然是上述個別樣點含量高所致。

2.4 農業功能分區

采用反距離權重插值法對P_iA和P_iB進行空間插值（圖2）。P_iA和P_iB的高分布區均呈斑塊狀分布，說明高分布區是個別點位污染物富集的結果，這與“2.3土壤污染評價”結果相一致。

依據表2 中的判據，對聊城市農田土壤的農業功能進行分區（圖3）。綠色食品種植區面積占研究區總面積的78.13%，分布最廣，各縣（ 市、區）均有分布。無公害食品種植區占9.45%，主要分布在陽谷縣和東阿縣，冠縣、東昌府區和茌平縣也有少量呈斑塊狀分布。污染區占5.90%，主要分布在茌平縣、高唐縣、冠縣和臨清市。觀察種植區分布在污染區周圍，占6.52%。

2.5 潛在生態風險評價

研究區8 種重金屬潛在生態風險指數統計見表8。土壤重金屬Ei平均值由大到小排序為：Hg （45.54）gt;Cd （44.65）gt;As （13.10）gt;Cu （5.33）gt;Ni （5.15）gt;Pb （4.37）gt;Cr （1.82）gt;Zn （0.98），Hg和Cd 具有中度生態風險，其他6 種重金屬均為輕微生態風險。單項生態風險等級占比中，Hg為輕微- 中度生態風險，占比分別為45.95% 和54.05%；Cd 也為輕微-中度生態風險，占比各為50%。從重金屬元素對RI的貢獻率來看，Hg和Cd的貢獻率分別為39.67%和38.89%，合計78.56%。由此可見，Hg和Cd是主要生態風險元素，可能會對農作物生長和人群健康帶來不利影響。

8 種重金屬RI 平均值為120.94，處于輕微生態風險水平，各樣點RI 值為73.23～327.31，有77.03%為輕微生態風險，18.92%為中度生態風險，4.05%為強生態風險。3個強風險點位分別位于冠縣大近村、陽谷縣碧桃園村和郎營村。其中，大近村Cd 生態風險貢獻率占77.77%；碧桃園村Hg 和Cd 生態風險貢獻率分別占50.64% 和37.55%；郎營村Hg生態風險貢獻率占62.39%，因此應高度警惕和嚴格監管土壤Hg和Cd風險。

3 結論

（1）聊城市各采樣點土壤中8 種重金屬檢出率均為100%，含量均低于風險篩選值（除冠縣大近村采樣點Cd 含量超標外）。BaP 檢出率95.94%，BHC_s均未檢出，DDTs 檢出率5.40%，平均值均低于風險篩選值，但茌平縣錄店村采樣點DDTs 含量超標14.9 倍。在空間分布上，DDTs和Cr 含量在8 縣（市、區）之間存在極顯著差異，BaP和Hg存在顯著差異。

（2）單因子污染指數Iij平均值表明，11 種污染物均處于無污染狀況，但DDTs 有3 個污染樣點，Cd 有1 個污染樣點。Nemerow 綜合污染指數P_j表明，DDTs 處于重度污染水平，Cd 處于輕度污染水平，這是個別采樣點含量高所致；其他污染物均處于清潔水平。

（3）聊城市農田土壤農業功能分區結果表明，綠色食品種植區、無公害食品種植區、觀察種植區和污染區面積分別占研究區總面積的78.13%、9.45%、6.52%和5.90%。在觀察種植區和污染區內，應密切關注土壤及其農產品中污染物殘留量，以防出現食品安全問題。

（4）研究區8 種重金屬綜合潛在生態風險指數RI 均值為120.94，總體處于輕微生態風險水平。但18.92%的樣點處于中度風險水平，4.05%的樣點處于強風險水平，Hg和Cd占有較大貢獻率，應高度警惕和嚴格監管。