黔東南州黎平縣耕地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險的評價

陳曉燕，劉桂華，范成五，瞿 飛，秦 松*

(1.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料(農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境)研究所，貴州 貴陽 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550006)

【研究意義】土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基地，更是人類賴以生存的基本環(huán)境條件。而耕地是最寶貴的農(nóng)業(yè)資源和最重要的生產(chǎn)要素，耕地質(zhì)量關(guān)乎國家糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)安全[1]?！厩叭搜芯窟M展】目前，我國土壤污染問題日趨嚴重，據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國耕地土壤點位超標(biāo)率為19.4 %，有近1/5的耕地主要受重金屬污染，鎘的點位超標(biāo)率為7.0 %[2]。耕地土壤重金屬污染影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和食品安全，進而威脅人體健康。因此，耕地土壤污染狀況調(diào)查對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c】黔東南苗族侗族自治州位于貴州省東南部，全州國土面積30 337 km2，占貴州省國土面積的17.3 %。2016年全州主要農(nóng)作物播種面積占全省農(nóng)作物播種面積的11 %，糧食產(chǎn)量占全省的10 %，是貴州主要糧食、果樹、蔬菜以及中藥材主產(chǎn)區(qū)之一，是貴州供應(yīng)香港和珠三角地區(qū)的重要蔬菜生產(chǎn)基地。黎平縣耕地面積434 km2，占全州耕地面積的10 %。主要作物類型有水稻、玉米、油茶、茶葉、中藥材等。宋春然等[3]于2005年對貴州省農(nóng)田土壤重金屬污染進行了初步評價，但至今尚未見針對以砂頁巖等發(fā)育為主的黔東南州耕地土壤重金屬污染狀況調(diào)查與評價報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，對黔東南州黎平縣耕地土壤5種重金屬污染進行較全面的調(diào)查，并對耕地土壤重金屬的污染特征和潛在生態(tài)風(fēng)險等級進行評價，以期為黎平縣農(nóng)作物的安全生產(chǎn)和耕地土壤重金屬污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黎平縣位于東經(jīng)108°31′～109°31′，北緯25°41′～26°08′，地處黔、湘、桂三省(區(qū))交界及云貴高原向江南丘陵過渡地區(qū)，是黔東南苗族侗族自治州面積最大、人口最多的縣，是中國28個重點林區(qū)縣和國家商品糧基地縣。土壤類型主要包括黃壤、紅壤、潮土、石灰土和水稻土，主要成土母巖(質(zhì))包括砂頁巖、石灰?guī)r、洪積物和沖積物，其中砂頁巖面積最大?？h境內(nèi)有水泥生產(chǎn)，電子、家電和照明電器生產(chǎn)，錳礦及硅礦開采活動等。

1.2 材料

1.2.1 土壤樣品 土壤樣品共計294個，隨機采集于黎平縣全境表層(0～20 cm)耕地土壤的294個采樣點(圖1)，各采樣點均經(jīng)GPS準(zhǔn)確定位，多點混合后四分法保留1 kg樣品，風(fēng)干后除去石塊、凋落物和植物根系等雜物，研磨，過100目篩裝瓶備用。

1.2.2 儀器 AFS-9230原子熒光光度計，北京吉天儀器有限公司；ICP-MS7000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國EP公司。

圖1 采樣點位分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites

1.3 樣品測定

采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07418～GBW07422(土壤)進行質(zhì)量控制，各測試項目相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于10 %。pH測定采用電位測定法(水土比為2.5∶1)；砷(As)和汞(Hg)全量，采用王水浸提，AFS-9230原子熒光光譜法測定；鎘(Cd)、鉻(Cr)和鉛(Pb)全量，采用氫氟酸、高氯酸、硝酸和王水浸提，ICP-MS7000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。

1.3 評價方法

1.3.1 重金屬的污染程度 不同樣點土壤重金屬的污染程度采用單因子指數(shù)法[4]進行評價，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中的二級標(biāo)準(zhǔn)作為耕地土壤質(zhì)量參比值，并依據(jù)各樣點pH選擇不同的二級評價標(biāo)準(zhǔn)；在單因子指數(shù)法評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[5]進行復(fù)合污染程度評價，可將土壤重金屬污染劃分為5個等級。

