果蔗地土壤重金屬含量特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

王天順+楊玉霞+廖潔+范業(yè)賡+牙禹+朱俊杰+莫磊興

摘要：以廣西壯族自治區(qū)果蔗地表層土壤（0～20 cm）作為調(diào)查對象，分析了土壤中重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的含量。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為參照標(biāo)準(zhǔn)，采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究區(qū)域土壤中重金屬污染特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量分別為0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28 mg/kg，綜合污染指數(shù)為2.03，屬于中污染。地積累指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，Cd的地積累指數(shù)為1.02，屬于中等污染，Hg的地累積指數(shù)為0.30，處于輕-中等污染；潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)域土壤中重金屬污染處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，其中Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高，達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害程度。因此，增強(qiáng)果蔗地土壤安全性生產(chǎn)管理、嚴(yán)控土壤污染源與推行標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是十分必要的。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬；污染特征；污染評價(jià)；果蔗地

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）07-1262-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.015

Content Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Chewing Cane Soils

WANG Tian-shun， YANG Yu-xia， LIAO Jie， FAN Ye-geng， YA Yu， ZHU Jun-jie， MO Lei-xing

（Research Institute of Agro-products Quality Safety and Testing Technology， Guangxi Academy of Agriculture Sciences/Quality Supervision and Testing Center for Sugarcane， China Ministry of Agriculture， Nanning 530007， China）

Abstract： The contents of soil heavy metals，such as Cd，Pb，Cr，Cu，Zn，As and Hg，in surface soil（0～20 cm） from the main chewing cane production farmland in Guangxi Zhuang Autonomous Region，were investigated. Pollution characteristics of heavy metals in soils were observed on the basis of environmental quality secondary standard values of single factor pollution index method and comprehensive pollution index method. Potential ecological risk assessment was evaluated by using the geoaccumulation index（Igeo） and potential ecological risk index（RI）. The results indicated that the average concentrations of Cd，Pb，Cr，Cu，Zn，As and Hg were 0.81，30.4，54.5，29.8，107.4，16.69 and 0.28 mg/kg，respectively. According to the comprehensive pollution index，the pollution degree was middle degree with PN was 2.03. According to the geoaccumulation index，the pollution degree of Cd was middle degree with Igeo was 1.02，and Hg ranged from light to middle degree with Igeo was 0.30. The potential ecological risk index indicated that the heavy metals in the soils from research area were at the moderate ecological hazard level. The rate of contribution for Cd was the highest to potential ecological risk index. Thus，effective farmland soil management is necessary to ensure security production， control soil pollution sources，and implement standard agricultural production.

Key words： soils； heavy metals； contaminant characteristics； risk assessment； chewing cane soil

土壤是人類賴以生存的自然資源，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。重金屬在自然環(huán)境中廣泛存在，因其持久性、積累性等特性及其對生態(tài)環(huán)境存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[1，2]，土壤重金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)前人類面臨的重要環(huán)境問題，也是目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3-6]。土壤重金屬污染來源包括礦山采選冶煉、大氣沉降、污水灌溉、固體廢棄物堆存與處置、交通運(yùn)輸?shù)萚7，8]。當(dāng)土壤中重金屬達(dá)到一定的累積程度時(shí)，會通過食物鏈傳遞到動物和人體內(nèi)，給生態(tài)環(huán)境及人體健康造成很大危害[9，10]。

近年來，果蔗生產(chǎn)中大量使用農(nóng)藥、磷肥、污水，使得果蔗地土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染更為復(fù)雜與多樣化。土壤是植物生長的載體，其清潔程度直接影響著食物中有毒有害物質(zhì)的濃度，目前對果蔬、糧食產(chǎn)地[11，12]中重金屬的污染評價(jià)己有不少報(bào)道，但針對果蔗地土壤重金屬污染的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。為了解廣西壯族自治區(qū)橫縣果蔗種植區(qū)土壤質(zhì)量狀況，本研究以果蔗地土壤為對象，利用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對土壤重金屬的污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)探討了各重金屬元素之間的相關(guān)性和聚類狀況，以期為廣西壯族自治區(qū)果蔗地土壤重金屬的污染防治和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

