海南農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染分布特征及評價

劉月++林運萍++黃世清++唐群鋒++張民++符錦鋒++吳玲

摘 要 以海南農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤為研究對象，研究了土壤中As、Hg、Pb、Cd、Cr等5種重金屬的含量特征，并利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對該地區(qū)土壤重金屬污染程度和潛在生態(tài)危害進行評價。結果表明：As、Hg、Cr平均含量高于海南省表層土壤背景值，重金屬污染累積值分別為4.90、2.00、7.73；該地區(qū)土壤重金屬污染空間分布不均勻，位于海南省北部地區(qū)的紅明、東昌、南海、東路、南陽等基地內(nèi)梅羅污染指數(shù)和Cr的單因子污染指數(shù)均大于1.00，土壤處于Cr輕度污染狀態(tài)；土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)為168.70，整體表現(xiàn)為中等生態(tài)危害，潛在生態(tài)危害主要來自于As和Hg。

關鍵詞 海南農(nóng)墾 ；土壤重金屬 ；污染評價 ；潛在生態(tài)危害

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.07.003

Distribution Characteristics and Assessment of Soil Heavy Metals

Pollution in Hainan State Farms

LIU Yue1，2） LIN Yunping1，2） HUANG Shiqing1，2）

TANG Qunfeng2，3） ZHANG Min1，2） FU Jinfeng1，2） WU Ling1，2）

（1 Hainan Natural Rubber Quality Inspection Station， Haikou， Hainan 570206；

2 Academy of Hainan State Farms， Haikou， Hainan 570206；

3 Hainan State Farms Investment Holdings Group Co. Ltd.， Haikou， Hainan 570100）

Abstract The soil contents of As， Hg， Pb， Cd and Cr in the agricultural producing areas of Hainan States Farms were analyzed， and the pollution and potential ecological hazards of heavy metals were assessed by means of single factor pollution index， nemerow pollution index and potential ecological risk index. The results showed that the average contents of As， Hg and Cr were higher than the background values of the surface soil in Hainan with their accumulated values being 4.90， 2.00 and 7.73， respectively. The spatial distribution of heavy metals pollution in the soil was uneven. The nemerow pollution index and the Cr single factor pollution index of Hongming， Dongchang， Nanhai， Donglu and Nanyang in the north areas of Hainan were higher than 1.00， which showed a slight Cr pollution. The potential ecological risk index of heavy metals in the soil was 168.70， which showed an intermediate ecological hazard， and heavy metals As and Hg were primary factors.

Keywords Hainan State Farms ； heavy metal in soil ； pollution assessment ； potential ecological hazards

近幾十年來，隨著有色金屬礦山的開采、工業(yè)“三廢”的排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水灌溉等原因造成的土壤重金屬污染問題逐步顯現(xiàn)，由此直接或間接導致的農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超標和人體重金屬污染事件頻頻出現(xiàn)[1]，隨之帶來的農(nóng)產(chǎn)品質量安全問題令人擔憂。據(jù)估測，我國重金屬污染農(nóng)田面積已達 2 000 萬hm2，約占耕地總面積的1/5，每年因重金屬污染造成糧食的直接經(jīng)濟損失超過200億元[2]。2011 年，國務院正式批復《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，2012年，農(nóng)業(yè)部、財政部印發(fā)了《農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染防治實施方案》，要求全面開展全國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染防治普查，切實加強農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染防治工作，提升農(nóng)產(chǎn)品質量安全保障水平 。

海南農(nóng)墾由于良好的自然條件和廣闊的土地資源，盛產(chǎn)多種瓜果，一年四季應有盡有，是我國主要的熱帶瓜果生產(chǎn)基地。近年來，海南石油、化工、造紙等工程項目排放的工業(yè)廢水逐漸增多，加之城市生活污水、農(nóng)業(yè)投入品不合理使用等原因，導致海南土壤已經(jīng)受到不同程度的重金屬污染[3-4]。2012年，海南省開始啟動農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染防治普查工作，但海南農(nóng)墾并未列入普查的范圍。目前，海南省土壤重金屬污染調查研究及修復工作尚在起步階段，郭躍品等[5-7]報道了海南胡椒、檳榔、香蕉等產(chǎn)地土壤重金屬含量及污染特征，但針對海南農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染、評價方面的系統(tǒng)研究還未見報道。

