云南省木署村高山蔬菜基地土壤重金屬污染風(fēng)險評價研究

段南福，李曉華，田原潤，郭先華，2*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008）

目前，土壤污染問題的研究逐漸成為社會關(guān)注的焦點[1]。重金屬在土壤中積累、在作物體內(nèi)富集，通過食物鏈最終進入人體，帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險。蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚母笔称罚滟|(zhì)量的優(yōu)劣對人體健康造成直接威脅[2]。民眾對清潔、無污染蔬菜的要求越來越高，而蔬菜中的重金屬污染受土壤重金屬含量影響[3-6]。因此，對蔬菜地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量進行評價，確定其污染水平和潛在風(fēng)險，具有重要意義[7]。

我國蔬菜基地土壤受重金屬污染的元素主要包括Cd，Hg，Pb，As，Cr，Cu等[8]。南京郊區(qū)蔬菜基地土壤重金屬的抽樣檢測結(jié)果中，處于安全等級的土壤樣品僅占40%，已受到污染的土壤占30%[9-10]。農(nóng)業(yè)部對24個市（城）郊、污水灌溉區(qū)、工礦等經(jīng)濟發(fā)展較快地區(qū)320個重點污染區(qū)的監(jiān)測結(jié)果中，土壤重金屬含量超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積為4.85×105hm2，約占調(diào)查總面積的16%，其中Pb，Cd，Hg，Cu及其復(fù)合污染最為突出[11]。多數(shù)城市郊區(qū)菜地的重金屬污染現(xiàn)狀嚴(yán)峻，其中污染最為普遍的是Cd，污染面積近1×107hm2，其次是Pb，Zn，Cu，Hg等[12]。

評價土壤重金屬污染程度和現(xiàn)狀，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，維護人類健康[13]。本文選取云南省姚安縣木署村蔬菜基地為研究對象，對土壤環(huán)境質(zhì)量進行調(diào)查，分析土壤重金屬污染風(fēng)險，評價蔬菜基地的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險，以保障當(dāng)?shù)厥卟速|(zhì)量與食品安全，降低人體健康風(fēng)險[14]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)前場鎮(zhèn)木署村位于云南省楚雄州姚安縣東部，地處長江上游金沙江流域，為高寒山區(qū)，素有“彝州高山小菜園”之稱。該鎮(zhèn)國土面積305.16 km2，最高海拔2 757 m，最低海拔1 840 m，年平均氣溫13.5℃。當(dāng)?shù)刂饕N植大豆、小麥和水稻。研究區(qū)行政區(qū)劃分及采樣點位置如圖1所示。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 樣品采集

通過對木署村走訪調(diào)查，根據(jù)典型性和代表性原則，在研究樣地均勻采樣，按“S”形分布。每個采樣點設(shè)置10 m×10 m的樣方，每個樣方內(nèi)隨機選取5個點采樣，采集0～20 cm深度土樣，再將五個點土樣均勻混合，采用四分法按對角線取1.0 kg裝袋得到混合土樣，共51個土樣。編號順序從右到左為1-51號土樣，采樣點分布詳見圖1所示。

1.3 樣品測試

1.3.1 土壤樣品的制備

將采集的土樣剔除石塊、雜草等異物，在室內(nèi)自然風(fēng)干，用玻璃研缽磨碎后過0.25 mm及0.149 mm的尼龍篩，封存于塑料袋中待測。

1.3.2 指標(biāo)測定

依據(jù)區(qū)域性、簡易性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟性和主要性的原則，選取Pb，Cd，Ni，Cu，Zn，Cr六個指標(biāo)作為該樣區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)。土壤理化性質(zhì)根據(jù)鮑士旦編制的《土壤農(nóng)化分析》[15]測定。采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消煮-火焰原子吸收光度法，測定土樣中Cu，Zn，Cr，Ni含量；采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消煮-石墨爐原子吸收光度法，測定土樣Pb，Cd含量。

1.4 評價方法和標(biāo)準(zhǔn)

本次研究采用的評價方法是單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法。通過SPSS11.5和Excel軟件進行指標(biāo)分析，ArcGIS10.4的地統(tǒng)計模塊進行Kringing插值后進行空間分析。