1.3.2 土壤潛在生態(tài)風(fēng)險 采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法進行，As、Pb、Cd、Cr和Hg毒性響應(yīng)系數(shù)采用Hakanson[6]提出的參考值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH及重金屬含量

2.1.1 縣域土壤 從表1可知，在294個樣品土壤中，pH為3.99～7.80，平均5.28；Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量分別為29.60～205.83、8.71～85.13、0.03～1.24、1.45～38.90和0.04～0.60 mg/kg，平均分別為68.39、23.55、0.22、6.16和0.15 mg/kg。5種重金屬平均變異程度為As>Cd>Hg>Cr>Pb，Pb和Cr的變異系數(shù)分別為0.32和0.41，Hg的變異系數(shù)為0.5，As和Cd的變異系數(shù)均大于0.5，表明Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素均為強變異。結(jié)合相關(guān)文獻[8]的結(jié)果初步認為，黎平縣耕地土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg受外界干擾較顯著，可能是化肥農(nóng)藥施用、交通和工礦業(yè)等人為活動導(dǎo)致空間變異較大，5種重金屬元素在耕地土壤中的偏度和峰度值均較大，呈正偏向和高峰度。

表1 黎平縣土壤pH及重金屬的含量Table 1 Soil pH value and heavy metal concentrations in Liping county (mg/kg)

注：n=294(下同)，背景值為貴州省背景值。
Note:n=294(the same below), the background value is the background value of Guizhou province.

2.1.2 不同母質(zhì)(巖)發(fā)育土壤 從表2看出，不同母質(zhì)(巖)發(fā)育土壤5種重金屬含量的差異。Cr含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為97.07 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤其次，為72.59 mg/kg；沖積物發(fā)育土壤最低，為63.49 mg/kg。Pb含量：砂頁巖發(fā)育土壤最高，為23.81 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤其次，為23.29 mg/kg；石灰?guī)r發(fā)育土壤最低，為21.64 mg/kg；不同母質(zhì)(巖)發(fā)育土壤鉛含量的差異不大，說明并未受外來污染源的影響。Cd含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為0.37 mg/kg；沖積物發(fā)育土壤其次，為0.27 mg/kg；砂頁巖發(fā)育土壤最低，為0.20 mg/kg。As含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為8.50 mg/kg；砂頁巖發(fā)育土壤其次，為6.91 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤最低，為4.53 mg/kg。Hg含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為0.23 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤其次，為0.18 mg/kg；沖積物發(fā)育土壤最低，為0.14 mg/kg。

表2 黎平縣不同母質(zhì)(巖)發(fā)育土壤的重金屬含量Table 2 Concentrations of heavy metals in soils with different parent materials (rocks) in Liping county (mg/kg)

注：沖積物的樣點數(shù)為64個，洪積物的樣點數(shù)為34個，砂頁巖的樣點數(shù)為190個，石灰?guī)r的樣點數(shù)為6個。
Note: The number of samples for alluvium, floodwater, sandstone and shale, limestone is 64, 34, 190 and 6 respectively.

表3 黎平縣土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)評價Table 3 Evaluation of single factor pollution index for heavy metals in soil in Liping county

表4 黎平縣土壤重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險評價Table 4 Evaluation of potential ecological risk of heavy metals in soil of Liping county

2.2 土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)法 從表3可知，黎平縣土壤重金屬元素Cr、Pb、Cd、As和Hg的平均單因子污染指數(shù)分別為0.31、0.09、0.74、0.19和0.47，其中只有Cd超標(biāo)，超標(biāo)率為3.4 %，其輕微污染、輕度污染和中度污染點位分別占9.5 %、1.7 %和1.7 %，是黎平縣耕地土壤的主要污染元素；Cr、As和Hg屬于輕微污染的點位分別占0.7 %、1.0 %和4.1 %；Pb為無污染。

