烏拉特灌域北部農(nóng)田土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險分析

田志強，韓翠蓮，霍軼珍

（河套學(xué)院土木工程系/內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)灌溉排水工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000）

土壤是保障我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要的自然資源，也是生態(tài)和環(huán)境保護的重要對象。但是，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，土壤污染日益突出，特別是土壤重金屬污染已成為世界各國面臨的主要環(huán)境問題之一[1]。歐洲農(nóng)田土壤受重金屬污染面積達數(shù)百公頃，日本農(nóng)田土壤受重金屬污染面積達7萬hm2以上。根據(jù)2014《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[2]顯示，我國土壤總的點位超標(biāo)率為16.10%，無機污染物超標(biāo)點位占比82.80%，其中19.40%耕地土壤點位超標(biāo)，高于其他土地利用類型，且耕地土壤的主要污染物為重金屬，說明我國土壤環(huán)境總體并不樂觀。

我國對土壤重金屬污染的研究大部分集中于城市及其郊區(qū)、礦區(qū)和工業(yè)區(qū)，農(nóng)田土壤重金屬污染方面的研究相對較少[3]。但隨著工業(yè)化進程的不斷加快，土壤污染范圍已經(jīng)開始從城市向農(nóng)村擴大，農(nóng)田土壤重金屬污染狀況、污染機理及其修復(fù)越來越受到學(xué)術(shù)界和政府的關(guān)注[4]。因此，研究農(nóng)田土壤重金屬污染對評估農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量安全以及人類健康都具有重要意義。目前，與農(nóng)田土壤重金屬污染相關(guān)的土壤環(huán)境質(zhì)量評價國內(nèi)多以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）或當(dāng)?shù)氐耐寥辣尘爸禐閰⒖?，?018年8月1日起，《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）》（GB 15618—2018）[5]已代替GB 15618—1995正式實施，但以GB 15618—2018為評價標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表的論文并不多。

河套灌區(qū)作為我國和內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品糧、油生產(chǎn)基地，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量尤為重要。本文以河套灌區(qū)烏拉特灌域北部農(nóng)田土壤為研究對象，采用最新發(fā)布的GB 15618—2018，對重金屬含量和污染特征進行分析，評價潛在生態(tài)風(fēng)險，對管控研究區(qū)土壤污染風(fēng)險、保障糧食安全和人體健康、防御和治理環(huán)境污染具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)烏拉特灌域的北部。烏拉特灌域西起總干四閘，東至包頭郊區(qū)，南臨黃河，北接義長灌域，東西長約110km，南北寬約40km，規(guī)劃灌域面積11萬hm2，引黃灌溉面積8萬hm2，年均引水量4.3 億m3。灌域地形北高南低、西高東低，海拔在1 010～1 030 m。灌域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，年平均降水量約為270 mm，年平均蒸發(fā)量約為2 380 mm，年平均氣溫7.9℃，年平均風(fēng)速6.64 m/s，年日照時數(shù)3 187 h。灌域以農(nóng)業(yè)為主，主要種植甜菜、油料、蔬菜瓜果、糧食作物等，灌域土壤鹽堿化嚴重，耕地類型包括水澆地和旱地[6-7]。

1.2 土壤樣品的采集與分析

1.2.1 樣品采集 采用系統(tǒng)隨機布點法，按照5km×5km 網(wǎng)格劃分，于2016年5月中旬采集研究區(qū)表層土壤（0～20 cm）共33個混合樣品，如個別點遇到無法采樣的可稍做移動就近選擇可以采樣之處（圖1）。先用鐵鍬鏟出一個20 cm以上的耕作層斷面，再用竹片將斷面刮平并在平行斷面下鏟取垂直20 cm的土樣，并剔除草根、石礫等可見雜物，用四分法去掉多余土樣，保留1 kg 左右，裝入聚乙烯自封袋帶回實驗室自然風(fēng)干，過150 μm 尼龍篩后進行土壤相關(guān)指標(biāo)的測定。

圖1 烏拉特灌域北部土壤采樣點分布

1.2.2 樣品重金屬分析方法 Hg、As 采用原子熒光光度法測定，Pb、Cd 采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Cr 采用火焰原子吸收分光光度法測定[5，8]。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)與評價方法

1.3.1 評價標(biāo)準(zhǔn) 依據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部頒布的《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）》（GB 15618—2018）[5]進行評價。GB 15618—2018 規(guī)定了農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值和管制值兩類標(biāo)準(zhǔn)值，具體標(biāo)準(zhǔn)值依照土壤pH值大小取值。研究區(qū)土壤pH值＞7.5，結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）[9]，故采用如下標(biāo)準(zhǔn)值（表1）。

表1 研究區(qū)土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)mg/kg

1.3.2 土壤污染風(fēng)險篩查與管控類型劃分 GB15618—2018將農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險劃分為低、可能、高3個級別，農(nóng)用地安全利用劃分為優(yōu)先保護類、安全利用類、嚴格管控類[10]。重金屬含量全部等于或者低于風(fēng)險篩選值時，土壤污染風(fēng)險低，屬優(yōu)先保護類；重金屬含量任意一個介于風(fēng)險篩選值和管制值之間時，可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險，屬安全利用類；重金屬含量任意一個高于風(fēng)險管制值時，土壤污染風(fēng)險高，屬嚴格管控類。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險評價法是瑞典學(xué)者HAKANSON[11]于1980年建立的一種評價重金屬污染及生態(tài)危害的方法，該方法既可以評價單一重金屬元素風(fēng)險程度，又可以評價多種重金屬元素的綜合風(fēng)險程度[12]，計算公式如下[13]：

