污水灌溉區(qū)生態(tài)環(huán)境污染和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

周振民

（華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450045）

生態(tài)環(huán)境污染和糧食安全性風(fēng)險(xiǎn)是生態(tài)系統(tǒng)及其組分所承受的風(fēng)險(xiǎn)中的重要內(nèi)容．它指在一定區(qū)域內(nèi)，具有不確定性的生態(tài)環(huán)境和糧食安全性災(zāi)害、事故及人類行為對(duì)生態(tài)環(huán)境和糧食系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的不利作用，包括對(duì)生態(tài)環(huán)境和糧食營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損害，從而危及人類的安全和健康．因而開(kāi)展污水灌溉區(qū)糧食安全風(fēng)險(xiǎn)分析具有十分重要的實(shí)用價(jià)值．

筆者選擇河南省開(kāi)封市污水灌溉區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，開(kāi)展生態(tài)環(huán)境和糧食安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究．污灌實(shí)驗(yàn)區(qū)位于開(kāi)封市15 km的興隆鄉(xiāng)太平崗村二組，該地區(qū)地勢(shì)平坦，地面比降為1/2 500～1/3 000．土壤為黃河沖積平原土質(zhì)，質(zhì)地為壤土或沙壤土，有機(jī)質(zhì)少，pH 值為 8．45 ～ 8．60，孔隙度為 43．30% ～50．26%，密度為1．32 ～ 1．50 g/cm3．主要作物有水稻、玉米、棉花、花生、大豆等．自然條件在河南省平原區(qū)具有一定的代表性．污水灌溉實(shí)驗(yàn)采用惠濟(jì)河水體污水，主要研究污水灌溉對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的污染［1］，以及土壤污染引起的糧食安全問(wèn)題．

1 污灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1．1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的合理性及科學(xué)性是決定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵［2］．為保證指標(biāo)選擇適當(dāng)，必須遵循以下幾條主要原則．

1）全面性及層次性．目標(biāo)污染物的篩選與評(píng)價(jià)中所涉及的因素是多方面的，既有理化特性，也有環(huán)境毒理方面的因素．因此，建立指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)全面反映各影響因素;同時(shí)，要區(qū)分清楚各指標(biāo)間的關(guān)系，使之具有明確的層次性．

2）代表性．評(píng)價(jià)指標(biāo)要具有一定的代表性，要準(zhǔn)確反映土壤環(huán)境和糧食安全的變化特征．

3）可操作性．污染物的環(huán)境行為大多數(shù)屬于復(fù)合污染，其污染機(jī)制十分復(fù)雜．因此，這里只能考慮單一化學(xué)物質(zhì)篩選，以便有較強(qiáng)的可操作性．

4）簡(jiǎn)潔實(shí)用性．評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇應(yīng)明確反映系統(tǒng)與指標(biāo)之間的相互關(guān)系，確定的指標(biāo)力求簡(jiǎn)潔，含義清晰明確，便于應(yīng)用操作，具有實(shí)用性．

5）科學(xué)性．指標(biāo)體系的選擇涉及到生態(tài)環(huán)境和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、環(huán)境化學(xué)及環(huán)境生物等諸多學(xué)科領(lǐng)域，因此，要廣泛征求相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域有關(guān)專家的意見(jiàn)，反復(fù)斟酌、論證及比選，以求獲得較為理想的評(píng)價(jià)結(jié)果．

6）定性與定量相結(jié)合．污灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)盡可能選擇定量化的指標(biāo)，對(duì)于難以量化的也不能忽略，應(yīng)定性描述．

