武漢市黃陂區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量及其污染風(fēng)險評價

王素萍　張貴友　杜雷　黃翔　洪娟　姜利　練志誠　張利紅　葉莉霞　陳鋼　李培根

摘要：為系統(tǒng)了解武漢市黃陂區(qū)典型農(nóng)田土壤重金屬的污染水平及生態(tài)風(fēng)險，采集并分析了364個代表性農(nóng)田土壤表層樣品中的8種重金屬元素（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg），采用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價該地區(qū)土壤農(nóng)田重金屬污染狀況。結(jié)果表明，黃陂區(qū)農(nóng)田土壤90%以上處于清潔水平，存在的污染主要為Cd污染，7.69%的農(nóng)田土壤處于Cd污染狀態(tài)，3.02%以下的農(nóng)田土壤處于Cu和Ni的污染狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤受到As、Cr、Pb、Hg和Zn的污染。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;重金屬;污染評價;武漢市城郊

中圖分類號： X53;X131.3 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020） 16-0030-04

DOI： 10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.006

中國城市化和工業(yè)化進程不斷加快，越來越多的污染物被排放到環(huán)境中，加上為追求高產(chǎn)造成的農(nóng)用化學(xué)品的過量施用，均可導(dǎo)致重金屬元素在土壤中不斷積累[1]。由于重金屬元素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(fā)育和糧食安全[2，3]，而且還會通過食物鏈進入動物體內(nèi)，最終進入人體，在人體內(nèi)積累，導(dǎo)致一系列的慢性病、畸形甚至癌癥的發(fā)生[4-8]，目前發(fā)生的“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(jīng)嚴(yán)重影響到了人類的飲食安全，進而影響到了人體的健康[9]。

市郊農(nóng)田土壤是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是城市鮮活農(nóng)產(chǎn)品的重要來源，同時也是城市及工業(yè)“三廢”物質(zhì)排放的匯聚地，隨著加速發(fā)展的城市化進程，近郊農(nóng)田土壤資源快速萎縮、農(nóng)業(yè)集約化程度不斷提高、土壤利用強度日益加大，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)化產(chǎn)品過量施用導(dǎo)致有害物質(zhì)在土壤中積累的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。因此，研究市郊農(nóng)田的土壤重金屬積累特征對于保障城市農(nóng)產(chǎn)品健康安全供應(yīng)、促進城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要價值。

有學(xué)者對北京、天津、上海、長沙、杭州、重慶、廣州、?？诘鹊氐牟说赝寥乐亟饘傥廴緺顩r進行了一系列的調(diào)查研究[10-18]，而有關(guān)武漢市土壤重金屬分布特征與污染評價的研究有限，且主要集中于湖泊沉積物、工業(yè)區(qū)土壤及主城區(qū)土壤[19-23]，鮮有針對城郊農(nóng)田土壤重金屬含量的研究[24-6]。本研究以武漢市黃陂區(qū)為研究區(qū)域，對該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進行調(diào)查和分析，采用單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法綜合評價該區(qū)域農(nóng)田土壤的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險，為該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的污染防控和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃陂區(qū)位于武漢市中心城區(qū)北部，地理位置為N 30°41'-31°22'，E 114°9'-114°37'。南北長 104km，東西寬55km，總面積為2261 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有光照充足、雨量充沛等優(yōu)點，是武漢市面積最大和人口最多的一個新城區(qū)[27]。

1.2樣品米集

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進行網(wǎng)格法布局，同時兼顧區(qū)域內(nèi)行政村農(nóng)田種植面積，采集0～20cm的耕作層土壤。采用多點混合采樣法，即在樣點周圍50 m范圍內(nèi)采集5個土壤樣品，充分混合后采用四分法留取1kg左右，共采集土壤樣品364個。用聚乙烯塑料袋包裝帶回實驗室風(fēng)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(yù)處理，即稱取0.2g左右土壤樣品于50mL具蓋聚四氟乙烯消解管中，依次加入6mL硝酸、2mL氫氟酸和1mL雙氧水，放入微波消解儀（Sineo Jupiter-8）消解，消解液用ICP-OES （ThermoiCAP 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(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度采用國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-5和平行樣品進行控制，數(shù)據(jù)處理用Excel和SPSS 19.0處理。

