農(nóng)田表層土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)研究

王 茜，張光輝，田言亮，嚴(yán)明疆，張希雨

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

?

農(nóng)田表層土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)研究

王 茜，張光輝，田言亮，嚴(yán)明疆，張希雨

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)南陵縣是我國商品糧生產(chǎn)基地之一，該區(qū)農(nóng)田表層土壤中重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)研究對(duì)于提高糧食安全具有重要意義。文章以南陵縣基本農(nóng)田區(qū)作為主要研究區(qū)，按土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)要求，布設(shè)和采集了0～20 cm深度的表層土壤樣品500組，分別監(jiān)測了土壤中Cd、Pb、Cr、Hg、As、Cu、Fe、Mn和Zn等重金屬含量現(xiàn)狀，并采用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法量化解析了這些重金屬在土壤中的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)。結(jié)果表明：(1)土壤中除了Cr元素，其余重金屬元素都不同程度存在異常；(2)局部土壤中Cd、Hg和Fe等元素含量存在異常，平均含量分別是所在區(qū)域背景值的1.92，1.95，7.13倍，存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響；(3)土壤中重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值(平均RI值)為164.5，Cd和Hg元素為主要影響元素。

農(nóng)田區(qū)表層土壤；重金屬；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；糧食安全；地質(zhì)累積指數(shù)法

基本農(nóng)田是糧食生產(chǎn)的主要載體。農(nóng)田土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定著農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)與安全。近年來，伴隨城市化進(jìn)程加快和農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展，人類活動(dòng)產(chǎn)生的各類污染物質(zhì)導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化。重金屬具有毒性、生態(tài)積累性[1～2]、污染不可逆性[3]和危害長久性[4]等特征，是最普遍、危害最嚴(yán)重的土壤污染物。農(nóng)田中重金屬的含量和分布狀況不僅影響土壤質(zhì)量，而且對(duì)糧食安全具有一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，是劃定基本農(nóng)田和評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[5]。此外，由于外源輸入的重金屬主要累積于耕作層[6]，并最終被作物吸收后殘留于體內(nèi)，影響糧食安全及人體健康[7]。因此，開展農(nóng)田耕層土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)研究對(duì)提高糧食安全保障能力具有積極作用。

目前有關(guān)農(nóng)田土壤重金屬影響的研究方法主要有環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法，包括單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法；生態(tài)指數(shù)法，包括地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法；地統(tǒng)計(jì)和模型法等。生態(tài)指數(shù)法從沉積學(xué)角度出發(fā)，基于污染物質(zhì)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和毒理特征，定量評(píng)價(jià)重金屬對(duì)環(huán)境的影響并對(duì)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度劃分等級(jí)。該方法因其直觀性、定量性和對(duì)于潛在生態(tài)危害預(yù)測性等特點(diǎn)，在沉積物、土壤和街道灰塵等多種介質(zhì)和全國多地區(qū)不同利用類型土地的重金屬元素生態(tài)影響研究中廣泛應(yīng)用，為生態(tài)環(huán)境的改善和人類健康提供了科學(xué)依據(jù)。

皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)是我國水稻、小麥、玉米、薯類重要產(chǎn)區(qū)和國家商品糧生產(chǎn)基地。隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市化推進(jìn)和上游山區(qū)有色金屬礦產(chǎn)開發(fā)，該地區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬污染問題引起廣泛關(guān)注[8]。但有關(guān)皖江地區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量問題研究主要集中于元素基準(zhǔn)值、背景值的確定及土壤中微量元素和礦物組成分析，對(duì)農(nóng)田區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究鮮有報(bào)道。本文以皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)南陵縣國家商品糧基地為重點(diǎn)研究區(qū)，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查和0～20 cm土壤樣品采集分析，應(yīng)用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，開展農(nóng)田表層土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)研究，為該區(qū)基本農(nóng)田的劃定、安全利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)位于長江流域安徽段兩岸地區(qū)，包括安徽的沿江平原和巢湖地區(qū)，所轄地市涉及合肥、蕪湖、安慶、池州、銅陵、馬鞍山、宣城(除績溪縣)和滁州市。研究區(qū)南陵縣基本農(nóng)田位于皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)東南部，隸屬蕪湖市(圖1)，主要包括籍山鎮(zhèn)、弋江鎮(zhèn)、許鎮(zhèn)鎮(zhèn)、家發(fā)鎮(zhèn)、工山鎮(zhèn)、三里鎮(zhèn)、何灣鎮(zhèn)和煙墩鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積1 263.7 km2，人口76萬。南陵縣經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主，為國家高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田示范區(qū)、國家級(jí)生態(tài)示范區(qū)，是我國糧、棉、油、魚、茶的重要產(chǎn)區(qū)，“南陵大米”是國家地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品。研究區(qū)地處皖南山區(qū)與沿江平原過渡地帶，地貌以平原、丘陵和低山為主，地勢呈西南部高、東北部低。多年平均氣溫15.8 ℃，年均降水量1 500 mm，降水主要集中每年4～8月份，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。研究區(qū)境內(nèi)主要河流有青弋江、漳河和資福河。土壤類型以水稻土為主，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)為雙季水稻或稻麥輪作。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Location of the study area with the sampling site