土壤樣品全部采自廣西壯族自治區(qū)果蔗地0～20 cm表層土壤。于2014年11月選取36個采樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)600～1 300 m2內(nèi)采用W形布點(diǎn)采集5個子樣，現(xiàn)場剔除植物根系、碎石等雜物后充分混合組成一個混合樣品，用四分法縮分至約4.0 kg，裝入聚乙烯塑料袋，貼好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。把采集的土壤置于寬敞、干凈、透氣的室內(nèi)，均勻攤開，自然風(fēng)干，去除石塊、植物根系及其他的雜物后用瑪瑙研缽研磨后過2 mm尼龍篩，再用瑪瑙研缽繼續(xù)研磨后過100目篩。

稱取0.200 0 g經(jīng)風(fēng)干處理的土樣于聚四氟乙烯罐中。加5 mL HNO3、3 mL HCl、1 mL H2O2和1 mL HF，密封消解罐后放入微波消解爐。消解程序分3步，步驟1為160 ℃、90%功率消解10 min；步驟2為200 ℃、90%功率消解25 min；步驟3為100 ℃、40%功率消解5 min。消解完室溫放置后，轉(zhuǎn)移消解罐中的溶液于聚四氟乙烯燒杯中，加熱蒸發(fā)去除氮氧化物。剩余液體做如下處理：①轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶，用1%硝酸稀釋至刻度線，混合均勻后用石墨爐原子吸收儀（MKⅡ MQZ，美國Thermo）測定溶液中Cd、Pb的含量、用火焰原子吸收儀（AA240，美國Varian）測定Cr、Cu、Zn的含量；②轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，加入5 mL 50 g/L硫脲和50 g/L抗壞血酸溶液作掩蔽劑，用5%鹽酸稀釋至刻度線，混合均勻，室溫下靜置30 min后用原子熒光光譜儀（AFS-230E，北京海光儀器公司）測定As和Hg的含量。

試驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級純試劑，用水均為超純水。

1.2 土壤重金屬污染評價(jià)

土壤評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用GB 5618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]中的二級標(biāo)準(zhǔn)和廣西土壤背景值[14]，采用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別對土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評價(jià)。采用Excel 2007和DPS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.1 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法是用來評價(jià)單個污染因子對土壤的污染程度，污染指數(shù)愈小，說明該因子對環(huán)境介質(zhì)污染程度愈輕[15，16]。其計(jì)算公式如下：

Pi=Ci/Si

式中，Pi為土壤中重金屬的污染指數(shù)，具體反映某污染物超標(biāo)倍數(shù)和程度；Ci為土壤中重金屬含量的實(shí)測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬的標(biāo)準(zhǔn)限定值（mg/kg）。當(dāng)Pi≤1時(shí)，表示樣品未受污染；當(dāng)Pi>1 時(shí)，表示樣品已被污染。Pi的值越大，說明樣品受污染越嚴(yán)重。Pi評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2.2 綜合污染指數(shù)法 綜合污染指數(shù)法[17，18]，即內(nèi)梅羅污染指數(shù)，是將目標(biāo)單個污染指數(shù)按一定方法綜合起來考慮對環(huán)境介質(zhì)的影響程度，采用兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值的一種評價(jià)方法。其計(jì)算公式如下：

PN=■

式中，Piave為土壤中各重金屬污染指數(shù)的平均值；Pimax為土壤中單項(xiàng)重金屬的最大污染指數(shù)；PN為采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。該方法突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，能反映出各種污染物對土壤環(huán)境的作用，將研究區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量作為一個整體與外區(qū)域或歷史資料進(jìn)行比較。

1.2.3 地積累指數(shù)法 地積累指數(shù)（Igeo）是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Müller[19]提出的一種研究沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)，在歐洲被廣泛采用。該方法在考慮自然地質(zhì)過程造成背景值影響的同時(shí)，充分考慮了人為活動對重金屬污染的影響，因此該指數(shù)不僅可以反映沉積物中重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境的貢獻(xiàn)[20，21]。其計(jì)算公式為：

Igeo=log2[Cn/（1.5×Bn）]

式中，Cn為樣品中元素n在沉積物中的實(shí)測值；Bn為沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值，本研究采用廣西壯族自治區(qū)土壤環(huán)境背景值作為參照標(biāo)準(zhǔn)；1.5為修正指數(shù)，用于校正區(qū)域背景值差異。地積累指數(shù)劃分為7級，Igeo≤0，為1級，無污染；05，為7級，極重污染。