1．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

這里以污灌區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀為基準(zhǔn)，灌溉水標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）．土壤標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995），參考河南省主要元素的土壤環(huán)境背景值，將開(kāi)封市污灌區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境污染和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)等級(jí)：極?。á瘢?、?。á颍⒅械龋á螅?、大（Ⅳ）、極大（Ⅴ），不同級(jí)別重金屬元素含量范圍見(jiàn)表1．根據(jù)《中國(guó)藥典》（2005年版）、《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》、《國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和保?。üδ埽┦称吠ㄓ脴?biāo)準(zhǔn)》（GB 16740—1997），將小麥污染風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí)［3］：保健、無(wú)公害、食品限值、藥材標(biāo)準(zhǔn)、重污染，即極?。á瘢?、小（Ⅱ）、中等（Ⅲ）、大（Ⅳ）、極大（Ⅴ）．經(jīng)過(guò)分析，建立了土壤受重金屬污染條件下的糧食安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1．

表1 污灌區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境污染和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 污灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和糧食安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，基于重金屬總量的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法中常用且具有代表性的主要有：內(nèi)梅羅指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等．這些評(píng)價(jià)方法各具特色，適用范圍不一．這里選擇內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)污水灌溉區(qū)小麥安全性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)［4］．

2．1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值或稱突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)．該方法特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，它在加權(quán)過(guò)程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響．內(nèi)梅羅指數(shù)的計(jì)算公式為［5］：

式中：Ii為環(huán)境中第i種污染物的分指數(shù);Ci為環(huán)境中第i種污染物的濃度;Si為環(huán)境中第i種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［6］;I為綜合污染指數(shù);Imax為各單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中最大者;Iave為各單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中的平均值．

一般來(lái)說(shuō)，I＞1，說(shuō)明環(huán)境質(zhì)量已不能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，即存在風(fēng)險(xiǎn);I=1，說(shuō)明環(huán)境質(zhì)量處于臨界狀態(tài);I＜1，說(shuō)明環(huán)境質(zhì)量較評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求好，即生態(tài)環(huán)境不存在風(fēng)險(xiǎn)．

2．2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出來(lái)的對(duì)土壤或沉積物中重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法．該方法不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采用具有可比的等價(jià)屬性指數(shù)分級(jí)法進(jìn)行評(píng)價(jià)．潛在生態(tài)危害指數(shù)涉及到單項(xiàng)污染系數(shù)、重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)以及潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù)［7］．

表2 重金屬污染的土壤參比值和毒性響應(yīng)系數(shù)

表3 和RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 和RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)危害系數(shù) 生態(tài)危害程度Ei f＜40或RI＜150輕微40≤Eif＜80或150≤RI＜300 中等80≤Eif＜160或300≤RI＜600 較強(qiáng)160≤Eif＜320 或 RI≥600 強(qiáng)Ei f≥320極強(qiáng)

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3．1 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法以濃度、數(shù)量、毒性和敏感性4個(gè)前提條件為基礎(chǔ)，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4．由表4可知，土壤受Cr和Pb污染程度較輕，處于低潛在風(fēng)險(xiǎn)，這是由于土壤中含量較高的重金屬元素Cr的毒性響應(yīng)參數(shù)較低，Pb的含量和毒性響應(yīng)參數(shù)都較低;雖然Cd含量低，但毒性較高，且易遷移，從而使得其潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)較高;As含量較高且毒性較大，易遷移，從而使得其潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)較高;樣品6和樣品8的Cd污染程度較高，毒性響應(yīng)參數(shù)也較高，故其潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)較高，土壤潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算結(jié)果很高，潛在危害程度極強(qiáng)［9］．

表4 開(kāi)封市污灌區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3．2 小麥籽粒重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)開(kāi)封市污灌區(qū)小麥籽粒重金屬污染安全性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)．由于農(nóng)作物籽粒重金屬含量直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題，因此，將小麥籽粒中的重金屬含量與農(nóng)作物的食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)相比較，對(duì)小麥進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5．從表5可以看出，小麥籽粒受Pb污染最為嚴(yán)重，污染指數(shù)大于1的樣點(diǎn)數(shù)占樣點(diǎn)總數(shù)的80%;Cd，Cr，As污染次之，污染指數(shù)大于1的樣點(diǎn)數(shù)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的70%，50%，10%．這說(shuō)明由于該污灌區(qū)長(zhǎng)期利用污水灌溉已經(jīng)導(dǎo)致重金屬在小麥籽粒中產(chǎn)生了不同程度的積累．除元素Cd在小麥籽粒和土壤中的污染程度一致外，其他元素在小麥籽粒種子和土壤中的污染程度均表現(xiàn)出一定的差異［10］．這主要是由于各采樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)和重金屬的種類、濃度以及存在形態(tài)等的差異而造成的．這也表明了重金屬在土壤—小麥系統(tǒng)中遷移的復(fù)雜性．

