陜西省西部某縣農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)*

李 艷，張 麗，楊毅哲

（陜西省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)工作站，西安710003）

0 引言

土壤是基本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量直接影響農(nóng)作物生長(zhǎng)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全或產(chǎn)地土壤生態(tài)環(huán)境。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，大量含有重金屬的物質(zhì)排放進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染問(wèn)題日益突出。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鎘大米、鎘小麥等糧食重金屬污染事件的曝光，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤污染問(wèn)題引起社會(huì)廣泛關(guān)注。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，以Cd、Ni、As和Cu等重金屬污染最為突出。趙其國(guó)等［1-2］估算，我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染面積約為2 000萬(wàn)hm2，每年受污染糧食多達(dá)1 200萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億元。由土壤重金屬污染造成的水稻、小麥等糧食作物重金屬超標(biāo)問(wèn)題十分令人擔(dān)憂［3］。文章所選研究區(qū)為陜西省某糧食主產(chǎn)縣，對(duì)該區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地表層土壤Cd、Pb、Hg、As、Cr等5種重金屬污染狀況進(jìn)行分析評(píng)估，為該區(qū)域土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)及重金屬污染綜合防治提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西關(guān)中盆地西端，渭河自西向東從中穿過(guò)擁有山、川、原等地形，農(nóng)業(yè)用水以灌溉為主，耕作方式主要為小麥—玉米輪作，是陜西省的主要糧食生產(chǎn)縣，土壤呈堿性，pH＞7.5，土壤以褐土、棕壤、黃綿土等為主。

1.2 樣品采集與處理

土壤樣品采集參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T395-2012）［4］，結(jié)合研究區(qū)污染源、土壤分布狀況及土地利用類型特征等因素。在工礦企業(yè)周邊、污灌區(qū)、大中城市郊區(qū)等3類重點(diǎn)區(qū)域和一般農(nóng)田土壤樣點(diǎn)布設(shè)密度分別為10 hm2和300 hm2；采用GPS定位技術(shù)及“梅花點(diǎn)”法采集0～20 cm表層土壤，每個(gè)樣品取混合土樣1 kg，共采集431個(gè)土壤樣品。經(jīng)自然風(fēng)干，磨碎過(guò)20目及100目尼龍篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品測(cè)試分析

土壤樣品按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析測(cè)定，Cd、Pb、Cr采用原子吸收分光光度法，As、Hg采用原子熒光光譜法。在樣品分析測(cè)試中加入平行雙樣、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控樣（GSS系列）等方式進(jìn)行全程質(zhì)量控制。

1.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1.4.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［4］對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和評(píng)價(jià)。單項(xiàng)污染指數(shù)法，公式為：

式（1）中，Pi為單項(xiàng)重金屬i的污染指數(shù)；Ci為土壤污染物實(shí)測(cè)濃度；Si為污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。該文將《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中Cd、Hg、Pb、As、Cr分別為0.6 mg/kg、3.4 mg/kg、170 mg/kg、25 mg/kg、250 mg/kg。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，公式為：

式（2）中，P綜為綜合污染指數(shù)為最大單項(xiàng)污染指數(shù)為平均單項(xiàng)污染指數(shù)。土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

表1 土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria of pollution classification of soil heave metals

此方法是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的，是目前采用較多的方法［5-8］，該方法將重金屬的含量與環(huán)境生態(tài)效應(yīng)、毒理學(xué)等因素聯(lián)合考慮，反映重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度。其公式為：

式（3）～（5）中，RI為重金屬綜合污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為單項(xiàng)重金屬污染潛在生態(tài)危害系數(shù)；為Hakanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，此值反映了該種重金屬的毒性水平，5種重金屬的毒性系數(shù)為為單項(xiàng)重金屬的污染系數(shù)；為土壤中重金屬i的實(shí)測(cè)濃度（mg/kg）；為重金屬i的參比值（mg/kg）。土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria of the potential ecological risk index grade of soil heave metals

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬含量特征分析

研究區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表3。由表3可知，Cd、Hg、Pb、As、Cr 5種元素在土壤中含量均值分別為0.318 mg/kg、0.138 mg/kg、29.6 mg/kg、14.0 mg/kg、68.4 mg/kg，與關(guān)中地區(qū)背景值［12］相比較，污染累積指數(shù)表現(xiàn)為Cd=2.69＞Pb=1.82＞Hg=1.60＞As=1.11＞Cr=1.04，Cd、Hg、Pb、As、Cr 5種元素含量超過(guò)背景值的比例分別為96.75%、80.97%、99.77%、76.57%、51.28%。結(jié)果表明5種重金屬元素在表層土壤中均存在不同程度累積，其中Cd元素污染最為嚴(yán)重，其最大值是背景值的158.47倍。各元素變異系數(shù)在 15.95%～297.84%之間，表現(xiàn)為 Cd＞Pb＞Hg＞Cr＞As，其中 Cd和Pb變異系數(shù)分別為297.84%、102.61%，均大于100%，變異程度較大，說(shuō)明離散程度較大，受外源因素干擾較大；相反As的變異系數(shù)最小，說(shuō)明離散度較小，分布相對(duì)比較均勻。