1.4 重金屬污染評價 采用國家《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)，應(yīng)用單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對農(nóng)田土壤重金屬污染程度進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1和表2。

1.4.1 單因子污染指數(shù)評價法 單因子污染指數(shù)是土壤環(huán)境質(zhì)量評價的常見指標(biāo)，公式為Pi=Ci/Si，其中，Pi指土壤中污染物f的單項污染指數(shù);指污染物i的實測值;Si指污染物;的評價標(biāo)準(zhǔn)。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(yán)重，13表示土壤受重度污染。

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前常用的另一種土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法，在進行環(huán)境質(zhì)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(huán)境質(zhì)量的比較成為可能。該公式為P綜=√（P2 + P2imax）/2，P綜指土壤污染綜合指數(shù);P指各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值;Pimax指各污染物中最大污染指數(shù)。P綜≤0.7表示安全;0.73表示重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃陂區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量狀況

黃陂區(qū)364個米樣點土壤中各重金屬含量如表3所示，不同樣點土壤重金屬含量變化范圍較大，A3、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg取的含量范圍分別為 0.52～16.72 mg/kg、0.01 ～3.28 mg/kg、11.13～119.52mg/kg、7.02～159.36 mg/kg、3.32～77.67 mg/kg、2.95～37.38 mg/kg、16.79～156.77 mg/kg、0.01 ～2.23 mg/kg，變異系數(shù)分別為46.64%、209.23%、41.26%、55.28%、41.46%、50.21%、36.87%和153.64%，可見Cd和Hg的變異系數(shù)較高，表明Cd和Hg含量在黃陂區(qū)的分布差異較尚。

將不同采樣點農(nóng)田土壤中各重金屬的含量與湖北省土壤背景值對比發(fā)現(xiàn)，5.49%的樣點土壤中As的含量高于湖北省土壤背景值，14.29%的樣點土壤中Cd的含量高于湖北省土壤背景值，1.92%的樣點土壤中Cr的含量高于湖北省土壤背景值，40.93%的樣點土壤中Cu的含量高于湖北省土壤背景值，7.69%的樣點土壤中Ni的含量高于湖北省土壤背景值，3.85%的樣點土壤中Pb的含量高于湖北省土壤背景值，10.99%的樣點土壤中Zn的含量高于湖北省土壤背景值，65.11%的樣點土壤中Hg的含量高于湖北省土壤背景值，表明各重金屬在黃陂區(qū)農(nóng)田土壤中均有一定程度的積累，且Cu和Hg在土壤中的積累范圍較廣。

2.2單因子污染指數(shù)評價法

以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)，對黃陂區(qū)采樣點土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價，結(jié)果如表4所不。黃陂區(qū)農(nóng)田土壤中AS、Cr、Hg、Pb、Zn均處于未受污染狀態(tài)，其余3種元素Cd、Cu、Ni有著不同程度的污染，其中，Cd污染程度最嚴(yán)重，有7.69%的土壤樣點存在Cd污染，2.20%的樣點達中度污染水平，1.92%的樣點達到了重度污染水平，黃陂區(qū)約有3.02%和0.55%的土壤分別存在Cu和Ni的輕度污染狀況?？傮w表明，Cd污染在黃陂區(qū)應(yīng)該引起重視，其他重金屬的污染較輕。

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法

以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值作為評價基準(zhǔn)值，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對樣點土壤進行評價，結(jié)果見表5。表明黃陂區(qū)大部分地區(qū)的土壤處于警戒線以下，達95.88%，有2.20%的土壤樣點處于輕度污染水平，0.55%的土壤樣點處于中度污染水平，1.37%的土壤樣點處于重度污染水平。評價結(jié)果表明黃陂區(qū)大部分土壤處于安全水平，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較小，通過對小范圍污染指數(shù)較高的土壤進行土壤改良，減少高重金屬含量肥料的使用來降低土壤中重金屬含量，可以顯著降低黃陂區(qū)的土壤重金屬污染水平。