表5 開(kāi)封市污灌區(qū)小麥籽粒重金屬污染指數(shù)

從表5還可以看出，10個(gè)小麥籽粒樣品中以樣品10受重金屬污染最嚴(yán)重，其綜合污染指數(shù)達(dá)4．70;樣品1受重金屬污染次之，其綜合污染指數(shù)達(dá)4．14;樣品6受重金屬污染較輕，綜合污染指數(shù)小于1，為0．82．各采樣點(diǎn)籽粒和土壤污染程度的差異性表明，即使對(duì)于同一植物，影響重金屬元素遷移的因素仍然是比較復(fù)雜的．

4 結(jié)語(yǔ)

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，開(kāi)封市污灌區(qū)土壤和小麥中均發(fā)生了重金屬污染．土壤樣本8的污染風(fēng)險(xiǎn)最高，受Cd污染最嚴(yán)重，As污染次之，Cr，Pb污染程度較輕，處于低潛在風(fēng)險(xiǎn)，但它們?cè)谕寥乐械暮坑械囊呀咏鼑?guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值．小麥籽粒受Pb污染最嚴(yán)重，Cd，Cr，As污染次之．但小麥籽粒樣品以樣品10的污染風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重．這種小麥籽粒和土壤污染風(fēng)險(xiǎn)的差異性表明，即使對(duì)于同一植物，影響重金屬元素遷移的因素仍然是比較復(fù)雜的，有待進(jìn)一步研究．

開(kāi)封市污灌區(qū)長(zhǎng)期利用污水灌溉，已經(jīng)導(dǎo)致重金屬在小麥籽粒中發(fā)生不同程度的積累，重金屬在土壤—小麥系統(tǒng)中的積累將最終通過(guò)能量流動(dòng)所遵循的十分之一定律危害人類健康，因此，重金屬在土壤—小麥系統(tǒng)中的積累不容忽視．

［1］周振民．污水資源化與污水灌溉技術(shù)研究［M］．鄭州：黃河水利出版社，2006．

［2］王慎強(qiáng)．我國(guó)土壤環(huán)境保護(hù)研究的回顧與展望［J］．土壤，1999（5）：255－260．

［3］張學(xué)詢，吳燕玉，陳濤，等．張士灌渠鎘、鉛等重金屬遷移分布規(guī)律及其治理途徑［J］．環(huán)境學(xué)，1982，3（6）：7－10．

［4］中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站．中國(guó)土壤元素背景值［M］．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990．

［5］秦普豐，鐵柏清，周細(xì)紅，等．鉛與錫對(duì)棉花和水稻萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響［J］．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26（3）：205－207．

［6］吳燕玉，王新，梁仁祿，等．重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)土壤—植物系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)Ⅱ．對(duì)作物、苜蓿、樹(shù)木吸收元素的影響［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，8（5）：545 －552．

［7］ Sutherland R A，Tolosa C A，Tack F M G，et al．Characterization of selected element concentrations and enrichment ratios in background and anthropogenic ally impacted roadside areas［J］．Archives of Environmental Contamination and Toxicology，2000，38（4）：428 －438．

［8］ Lipton J，Galbraith H，Burger J，et al．A paradigm for ecological risk assessment［J］．Environmental Management，1993，9（17）：1－5．

［9］ Ebbs S D，Lasat M M，Brady D J，et al．Phytoextraction of cadmium and Zinc from a contaminated soil［J］．Journal of Environmental Quality，1997，26（5）：1424 －1430．

［10］ Victor B S．Applying ecological risk principles to watershed assessment and management［J］．Environmental Management，2002，29（2）：145 －154．