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

在南陵縣的基本農(nóng)田區(qū)按照1.0 km×2.0 km的矩形規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行樣品點(diǎn)布設(shè)(圖1)，于2015年7—9月期間共采集500組土壤樣品。取樣點(diǎn)所在農(nóng)田類型包括水田、旱地、菜園和林地等。山地和非農(nóng)田區(qū)沒有布設(shè)采樣點(diǎn)。為確保土壤樣品分布的代表性，每組樣品采用梅花模式取樣，在采樣點(diǎn)的周圍等間距處布設(shè)4個(gè)輔助樣品點(diǎn)，分別垂直采集0～20 cm農(nóng)田耕作層土壤，混合均勻后裝入塑封袋中，樣品原始重量大于1 kg。在土壤樣品采集的同時(shí)，利用GPS進(jìn)行采樣點(diǎn)位置定位，并記錄其坐標(biāo)和高程信息。

室溫條件下，土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨，剔除動(dòng)植物殘?bào)w、礫石和較大雜質(zhì)后，按照測試規(guī)范的技術(shù)要求，分別過2 mm/0.074 mm土樣篩待測。

樣品測試分析由國土資源部保定礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。測試項(xiàng)目包括As、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Pb和Zn等元素。其中As、Hg采用原子熒光光譜儀進(jìn)行測定，其余元素采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀進(jìn)行測試。測試分析執(zhí)行多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(DD2005-01)相關(guān)規(guī)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.3 表層土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

對(duì)于農(nóng)田區(qū)表層土壤中重金屬元素對(duì)土壤質(zhì)量影響和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)，本文采用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行研究。

2.3.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)方法由德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的學(xué)者M(jìn)uller首次提出[9]，可以作為研究水環(huán)境沉積物中重金屬元素潛在影響程度的定量指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

(1)

K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.5。

地質(zhì)累積指數(shù)分為7級(jí)[10]，分別表示土壤或沉積物中重金屬元素對(duì)土地質(zhì)量與土壤生態(tài)影響程度，如表1所示。

表1 地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

(2)

(3)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)易受沉積物中金屬元素含量、所含重金屬元素?cái)?shù)量及組分、金屬元素毒性及敏感性等因素影響[11]，其分級(jí)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)因子、潛在生態(tài)危害系數(shù)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)

3 結(jié)果與討論

3.1 農(nóng)田區(qū)表層土壤中金屬元素含量異常特征

根據(jù)500組土壤樣品測試分析數(shù)據(jù)，研究區(qū)農(nóng)田表層(0～20 cm)土壤中重金屬普遍檢出(表3)。同中國土壤中相應(yīng)元素背景值[12]比較，除了As和Zn平均含量略低，其他各重金屬元素含量均高于背景值，其中Cd和Fe平均含量明顯高于中國土壤元素背景值，是相應(yīng)元素背景值的2.06倍和10.8倍。與安徽省江淮流域現(xiàn)有的元素背景值相比[13]，Cd、Hg和Fe元素含量高于相應(yīng)元素背景值2倍或以上，Cr和Cu含量略低于背景值。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，超半數(shù)的取樣點(diǎn)土壤中Cd、Cr、Cu、Fe、Hg和Pb元素含量高于全國相應(yīng)元素含量背景值，其中Cd和Fe含量超全國背景值的采樣點(diǎn)數(shù)分別占本次總采樣點(diǎn)的97.6%和100%，平均含量低于全國背景值的Zn元素也存在36.3%的采樣點(diǎn)含量超過全國Zn背景值的情況。由此表明，南陵縣基本農(nóng)田區(qū)土壤中存在重金屬元素外源影響狀況，其中Cd、Hg和Fe含量明顯高于全國或所在區(qū)域?qū)?yīng)元素的背景值。