表3 土壤重金屬元素含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of heave metal elements in soil

2.2 單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)

單項(xiàng)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。由表4可知，5種重金屬元素污染程度大小依次為Cd＞Pb＞As＞Hg=Cr，受到Cd輕微污染、中輕度污染及重度污染土壤樣點(diǎn)的比例分別為3.71%、0.92%、3.71%；受到Pb輕微污染和輕度污染土壤樣點(diǎn)的分別為1.16%、0.23%；受到As輕微污染土壤樣點(diǎn)為0.23%；Hg、Cr均無(wú)污染。結(jié)果表明土壤中Cd累積富集最多，污染最為嚴(yán)重。

表4 土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of single factor pollution index for soil heavy metal elements

2.3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。由表5可知，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)處于0.31～31.87之間，均值1.30，屬輕度污染水平；56.38%的土壤樣點(diǎn)處于安全水平，32.48%的土壤樣點(diǎn)處于警戒線水平，6.96%的土壤樣點(diǎn)受到中輕度污染，4.18%的點(diǎn)位受到重度污染。表明研究區(qū)域的土壤環(huán)境狀況總體良好，但部分區(qū)域已經(jīng)存在污染問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)受污染農(nóng)田土壤與農(nóng)產(chǎn)品的協(xié)同監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取措施，確保農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)。

表5 土壤重金屬元素的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of Nemerow comprehensive pollution index for soil heavy metal elements

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。由表6可知，研究區(qū)域RI均值為266.1，整體達(dá)到中等生態(tài)危害，38.05%樣點(diǎn)處于輕微生態(tài)危害，52.67%樣點(diǎn)達(dá)到中等生態(tài)危害，9.28%樣點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)及以上生態(tài)危害。5種元素潛在生態(tài)危害由強(qiáng)到弱依次為Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cr，其中，Cd生態(tài)危害系數(shù)均值為165.9，潛在生態(tài)危害最大，對(duì)研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大，90.1%樣點(diǎn)達(dá)到中等或強(qiáng)以上生態(tài)危害；Hg生態(tài)危害系數(shù)均值為76.44，潛在生態(tài)危害次之，80.97%樣點(diǎn)達(dá)到中等或強(qiáng)以上生態(tài)危害；Pb生態(tài)危害系數(shù)均值為10.32，最大值為177.6，1.86%樣點(diǎn)達(dá)到中等或強(qiáng)以上生態(tài)危害；所有樣點(diǎn)As、Cr危害系數(shù)均小于40，均屬于輕微生態(tài)危害，對(duì)研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較小。

表6 土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 6 Evaluation results of the potential ecological risk index of soil heavy metal elements

3 結(jié)論與討論

（1）研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤中Cd、Pb、Hg、As和Cr 5種重金屬元素的平均值分別為0.318 mg/kg、29.6 mg/kg、0.138 mg/kg、14.0 mg/kg、68.4 mg/kg，污染累積指數(shù)表現(xiàn)為Cd＞Pb＞Hg＞As＞Cr特征。表明各元素在表層土壤中均存在不同程度累積，并且局部區(qū)域重金屬含量很高。當(dāng)?shù)貞?yīng)加強(qiáng)污染源監(jiān)管，嚴(yán)格控制Cd、Hg、Pb 3種元素的人類活動(dòng)引入，以避免累積對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的破壞。（2）研究區(qū)表層土壤中Cd累積富集最多，污染最為嚴(yán)重，受到Cd污染土壤樣點(diǎn)的比例為8.35%；5種重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)處于0.31～31.87之間，均值1.30，屬輕度污染水平。88.86%的土壤樣點(diǎn)處于安全或警戒線水平，6.96%的土壤樣點(diǎn)處于中輕度污染，4.18%的土壤樣點(diǎn)處于重度污染。鑒于該研究區(qū)部分土壤重金屬已經(jīng)達(dá)到重度污染程度，應(yīng)加強(qiáng)土壤與農(nóng)產(chǎn)品的協(xié)同監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取防治措施，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。（3）研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬整體表現(xiàn)為中等生態(tài)危害，其中38.05%樣點(diǎn)處于輕微生態(tài)危害，52.67%樣點(diǎn)達(dá)到中等生態(tài)危害，9.28%樣點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)及以上生態(tài)危害。潛在生態(tài)危害由強(qiáng)到弱依次為Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cr，其中Cd潛在生態(tài)危害最大，對(duì)研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大。當(dāng)?shù)貞?yīng)加強(qiáng)產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)，建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，及時(shí)掌握潛在風(fēng)險(xiǎn)及污染變化趨勢(shì)，為政府決策提供科學(xué)依據(jù)。