1.4.1 單因子污染指數(shù)法

評價研究區(qū)域的重金屬污染，采用單因子污染指數(shù)法，公式如下：

式中：Pip為土壤中污染物i的單項污染指數(shù)（表1）；Ci為調(diào)查點位土壤中污染物i的實測濃度；Sip為污染物i的國家評價標(biāo)準(zhǔn)參考值。

表1 土壤單因子污梁指數(shù)法評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Assement standards of soil single factor index pollution

1.4.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是一種通過單因子污染指數(shù)得出綜合污染指數(shù)的方法，能夠較全面地評判重金屬的污染程度。其中，內(nèi)梅羅指數(shù)法（Nemerow index）是評價土壤重金屬污染時運用最為廣泛的綜合指數(shù)法，其計算公式為：

式中：P綜合是內(nèi)羅梅指數(shù)；i為單項污染指數(shù)平均值；Pimax為最大單項污染指數(shù)。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5個等級，見表2。

表2 土壤重金屬綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The grading standard for integrated pollution index of soil heavy metal pollution

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的，也稱為Hakanson指數(shù)，是Hakanson根據(jù)重金屬的性質(zhì)和環(huán)境特點，從沉積學(xué)角度提出來的對土壤或沉積物中重金屬污染進行評價的方法。該指數(shù)考慮了土壤重金屬含量，將重金屬的生態(tài)、毒理、環(huán)境效應(yīng)有機地結(jié)合起來，采用量化指標(biāo)、等價屬性指數(shù)評價重金屬的風(fēng)險性。計算公式如下：

式中：RI為多種金屬元素污染的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Eir為單一金屬潛在生態(tài)風(fēng)險因子；Tir為某一重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)，根據(jù)Hakanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)獲得的，反映了重金屬在水相、固相和生物相之間的響應(yīng)關(guān)系，重金屬毒性水平次序為Cd，Pb，Cu，Cr，Zn，Ni，其毒性響應(yīng)參數(shù)分別為20，5，5，2，1，1；Ci為樣品實測濃度；Cis為沉積物和土壤背景參考值或土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的評價參考值。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)可以定量評價單一元素的風(fēng)險等級，也可以評價多個元素的綜合風(fēng)險等級，可以分為5個級別，見表3。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的分級Table 3 Classification of potential ecological risk index

1.4.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)國家《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 332-2006）、《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 333-2006）進行土壤重金屬污染風(fēng)險評價。這兩項標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量評價中各污染物的限值，研究區(qū)51個樣品pH范圍4.2～6.7，平均值為5.3，只有一個樣點pH達到6.7，因此該地區(qū)土壤適用于上述兩項國家標(biāo)準(zhǔn)中的pH＜6.5土壤環(huán)境質(zhì)量評價限值范疇，具體限值如表4所示。

表4 土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)限值Table4 Limitvalueofsoilenvironmentalqualityevaluationindex

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的分析

研究區(qū)6種金屬的平均值均低于《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T332-2006）和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T333-2006）的規(guī)定值，均沒有超標(biāo)，見表5。

表5 研究區(qū)域重金屬含量（n=51）Table 5 The concentration of heavy metal in the soil of the study area（n=51）

2.2 土壤重金屬污染程度分析評價

2.2.1 單項污染指數(shù)

研究區(qū)內(nèi)6種金屬元素的單項污染指數(shù)平均值大小為Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Cd＞Pb，6種金屬元素的單項污染指數(shù)均小于1，從這6種重金屬污染指數(shù)來看，該研究區(qū)域很清潔，無污染（見表6）。部分土壤樣品重金屬含量超標(biāo)，超標(biāo)率依次為Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，所有樣品Cd含量超標(biāo)率最小為2.00%，Zn超標(biāo)率最高為23.53%，Pb與Cr超標(biāo)率分別為19.61%和13.73%。

表6 研究區(qū)域重金屬單項污染指數(shù)（n=51）Table 6 Single factor index of heavy metals in the soil of the study area（n=51）

2.2.2 綜合污染指數(shù)

經(jīng)計算，研究區(qū)內(nèi)6種重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均為0.86，按上述國家標(biāo)準(zhǔn)，該值污染等級為警戒線，污染水平為尚清潔。51個采樣點土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)中只有1個是輕污染，其余50個采樣點均為清潔，表明研究區(qū)域未受到大規(guī)模、深層次的重金屬污染。

