成都市岷江流域水稻土重金屬含量及其潛在生態(tài)危害評價

王 科，張 成，楊 勛，卿秋靜，楊永波，何玉亭，孫 娟

(成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，四川 成都 610041)

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是人類環(huán)境的重要組成部分。近幾十年來，隨著工礦企業(yè)數(shù)量和規(guī)模的擴大，城市的擴張，交通運輸?shù)陌l(fā)展，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥、地膜等的不合理使用，導(dǎo)致成都平原農(nóng)業(yè)土壤不同程度的受到重金屬污染，土壤環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢[1-2]。重金屬在土壤中的化學(xué)行為和生態(tài)效應(yīng)復(fù)雜，對人類健康和社會可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重危害，這使得重金屬污染受到人們的廣泛關(guān)注[3]。岷江作為成都市最重要的水資源，其流域內(nèi)分布著大量農(nóng)田。因此，調(diào)查和評價岷江流域內(nèi)農(nóng)田土壤環(huán)境中重金屬的污染與生態(tài)風(fēng)險，能為該區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和土壤資源的利用與保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2017年8～9月，本著均一性、代表性和突出重點的原則，在成都市內(nèi)岷江流域選定典型水稻種植區(qū)進行采樣。共采集水稻土樣品60件，其中都江堰市20件，崇州市20件，新津縣20件。采用梅花點法采樣，采樣深度為0～20cm。

1.2 樣品的處理與測定

按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(NY/T 395-2012)》進行樣品的制備，具體檢測項目及方法見表1。

表1 檢測項目與方法

1.3 土壤重金屬污染評價方法

采用瑞典科學(xué)家Hakanson[4]提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對土壤中的重金屬進行生態(tài)風(fēng)險評估。該方法不僅考慮了單個污染物的影響，還反映了多種污染物的綜合影響，并定量劃分潛在生態(tài)危害程度，是國內(nèi)外定量評價重金屬生態(tài)風(fēng)險的有效辦法之一。其評價公式如下：

式中：Cfi為單項重金屬污染指數(shù)，Ci為重金屬i的實測濃度，Cni為背景參考值，本研究采用川西水稻土背景值為標(biāo)準(zhǔn)(表2)；Eri為第i種重金屬環(huán)境風(fēng)險指數(shù)，Tri為重金屬i毒性響應(yīng)系數(shù)，在本次研究中，這6種土壤重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)參照Hakanson研究結(jié)果設(shè)定(表2)，它主要反映重金屬毒性水平和環(huán)境對重金屬污染的敏感程度；RI為多元素環(huán)境風(fēng)險綜合指數(shù)。表3為重金屬的污染指數(shù)和生態(tài)危害系數(shù)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)。

表2 重金屬參考值和毒性系數(shù)

表與污染程度的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻土重金屬含量統(tǒng)計特征

研究區(qū)域水稻土重金屬含量見表4，采用川西水稻土背值進行累積分析。由表4可知，各重金屬的含量范圍分別為：Cd0.099～0.530mg/kg，Pb 7.40～50.40mg/kg，Cr59.00～142.10mg/kg，As3.37～23.16mg/kg，Hg0.014～0.491mg/kg，平均值分別為0.282、28.70、86.39、35.88、9.57、0.100mg/kg。與川西水稻土背景值(表2)相比，除Hg外，其余5種重金屬平均值均超過土壤背景值，Cd、Pb、Cr、Cu、As含量分別為背景值的1.74、1.23、1.22、1.24、1.45倍，樣本超背景值比例分別為90.00%、70.00%、76.67%、80.00%、88.33%，表明這5種重金屬元素在研究區(qū)域水稻土上都有一定積累，積累程度為：Cd>As>Cu>Pb>Cr，這與楊剛等[1]和秦魚生等[5]的研究結(jié)果類似。變異系數(shù)可反映元素在研究區(qū)域中的分布和污染程度差異。由表4可知，6種重金屬變異系數(shù)Hg>Pb>As>Cd>Cr>Cu，其中Hg的變異系數(shù)達到86.00%，這說明研究區(qū)域水稻土中Hg的分布及不均勻，局部樣點存在明顯外源污染輸入的情況，這可能與含汞農(nóng)藥的不合理使用或其他含Hg化學(xué)物質(zhì)的施用有關(guān)。Pb、As、Cd的變異系數(shù)介于30%～45%間，表明污染程度相似，這可能與化肥農(nóng)藥的施用及灌溉等因素有關(guān)。Cr、Cu變異系數(shù)較小且十分接近，表明這2種元素空間分布較均勻，受人類活動的影響較小。