本研究選取海南農(nóng)墾主要的熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤作為研究對象，進行重金屬污染分布特征分析，并利用近年來應用比較廣泛的土壤重金屬污染評價方法對土壤重金屬污染程度進行評價，彌補了熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染研究方面的不足，為今后海南土壤重金屬污染研究和防治提供理論基礎和借鑒依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

海南農(nóng)墾創(chuàng)建于1952年l月，是中國第三大墾區(qū)，下屬二級企業(yè)30家（其中上市公司1家）、農(nóng)場40個，分布在海南省18個市縣。土地總面積69.42萬hm2，戶籍總人口約100萬人，是全國最大的天然橡膠生產(chǎn)基地和熱帶作物生產(chǎn)基地。海南農(nóng)墾現(xiàn)有熱帶作物面積16.66萬hm2，主要生產(chǎn)芒果、檳榔、荔枝、茶葉、胡椒、香蕉、瓜菜等熱帶農(nóng)產(chǎn)品。海南農(nóng)墾地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候，素來有“天然大溫室“的美稱。這里長夏無冬，年平均氣溫22℃～27℃，光溫充足，光合潛力高，年光照為1 750～2 650 h；降雨量充沛，年平均降雨量1 639 mm；磚紅壤、赤紅壤、山地黃壤等是主要土壤類型。

1.2 方法

1.2.1 樣品布點與采集

本研究以海南農(nóng)墾樂光芒果、紅明荔枝、南海菠蘿蜜、東昌胡椒、烏石茶葉、南濱瓜菜、南田芒果、東路荔枝、南陽胡椒、金江茶葉、中建蜜柚等11個農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地為研究區(qū)，參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》（NY/T 395-2012）[8]，結合種植區(qū)種植面積大小、區(qū)域地質、土壤分布狀況及區(qū)域土地利用類型特征等因素，確定布點數(shù)量、樣品采集方法。采樣同時進行采樣現(xiàn)場調查和作物種植情況調查，了解自然環(huán)境特征、土地利用情況、作物類型與產(chǎn)量、化肥與農(nóng)藥使用、灌溉水源等信息。

土壤采樣用梅花布點法，于每個樣點設置5個采集點，在各個采集點等量取土，取每個采集點 0～40 cm 表層土壤混合均勻后四分法取 1 kg，共采集 159 個土壤混合樣品。 所有樣品均裝入聚乙烯密封塑料袋中帶回實驗室，同時各采樣點均經(jīng) GPS 準確定位。采集的土壤樣品風干后，揀出石塊等雜物，研磨，根據(jù)檢測指標相應過篩，裝瓶備用。

1.2.2 樣品檢測及數(shù)據(jù)分析

1.2.2.1 樣品檢測

檢測指標主要是對農(nóng)產(chǎn)品質量安全影響大、持續(xù)時間長的As、Hg、Pb、Cd、Cr等5種重金屬污染物，同時檢測土壤 pH 值和陽離子交換量，檢測指標及依據(jù)見表1。

1.2.2.2 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS和Excel等基本統(tǒng)計分析法對重金屬檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計特征值分析。

1.2.3 評價方法

采用目前國內(nèi)外普遍采用的3種評價方法從不同角度進行土壤重金屬污染情況的分析評價。土壤重金屬污染評價參照標準采用《土壤環(huán)境質量標準》[15]中規(guī)定的二級標準值和海南省表層土壤重金屬背景值（以2009年全國第二次土壤普查海南省生態(tài)地球化學調查之《海南島1∶25萬多目標區(qū)域地球化學調查報告》為背景值），見表2。