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

研究區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均很低，單個重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)見表7。Pb，Cr，Cu，Zn、Cd，Ni平均值分別為 0.76，1.83，4.32，0.82，13.91，1.01。根據(jù)6種重金屬元素潛在毒性響應(yīng)系數(shù)，Pb，Cr，Cu，Zn，Cd，Ni的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值22.65。說明研究區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險程度極低。

表7 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)（n=51）Table7 The potential ecological risk factor and index of heavy metals in the soil of the study area（n=51）

2.3 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險分布圖

重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果Er和RI均小于40，該地區(qū)重金屬污染風(fēng)險屬于輕微。根據(jù)圖2重金屬空間分布圖可見：樣點編號為9，10，11，12污染風(fēng)險較高，可能因為該區(qū)是已建成的蔬菜基地，使用農(nóng)藥的頻率高，耕植頻率較高造成重金屬的累積。因此，在以后的農(nóng)業(yè)活動中要遵循綠色發(fā)展原則，盡量減少農(nóng)藥的使用。樣點號19，20，21，36，37，38這片區(qū)域潛在危害指數(shù)也達到了32，該地區(qū)離居民區(qū)較近，生活污水排放和人為活動影響可能是造成該地區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險較高的主要因素。

圖2 研究區(qū)土壤重金屬RI空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of heavy RI in the soil of the study area

3 討論

云南省木署村處于云南省偏遠山區(qū)，研究區(qū)域內(nèi)6項重金屬污染指標(biāo)均符合食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的標(biāo)準(zhǔn)，造成土壤中Cr，Cu，Zn含量增加的原因可能是當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸颠^高，也可能是長期使用農(nóng)藥、化肥，導(dǎo)致土壤中重金屬元素積累[16]，此次未分析當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?，下一步工作會具體分析重金屬來源。

單項污染指數(shù)污染大小為Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Cd＞Pb，6種金屬元素的單項污染指數(shù)均小于1，表明該研究區(qū)域比較清潔，基本無污染。土壤各重金屬元素超標(biāo)率依次為 Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，除了Cd無超標(biāo)情況，其他金屬單因子污染指數(shù)平均值都較小，但超標(biāo)率很高，說明了這幾種金屬具有污染范圍廣但污染程度較輕的特點。綜合污染指數(shù)能夠較全面地評判重金屬的污染程度，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均為0.86，51個土壤采樣點內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)中只有1個是輕污染，污染率為2.00%，表明研究區(qū)域重金屬污染程度較輕，可以建設(shè)蔬菜基地。任華麗等[17]以云南省元陽縣哈尼梯田為研究對象，研究了梯田濕地核心區(qū)水稻土的重金屬分布與潛在生態(tài)風(fēng)險，結(jié)果表明Cr是背景值的2倍，Pb和Zn平均含量低于背景值，這與本文的研究結(jié)果有相似之處。從潛在生態(tài)風(fēng)險來看，研究的6種重金屬均低于輕微的生態(tài)危害系數(shù)，重要的貢獻因子為Pb和Zn，其次是Cr和Cu，Cd的貢獻最小。評價中僅考慮了Pb，Cd，Cu，Zn，Cr及Ni等6種重金屬因子，由于采樣密度和采樣范圍的限制，結(jié)果具有一定的相對性和局限性。從潛在生態(tài)風(fēng)險空間分布圖可以看出研究區(qū)總體重金屬污染風(fēng)險較小，屬于風(fēng)險輕微級，在遵循綠色發(fā)展，減輕農(nóng)藥使用的前提下，該地區(qū)建立無公害蔬菜基地具有一定的理論依據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

研究區(qū)酸性土壤中重金屬平均含量Cd為0.21mg/kg，Pb為22.15 mg/kg，Cu為35.09 mg/kg，Cr為137.08 mg/kg。參考國家《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 332-2006）和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 333-2006），進行土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價，結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)Cd等6項土壤重金屬元素含量均低于食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的限值；研究區(qū)綜合污染指數(shù)平均為0.86，污染等級為警戒限級，污染水平為尚清潔級別；重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)為22.65，潛在生態(tài)危害程度屬于輕微級別。

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