三峽庫區(qū)庫尾典型農(nóng)用地土壤重金屬污染特征及潛在風(fēng)險

王金霞，羅 樂，陳玉成，何清明，詹玲玲

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；3.江蘇省泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

重金屬導(dǎo)致土壤肥力不斷退化，大幅降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。重金屬可以通過食物鏈在人體和其他生物體內(nèi)富集，從而對人類的健康產(chǎn)生威脅[1-2]。土壤重金屬污染的特點主要有以下3個：隱蔽性、不可逆性以及長期性。由于工業(yè)化的快速發(fā)展，導(dǎo)致土壤中重金屬的污染越來越嚴(yán)重[3-6]?！锻寥拉h(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）[7]對土壤中 8 種重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）的篩選值進(jìn)行了規(guī)定。為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和維護(hù)人體健康，應(yīng)加強(qiáng)對農(nóng)用地土壤重金屬的分布特點及其可能存在的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行深入了解。現(xiàn)階段，土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價的方法較多，例如地累積指數(shù)法[5]、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[8]、富集因子法[9]、正定矩陣因子分解法[10]、單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[11]等。國際上關(guān)于土壤重金屬的研究最具系統(tǒng)性、科學(xué)性的方法是潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法不但考慮了重金屬的含量，同時還把重金屬的生態(tài)效應(yīng)和生物毒性進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)，對重金屬潛在的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了定量的劃分，從而對重金屬進(jìn)行有效的評價。該方法在土壤重金屬研究中的應(yīng)用非常廣泛。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法可以針對不同種類的重金屬元素對土壤產(chǎn)生的具體作用進(jìn)行全面的體現(xiàn)。該方法最大的優(yōu)勢在于重點分析高濃度重金屬元素對環(huán)境產(chǎn)生的影響作用[11]。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國農(nóng)用地的特點在農(nóng)用地分級管理及規(guī)劃等方面取得了重要成果[12]。

重慶市江津區(qū)位于三峽庫區(qū)庫尾，是三峽庫區(qū)糧食、蔬菜、水果及中藥材的重要生產(chǎn)基地之一。本文以該區(qū)的農(nóng)用地土壤為研究對象，分析了農(nóng)用地土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的污染水平。結(jié)合單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對研究區(qū)污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，并對研究區(qū)農(nóng)用地進(jìn)行安全利用分區(qū)，為即將開展的重金屬土壤污染修復(fù)工作提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)距重慶市江津城區(qū)約15 km，是一個多土地利用格局的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。其土地格局中，旱地所占面積最大，其次是水田，而林地的占地面積則較小。一般情況下，旱地的耕作方式主要是旱作方式，而水田則選擇水旱輪流作業(yè)方式，旱作時間一般在秋末到春末期間。林地主要包括：喬木林地、竹林地及其他林地。由于該研究區(qū)受外界因素干擾較小，因此是一個較為典型的人工農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 樣品采集

在研究區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)網(wǎng)格，按照1 km×1 km打網(wǎng)格，網(wǎng)格中心作為土壤采樣點，但受現(xiàn)場條件影響，會根據(jù)其地形地貌與土地利用類型分布特點適當(dāng)調(diào)整。通過GPS對采樣點的經(jīng)度和緯度進(jìn)行詳細(xì)記錄，研究區(qū)采樣點位見圖1。采集0～20 cm表層土壤，每個采樣點按照蛇形采樣法均勻采樣（6～10個樣品），用四分法留下0.5～1 kg的土壤樣品。將樣品置于聚乙烯塑料袋中，密封保存。共采集82個土壤樣品，樣品采集時間為2016年5月。

圖1 研究區(qū)采樣點位圖Figure 1 Location of sampling sites of study area

1.3 樣品制備與分析

將樣品均勻混合，去除石塊和雜草，置于室內(nèi)自然風(fēng)干。研磨并過孔徑為100目尼龍篩，密封保存在塑料袋中，供分析測定。參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分析方法，選擇合適的測試方法（表1）。選取6～7個點（含空白）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，每個樣品測試3次，取其平均值作為測試試驗結(jié)果。每批樣品制備2個全程序空白。