1.2.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子指數(shù)法是對土壤中某一污染物的污染程度進行評價。計算公式：

Pi=Ci/Si

其中，Pi為土壤污染物i的單因子污染指數(shù)，Ci為土壤污染物i的實測濃度（mg/kg）；Si為《土壤環(huán)境質量標準》[15]中規(guī)定的二級標準值（mg/kg）。

1.2.3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

為全面反應各污染物的作用，突出高濃度污染物對環(huán)境質量的影響，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法。計算公式：

P=■

其中，■i為土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)， 為所有污染物污染指數(shù)的平均值，max（Pi）為所有污染物單因子指數(shù)最大值。依據(jù)單因子及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5個等級，如表3所示。

1.2.3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典科學家Hakanson[16]提出的用于土壤或沉積物中重金屬污染程度及潛在生態(tài)危害評價的一種方法，該法不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯(lián)系在一起。單項重金屬指標的潛在生態(tài)危害效應，用潛在生態(tài)危害系數(shù)來表征；而多項重金屬指標所造成的潛在生態(tài)危害的累積效應，用潛在生態(tài)危害指數(shù)評估。計算公式：

潛在生態(tài)危害系數(shù)：

E■■=T■■×■

潛在生態(tài)危害指數(shù)：

RI=■E■■

其中，Ci是環(huán)境中重金屬的實測含量（mg/kg），Cf是計算所需的參比值（mg/kg）。本研究選取海南省表層土壤背景值作為參比值，是單個污染物的毒性響應系數(shù)，采用Hakanson制定的標準化重金屬毒性響應系數(shù)，見表4。重金屬潛在生態(tài)危害指標與分級關系見表5。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

2.1.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計分析

對海南農(nóng)墾11個農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地土壤重金屬統(tǒng)計分析結果如表6所示。從表 6可看出，該地區(qū)所取 159個表層土壤樣品中重金屬Pb、Cd平均含量低于海南省表層土壤背景值，As、Hg、Cr平均含量高于海南省表層土壤背景值，其中As超標率92.45%，Hg超標率85.53%，Cr超標率71.70%。部分土壤樣品重金屬As、Cr含量超過國家土壤二級標準，其中As超標率0.63%，Cr超標率較高，為43.40%。說明該地區(qū)土壤重金屬污染程度不一，已受到外界人為活動因素的影響。

在地球環(huán)境化學中，土壤元素的累積通常伴隨變異性的增強，變異系數(shù)在一定程度上可用于表征各元素的累積狀況[17]，變異系數(shù)越大，說明元素在空間上分布不均勻，土壤差異越大。As、Hg、Pb、Cd、Cr的變異系數(shù)均在40%以上，說明該地區(qū)土壤差異較大。其中，Cr的變異系數(shù)達 97.78% ，As達85.70%，Pb達83.97%，說明這幾種重金屬元素受外界干擾較大，在空間上的分布有較大的差異，存在明顯的局部聚集和點源污染現(xiàn)象。土壤的pH值、陽離子交換量變異系數(shù)分別為 11.30%和 31.95%，均小于40%，說明該地區(qū)土壤理化性質穩(wěn)定。

2.1.2 土壤重金屬累積特征分析

海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地土壤重金屬累積特征分析結果見表7。結果表明：Cr的平均累積值較高，為7.73，其中位于海南省北部地區(qū)的紅明、東昌、南海、東路、南陽基地Cr的平均累積值都在13.00以上，表明這些基地的Cr累積嚴重，而位于海南省中部、南部、西部地區(qū)的其他6個基地Cr累積值較低，都在0.30～4.00，提示海南省北部地區(qū)存在明顯的Cr污染累積。李福燕等[4]對海南省農(nóng)田土壤重金屬污染研究發(fā)現(xiàn) Cr 的超標點均聚集在海南北部地區(qū)的海口市周圍。郭躍品等[5]對海南胡椒種植基地土壤重金屬污染研究結果顯示，Cr是文昌地區(qū)主要的土壤重金屬污染因子。As的平均累積值為4.90，表明存在一定程度的累積，其中東昌、南海、東路、中建、南田、樂光基地As的累積值較高，在5.00以上；Hg的平均累積值為2.00，提示存在輕度的Hg污染累積；Pb、Cd平均累積值均小于1.00，表明人類活動未造成Pb、Cd的累積。重金屬污染累積程度大小為Cr>As>Hg>Pb>Cd。