式中，RIj為j 樣點多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Eji、Cji、cji分別為j 樣點重金屬i的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)、污染指數(shù)、含量；cri為重金屬i的參比值，本研究以GB 15618—2018 中土壤污染風(fēng)險篩選值為參比值；Ti為重金屬i的毒性系數(shù)，Cd、Hg、As、Pb、Cr的毒性系數(shù)分別為30，40，10，5，2[14]。重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)先用Excel 2010軟件進行整理，再用SPSS 19.0軟件進行數(shù)理統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬的描述性統(tǒng)計

由表3可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr 含量分別為0.003～0.595，0.010 8～0.115 0，1.43～3.91，3.03～40.70，1.70～116.00mg/kg，平均含量分別為0.168，0.031 9，2.33，13.70，48.10mg/kg。對比表1可知，各點位所有重金屬含量均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控風(fēng)險篩選值，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤污染風(fēng)險低，可忽略這5種重金屬對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長和土壤生態(tài)環(huán)境的不利影響，研究區(qū)農(nóng)田土壤應(yīng)加大力度優(yōu)先保護。參照河套地區(qū)土壤背景值[15]，只有Cd的平均含量高于其土壤背景值，超出1.4 倍，Hg、As、Pb、Cr的平均含量均未超過河套地區(qū)土壤背景值；從各元素的最大含量值與其背景值對比看，Cd、Pb、Cr 含量的最大值高于背景值，說明這3種元素存在點位超標(biāo)現(xiàn) 象，Cd、Pb、Cr的點位超背景值比例分別為54.50%，15.20%，21.40%；由于背景值是指一定時期、一定區(qū)域未受現(xiàn)代工業(yè)明顯污染和破壞的土壤固有的元素含量[16]，表明研究區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境已受到人類活動影響。

變異系數(shù)（CV）是表征樣品空間變異程度的一個指標(biāo)，能在一定程度上反映樣品受人為影響的程度。當(dāng)CV＜10%時，為弱變異性；當(dāng)CV在10%～100%時，為中等變異性；當(dāng)CV＞100%時，為強變異性[17]。土壤重金屬描述性統(tǒng)計（表3）表明，Cd、Hg、As、Pb、Cr的變異系數(shù)分別為98%，76%，26%，63%，74%，均屬于中等變異，受人為影響大小順序為Cd＞Hg＞Cr＞Pb＞As，其中Cd 受人為活動影響最強烈。

2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價

由表4可知，研究區(qū)農(nóng)田土壤5種重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值分別為Cd（8.39）、As（0.93）、Pb（0.40）、Cr（0.38）、Hg（0.28），其中Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)相對于其他4種重金屬較大。從各元素單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最大值可知，32個樣點的5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于40，屬于輕微風(fēng)險水平。

表3 土壤重金屬各項指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險變化范圍在1.03～33.04，平均值為10.39，潛在生態(tài)風(fēng)險屬于輕微水平，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤受重金屬污染不大。

表4 農(nóng)田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

3 結(jié)論與討論

河套灌區(qū)烏拉特灌域北部農(nóng)田土壤Hg、As、Pb、Cr 平均含量低于地區(qū)背景值，但Cd、Pb、Cr 在一些點位存在富集效應(yīng)，其中Cd 由于受人為影響較大導(dǎo)致富集效應(yīng)突出。依據(jù)GB 15618—2018，研究區(qū)農(nóng)田土壤污染風(fēng)險篩查結(jié)果為低，農(nóng)用地安全利用為優(yōu)先保護類。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果進一步表明，研究區(qū)農(nóng)田土壤污染風(fēng)險較低，為輕微生態(tài)風(fēng)險水平。

以上結(jié)論與我國農(nóng)田重金屬污染特點一致，而Cd 超標(biāo)率相對較高的原因可能與地區(qū)土壤背景值偏嚴有關(guān)，河套地區(qū)土壤Cd 背景值為0.116mg/kg。與本地區(qū)相比，美國農(nóng)田土壤Cd 背景值為0.270mg/kg[18]，英國土壤Cd 背景值為0.700mg/kg[19]，荷蘭為0.500mg/kg[20]，瑞典為0.240mg/kg[21]。

不同程度重金屬污染土壤應(yīng)根據(jù)評價的風(fēng)險等級不同而采取不同安全利用與修復(fù)技術(shù)。針對輕微生態(tài)風(fēng)險水平的農(nóng)田土壤，根據(jù)當(dāng)前我國農(nóng)田重金屬污染修復(fù)的實踐，河套灌區(qū)烏拉特灌域北部區(qū)農(nóng)田土壤安全利用技術(shù)應(yīng)從低吸收作物品種的篩選與田間應(yīng)用、水肥管理調(diào)控及農(nóng)藝措施等安全利用技術(shù)或不同技術(shù)組合等多方面考慮。