表1 檢測方法及設(shè)備Table 1 Detection method and equipment

1.4 評價方法

重金屬污染既可以是單一因素作用結(jié)果，也可能是多因素共同作用的結(jié)果。為了能夠定量反應(yīng)研究區(qū)域土壤重金屬污染情況，本文采用單因子與多因子相結(jié)合的方法對土壤污染等級與潛在生態(tài)風(fēng)險等級進(jìn)行評價[3]。

1.4.1 土壤污染評價方法

目前土壤污染評價的方法較多，應(yīng)用最為廣泛的是單因子指數(shù)法以及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[13]。

土壤污染評價計算公式如下：

單因子污染指數(shù)：Pi=Ci/Si

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)：PN=

式中：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的真實測量數(shù)據(jù)；Si為土壤污染物i的具體評價標(biāo)準(zhǔn)，本文以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》[7]規(guī)定的篩選值作為評價標(biāo)準(zhǔn)；PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Piave為土壤中污染物單因子污染指數(shù)的平均值；Pimax為土壤中污染物單因子污染指數(shù)的最大值。污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤污染分級標(biāo)準(zhǔn)[8]Table 2 The grading standards of integrated pollution index for soil[8]

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價方法

通過潛在生態(tài)危害指數(shù)法可以看出，重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險不僅與重金屬含量有關(guān)，還與該重金屬的毒性有關(guān)，因此用潛在生態(tài)風(fēng)險評價方法評價更具有實際意義。單個金屬潛在生態(tài)風(fēng)險等級（Eir）表示單一因素生態(tài)風(fēng)險，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險等級（RI）表示多因素共同作用生態(tài)風(fēng)險。

潛在生態(tài)風(fēng)險評價計算公式如下：

1.4.3 研究區(qū)農(nóng)用地土壤安全利用分級

基于單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果，參照中國地質(zhì)大學(xué)劉霈珈[15]提出的農(nóng)用地安全利用劃分方案將研究區(qū)農(nóng)用地進(jìn)行安全利用分級。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 22.0和Excel 2003軟件，采樣點分布圖與克里格插值分析采用ArcGIS 10.2.2軟件完成。

表3 和RI分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grade standard ofand RI

表3 和RI分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grade standard ofand RI

單項潛在生態(tài)危害指數(shù)Ecological risk index of individual element綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)Integrated potential ecological risk index Ei r風(fēng)險等級RI風(fēng)險等級≤40低≤135低40～80中135～265中80～160較重265～525重160～320重＞525嚴(yán)重＞320嚴(yán)重

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬污染分布特征

研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬測試結(jié)果見表4。從表4可以看出，樣品中除As、Hg、Ni外，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的平均含量均高于三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)土壤背景值[14]。超標(biāo)倍數(shù)為1.43～2.54倍，表明該研究區(qū)土壤中重金屬 Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 存在不同程度的累積。其中12.20%的土壤樣品Cu含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的篩選值。有研究表明，Cd、Cr、Cu、Pb與汽車尾氣排放有關(guān)，是機(jī)動車污染源的標(biāo)記元素，Cr主要受土壤母質(zhì)和成土過程影響[16]。通過變異系數(shù)可以有效地反映出總體樣本中各個不同采樣點的平均變異程度。如果變異系數(shù)超過0.5，則說明土壤中重金屬含量存在空間分布不均勻現(xiàn)象，由于外源物質(zhì)的進(jìn)入，導(dǎo)致在某一局部地區(qū)出現(xiàn)點源污染。研究區(qū)農(nóng)用地土壤樣品中As、Cu和Hg變異系數(shù)較大，接近0.5，表明可能存在外源物質(zhì)進(jìn)入引起的點源污染。土壤As與有機(jī)肥、城市有機(jī)廢物、城市污泥有關(guān)[17]。另有研究表明Cr、Cu、Zn、Cd主要受化肥、農(nóng)藥、有機(jī)肥、污水灌溉等農(nóng)業(yè)活動的影響。對As與Hg產(chǎn)生影響作用的因素主要有燃煤、廢棄物的排放以及工業(yè)廢水等[10]。江津區(qū)內(nèi)有德感、白沙、雙福三個工業(yè)園區(qū)，研究區(qū)距離城區(qū)較近。推測研究區(qū)多種重金屬高于背景值的原因可能是受城市效應(yīng)、工業(yè)基地、農(nóng)業(yè)活動共同因素的影響。

