長三角典型農(nóng)業(yè)區(qū)耕地土壤重金屬污染與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鞏萬合+王志強(qiáng)+闞建鸞

摘要：以81個(gè)耕地質(zhì)量長期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)長三角典型農(nóng)業(yè)區(qū)——江蘇省南通市耕地土壤重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)分析，并采用污染指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，南通市全市耕地土壤As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分別為10.46、0.14、24.51、0.18、49.21 mg/kg，均未超出無公害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；各重金屬元素單因子污染指數(shù)均小于1.0，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)小于0.7，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于150，說明南通市耕地土壤環(huán)境質(zhì)量處于安全和低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，適合種植無公害農(nóng)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬；污染指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)；耕地類型；南通市

中圖分類號(hào)：X833；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）23-4493-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.018

Abstract： Based on the long-term monitoring sites of 81 cultivated land qualities， the heavy metal content of cultivated soil in Nantong city，the typical agricultural area of Yangtze River Delta，was tested and evaluated by using the pollution index method and the potential ecological risk index method. The results showed that the average contents of As，Hg，Pb，Cd and Cr in cultivated soil were 10.46 mg/kg，0.14 mg/kg，24.51 mg/kg，0.18 mg/kg and 49.21 mg/kg，respectively，did not exceed the environmental quality standard of soil origins of agricultural products. Single factor pollution index of heavy metals was all less than 1.0，Nemero comprehensive pollution index was less than 0.7，and the potential ecological risk index was less than 150， indicating that farmland soil environmental quality of Nantong city was in a safe and low potential ecological risk level，suitable for planting pollution-free agricultural products.

Key words： soil heavy metal； pollution index； potential ecological risk index； monitoring site； types of cultivated land； Nantong city

土壤重金屬污染是指由于人類活動(dòng)，致使土壤中的重金屬含量明顯高于其自然背景含量，并造成生態(tài)破壞和環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象[1]。作為世界性環(huán)境問題之一，它對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-4]。土壤重金屬污染物不僅影響農(nóng)作物生長，而且可通過土壤-植物-人體食物鏈富集危害人類健康[5，6]。據(jù)測(cè)算，當(dāng)前中國每年受重金屬污染的糧食高達(dá)1 200萬t，相當(dāng)于4 000萬人一年的口糧[7]。面對(duì)嚴(yán)峻的形勢(shì)，國務(wù)院2016年印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，要求全面開展土壤污染狀況詳查，建設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)控新增土壤污染，切實(shí)加大耕地保護(hù)力度。

作為長江三角洲的典型農(nóng)業(yè)區(qū)，江蘇省南通市種植業(yè)發(fā)達(dá)，是國家商品糧生產(chǎn)基地、全國“雙低”油菜生產(chǎn)基地、江蘇省優(yōu)質(zhì)中粳稻生產(chǎn)基地。為了更好地掌握全市耕地質(zhì)量狀況，指導(dǎo)耕地質(zhì)量建設(shè)，2006年以來，全市先后建成了81個(gè)耕地質(zhì)量長期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其設(shè)置兼顧種植面積、作物布局、耕作制度等因素，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)劃預(yù)留區(qū)。本研究以81個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤作為研究對(duì)象，測(cè)定其As、Hg、Pb、Cd、Cr等元素含量，并對(duì)其污染狀況與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以了解全市耕地土壤重金屬污染特征，為無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南通市位于江蘇省東南部，長江三角洲北翼，北緯31°41′-32°43′、東經(jīng)120°12′-121°55′，東瀕黃海，南臨長江，與上海市、蘇州市隔江相望，北接鹽城，西靠泰州。地處長江下游沖積平原，三面環(huán)水，屬北亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候，季風(fēng)影響明顯，氣候溫和，光照充足，雨水充沛，四季分明，春秋兩季比較短，雨熱同季，無霜期長，年降水量1 000 mm左右。主要土壤類型為潮土、水稻土和鹽土。耕作制度一年兩熟，主要種植小麥、水稻、油菜、玉米、棉花、豆類等作物。全市土地面積10 549 km2，現(xiàn)轄海安、如東、如皋、啟東、海門5縣（市），通州、崇川、港閘3區(qū)，及南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、通州灣示范區(qū)。2016年南通常住人口730萬人，實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值6 768億元。

1.2 土壤樣品采集與處理

于2015年10月，分別采集81個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)常規(guī)施肥區(qū)0～20 cm土壤，S形取樣，每個(gè)樣品由20個(gè)樣點(diǎn)土壤混合而成，四分法保留至1 kg。帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，除去土樣中動(dòng)植物殘?bào)w等異物，研磨，過100目尼龍篩，裝袋編號(hào)備測(cè)。