變異系數(shù)(CV, coefficient variation)計(jì)算結(jié)果表明：研究區(qū)農(nóng)田表層土壤中9類被測重金屬元素存在不同程度的變異特征，CV值介于14.61%～43.51%，其中As、Cd、Hg和Mn元素的變異系數(shù)大于30%，分別為43.51%、38.25%、32.46%和36.96%，表明這些元素受到外域因素的影響，在研究區(qū)農(nóng)田土壤中存在一定程度的空間變異性；Cr、Pb和Fe元素的變異系數(shù)小于20%，變異程度較小，表明此類元素受外域因素影響較小。

表3 全國[12]及研究區(qū)[13]成土母質(zhì)重金屬元素背景

注：a表示金屬元素含量單位為mg/kg；b表示金屬元素含量單位為g/kg。

3.2 土壤重金屬空間變異性

根據(jù)對(duì)南陵縣基本農(nóng)田表層土壤中金屬含量的統(tǒng)計(jì)分析和半方差函數(shù)分析，Cr、Pb、Cu、Fe和Mn含量服從正態(tài)分布，Cd含量服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布(K-S檢驗(yàn)，p>0.05，雙截尾)，其余元素含量表現(xiàn)為明顯的偏態(tài)分布。

根據(jù)半方差函數(shù)理論，計(jì)算得到南陵縣基本農(nóng)田表層(0～20 cm)土壤金屬含量的半方差函數(shù)擬合模型(表4)，在研究區(qū)土壤的9類重金屬中，As、Cr、Hg、Cu和Zn球狀模型擬合效果最優(yōu)，Cd、Pb、Fe和Mn元素含量采用指數(shù)模型進(jìn)行擬合。所有被測的9種金屬元素?cái)M合模型的決定系數(shù)在0.720～0.996之間，達(dá)到顯著水平。金屬元素的空間相關(guān)距離在17.49～192.66 km之間，存在較大的差異性。其中Cd和Zn的空間相關(guān)性范圍均小于20 km，元素在空間上的相關(guān)性較弱；As、Hg、Pb和Cu的空間相關(guān)距離分別為61.1，71.1，36.09，71.04 km，表現(xiàn)為中等程度的空間相關(guān)性；Cr、Fe和Mn的相關(guān)性范圍分別為192.66，95.91，192.54 km，空間相關(guān)距離較遠(yuǎn)，表明這些元素受到自然或人類活動(dòng)等因素的影響較小，導(dǎo)致其空間自相關(guān)距離變大。

塊金值(C0, Nugget)是半方差函數(shù)模型中間隔距離為0處的半方差取值，代表由實(shí)驗(yàn)誤差及小于實(shí)驗(yàn)采樣尺度上由于隨機(jī)因素產(chǎn)生的變異。南陵農(nóng)田表層土壤中，9類重金屬含量的塊金值C0分布范圍為0.26～0.72，表明在此次取樣與實(shí)驗(yàn)尺度上由于誤差與隨機(jī)變異等因素引起的元素含量變異性較小。

表4 南陵縣基本農(nóng)田表層土壤(0～20 cm)金屬元素含量統(tǒng)計(jì)特征與半方差函數(shù)模型

塊金值與基臺(tái)值的比值(C0/Sill)表明土壤中重金屬空間相關(guān)性的程度。比值小于0.25表明具有強(qiáng)的空間相關(guān)性，比值在0.25～0.75之間表明空間相關(guān)性中等，比值大于0.75表明空間相關(guān)性很差。通過分析研究區(qū)土壤中重金屬含量的塊金值與基臺(tái)值比發(fā)現(xiàn)，Zn和Fe具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，C0/Sill值分別為24.13%和18.75%。其余重金屬的空間相關(guān)性為中等(30.45%～49.67%)。說明南陵縣基本農(nóng)田中，大部分重金屬含量的空間分布是由氣候、母質(zhì)、地貌、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和人類活動(dòng)的隨機(jī)性因素共同制約與作用的結(jié)果。