1.2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 重金屬元素是具有潛在危害的重要污染物，與其他污染物的不同之處在于它們對環(huán)境危害的持久性、生物地球化學(xué)的可循環(huán)性及潛在的生態(tài)危害。潛在生態(tài)危害系數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson[22]提出的一種沉積物中重金屬的評價(jià)方法，為了使區(qū)域質(zhì)量評價(jià)更具有代表性和可比性，該方法從重金屬的生物毒性角度出發(fā)，反映了多種污染物的綜合影響[23，24]。土壤中多種重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)是各單一重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)之和。其計(jì)算公式如下：

RI=■Eri

Eri=Tri×Csi/Cni

式中，Csi為表層土壤重金屬元素i的分析測量值；Cni為土壤重金屬元素i的參比值，本研究采用廣西壯族自治區(qū)土壤環(huán)境背景值作為參照標(biāo)準(zhǔn)；Tri為重金屬元素毒性系數(shù)[25]，各重金屬的毒性系數(shù)分別為Cd=30，Pb=Cu=5，Cr=2，Zn=1，As=10，Hg=40[26]。Eri為單個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)；RI為多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。重金屬污染的生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤重金屬含量特征

研究區(qū)36個土壤樣品的重金屬元素的含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等特征參數(shù)見表3。需要說明的是，有32個土壤樣品土壤呈酸性，4個土壤樣品土壤呈弱堿性。研究區(qū)土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量分別為0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28 mg/kg，除了Cr和As外，其他5種重金屬平均含量均超過廣西土壤背景值，分別為土壤背景值的3.03、1.27、1.07、1.42、1.84倍。

7種重金屬的標(biāo)準(zhǔn)差除Cd和Hg外，其他均較大；Cr、Zn的標(biāo)準(zhǔn)差在15以上，Pb的標(biāo)準(zhǔn)差為9.37，As的標(biāo)準(zhǔn)差為5.97，Cu的標(biāo)準(zhǔn)差為5.20。說明重金屬的分布不均勻，甚至有的重金屬分布極不均勻。土壤中7種重金屬的變異系數(shù)從大到小的順序依次為Hg、Cd、Cr、As、Zn、Pb、Cu，其中，Hg、Cd變異系數(shù)分別為48.3%、46.1%，說明Hg和Cd受人為活動干預(yù)強(qiáng)烈，其次為Cr、As、Zn，Cu的變異系數(shù)最小，表明在整個研究區(qū)域Cu含量相對比較均一。

2.2 土壤重金屬污染評價(jià)

2.2.1 單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)評價(jià) 研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)見表4。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤中重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg單因子污染指數(shù)的平均值分別為2.73、0.61、0.36、0.55、0.53、0.44和0.88。按照土壤環(huán)境質(zhì)量二級評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤樣品中重金屬元素Cr、Cu、Zn、As單因子污染指數(shù)均小于1，屬于安全等級。重金屬元素Cd、Pb和Hg單因子污染指數(shù)達(dá)到輕污染水平的樣本占樣本總數(shù)的19.4%、2.8%和30.6%；Cd和Hg單因子污染指數(shù)達(dá)到中污染水平的樣本分別占樣本總數(shù)的11.1%和2.7%；Cd單因子污染指數(shù)達(dá)到重污染水平的樣本占樣本總數(shù)的58.3%。

采用綜合污染指數(shù)法對采樣點(diǎn)土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg 7種重金屬元素污染狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，由各單因子污染指數(shù)計(jì)算可知，采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)值為2.03，污染等級屬于中污染。

2.2.2 地積累指數(shù)法評價(jià) 地積累指數(shù)法是從地球化學(xué)的角度出發(fā)來評價(jià)土壤中重金屬的污染。它除了考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素，它所采用的背景值一般為未受人類活動影響的沉積巖中的地球化學(xué)背景值，因此該方法更多的強(qiáng)調(diào)了土壤中重金屬污染的歷史累積作用。由表5可知，果蔗地土壤中Cd的污染程度相對比較嚴(yán)重，污染等級為3級，污染程度達(dá)中等污染；其次是Hg，污染等級為2級，其污染程度達(dá)輕-中等污染；Pb、Cr、Cu、Zn和As均屬于無污染。7種重金屬的污染程度順序依次為Cd>Hg>Zn>Pb>Cu>As>Cr。