1.3 土壤樣品分析方法

土壤pH的測(cè)定參照《土壤pH的測(cè)定》（NY/T 1377-2007），As、Hg的測(cè)定參照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》（GB/T 22105-2008），Pb、Cd的測(cè)定參照《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141-1997），Cr的測(cè)定參照《土壤總鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491-2009）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用 SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)土壤pH，參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)部《無公害農(nóng)產(chǎn)品 種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件》（NY/T 5010-2016）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及南通市土壤元素背景值[8]（表1）。

1.6 評(píng)價(jià)方法

1.6.1 污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前國內(nèi)外普遍采用的污染評(píng)價(jià)方法[9-12]，前者可以比較直觀地反映環(huán)境中各項(xiàng)污染指標(biāo)的污染程度，而后者則可以全面反映采樣點(diǎn)各重金屬綜合污染水平。單因子污染指數(shù)計(jì)算公式：

Pi=■

式中，Pi為土壤中i污染物的污染指數(shù)，Ci為i污染物的實(shí)測(cè)值，Si為i污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)Pi的大小，判定土壤中i污染物的污染程度。當(dāng)Pi≤1時(shí)，表示無污染；當(dāng)13時(shí)，表示重度污染。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算公式：

P綜=■

式中，P綜為j監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤污染物的綜合污染指數(shù)，Pjmax為j監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤所有污染物單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值，Pjave為j監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤所有污染物單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.6.2 Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 該方法是瑞典學(xué)者Hakanson 根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出的一種對(duì)土壤中重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法[13，14]。其計(jì)算公式：

Cfi=■，

Eri=Tri·Cfi，

RI=■Eri

式中，Cfi為重金屬i的富集系數(shù)；Csi為重金屬i的實(shí)測(cè)含量；Cni為重金屬i計(jì)算所需的參比值，本研究采用南通市土壤環(huán)境背景值作參比；Eri為土壤中重金屬元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Tri為重金屬元素i的毒性系數(shù)，反映重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬污染的敏感程度。根據(jù)Hakanson[15]與徐爭啟等[16]研究，確定重金屬毒性系數(shù)分別為Cr=2，Pb=5，As=10，Cd=30，Hg=40。RI為土壤中多種重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。土壤中重金屬濃度越大，重金屬污染物種類越多，重金屬的毒性水平越高，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值越大，表明其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 南通市耕地土壤重金屬含量分析

由表4可知，全市耕地土壤pH 6.09～8.74，均值為7.77，總體偏堿性，不同點(diǎn)位的pH變異系數(shù)較??；重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分別為10.46、0.14、24.51、0.18、49.21 mg/kg，As、Cd元素變異系數(shù)較高。與無公害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)（表1）相比，5種重金屬的含量均在標(biāo)準(zhǔn)限值允許范圍內(nèi)；與南通市土壤元素背景值相比，As平均含量稍高于背景值，其他重金屬元素平均含量均低于背景值，不過，仍有部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)重金屬含量高于背景值，具體表現(xiàn)為As、Hg、Pb、Cd、Cr超過南通市土壤元素背景值點(diǎn)數(shù)分別為33、10、32、19、12，超標(biāo)點(diǎn)率分別為40.74%、12.34%、39.51%、23.46%、14.81%。武攀峰等[17]2006年對(duì)南通市農(nóng)田土壤重金屬污染研究表明，As、Hg、Pb、Cr平均含量分別為7.80、0.089、35.1、61.5 mg/kg；王進(jìn)等[18]2007年研究結(jié)果表明，As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分別為7.81、0.088、35.54、0.032、33.28 mg/kg，本研究與其相比，發(fā)現(xiàn)近十余年來，除Pb外，其他4種重金屬元素含量均有明顯提高，表明這4種重金屬在耕地土壤中出現(xiàn)明顯富集。

2.2 土壤重金屬各元素間相關(guān)性分析

從表5可以看出，南通市耕地土壤中Pb含量與Cd、Cr、Hg含量，及Cr含量與As含量存在極顯著正相關(guān)性，說明研究區(qū)土壤中這5種重金屬可能具有相同的污染來源或存在一定程度的復(fù)合污染。

2.3 南通市耕地土壤重金屬污染與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 污染指數(shù)法 以《無公害農(nóng)產(chǎn)品 種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件》（NY/T 5010-2016）土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)重金屬單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)并進(jìn)行分析。由表6可以看出，各重金屬Pi均小于1，說明土壤處于清潔水平。

