喬口鎮(zhèn)土壤重金屬Pb、Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳肖胤，王永豪

（湖南工業(yè)大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 株洲 412007）

喬口鎮(zhèn)土壤重金屬Pb、Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳肖胤，王永豪

（湖南工業(yè)大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 株洲 412007）

以長沙市望城區(qū)喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田土壤為研究對象，利用單因子評(píng)價(jià)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其土壤中Pb、Cd的含量進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，喬口鎮(zhèn)研究區(qū)域重金屬Pb污染在可接受范圍之內(nèi)，而土壤中重金屬Cd的累積程度較高，污染嚴(yán)重，已經(jīng)對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。同時(shí)，對周邊農(nóng)田土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬Cd的單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)Ei處于40～160之間，且深度為0～20 cm的土樣中Cd的單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)均大于80，表明該元素存在強(qiáng)生態(tài)危險(xiǎn)。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)RI來看，喬口鎮(zhèn)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害還在可接受范圍之內(nèi)。

喬口鎮(zhèn)；土壤；重金屬；單因子；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

0　引言

隨著長株潭城市群建設(shè)的加快，其周邊村鎮(zhèn)正逐步承受工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)和交通等人類活動(dòng)的多重環(huán)境壓力，村鎮(zhèn)土壤重金屬污染的環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻。村鎮(zhèn)土壤重金屬污染不僅影響土壤的正常功能和農(nóng)作物的生長，而且可通過各種途徑如食物、表面接觸、呼吸等進(jìn)入人體，對人體神經(jīng)系統(tǒng)、免疫功能等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至有強(qiáng)致癌作用［1-2］，嚴(yán)重危害村鎮(zhèn)居民的健康。目前，土壤重金屬污染所帶來的環(huán)境問題已經(jīng)成為國際環(huán)境土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)［3-6］，而學(xué)術(shù)界對村鎮(zhèn)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究還甚少，因此，對村鎮(zhèn)土壤中重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究具有非常重要的意義。

長沙市望城區(qū)喬口鎮(zhèn)作為一個(gè)省級(jí)示范村鎮(zhèn)，近幾年來，特種水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、優(yōu)質(zhì)稻種植業(yè)、牲豬養(yǎng)殖業(yè)和休閑農(nóng)業(yè)等獲得了長足發(fā)展。圍繞核心示范區(qū)的建設(shè)，一些著名的水產(chǎn)養(yǎng)殖公司相繼在該鎮(zhèn)落戶。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，污染也隨之而來。因此，在國內(nèi)外土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，本文對喬口鎮(zhèn)土壤中重金屬Pb、Cd進(jìn)行潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)，希望能夠?yàn)殚L株潭地區(qū)村鎮(zhèn)土壤重金屬Pb、Cd的防治污染提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而推動(dòng)土壤環(huán)境的治理工作。

1　材料與方法

1.1土壤樣品的采集與分析

在長沙市望城區(qū)喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田和菜地進(jìn)行調(diào)查采樣，4個(gè)采樣地塊分別位于喬口鎮(zhèn)養(yǎng)殖場路旁的農(nóng)田（地塊一）、柳林江村水產(chǎn)養(yǎng)殖示范園旁的農(nóng)田（地塊二）、任家灣養(yǎng)豬場旁的菜地（地塊三）、東福村水泥廠旁農(nóng)田和菜地（地塊四），如圖1所示。

圖1　喬口鎮(zhèn)土壤取樣點(diǎn)分布Fig. 1　Distribution of sampling sites of soil in Qiaokou Town

由于喬口鎮(zhèn)的耕地主要為農(nóng)田，少部分為菜地，因此，采集樣品的土壤基本上為水稻土。各采樣點(diǎn)在采集時(shí)均經(jīng)過GPS準(zhǔn)確定位，土壤樣品采集參照HJ/T166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［7］，按梅花形法進(jìn)行土壤樣品采集，在取樣點(diǎn)處垂直采取地塊表層深度分別為0～20 cm，20～40 cm的土壤，每個(gè)取樣點(diǎn)取土樣約500 g，然后分別裝入樣品袋，并按地塊和采集順序進(jìn)行編號(hào)。在4個(gè)采樣區(qū)域中，地塊一、地塊三和地塊四按照50 m×50 m方格網(wǎng)的方式采樣，地塊二為扇形采樣。本次采樣共計(jì)布設(shè)28個(gè)采樣點(diǎn)，采集土壤樣品56個(gè)。樣品在去除雜物后，經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)過尼龍篩待用，然后用王水消解成溶液待測，待測液中的Pb和Cd采用石墨原子吸收分光光度法測定［7］。

1.2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

1.2.1單因子評(píng)價(jià)

