基于指數(shù)法的土壤砷和重金屬污染評(píng)價(jià)以某廢棄農(nóng)田為例

陶愷赟

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 自然資源部上海資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心，上海 200072）

目前我國土壤環(huán)境問題突出，尤其是重金屬污染嚴(yán)重，甚至威脅到了人體健康[1-3]。其中，農(nóng)用地土壤質(zhì)量因?yàn)橹苯优c農(nóng)作物食品安全關(guān)聯(lián)而受到重視[4-5]。但是，過去的研究對(duì)廢棄農(nóng)田的土壤質(zhì)量關(guān)注較少。隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)用地面積大量減少，而用地規(guī)劃沒有及時(shí)跟上，導(dǎo)致部分農(nóng)田閑置。有研究表明，基于重金屬生物可利用性考慮，廢棄農(nóng)用地可能對(duì)孩童（1至6歲）產(chǎn)生危害[6]。所以，評(píng)價(jià)土壤中的重金屬污染程度，對(duì)加強(qiáng)土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控，保障人體健康等具有重要的意義。

國內(nèi)外土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法中，指數(shù)法的應(yīng)用較廣泛。Kowalska等列出了18種指數(shù)，包括地累積指數(shù)（Igeo）、內(nèi)梅羅指數(shù)（PN）、富集因子（EF）、潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）等，不同的指數(shù)各有利弊及適用范圍[7]。地累積指數(shù)（Igeo）同時(shí)反映了人為活動(dòng)和自然地質(zhì)對(duì)重金屬含量的影響，常用于評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤重金屬污染[8]。另外，在使用指數(shù)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不僅要考慮評(píng)價(jià)的目的（如反映人類活動(dòng)或自然背景的影響），還要考慮指數(shù)方法的模糊度等影響因素。當(dāng)污染物濃度較低時(shí)，為了避免“誤報(bào)”需要方法沒有模糊性，內(nèi)梅羅指數(shù)（PN）較為適用[9]。

因此，本研究將某廢棄農(nóng)田作為研究對(duì)象，選擇常用的地累積指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)對(duì)其土壤中砷和重金屬的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為研究區(qū)域的土壤污染防治工作提供技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為長江三角洲沖積平原內(nèi)的某廢棄農(nóng)田，歷史上一直用作農(nóng)用地，在2016年左右耕作活動(dòng)停止成為荒地，有雜草生長。其北側(cè)約100 m處為地表河流，南側(cè)約150 m處為水泥道路，東側(cè)約100 m處為建筑物。表層主要為耕填土，厚約0.7～1.0 m，松散稍濕，含植物根莖。

1.2 樣品采集和前處理

采用系統(tǒng)布點(diǎn)法將區(qū)域劃分為面積不大于80 m×80 m的10個(gè)區(qū)塊，在每個(gè)區(qū)塊內(nèi)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共10個(gè)土壤采樣點(diǎn)。采樣時(shí)利用GPS對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行定位，找到采樣點(diǎn)位置后先去掉表層的草皮、碎石等雜物，然后采集填土層內(nèi)的土壤，并依次編號(hào)為S01～S10。

采集的土壤送至實(shí)驗(yàn)室后，室溫下避光風(fēng)干，并經(jīng)過研磨過篩、混勻縮分等步驟制備成粒度小于200目的樣品以供測試。

1.3 樣品測試

測試指標(biāo)的選擇主要從保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全角度出發(fā)，兼顧提高內(nèi)梅羅指數(shù)法的適用性，選擇了砷、鎘、鉻、汞、鉛這5項(xiàng)作為參評(píng)元素[10]。土壤中的砷和汞元素采用微波消解—原子熒光法測定；鎘和鉛元素采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；鉻采用火焰原子吸收分光光度法測定。

表1 測試方法的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制結(jié)果Table 1 The quality assurance and quality control results of analytical methods

1.4 評(píng)價(jià)方法

地累積指數(shù)（Igeo）取決于樣品某個(gè)指標(biāo)的實(shí)測值和地球化學(xué)背景值。針對(duì)研究區(qū)內(nèi)的某一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其計(jì)算公式為：