南通市耕地土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均為0.45，小于0.7，表明土壤整體處于安全等級(jí)，屬清潔水平。但從每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來看，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍為0.14～0.74，有5個(gè)點(diǎn)（其中旱地2個(gè)，水田1個(gè)，菜地2個(gè)）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在0.7～1.0，說明這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤重金屬污染達(dá)到警戒限，處于尚清潔水平。

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果（表7）表明，As、Hg、Pb、Cd、Cr的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均值都小于40，屬于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；但是Hg在部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于40～80，達(dá)到中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。無論旱地、水田，還是菜地，各重金屬元素對(duì)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率大小順序均為Hg>Cd>As>Pb>Cr。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍在41.88～115.83，表明南通市耕地土壤重金屬污染處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

3 結(jié)論

南通市耕地土壤重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr含量均在《無公害農(nóng)產(chǎn)品 種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件》（NY/T 5010-2016）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，除As平均含量稍高于南通市土壤環(huán)境背景值外，其他重金屬平均含量都低于背景值。與2006年測(cè)定結(jié)果相比，As、Hg、Cd、Cr平均含量均有明顯上升。Pb含量與Cd、Cr、Hg含量，及Cr含量與As含量存在極顯著正相關(guān)性，表明其可能具有相同的污染來源或存在一定程度的復(fù)合污染。

利用污染指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)南通市耕地土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，單因子污染指數(shù)小于1.0，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值小于0.7，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于150，表明耕地土壤環(huán)境質(zhì)量處于安全和低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在0.7～1.0，達(dá)到警戒限，需要引起重視，并采取相應(yīng)防范措施。

本研究中的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)均遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、公路和工業(yè)園區(qū)，不存在污水灌溉，因此所測(cè)土壤重金屬含量有一定局限性，建議在開展土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)時(shí)考慮上述因素對(duì)土壤污染的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳懷滿，鄭春榮，涂 從，等.中國土壤重金屬污染現(xiàn)狀與防治對(duì)策[J].AMBIO-人類環(huán)境雜志，1999，28（2）：130-134.

[2] 陳同斌.土壤污染將成為中國的世紀(jì)難題[J].科技文萃，2005， 30（9）：30-32.

[3] 宋成軍，張玉華，劉東生，等.土地利用/覆蓋變化（LUCC）與土壤重金屬積累的關(guān)系研究進(jìn)展[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2009，4（5）： 617-624.

[4] XIAO R，BAI J H，LU Q Q，et al. Fractionation，transfer，and ecological risks of heavy metals in riparian and ditch wetlands across a 100-year chronosequence of reclamation in an estuary of China[J].Science of the Total Environment，2015，517（6）：66-75.

[5] 李 曈，吳 榮，李 杰，等.不同使用年限大棚土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，45（12）：62-66.

[6] 范 健，廖啟林，許宏銘，等.稻米與小麥吸收土壤重金屬的基本特征[J].地質(zhì)學(xué)刊，2016，40（4）：701-709.

[7] 金鑫榮.有多少國土已五毒俱全——中國土壤重金屬污染調(diào)查[J].環(huán)境教育，2015（6）：4-9.

[8] 胡大偉，卡新民，王書玉，等.基于BP模型的南通市農(nóng)田土壤重金屬空間分布研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，7（1）：91-95.

[9] 吳曉麗，許 泉，王 進(jìn)，等.江蘇南通常規(guī)農(nóng)田土壤重金屬污染狀況研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33（5）：124-126.

[10] 范拴喜，甘卓亭，李美娟，等.土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（17）：310-315.

[11] 高軍俠，黨宏斌，鄭 敏，等.鄭州市郊農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（21）：116-120.

[12] 鄭洪萍.福建省耕地土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，27（8）：888-894.

[13] 劉 晶，滕彥國，崔艷芳，等.土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法綜述[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2007，19（3）：6-11.

[14] 麻冰涓，高彩玲，王海鄰，等.武陟縣農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44（3）：71-76.

[15] HAKANSON L. An ecological risk for aquatic pollution control：A sedimentological approach[J].Water Research，1980，14（8）：975-1001.

[16] 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.

[17] 武攀峰，吳 為.長江中下游典型濱海地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染特征[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2008，24（1）：71-74.

[18] 王 進(jìn)，馮金飛，卡新民.基于GIS的農(nóng)田土壤重金屬空間插值分析及污染評(píng)價(jià)[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，7（1）：1-8.