3討論

將測定結(jié)果與湖北省土壤背景值進行比較，并以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值作為基準(zhǔn)值評價重金屬的單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可知，本研究在所調(diào)查的黃陂區(qū)農(nóng)田土壤中均發(fā)現(xiàn)了一定含量的重金屬，有40.93%和65.11%的樣點土壤中Cu和Hg的含量超過湖北省土壤背景值，且這兩種重金屬污染在黃陂區(qū)農(nóng)田土壤中分布最廣，As、Cr、Pb和Zn的含量較低，處于未受該4種重金屬污染水平，但是Cd、Cu和Ni的含量在部分樣點達到了污染水平，以Cd的污染指數(shù)最高，有7.69%的土壤樣點存在Cd污染，其中有2.20%的樣點達中度污染水平，1.92%的樣點達重度污染水平，黃陂區(qū)約有3.02%和0.55%的土壤分別存在Cu和Ni的輕度污染狀況，總體表明，Cd是污染的主要貢獻因子。

有研究表明，磷肥原料中含有Cd等重金屬，以及磷肥生產(chǎn)中容易出現(xiàn)重金屬污染情況[28]，因此磷肥中常含有一定量的重金屬元素，黃陂區(qū)農(nóng)田土壤中Cd的高含量和高分布性可能與農(nóng)戶長期過量施用磷肥有關(guān)[29]，不使用污水灌溉和控制磷肥的過量施用可有效控制當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤的重金屬含量的累積，可通過土壤改良降低其他重金屬元素的含量，改善當(dāng)?shù)赝寥罓顩r。

4 小結(jié)

對武漢市黃陂區(qū)農(nóng)田土壤中8種重金屬（As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn）的含量測定分析及污染指數(shù)評價分析，得出如下結(jié)論。

1）黃破區(qū)農(nóng)田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg 的平均含量分別為 6.33、0.13、42.68、29.34、23.71、13.77、57.97 和 0.14 mg/kg，有 40.93% 和 65.11% 的樣點土壤中Cu和Hg的含量超過湖北省土壤背景值。

2）對黃陂區(qū)農(nóng)田土壤單因子污染指數(shù)評價表明，Cd的單因子污染指數(shù)最高，有7.69%的土壤存在Cd污染現(xiàn)象，其中，3.57%的土壤處于Cd輕度污染水平，2.20%和1.92%的土壤分別處于Cd中度污染和重度污染水平，3.02%和0.55%的土壤分別受Cu和Ni的輕度污染，未發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤受As、Cr、Pb、Hg和Zn的污染;內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價表明，處于重金屬輕度污染水平、中度污染水平和重度污染水平的農(nóng)田土壤分別占2.20%、0.55%和1.37%，Cd污染為主要貢獻因子。

參考文獻：

[1] HU X F， WU H X， IIU X， et al. Impact of urbanization on Shang-hai's soil environmental quality [J]. Pedosphere，2004， 14（2） ： 151-158.

[2]MICOC， RECATALA L， PERIS M， et al. Assessing heavy metalsources in agricultural soils of an European Mediterranean area bymultivariate analysis [J]. Chemosphere，2006，65（5）：863-872.

[3]SUN C Y，LIU J S， WANG Y，et al. Multivariate and geostatisticalanalyses of the spatial distribution and sources of heavy melals in ag-ricullural soil in Dehui， Northeast China [J]. Chemosphere， 2013，92（5）：517-523.

[4]PAPAZOGLOU E G， SERELIS K G， BOURANIS D L. Impact ofhigh cadmium and nickel soil concentration on selected physiologi-cal parameters of Arundo donax L. [J]. European journal of soil biol-ogy，2007，43（4）：207-215.

[5]馮德福.砷污染與防治[J].沈陽教育學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2000，2（2）：110-112.

[6]朱鳳鳴，劉芳，鄒學(xué)賢.昆明西郊鎘污染對人體健康的影響[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2002（5） ：603-604.

[7]曾詠梅，毛昆明，李永梅.土壤中鎘污染的危害及其防治對策[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，20（3）： 360-365.

[8]張漢池，張繼軍，劉峰.鉻的危害與防治[J].內(nèi)蒙古石油化工，2004（1）：72-73.

[9]ZHAO H R， XIA B C， FAN C， et al. Human health risk from soilheavy metal contamination under different land uses near Da-haoshan Mine， Southern China [J]. Science of the tolal environ-ment ，2012，417-418：45-54.