為了對研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬含量空間分布特征進(jìn)行深入了解，通過ArcGIS 10.2.2軟件用克里格插值技術(shù)得到土壤重金屬含量空間分布圖（圖2）。從圖2可以看出，Cu、Ni和Zn空間分布規(guī)律特征基本相同，As和Cr空間分布規(guī)律特征基本相同。Cd和Hg空間分布相對較均勻，且低值區(qū)出現(xiàn)位置相似，提示元素間具有一定相關(guān)關(guān)系。有研究表明，不同重金屬間一般具有同源關(guān)系或存在復(fù)合污染的現(xiàn)象[16]。Pb空間分布規(guī)律特性區(qū)別于其他重金屬，提示Pb與其他重金屬相關(guān)性較差，表明Pb可能存在單獨的污染來源。研究區(qū)土壤中重金屬分布差異性較大的原因有以下兩個：其一，不同區(qū)域土壤的背景值可能存在不同；其二，受人類不同活動的影響[10]。

2.2 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬污染評價

為了進(jìn)一步評價研究區(qū)域土壤重金屬的污染程度，并對土壤中重要的污染物進(jìn)行有效識別，以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》[7]規(guī)定的篩選值作為土壤重金屬污染程度評價的標(biāo)準(zhǔn)，利用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法分析了研究區(qū)重金屬污染等級，分析結(jié)果見表5。從表5中可以看出，有2.44%土壤樣品Cd、19.51%土壤樣品Cr、14.63%土壤樣品Cu、9.76%土壤樣品Hg為警戒級，12.20%采樣點的Cu為輕污染級。但是研究區(qū)8種重金屬單項污染指數(shù)（Pi）平均值均小于0.7，污染等級均為安全級。內(nèi)梅羅綜合污染指值數(shù)（PN）順序為Cu（1.01）＞Cr（0.81）＞Cd（0.62）＞Zn（0.52）＞Pb（0.45）＞Ni（0.32）＞As（0.29）＞Hg（0.09）。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)果表明：Cu污染等級為輕污染，Cr污染等級為警戒級，其余6種重金屬為安全級。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法屬于一種計權(quán)型單因子環(huán)境質(zhì)量評價方法，其最大特點在于突出單因子污染指數(shù)的最大值。所以，通過內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果可以看出，研究區(qū)農(nóng)用地土壤受到Cu的輕度污染。

表4 土壤重金屬含量統(tǒng)計分析Table 4 Statistic values of heavy metal concentration of soil

圖2 研究區(qū)土壤重金屬含量空間分布Figure 2 Spatial distribution of heavy metal concentrations in study area

表5 研究區(qū)土壤污染評價Table 5 Pollution assessment of soil for heavy metals in study area

2.3 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害評估

以2008年唐將等[14]提出的三峽庫區(qū)土壤背景值為參比值，得出各采樣點單項潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)，統(tǒng)計分析結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬的單項潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值從大到小依次為Hg（41.33）＞Cd（36.71）＞As（12.20）＞Cu（6.54）＞Pb（5.32）＞Ni（4.72）＞Cr（2.42）＞Zn（1.14）。Hg的 Eir均值大于40，處于中等生態(tài)風(fēng)險等級，其余7種重金屬Eir均值小于40，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn整體上表現(xiàn)為低生態(tài)風(fēng)險等級。Cd和Hg處于中等生態(tài)風(fēng)險等級樣品所占比例分別為4.25%和67.5%。雖然Cd的平均濃度只有0.16 mg·kg-1，比背景值高出一點，但是Cd重金屬的毒性系數(shù)等于30，其單項潛在生態(tài)危害指數(shù)為36.71。Hg的平均濃度只有0.05 mg·kg-1，與背景值相同，但是Hg的毒性系數(shù)等于40，其單項潛在生態(tài)危害指數(shù)為41.33。從以上數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)農(nóng)用地土壤中Hg與Cd單項潛在生態(tài)危害指數(shù)之所以比較高的原因是Hg和Cd的高毒性系數(shù)，而非Hg和Cd的高含量[17]。研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI范圍為68.57～143.57，平均值為110.37，僅有9.76%的土壤樣品RI值大于135。從評價結(jié)果可以明顯看出，目前研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險等級屬于低風(fēng)險等級，研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬潛在生態(tài)危害主要來自Hg和Cd。有研究表明，重慶不同功能區(qū)綠地土壤Hg含量高于重慶市背景值，且與土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)正相關(guān)，表明人類活動是影響Hg富集的主要因素[18]。