3.3 土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)特征

基于500組農(nóng)田區(qū)表層土壤測試數(shù)據(jù)，采用地質(zhì)累積指數(shù)法(Igeo)分析，結(jié)果顯示：研究區(qū)農(nóng)田表層土壤中Fe元素的平均地質(zhì)累積指數(shù)較大，為2.22，是被測的9類重金屬元素中最大值，表明Fe元素對(duì)表層土壤質(zhì)量存在“中等- 強(qiáng)”程度的影響；Cd、Hg元素的平均地質(zhì)累積指數(shù)均為0.27，表明它們對(duì)土壤質(zhì)量存在“輕度- 中等”程度的影響；其余各金屬元素的平均地質(zhì)累積指數(shù)都小于0，表明它們對(duì)研究區(qū)農(nóng)田表層土壤質(zhì)量影響不明顯。需要指出，雖然在農(nóng)田表層土壤中，總體上大部分重金屬元素對(duì)土壤質(zhì)量的影響程度表現(xiàn)為不明顯，但是局部范圍的地質(zhì)累積指數(shù)較高，例如As和Mn的地積累指數(shù)最大值分別達(dá)1.84與2.81，表明在某些采樣點(diǎn)表層土壤中As和Cd對(duì)土地質(zhì)量存在不同程度的影響(表5)。

表5 農(nóng)田表層土壤重金屬元素地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)及影響程度分級(jí)比例

從重金屬元素對(duì)表層土壤影響程度分級(jí)所占比例分析中可知，F(xiàn)e元素對(duì)土壤質(zhì)量影響程度與影響范圍比例均為最大，全部采樣點(diǎn)(100%)表層土壤中Fe元素均達(dá)到“中等”和“中等- 強(qiáng)”影響程度，其中“中等- 強(qiáng)”影響程度的采樣點(diǎn)比例可達(dá)到77.76%，“中等”影響程度的采樣點(diǎn)比例占22.24%。Cd和Hg元素對(duì)表層土壤具有影響的樣本數(shù)量比例亦很高，分別可達(dá)到調(diào)查樣地?cái)?shù)的72.56%，76.17%。其中5.28%的土壤樣本處于Cd“中等”、“中等- 強(qiáng)”的影響程度，67.28%的土壤樣本Cd對(duì)土地質(zhì)量影響程度為“輕度- 中等”。對(duì)于重金屬元素Hg，達(dá)到“中等”程度的土壤樣本比例為5.91%，“輕度- 中等”影響程度的樣本比例約占70.26%。Cr、Cu和Pb元素對(duì)表層土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響的樣本數(shù)比例最低。在研究區(qū)所有土壤樣本中Cr元素表現(xiàn)為對(duì)表層土地質(zhì)量無影響，Cu和Pb元素影響土地質(zhì)量的樣本比例也僅為0.81%和2.26%，且均為“輕度- 中等”程度影響。從總體樣本空間中各重金屬元素的統(tǒng)計(jì)分析可以看出，Cd和Mn元素地質(zhì)累積指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差(S.D.)相對(duì)于其他金屬元素偏高，說明在土壤樣本中這兩類金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)離散程度較高，變異系數(shù)偏大。

3.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布特征

表6 研究區(qū)土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及程度比例

Hg和Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值分別為173.2和184.62，達(dá)到“很強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”，其平均值分別為75.92和57.84(表6)。按照重金屬土地質(zhì)量影響程度等級(jí)分類來看，Cd和Hg元素達(dá)到“中等程度”及“中等以上程度”生態(tài)危害的比例分別為83.33%和96.13%。其余7類元素中，除As生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最大值為53.83，達(dá)到“中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”程度，Cr、Pb、Cu、Zn、Fe和Mn的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最大值均小于40，研究區(qū)全部土壤樣本中這六類元素均表現(xiàn)為“輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”。