2.2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法 Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素在294個采樣點土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價值為0.21～3.33，平均0.68。其中，輕度污染、中度污染和重度污染采樣點分別占總采樣點的9.5 %、1.4 %和0.3 %，這類污染程度的采樣點集中分布于高屯街道、中潮鎮(zhèn)、永從鎮(zhèn)、德鳳街道和雙江鎮(zhèn)等。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密集，并且分布工業(yè)園區(qū)及養(yǎng)殖業(yè)合作社，其采樣點土壤重金屬污染程度與其產(chǎn)業(yè)布局較為一致。根據(jù)黎平縣相關(guān)資料顯示，高屯工業(yè)園區(qū)與中潮工業(yè)園區(qū)分布有木材精深加工、建材產(chǎn)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品和食品加工、服裝及塑料制品加工、通用設(shè)備制造、電子、家電和照明電器生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)，德鳳街道分布有水泥廠、錳礦生產(chǎn)企業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，雙江鎮(zhèn)分布有養(yǎng)殖業(yè)。由于畜禽糞便含有多種重金屬，其排泄物通過資源化利用，經(jīng)堆肥漚制作有機肥還田[9]。因此，推測黎平縣在茶葉和油茶生產(chǎn)過程中施用了含重金屬的畜禽糞便的有機肥，與內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果顯示的土壤重金屬污染程度有一定的關(guān)聯(lián)。水泥、錳礦開采[10]、通用設(shè)備制造、電子、家電、照明電器生產(chǎn)等行業(yè)排放的廢水及廢渣中含有Cd、Cr、Pb、Hg和As等重金屬[11]，推測以上行業(yè)生產(chǎn)過程排放的廢水及廢渣可能是導(dǎo)致耕地土壤污染的潛在源頭之一[12]。因此，黎平縣應(yīng)合理施用化肥農(nóng)藥，加大畜禽養(yǎng)殖、制造業(yè)和工礦業(yè)的監(jiān)管及其污染排放的控制力度，以改善耕地土壤的污染現(xiàn)狀。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

2.3.1 單因子潛在生態(tài)風(fēng)險 從表4可知，，Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素在294個采樣點中單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值分別為0.62、0.46、22.31、1.95和18.81，表明黎平縣耕地土壤均不存在潛在生態(tài)風(fēng)險。在不同采樣點中，Cr、Pb和As的潛在生態(tài)風(fēng)險程度為“低”的樣點占100 %，不存在“中”“較重”“重”和“嚴重”的潛在生態(tài)風(fēng)險。Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險程度為“低”的樣點占95.9 %，為“中”的占4.1 %，不存在“較重”“重”和“嚴重”的潛在生態(tài)風(fēng)險，中度生態(tài)風(fēng)險采樣點位于高屯街道、中潮鎮(zhèn)、德順鄉(xiāng)、永從鄉(xiāng)、洪州鎮(zhèn)和德化鄉(xiāng)，高屯工業(yè)園區(qū)有照明電器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，燈具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄燈管、廢水和廢氣中均含有Hg，導(dǎo)致其耕地土壤Hg存在中度潛在生態(tài)風(fēng)險。Cd潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的差異幅度較大，為3.41～123.60，其潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)屬于“低”“中”和“較重”程度分別占91.5 %、6.8 %和1.7 %，不存在 “重”和“嚴重”潛在生態(tài)風(fēng)險，較重生態(tài)風(fēng)險程度的采樣點集中于高屯街道，其分布有通用設(shè)備制造、電子、家電和照明電器生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)。

2.3.2 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險 Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素在294個采樣點的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為12.32～212.36，平均44.15，屬于“低”和“中”潛在生態(tài)風(fēng)險程度分別占99.7 %和0.3 %，中度潛在生態(tài)風(fēng)險采樣點位于高屯街道。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值看，黎平縣耕地土壤重金屬不存在潛在生態(tài)風(fēng)險，但部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的某些重金屬元素存在中度甚至較重潛在生態(tài)風(fēng)險，高屯街道的Cd和Hg污染仍需治理。