表4 成都市岷江流域水稻土重金屬含量統(tǒng)計特征

2.2 水稻土重金屬間相關(guān)性分析

比較土壤重金屬含量之間相關(guān)性，可以推測重金屬的來源是否相同。一般情況下，如果元素間顯著相關(guān)，說明它們來自同一來源可能性較大，這一來源既有可能是地球化學(xué)的天然來源，也有可能是人為活動造成的復(fù)合污染所致[6]。Person相關(guān)分析結(jié)果表明(表5)，Pb-Cr-Cu間存在顯著或極顯著相關(guān)性，表明Pb、Cr、Cu來源相似，存在相互伴隨的復(fù)合污染現(xiàn)象；Cd-Pb間存在顯著相關(guān)關(guān)系，是伴隨關(guān)系；As與Hg與其它元素均不相關(guān)，說明As與Hg的來源比較獨特。

2.3 水稻土重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

2.3.1 水稻土重金屬單項生態(tài)危害評價 重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)與土壤重金屬的含量、背景值及重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)有關(guān)。由表6可知，各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)范圍分別為：Cd18.38～98.19，Pb1.59～10.82，Cr3.48～121.93，Cu4.33～10.18，As5.10～34.99，Hg3.48～121.93。各重金屬單項潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值Cd>Hg>As>Cu>Pb>Cr，Cd的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)最高，且分別有68.33%和3.33%的樣本達到中等和強生態(tài)危害等級。Hg元素潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值小于40，但有10.00%和3.33%的樣本達到中等和強生態(tài)危害等級。Cd和Hg對研究區(qū)域水稻土潛在生態(tài)風(fēng)險的貢獻率分別為49.14%和23.34%，表明Cd是造成研究區(qū)域內(nèi)水稻土潛在生態(tài)風(fēng)險的主導(dǎo)因子，其次為Hg，這與秦魚生等[5]的研究相似。As、Cu、Pb、Cr這4種元素潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值都小于40，且全部樣點均處于輕微生態(tài)危害等級，對區(qū)域水稻土潛在生態(tài)風(fēng)險貢獻較小。

表5 土壤重金屬之間的pearson相關(guān)系數(shù)

注：*為0.05水平上的顯著相關(guān)，**為0.01水平上的極顯著相關(guān)

表6 土壤重金屬單項生態(tài)潛在生態(tài)危害系數(shù)統(tǒng)計

2.3.2 水稻土重金屬綜合潛在生風(fēng)險評價 研究區(qū)域6種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)范圍在57.56～207.31，平均值為106.34，區(qū)域整體處于輕微生態(tài)危害等級。從樣點分布比例來看，95.00%的樣點處于輕微生態(tài)危害等級，僅有5.00%的樣點達到中等生態(tài)危害等級。

表7 區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)統(tǒng)計

3 結(jié)論

3.1 研究區(qū)域水稻土重金屬的含量范圍

分別為：Cd 0.099～0.530mg/kg，Pb 7.40～50.40mg/kg，Cr 59.00～142.10mg/kg，As 3.37～23.16mg/kg，Hg 0.014～0.491mg/kg，其中Cd、Pb、Cr、Cu和As平均含量不同程度超過背景值，表現(xiàn)出重金屬累積狀態(tài)，積累程度Cd>As>Cu>Pb>Cr，Cd累積最為明顯，為背景值的1.74倍，而Hg未產(chǎn)生明顯積累。

3.2 研究區(qū)域水稻土6種重金屬變異系數(shù)

Hg>Pb>As>Cd>Cr>Cu，其中Hg的變異系數(shù)達到86.00%，Pb、As、Cd的變異系數(shù)介于30%～45%間，Cr、Cu變異系數(shù)均在20%左右，變異較小。

3.3 研究區(qū)水稻土Person相關(guān)分析結(jié)果表明

Pb-Cr-Cu間存在顯著或極顯著相關(guān)性，有相互伴隨的復(fù)合污染現(xiàn)象；Cd-Pb間存在顯著相關(guān)關(guān)系，有伴隨關(guān)系；As與Hg與其它元素均不相關(guān)，說明As與Hg的來源較為獨特。

3.4 整體來說，研究區(qū)域整體處于輕微生態(tài)危害等級，生態(tài)安全水平較高

但有5.00%樣點達到中等生態(tài)危害等級，需要提高警惕，防范土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險。Cd是研究區(qū)域水稻土潛在生態(tài)風(fēng)險的主導(dǎo)因子，貢獻率為49.14%，其次為Hg，貢獻率為23.34%。