從不同重金屬對(duì)土壤存在的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度比例分析中可知，Hg元素對(duì)研究區(qū)農(nóng)田表層土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響以“中度- 強(qiáng)”為主，該程度的樣品數(shù)占樣本重量比例為95.11%；重金屬元素Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響以“中度”為主，該程度的采樣點(diǎn)數(shù)占總采樣點(diǎn)的比例為72.56%。由此可見，南陵縣農(nóng)田區(qū)表層土壤中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響主要來源于毒性金屬Cd和Hg。此外，As對(duì)于研究區(qū)局部農(nóng)田表層土壤質(zhì)量也存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

在空間分布上，研究區(qū)表層土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如圖2所示。重金屬Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最為明顯，研究區(qū)絕大部分農(nóng)田均處于“中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”影響下，在研究區(qū)南部、中部城區(qū)和北部土壤中Hg元素達(dá)到“強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”及以上的水平。Cd為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)第二貢獻(xiàn)元素，超過10%研究區(qū)農(nóng)田達(dá)到“強(qiáng)”和“很強(qiáng)”程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中存在“很強(qiáng)”程度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(>160)的區(qū)域主要分布于研究區(qū)西部。其余重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均以輕微為主，為顯示各元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分布特征和趨勢性，將其值分為五級(jí)進(jìn)行Kriging插值作圖(圖2)。

圖2 研究區(qū)表層土壤重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布特征Fig.2 Spatial distribution of ecological risk coefficients of heavy metals in top- soils of the study area

圖2表明，在研究區(qū)西部和南部的低山—丘陵區(qū)，金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均表現(xiàn)有不同程度的相對(duì)增加。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域?yàn)樵摰貐^(qū)金、銅等有色金屬礦區(qū)，且分布有若干規(guī)模不等的金屬礦產(chǎn)開采、加工廠。土壤中金屬元素含量的分布與變化與有色金屬礦產(chǎn)分布密切相關(guān)，礦區(qū)附近土壤的環(huán)境地球化學(xué)異常是導(dǎo)致這些區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)偏高的自然因素。此外，礦石的開采、加工和冶煉等人類活動(dòng)也是造成重金屬區(qū)域性異常的重要因素。

在研究區(qū)北部的沖積—湖積平原地區(qū)，Cr和Cu潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對(duì)較高。該區(qū)域湖塘密集，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達(dá)。集約化養(yǎng)殖過程中飼料的投放是環(huán)境中重金屬的重要外源輸入，周邊農(nóng)田引湖塘水澆灌農(nóng)田是導(dǎo)致土壤中Cr、Cu潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)增加的重要因素。

南陵縣農(nóng)田區(qū)表層土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)介于65.09～309.33之間，平均值為164.5。分析發(fā)現(xiàn)，皖江區(qū)農(nóng)田整體上處于“中等- 輕微”程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)下(表1)，64.4%的取樣點(diǎn)(322個(gè))存在“中等”程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；處于“輕微”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(RI<150)下的取樣點(diǎn)占總?cè)狱c(diǎn)比例35%。

圖3為研究區(qū)農(nóng)田表層土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布圖。重金屬輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈塊狀、條帶狀分布于南陵縣中部和東部平原區(qū)。重金屬對(duì)這些區(qū)域農(nóng)田土地質(zhì)量存在較輕微的潛在生態(tài)影響。RI高值區(qū)以斑塊狀分散于研究區(qū)的西部、南部丘陵山區(qū)、城區(qū)和北部平原區(qū)，并呈放射狀向周圍遞減；“中等強(qiáng)度”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域呈條帶狀分布于研究區(qū)的中部和東部。

在農(nóng)田區(qū)表層土壤中，Cd富集區(qū)分布于南陵縣西部低山丘陵地區(qū)，Hg高值區(qū)分布于南部山區(qū)和中部城區(qū)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布與Cd和Hg的空間異常分布呈高度一致性。結(jié)合農(nóng)田表層土壤重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Cd和Hg是該區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)因子。