式中：Ci——第i種指標(biāo)的實(shí)測值；

Bi——第i種指標(biāo)的背景值；

1.5——修正系數(shù)；

Igeo——地累積指數(shù)。

內(nèi)梅羅指數(shù)（PN）是一種兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。針對(duì)研究區(qū)內(nèi)的某一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其計(jì)算公式為：

式中：Pi——第i種指標(biāo)的單項(xiàng)污染指數(shù)；

Ci——第i種指標(biāo)的實(shí)測值；

1)補(bǔ)充營養(yǎng)。開花前后噴2～3次0.3%～0.4%的尿素溶液，盛花初期噴1次0.3%～0.5%的硼砂溶液，花后噴1次0.4%的磷酸二氫鉀溶液能提高坐果率。

C0——第i種指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值；

PN——內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。

地累積指數(shù)（Igeo）和內(nèi)梅羅指數(shù)（PN）的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與污染程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。一般當(dāng)Igeo＜0或PN≤0.7時(shí)，環(huán)境質(zhì)量較好。

表2 污染等級(jí)劃分Table 2 Classi fi cation of pollution levels

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤砷和重金屬含量總體特征

本研究中所測得的土壤樣品pH值為7.85～8.34、呈弱堿性，因此選取《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）中pH＞7.5情況下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為是否超標(biāo)的評(píng)判依據(jù)[11]。同時(shí)，環(huán)境背景值反映了一定的自然歷史期間一定的地域內(nèi)某些原有或準(zhǔn)原有狀態(tài)的物質(zhì)豐度，因此選取全國土壤背景值來判斷自然成因和人類活動(dòng)對(duì)元素積累的影響[12-13]。

由表3可見，所有土壤樣品中的砷、鎘、鉻、汞和鉛的含量均值（最大值）分別為8.00（9.90）、0.16（0.34）、89.17（132.64）、0.11（0.21）、27.75（35.93）mg/kg， 均低于其對(duì)應(yīng)的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。這說明所測的砷和重金屬對(duì)該廢棄農(nóng)田的土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低。但是與全國土壤背景值相比，除了砷含量低于背景值，其余重金屬的含量均值都超過背景值。尤其是重金屬汞，其含量均值超過了背景值近2倍，這說明該廢棄農(nóng)田表層土壤中的重金屬總體上存在積累現(xiàn)象。

砷、鉻、鉛的變異系數(shù)分別為15.60%、28.78%、17.36%，屬于中等變異（15%～36%）；而鎘和汞的變異系數(shù)分別為45.30%和44.19%，屬于強(qiáng)變異（＞36%）。較高的變異系數(shù)說明該廢棄農(nóng)田中的重金屬分布不均勻，并且可能受人為污染源的影響[14]。砷和重金屬的偏態(tài)系數(shù)從大到小排列依次為：鎘＞汞＞鉛＞鉻＞砷。除砷外，重金屬的偏態(tài)系數(shù)均大于0，屬于正偏斜分布，可能受人類活動(dòng)的影響[15]。

表3 土壤砷和重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征分析Table 3 Descriptive statistics of arsenic and heavy metals contents in soil

2.2 土壤砷和重金屬污染評(píng)價(jià)

（1）內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)

利用熱圖分析能夠直觀地呈現(xiàn)出不同采樣點(diǎn)之間土壤污染狀況的差異（如圖1和圖3）。以圖1為例，橫軸代表的是不同的污染指標(biāo)，縱軸代表的是不同的采樣點(diǎn)，方框內(nèi)的數(shù)值為根據(jù)公式(2)計(jì)算而得的單因子指數(shù)。一般當(dāng)單因子指數(shù)Pi≤1時(shí)，可以認(rèn)為土壤沒有受到參評(píng)指標(biāo)的污染。由圖1可見，計(jì)算所得的單因子指數(shù)在0.02～0.57之間，均小于1。這說明以風(fēng)險(xiǎn)篩選值為參照，采樣點(diǎn)表層土壤中砷、鉛、鉻、鎘和汞的污染狀況均為“無污染”級(jí)別?？傮w上，研究區(qū)各采樣點(diǎn)表層土壤中砷和鉻的單因子指數(shù)普遍較高，汞的單因子指數(shù)相對(duì)較低。由聚類分析可知，砷和鉛可以歸為一組，鎘和汞可以歸為一組，鉻單獨(dú)為一組，歸為一組的元素可能來源相似。有研究表明砷、鉛、鎘和鋅可能來源于人為因素，比如汽車尾氣排放、生活垃圾處置以及使用磷肥和殺蟲劑[16]。