2.2 土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價

海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地土壤重金屬單因子及內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結果見表8。結果表明：土壤中As、Hg、Pb、Cd的單因子污染指數(shù)平均值均小于 0.70，處于清潔狀態(tài)，而Cr的單因子污染指數(shù)平均值為0.81，土壤Cr污染已處于安全警戒狀態(tài)，5種重金屬單因子污染指數(shù)平均值大小為Cr>Hg>As>Cd>Pb。其中，紅明、東昌、南海、東路、南陽基地土壤Cr的單因子污染指數(shù)平均值在1.00以上，已達輕度污染水平，而其他6個基地Cr的單因子污染指數(shù)均小于0.70，說明海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地局部土壤受到重金屬Cr污染，且污染程度不均勻，紅明、東昌、南海、東路、南陽基地Cr污染問題應引起相關部門的關注。

根據(jù)單因子污染指數(shù)評價結果，分析研究區(qū) 159個土壤樣品，結果表明：55.97%的土壤處于清潔級別（即未受上述 5種重金屬污染），有44.03%的土壤達輕度污染級別（主要受Cr污染）。進一步分析5種重金屬的單因子污染指數(shù)，所有土壤樣品的Hg、Pb、Cd均處于清潔水平，而有0.63%的土壤樣品As的單因子污染指數(shù)在輕度污染水平；43.40%的土壤樣品Cr的單因子污染指數(shù)在輕度污染水平。

單因子污染指數(shù)評價結果能說明研究區(qū)159個采樣點5種重金屬的污染程度，而要對11個研究區(qū)各自的污染程度進行綜合評價，則需通過內(nèi)梅羅污染指數(shù)法。由表8可知，紅明、東昌、南海、東路、南陽基地土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)均大于1.00，表明這些基地土壤處于輕度污染狀態(tài)；中建基地的內(nèi)梅羅污染指數(shù)為0.74，該基地土壤重金屬污染已達警戒級別；其余5個基地內(nèi)梅羅污染指數(shù)均小于0.7，表明這些基地的土壤處于清潔級別。各基地內(nèi)梅羅污染指數(shù)大小依次為：東昌>南海>紅明>東路>南陽>中建>金江>南濱>南田>烏石>樂光。

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價

海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果見表9。從表9可以看出：11個基地土壤中Pb、Cd、Cr潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值均小于 40.00，處于輕微生態(tài)危害水平；As的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值為49.01，處于中等生態(tài)危害水平；Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)為80.07，達強生態(tài)危害水平?，F(xiàn)階段，該地區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)為168.70，整體上表現(xiàn)為中等生態(tài)危害。5種重金屬生態(tài)危害系數(shù)大小依次為：Hg>As>Cd>Cr>Pb。

分析11個基地5種重金屬生態(tài)危害情況可知：中建蜜柚基地As的潛在生態(tài)危害系數(shù)為99.98，達到了強生態(tài)危害水平，紅明、東昌、南海、東路、南田、樂光基地As的潛在生態(tài)危害系數(shù)為中等生態(tài)危害水平，而南陽、烏石、金江、南濱As則處于輕微生態(tài)危害水平；紅明、東昌、南海、東路、南陽、金江Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)均在80以上，達到了強生態(tài)危害水平，烏石、中建、南濱、南田基地Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)為中等生態(tài)危害水平，而樂光Hg則處于輕微生態(tài)危害水平。對比各基地潛在生態(tài)危害指數(shù)，紅明、東昌、南海、東路、南陽、中建、金江基地土壤重金屬潛在生態(tài)危害整體上表現(xiàn)為中等生態(tài)危害，其他4個基地表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害，大小依次為東昌>東路>南海>中建>紅明>南陽>金江>南田>樂光>南濱>烏石。