采用單因子評(píng)價(jià)法［8］對單一污染元素進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，能較好地反映土壤中某種污染因子的污染程度。其計(jì)算土壤中Pb和Cd單項(xiàng)累計(jì)指數(shù)的公式為：

式中：Pi為單項(xiàng)累計(jì)指數(shù)；

Ci為實(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；

S為土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。

長沙市城郊稻田土壤pH值平均為5.52，呈偏酸性［9］。根據(jù)GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值［10］，Pb、Cd的土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值分別設(shè)定為 250.00， 0.30 mg/kg，如表1所示。對土壤重金屬的質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)的分級(jí)，按照農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［1］，如表2所示。

表1　GB 15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量部分標(biāo)準(zhǔn)值Table 1　Some standard values of GB15618—1995 environmental quality standards for soils　mg/kg

表2　土壤重金屬的質(zhì)量分級(jí)Table 2　Quality grading of heavy metals in soil

1.2.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)是瑞典學(xué)者L. Hakanson 建立的一套應(yīng)用沉積學(xué)原理評(píng)價(jià)重金屬污染及生態(tài)危害的方法［11］，該方法考慮多種重金屬元素的毒害的加和作用和各元素對生物的毒性，適合對區(qū)域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和居民健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其計(jì)算公式如下：

式中：Ci為某一重金屬元素i的污染系數(shù)；

C0為計(jì)算所需的參考值，在此選用1.2.1節(jié)單因子評(píng)價(jià)中設(shè)定的Pb、Cd土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值作為參考值；

Ei為單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)；

RI為潛在生態(tài)危害指數(shù)；

Ti為單個(gè)污染物的毒性系數(shù)，反映了重金屬對人體及生態(tài)系統(tǒng)的危害程度，根據(jù)文獻(xiàn)［12］選定Pb和Cd的毒性系數(shù)為TPb=5，TCd=30。

土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示［1，13］。

表3　土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3　Potential ecological risk index of heavy metals in soil and grading standard

2　結(jié)果與分析

2.1喬口鎮(zhèn)土壤重金屬Pb、Cd單因子評(píng)價(jià)

土壤樣品中Pb、Cd的實(shí)測含量如圖2所示，其統(tǒng)計(jì)特征值如表4所示。

表4　喬口鎮(zhèn)土壤重金屬Pb、Cd統(tǒng)計(jì)特征值Table 4　Statical features of heavy mental Pb and Cd in soil of Qiaokou Town

從表中可以看出，喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田和菜地的重金屬Pb的平均含量均未超過GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［10］二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。但土壤重金屬Cd的平均含量均高于標(biāo)準(zhǔn)值，地塊一到地塊四中0～20 cm土樣中Cd的平均含量依次為0.55， 0.75， 0.76和0.93 mg/kg，與國家土壤重金屬自然背景值相比，其平均含量是背景值的2.75， 3.75， 3.80和4.65倍；20～40 cm土樣中Cd的平均含量依次為0.40， 0.52， 0.49和0.67 mg/kg，其平均含量是背景值的2.00， 2.60， 2.45和3.35倍。所有56個(gè)土壤樣品中，地塊四中Cd污染最為嚴(yán)重，在0～20 cm和20～40 cm采樣層取樣檢測的結(jié)果均為重度污染。以上分析表明，喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田土壤不存在Pb污染，但土壤中重金屬Cd己經(jīng)存在不同程度的累積，土壤中重金屬Cd含量的與土層深度呈反比。另外，表4中的檢測結(jié)果顯示，Pb、Cd各自的變異系數(shù)隨著地塊和取樣層的不同產(chǎn)生了較大變化，表明土壤中重金屬Pb、Cd在區(qū)域內(nèi)的分布并不均勻。

喬口鎮(zhèn)農(nóng)田土壤之所以受Cd的污染，主要是周邊村鎮(zhèn)的養(yǎng)殖活動(dòng)和村鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成的，與養(yǎng)殖區(qū)域相比較，村鎮(zhèn)企業(yè)的生產(chǎn)排污導(dǎo)致土壤中Cd的累積更為嚴(yán)重。因此，控制喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田土壤中Cd的污染，應(yīng)該控制這些生產(chǎn)活動(dòng)中的排污行為，其中又要以控制鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)排污為重。

圖2　喬口鎮(zhèn)土壤重不同采樣層金屬Pb、Cd含量Fig. 2　Pb and Cd contents in different sampling layer of Qiaokou Town soil

2.2土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

喬口鎮(zhèn)周邊土壤單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei和多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)RI如表5所示。

表5　土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Table 5　Potential ecological fisk of heavy metal in soil of Qiaokou Town