[10]席晉峰，俞杏珍，周立祥，等.不同地區(qū)城郊用地土壤重金屬含量特征的比較[J]. 土壤，2011，43（5） ：769-775.

[11]叢源，鄭萍，陳岳龍，等.北京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險評價[J].地質(zhì)通報，2008，27（5）：681-688.

[12]李雪梅，王祖?zhèn)?，鄧小?天津郊區(qū)菜田土壤重金屬污染環(huán)境質(zhì)量評價[J].天津師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，25（1）： 69-72.

[13]王軍，陳振樓，王初，等.上海崇明島蔬菜地土壤重金屬含量與生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（3）：647-653.

[14]李明德，湯海濤，湯睿，等.長沙市郊蔬菜土壤和蔬菜重金屬污染狀況調(diào)查及評價[J ].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005（3）： 34-36.

[15]徐玉裕，史堅，周侶艷，等.杭州地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中重金屬的分布特征及其環(huán)境意義[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28（4） ：77-84.

[16]張大元.重慶市蔬菜基地土壤環(huán)境質(zhì)量狀況及對策措施[J].四川環(huán)境，2010，29（3）：57-61.

[17]魏秀國，何江華，陳俊堅，等.廣州市蔬菜地土壤重金屬污染狀況調(diào)查及評價[J]. 土壤與環(huán)境，2002，11 （3）：252-254.

[18]何玉生，廖香俊，倪倩，等.?？谑惺卟嘶赝寥篮褪卟酥兄亟饘俚姆植继卣骷拔廴驹u價[J]. 土壤通報，2015，46（3）：721-727.

[19]唐陣武，岳勇，程家麗，等.武漢市中小河流沉積物重金屬污染特征及其生態(tài)風(fēng)險[J].水土保持學(xué)報，2009，23（1） ： 132-136.

[20]張貝，李衛(wèi)東，張傳榮，等.武漢東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)土壤重金屬污染狀況及影響因素[J].環(huán)境化學(xué)，2013，32（9）： 1714-1722.

[21]王凱，凌其聰.武漢市城市土壤重金屬粒徑分布特征[J].環(huán)境化學(xué)，2013（ 12）：2329-2335.

[22]WU S H，ZHOU S L，L1 X G. Determining the anthropogenic con-tribution of heavy metal accumulations around a typical industrialtown： Xushe， China [J]. Journal of geochemical exploration，2011，110（2）：92-97.

[23] 李晶，凌其聰，嚴(yán)莎，等.武漢市重工業(yè)區(qū)周緣環(huán)境中鎘的分布及其危害性[J].長江流域資源與環(huán)境，2010， 19（10）：1219-1225.

[24]郭翠英，王素萍，陳鋼，等.武漢市新城區(qū)菜地土壤重金屬含量狀況及污染評價[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，56（1）：43-46.

[25]余忠，胡學(xué)玉，劉偉，等.武漢市城郊蔬菜種植區(qū)重金屬積累特征及健康風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)研究，2014，27（8）：881-887.

[26]禹紅紅，胡學(xué)玉.武漢市郊區(qū)設(shè)施蔬菜地土壤重金屬含量及其生態(tài)風(fēng)險[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2012，18（4） ：582-585.

[27]羅洋洋.武漢市黃陂區(qū)耕地質(zhì)量空間分布特征研究[D].武漢：湖北大學(xué)，2013.

[28]NACKE H，GONCALVES A C，SCHWANTES D，et al. Availabilityof heavy metals （Cd， Pb， and Cr） in agriculture from commercialfertilizersa[J]. Archives of environmental contamination and toxicol-ogy，2013，64：537-544.

[29]高陽俊，張乃明.施用磷肥對環(huán)境的影響探討[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2003，19（6）： 162-165.

收稿日期：2019-12-16

基金項目：湖北省技術(shù)創(chuàng)新重大項目（2018ABA099）

作者簡介：王素萍（1985-），女，山東德州人，農(nóng)藝師，碩士，主要從事養(yǎng)分資源管理與土壤環(huán)境監(jiān)測的研究，（電話）13971613681（電子信箱）wspl2@163.com;通信作者，陳鋼（1969-），女，正高級農(nóng)藝師，博士，主要從事養(yǎng)分資源管理與新型肥料研發(fā)的研究。