RI值一方面受研究區(qū)重金屬含量高低的影響，更為重要的制約因素是重金屬元素的生態(tài)毒性[18]。Cd和Hg元素的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為30和80,具有極高的生態(tài)毒性，因此雖然研究區(qū)土壤大部分重金屬元素表現(xiàn)為“輕微”程度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)但區(qū)域仍存在“強(qiáng)- 中等”的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(圖2、圖3)。

圖3 表層土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布與分區(qū)特征Fig.3 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metals in top- soils

4 結(jié)論

在皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)南陵縣農(nóng)田區(qū)表層(0～20 cm)土壤中，As、Cd、Hg、Pb、Mn、Fe和Zn的平均含量高于所在區(qū)域的背景值，其中Cd、Hg和Fe平均含量分別為所在區(qū)域相應(yīng)元素背景值的1.92、1.95和7.13倍；Cd和As元素變異系數(shù)值較高，與上游山區(qū)有色金屬礦產(chǎn)開發(fā)和人類活動(dòng)影響有關(guān)。

根據(jù)土壤重金屬元素地質(zhì)累積指數(shù)分析結(jié)果，F(xiàn)e元素對(duì)農(nóng)田土地質(zhì)量影響程度為“中等- 強(qiáng)”，Cd、Hg和Mn元素影響程度以“輕度- 中等”為主，局部表現(xiàn)為“中等”程度的影響?？傮w上，As、Cr、Cu、Pb和Zn元素平均地質(zhì)累積指數(shù)介于“無影響”范圍，局部為“輕度- 中等”程度影響。

南陵縣農(nóng)田區(qū)土壤中重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小順序?yàn)椋篐g>Cd>As>Fe>Pb>Cu>Cr>Zn>Mn，其中Cd和Hg元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值分別為57.84和75.92，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響為“中等程度”狀態(tài)。

雖然南陵縣農(nóng)田區(qū)多數(shù)重金屬元素為“輕微”程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響，但是，從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)來看，研究區(qū)的64%范圍表層土壤存在“中等程度”重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，這與研究區(qū)表層土壤中Cd和Hg含量偏高、且分布較廣有關(guān)。因此，采取相應(yīng)治理措施勢在必行。

[ 1] Mani Rajkumar, Majeti Narasimha Vara Prasad, Helena Freitas,etal. Biotechnological applications of serpentine soil bacteria for phytoremediation of trace metals[J]. Critical Reviews in Biotechnology, 2008, 29(2): 120-130.

[ 2] Walter W Wenzel, Reinhard Unterbrunner, Peter Sommer,etal. Chelate- assisted phytoextraction using canola (Brassica napus L) in outdoors pot and lysimeter experiments[J]. Plant and Soil, 2003, 249: 83-96.

[ 3] Virendra Kumar Mishra, Alka Rani Upadhyaya, Sudhir Kumar Pandey,etal. Heavy metal pollution induced due to coal mining effluent on surrounding aquatic ecosystem and its management through naturally occurring aquatic macrophytes[J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 930-936.

[ 4] 張開軍, 魏迎春, 徐友寧. 模糊數(shù)學(xué)在小秦嶺某金礦區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2013, 40(5): 124-128. [ZHANG K J, WEI Y C, XU Y N. Application of fuzzy mathematics method to soil heavy metal pollution evaluation in a gold mining area of Xiao Qinling[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2013, 40(5): 124-128. (in Chinese)]

[ 5] 曾希柏, 徐建明, 黃巧云, 等. 中國農(nóng)田重金屬問題的若干思考[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(1): 186-194.[ZENG X B, XU J M, HUANG Q Y,etal. Some deliberations on the issues of heavy metals in farmlands of China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(1): 186-194. (in Chinese)]

[ 6] 邢洪連, 郭華明, 王軼, 等. 河北保定市安新—清苑縣土壤重金屬形態(tài)分布及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2016, 43(2): 140-146.[XING H L, GUO H M, WANG Y,etal. Fraction distribution and risk assessment of soil heavy metals in Anxin—Qingyuan County in Baoding of Hebei[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(2): 140-146.(in Chinese)]