3 結論與討論

3.1 討論

（1）海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地土壤重金屬的潛在生態(tài)危害主要來自于As、Hg。結合表4、表7和表9可看出，土壤中Cr的平均含量為背景值 的7.73倍，Hg的平均含量為背景值的2.00倍，As的平均含量為背景值的4.90倍，但Hg的毒性響應系數(shù)為40，As為10，Cr僅為2。因此，土壤中Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)較高的原因在于其的高毒性響應系數(shù)，而Cr雖然超出背景值較多，但由于其毒性響應系數(shù)較低，因此潛在生態(tài)危害指數(shù)不高。

（2）對比內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果存在較大差異，主要原因在于2種評價方法側重點的不同。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是通過實測值與國家《土壤環(huán)境質量標準》[15]中規(guī)定的二級標準值比較而實現(xiàn)，主要側重揭示重金屬的土壤累積程度，強調土壤按照國家限量標準是否達到污染水平；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法除了考慮土壤重金屬累積程度外，還側重考慮了不同元素的毒性響應系數(shù)，并通過加權求和突出了多元素污染風險的協(xié)同效應。因此，在對海南農(nóng)墾土壤重金屬污染情況進行評價時，應把內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法相結合，才能更全面地反映土壤重金屬的污染狀況。

（3）重金屬元素Cr廣泛分布于地殼中，是土壤中豐度較高的微量元素之一，Cr的背景含量與成土母質有密切關系，玄武巖母質發(fā)育的土壤Cr含量可達167.3 mg/kg[2]。Boruvka等[18]的研究認為，土壤中Cr主要為地質來源。海南省的地帶性土壤為磚紅壤，位于北部地區(qū)的紅明、東昌、南海、東路、南陽基地主要是由玄武巖母質發(fā)育的磚紅壤，呈暗紅色，土層深厚，質地粘重。王景華[19]和郭宇[20]的研究結果顯示，海南省玄武巖母質發(fā)育的磚紅壤中Cr超標。王景華[19]和廖香俊[21]等認為，海南省玄武巖母質發(fā)育的磚紅壤中Cr相對其他母質類型土壤屬高背景含量。因此，推測海南省北部地區(qū)紅明、東昌、南海、東路、南陽基地土壤中Cr的高含量主要是玄武巖母質發(fā)育的土壤中元素高背景值所致。

3.2 結論

（1）海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地局部土壤受到重金屬鉻污染，空間分布不均勻，局部污染較重，位于海南省北部地區(qū)的紅明、東昌、南海、東路、南陽基地存在明顯的Cr污染累積。

（2）單因子及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法表明海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準化產(chǎn)業(yè)基地土壤總體上存在輕度污染，主要來自于紅明、東昌、南海、東路、南陽基地Cr的輕度污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)法表明海南農(nóng)墾農(nóng)業(yè)標準產(chǎn)業(yè)基地整體上表現(xiàn)為中等生態(tài)危害狀態(tài)，潛在生態(tài)危害主要來自于Hg和As。因此，應采取適當措施加強該地區(qū)土壤重金屬污染治理和生態(tài)風險防范。

（3）對比內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果存在較大差異，主要原因在于兩種評價方法側重點的不同。因此，應采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法相結合的方法進行評價，才能更全面地反映土壤重金屬的污染狀況。

（4）海南省北部地區(qū)紅明、東昌、南海、東路、南陽基地主要是由玄武巖母質發(fā)育的磚紅壤，推測土壤中Cr的高含量主要是土壤中元素高背景值所致。

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