3 討 論

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法能有效評價土壤重金屬污染程度。杜啟露等[13]采用綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價貴州省修文縣獼猴桃基地的重金屬污染程度及其潛在生態(tài)風(fēng)險結(jié)果表明，存在輕微生態(tài)污染。柴冠群等[14]采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法研究貴州省火龍果5個主產(chǎn)區(qū)土壤典型重金屬的含量特征，并對各產(chǎn)區(qū)土壤重金屬污染狀況進行評價，部分樣點的土壤重金屬含量超標(biāo)，但火龍果果實重金屬含量極低。喻子恒等[15]采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分析貴州省黔東南州丹寨金汞礦周邊稻田土壤的典型重金屬含量，汞礦區(qū)周圍92.86 %的稻田土壤遭到重金屬重度污染。

土壤中重金屬的來源可分為成土母質(zhì)影響下的自然來源以及受母質(zhì)和外界活動共同控制的混合來源[16]。黎平縣不同母質(zhì)(巖)發(fā)育的耕地土壤重金屬含量存在差異，依次為As>Cd>Hg>Cr>Pb；研究區(qū)域內(nèi)，石灰?guī)r發(fā)育土壤的Cr、Cd、As和Hg含量最高，石灰?guī)r樣點區(qū)域均集中在高屯街道，高屯街道可能是受母質(zhì)和外界活動共同控制的污染；Cd、Cr、Hg和As的含量差異主要是成土母質(zhì)(巖)的差異性所致，推測外界活動也是原因之一；Pb的含量并無差異。原志敏[17]研究表明，以碳酸鹽巖發(fā)育的畢節(jié)市農(nóng)田土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量分別為132.88、126.89、3.08、16.17和0.15 mg/kg，除As外，其余重金屬含量均超過貴州省背景值。何騰兵等[18]研究貴州喀斯特山區(qū)9種母質(zhì)(巖)發(fā)育的5種重金屬含量表明，石灰?guī)r發(fā)育的土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量較高，砂頁巖發(fā)育的土壤5種重金屬含量均為最低。朱健等[19]抽樣測定貴州省黔東南州6個地區(qū)的土壤重金屬含量，不同地區(qū)的重金屬含量差異較小，并無超過標(biāo)準(zhǔn)值的土壤樣品。可見，以砂頁巖等發(fā)育為主的黔東南州耕地土壤重金屬含量較低，風(fēng)險水平低，可為發(fā)展現(xiàn)代山地特色高效農(nóng)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的耕地資源，楊春等[20-21]研究結(jié)果表明，黔東南是中藥材種植的理想地。

4 結(jié) 論

黎平縣耕地土壤Cr、Pb、Cd和As平均含量低于貴州省背景值，Hg的平均含量高于貴州省背景值，其含量平均值為貴州省背景值的1.36倍。單因子污染指數(shù)評價方法表明，黎平縣耕地土壤只有Cd超標(biāo)，超標(biāo)率為3.4 %，是黎平縣耕地土壤的主要污染元素，Hg、Cr和As存在輕微污染，Pb無污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值表明，研究區(qū)整體無污染，輕度污染以上所占比例為11.2 %，污染主要集中于高屯街道和中潮鎮(zhèn)。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果與污染指數(shù)評價結(jié)果相近，整體無污染，局部點位存在輕微污染?？梢?，在重金屬風(fēng)險指數(shù)較低、耕地重金屬環(huán)境質(zhì)量良好的黔東南州，對于有水泥、電子、家電和照明電器生產(chǎn)等污染企業(yè)，以及錳礦及硅礦開采活動分布區(qū)域的耕地，特別是集中分布區(qū)域的耕地，仍然存在重金屬污染的風(fēng)險。兩種評價方法的結(jié)果大體一致，但潛在生態(tài)風(fēng)險評價法并未計算出Cr和As污染的情況，導(dǎo)致這一差異是因為元素毒性系數(shù)相差較大，如Cd和Hg由于具有較高的毒性系數(shù)對人體的健康影響大，而Cr和As毒性系數(shù)較小。