由表5可知，土壤中重金屬Pb的單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)遠(yuǎn)小于40，說明喬口鎮(zhèn)周邊土壤中Pb的潛在生態(tài)危害很小。而土壤重金屬Cd的單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)處于40～160之間，其中，大部分采樣地塊中重金屬Cd單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)在40～80之間，屬于中等生態(tài)危險(xiǎn)，唯有地塊四在0～20 cm土樣中重金屬Cd單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)為92.70，屬于強(qiáng)生態(tài)危險(xiǎn)范圍。2種重金屬潛在生態(tài)危害趨勢為ECd＞EPb。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)RI看，各個(gè)地塊的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于150，其中地塊一、地塊二和地塊三RI值較低，生態(tài)危害程度很低，地塊四的RI值稍高，但也遠(yuǎn)小于150。

農(nóng)田土壤中重金屬Pb、Cd的污染對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和居民人身安全至關(guān)重要。從綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)來看，喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田土壤污染處于可以接受范圍之內(nèi)，但單從Cd的單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)來看，土壤中Cd存在生態(tài)危害隱患。Cd污染是否對周邊環(huán)境、植物和人體造成危害，還需要進(jìn)一步的調(diào)查來確定。

另外，根據(jù)對采樣地域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析來看，村鎮(zhèn)企業(yè)周邊土壤的污染明顯要比其他區(qū)域土壤的污染嚴(yán)重，這與單因子評(píng)價(jià)的結(jié)果較吻合。

3　結(jié)論

1）喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田和菜地的重金屬Pb的平均含量均未超過GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［10］的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，但土壤重金屬Cd的平均含量均高于標(biāo)準(zhǔn)值，從地塊一到地塊四，0～20 cm土樣中Cd的平均含量依次為0.55， 0.75， 0.76和0.93 mg/kg，與國家土壤重金屬自然背景值相比，其平均含量是背景值的2.75， 3.75， 3.80和4.65倍 ；20～40 cm土樣中Cd的平均含量依次為0.40， 0.52， 0.49和0.67 mg/kg，其平均含量是背景值的2.00， 2.60， 2.45和3.35倍。由此可見，喬口鎮(zhèn)周邊的農(nóng)田區(qū)域，不存在重金屬Pb污染，但已經(jīng)明顯表現(xiàn)出重金屬Cd積累的狀況。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來說，喬口鎮(zhèn)土壤中重金屬Cd危害還在可接受范圍之內(nèi)。

2）養(yǎng)殖生產(chǎn)活動(dòng)和村鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的排放是喬口鎮(zhèn)周邊農(nóng)田土壤中Cd污染的主要原因，Cd的累積在村鎮(zhèn)企業(yè)周邊尤為明顯，表明村鎮(zhèn)企業(yè)的生產(chǎn)排放是污染形成的首要原因。隨著長株潭城市群的進(jìn)一步發(fā)展，大量企業(yè)向村鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，城市周邊村鎮(zhèn)土壤可能出現(xiàn)重金屬Cd累積加劇的趨勢，希望有關(guān)部門密切關(guān)注村鎮(zhèn)土壤質(zhì)量狀況。

3）潛在生態(tài)危害指數(shù)法對生態(tài)危害程度的評(píng)價(jià)，其結(jié)果對背景值和毒性參數(shù)的取值有較大的依賴性，需要進(jìn)一步對研究場地進(jìn)行長期的研究取樣，以便更好地研究其變化趨勢。

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（責(zé)任編輯：申劍）

Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals Pb and Cd in Soil of Qiaokou Town

CHEN Xiaoyin，WANG Yonghao
（School of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

With Qiaokou Town soil of Wangcheng district in Changsha City as research object， applies the single factor evaluation method and Hakansan's potential risk index to conduct the ecology risk assessment of heavy metals Pb and Cd in soil. The results show that the pollution degree of Pb to the soil in the studied area of Qiaokou Town is within the acceptable range， while the accumulation of heavy metal Cd of soil was relatively high， and the pollution is serious. The study of potential ecological risk shows that the single factor index Eiof Cd in soil is between 40～160， and Cd in the 0～20 cm soil sample is greater than 80， indicating that the element is a strong ecological danger. From the comprehensive potential ecological risk index RI， the comprehensive risk in Qiaokou Town is within an acceptable range.

Qiaokou Town；soil；heavy metals；single factor；potential ecological risk

X825

A

1673-9833（2016）02-0063-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.02.012

2016-01-27

國家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2012BAJ24B00）

陳肖胤（1987-），男，湖南婁底人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榈吞汲青l(xiāng)規(guī)劃與環(huán)境，E-mail：286638544@qq.com

王永豪（1989-），男，河南周口人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榈吞汲青l(xiāng)規(guī)劃與環(huán)境，E-mail：2285952@qq.com