[ 7] 徐友寧, 張江華, 趙阿寧, 等. 小秦嶺某金礦區(qū)水土環(huán)境重金屬污染及其效應(yīng)[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2009, 36(4): 131-138.[XU Y N, ZHANG J H, ZHAO A N,etal. Water and soil contamination and environmental effect in a certain gold area in Xiaoqinling[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2009, 36(4): 131-138. (in Chinese)]

[ 8] 王茜, 張光輝, 田言亮, 等. 皖江經(jīng)濟(jì)區(qū)基本農(nóng)田地球化學(xué)特征及成因[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 2016, 90(8): 1988-1997.[WANG Q, ZHANG G H, TIAN Y L,etal. The character and influencing factors of geochemical distribution in basic farmland of economic zone along Yangzte river in Anhui[J]. ACTA GEOLOGICA SINICA, 2016, 90(8): 1988-1997. (in Chinese)]

[ 9] Muller G. Index of the geoaccumulation in sediment of the Rhine River[J]. GeoJournal, 1969(2): 108-118.

[10] Forstner U. Lecture notes in earth sciences (contaminated sediments) [M]. Berlin: Springer Verlag, 1989: 107-109.

[11] Lars Hakanson. An ecological risk index for aquatic pollution control—a sedimentological approach[J]. Water Research, 1980, 14: 975.

[12] 魏復(fù)盛, 楊國治, 蔣德珍, 等. 中國土壤元素背景值基本統(tǒng)計(jì)量及其特征[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 1991, 7(1):1-6.[WEI F S, YANG G Z, JIANG D Z,etal. The basic statistical characteristic value and background value of China soil element[J]. China’s Environmental Monitoring, 1991, 7(1): 1-6. (in Chinese)]

[13] 陳興仁, 陳富榮, 賈十軍, 等. 安徽省江淮流域土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值與背景值研究[J]. 中國地質(zhì), 2012, 39(2): 302-310. [CHEN X R, CHEN F R, JIA S J,etal. Soil geochemical baseline and background in Yangtze River- Huaihe River basin of Anhui Province[J]. Geology in China, 2012, 39(2): 302-310. (in Chinese)]

[14] 徐爭啟, 倪師軍, 庹先國, 等. 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2008, 31(2): 112-115.[XU Z Q, NI S J, TUO X G,etal. Calculation of heavy metals’ toxicity coefficient in the evaluation of potential ecological risk index[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 31(2): 112-115. (in Chinese)]

責(zé)任編輯：汪美華

Research on the potential ecological risk of farmland top- soil of heavy metals

WANG Qian, ZHANG Guanghui, TIAN Yanliang, YAN Mingjiang, ZHANG Xiyu

(InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China)

Basic farmland plays an important role in grain quality and security. Research on the potential ecological risk of farmland top- soil of heavy metals is of great guiding significance for increasing grain yield and security. Based on the assessment standard of the soil quality geo- chemical survey, this article selects the basic farmland in Nanling county in Anhui as the main study area, and a total of 500 top- soil samples (depth of 0～20 cm) are collected. By using the methods of geo- accumulation index and potential ecological risk index, the potential effects of heavy metals in the top- soil of Nanling farmland are examined. The results show that (1) there is no pollution of the heavy metal element Cr in the top- soil, however, the rest of heavy metals occur harmful effects in varying degrees; (2) the contents of heavy metals Cd, Hg and Fe exist regional abnormal in top- soil and mean concentration of these heavy metals are more than the geo- chemical background value of Nanling county 1.92, 1.95 and 7.13 times, respectively, which carries potential risk for the grain quality and security; (3) the meanRIvalue is 164.5, indicating that the Nanling farmland sufferes from a moderate- level potential ecological risk and the principle heavy metals element are Cd and Hg.

top- soil in farmland; heavy metals; potential ecological risk; grain security; geo- accumulation index

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.25

2016- 10- 25;

2017- 02- 20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41502253)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120115049701，121201236000160009)

王茜(1987- )，女，博士，主要從事水循環(huán)與水土環(huán)境保護(hù)等方面研究。E- mail：wangqian870731@gmail.com

張光輝(1959- )，男，研究員，博導(dǎo)，長期從事區(qū)域水循環(huán)演化和地下水可持續(xù)利用研究。E- mail：huanjing59@163.com

X825

A

1000- 3665(2017)04- 0165- 08