2.2.3 潛在生態(tài)危害評價(jià) 潛在生態(tài)危害指數(shù)法是從沉積學(xué)角度出發(fā)，它不僅考慮了土壤重金屬含量，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，因此其評價(jià)結(jié)果主要反映了人類活動對土壤的潛在生態(tài)危害。由表6可知，從單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來評價(jià)，果蔗地土壤的主要潛在生態(tài)危害重金屬為Cd和Hg，Cd污染達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害程度，Hg污染達(dá)到中等生態(tài)危害程度，其他5種重金屬均為輕微生態(tài)危害程度，其潛在生態(tài)危害順序?yàn)镃d>Hg>As>Pb>Cu>Zn>Cr。綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到187.27，處于中等生態(tài)危害程度。

2.3 研究區(qū)土壤重金屬含量相關(guān)分析

研究區(qū)土壤中重金屬之間的相關(guān)性可以推測重金屬的來源是否相同，若它們之間存在相關(guān)性，則它們的來源可能相同，否則來源可能不同[16]。利用DPS軟件對各重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析，在0.05和0.01 顯著性水平下，所有變量間相關(guān)系數(shù)如表7所示。As與Cd、Cr、Cu、Zn之間存在極顯著正相關(guān)，表明As和Cd、Cr、Cu、Zn之間緊密相關(guān)；Zn與Cr、Cu之間存在極顯著正相關(guān)；Cu與Cr之間存在極顯著正相關(guān)，Cu與Pb之間存在極顯著負(fù)相關(guān)；Cd與Cr之間存在極顯著正相關(guān)。相關(guān)性結(jié)果可以說明研究區(qū)域土壤重金屬As與Cd、Cr、Cu、Zn同源性很高，與果蔗栽培管理過程中污水的灌溉、污泥的施用及重金屬農(nóng)藥的施用有關(guān)，Hg與其他重金屬元素之間沒有明顯的相關(guān)性，說明研究區(qū)域Hg含量受人為活動的影響強(qiáng)烈，有外源污染進(jìn)入。

2.4 研究區(qū)土壤重金屬聚類分析結(jié)果

利用DPS軟件對研究區(qū)各重金屬進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，7種重金屬共分為5組，第一組為Pb和Cu；第二組為As；第三組為Cr；第四組為Cd和Hg，它們的潛在生態(tài)危害指數(shù)分列前2位；第五組為Zn。Pb和Cu、Cd和Hg是距離較近且潛在生態(tài)危害指數(shù)值接近，分別被聚為一類。

3 結(jié)論

研究區(qū)域土壤重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量水平分別為0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28 mg/kg。利用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示Cd污染最嚴(yán)重，單因子污染指數(shù)最高為4.93；Hg污染次之。

重金屬地積累指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，果蔗地土壤中Cd的污染程度相對比較嚴(yán)重，污染等級為3級，污染程度達(dá)中等污染；其次是Hg，污染等級為2級；潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，果蔗地土壤中重金屬污染處于中等生態(tài)危害程度，其土壤的主要潛在生態(tài)危害重金屬為Cd和Hg，Cd污染達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害程度，Hg污染達(dá)到中等生態(tài)危害程度。

土壤中7種重金屬的相關(guān)性分析表明，研究區(qū)域土壤重金屬As與Cd、Cr、Cu、Zn具有同源性，與果蔗栽培管理過程中污水的灌溉、污泥的施用及重金屬農(nóng)藥的施用有關(guān)；聚類分析表明，Pb和Cu、Cd和Hg距離較近且污染指數(shù)值接近，分別被聚為一類。

廣西壯族自治區(qū)果蔗地土壤重金屬污染來自多種污染源，筆者認(rèn)為土壤重金屬累積的原因主要是各種含重金屬農(nóng)用物資的投入、污水灌溉及污泥施用等。對被污染土壤應(yīng)采取一些農(nóng)業(yè)、生物及施用一些改良劑等措施進(jìn)行綜合修復(fù)、治理，以確保生態(tài)環(huán)境及果蔗產(chǎn)品的安全。

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