圖3 研究區(qū)土壤重金屬單項生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果Figure 3 Ecological risk index of individual element for heavy metals in study area

2.4 研究區(qū)農(nóng)用地土壤安全利用分級

針對農(nóng)用地合理利用和管理，劉霈珈等[15]提出農(nóng)用地安全利用劃分方案，將農(nóng)用地劃分為5種綜合分區(qū)，即Ⅰ級（安全利用區(qū)）、Ⅱ級（基本安全利用區(qū)）、Ⅲ級（低風(fēng)險監(jiān)控區(qū)）、Ⅳ級（中風(fēng)險預(yù)警區(qū)）和Ⅴ級（高風(fēng)險限制區(qū)）?；趩我蜃又笖?shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果，利用上述分級方案對研究區(qū)農(nóng)用地進(jìn)行安全利用分級，圖4為研究區(qū)農(nóng)用地安全利用綜合分區(qū)圖。Ⅰ級安全利用區(qū)面積為68.39 km2，占農(nóng)用地總面積的79.53%，Ⅱ級基本安全利用區(qū)面積為13.73 km2，占農(nóng)用地總面積的15.97%，Ⅲ級低風(fēng)險監(jiān)控區(qū)面積為3.88 km2，占農(nóng)用地總面積的4.50%。研究區(qū)農(nóng)用地均為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級利用區(qū)，無Ⅳ級和Ⅴ級利用區(qū)。表明研究區(qū)農(nóng)用地安全利用等級較低，該分區(qū)結(jié)果及其空間分布特征為后續(xù)農(nóng)用地安全利用和管理提供重要依據(jù)。

3 結(jié)論

圖4 農(nóng)用地安全利用綜合分區(qū)Figure 4 Comprehensive zones of agricultural land safe utilization

（1）研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤中，除 As（5.48 mg·kg-1）、Hg（0.05 mg·kg-1）和 Ni（27.80 mg·kg-1）的平均值未超過三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬背景值以外，Cr（94.31 mg·kg-1）、Zn（79.36 mg·kg-1）、Cu（32.70 mg·kg-1）、Pb（25.41 mg·kg-1）、Cd（0.16 mg·kg-1）的平均值均高于背景值。其中有12.20%的土壤樣品Cu含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》篩選值。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)果表明研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤中Cu污染等級為輕污染，Cr污染等級為警戒級，其余6種重金屬為安全級。單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)順序為 Hg（41.33）＞Cd（36.71）＞As（12.20）＞Cu（6.54）＞Pb（5.32）＞Ni（4.72）＞Cr（2.42）＞Zn（1.14），Hg為中等生態(tài)風(fēng)險，其他7種重金屬為較低生態(tài)風(fēng)險，Hg和Cd是影響研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險的主要元素，整個研究區(qū)農(nóng)用地土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險危害為低風(fēng)險水平。

（3）研究區(qū)農(nóng)用地土壤79.53%的面積屬于安全利用區(qū)，15.97%的面積屬于基本安全利用區(qū)，4.50%的面積屬于低風(fēng)險監(jiān)控區(qū)，且不涉及中風(fēng)險預(yù)警區(qū)和高風(fēng)險限制區(qū)。