根據(jù)公式(3)計(jì)算得到各采樣點(diǎn)表層土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，見圖2。內(nèi)梅羅指數(shù)范圍在0.26～0.46，均小于表2中“清潔”所對(duì)應(yīng)的限值0.7，可以認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)表層土壤沒有受到砷、鉛、鉻、鎘和汞的污染。最高的內(nèi)梅羅指數(shù)出現(xiàn)在S8采樣點(diǎn)，最低的內(nèi)梅羅指數(shù)出現(xiàn)在S1采樣點(diǎn)，不同采樣點(diǎn)之間的差異較小。

圖1 單因子指數(shù)熱圖分析Fig.1 Results of single pollution index based on the heat map

圖2 研究區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Nemerow pollution index evaluation results in the study area

（2）地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)表層土壤中砷、鉛、鉻、鎘和汞的地累積指數(shù)，見圖3各對(duì)應(yīng)的方框中。對(duì)照表2中地累積指數(shù)的污染等級(jí)劃分，研究區(qū)內(nèi)有70%采樣點(diǎn)表層土壤的汞元素為“無污染到中度污染”狀態(tài)，剩余30%的采樣點(diǎn)表層土壤的汞元素達(dá)到了“中度污染”狀態(tài)，這與內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法得到的汞污染狀況為“無污染”結(jié)果差異較大。除此之外，S2、S7和S6采樣點(diǎn)的表層土壤鎘元素為“無污染到中度污染”狀態(tài)，S8采樣點(diǎn)的表層土壤鎘元素更是達(dá)到了“中度污染”狀態(tài)，S3和S9采樣點(diǎn)的表層土壤鉻元素為“無污染到中度污染”狀態(tài)。但是，根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)表層土壤并沒有受到這些重金屬的污染。導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異的原因可能是地累積指數(shù)更強(qiáng)調(diào)元素地球化學(xué)背景值的影響[17]。所以，地累積指數(shù)以背景值作為參比可以用來評(píng)價(jià)重金屬在土壤中的累積污染[18]。由圖4可知，不同采樣點(diǎn)表層土壤中砷和重金屬的地累積指數(shù)平均值從大到小排列依次為：汞（0.74）＞鎘（0.17）＞鉻（-0.18）＞鉛（-0.33）＞砷（-0.92）。這與部分研究表明的聊城市土壤重金屬的富集程度（汞＞銅＞鎘＞鋅＞鉻＞鉛＞砷＞鎳）基本一致[19]。與全國土壤背景值相比，該研究區(qū)內(nèi)的各采樣點(diǎn)表層土壤中汞和鎘元素總體上有累積現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)，磷肥中的汞的含量明顯高于氮肥和鉀肥[20]。重金屬在農(nóng)田土壤中產(chǎn)生積累可能是長期施肥導(dǎo)致，尤其是施用含有多種重金屬的磷肥。

圖3 地累積指數(shù)熱圖分析Fig.3 Results of geoaccumulation index (Igeo) based on the heat map

圖4 土壤中砷和重金屬地累積指數(shù)箱形圖Fig.4 Box-plot of Igeo for As and heavy metals in soils

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)表層土壤中的鎘和汞的變異系數(shù)較高，可能受人為污染源的影響；

（2）與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，采用內(nèi)梅羅指數(shù)對(duì)研究區(qū)廢棄農(nóng)田的砷和重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：各采樣點(diǎn)表層土壤沒有受到砷、鉛、鉻、鎘和汞的污染，評(píng)價(jià)等級(jí)均為“清潔（安全）”；

（3）與全國土壤背景值相比，采用地累積指數(shù)對(duì)研究區(qū)廢棄農(nóng)田的砷和重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：各采樣點(diǎn)表層土壤中砷和重金屬的地累積指數(shù)平均值從大到小排列依次為：汞＞鎘＞鉻＞鉛＞砷，其中汞和鎘元素總體上存在累積現(xiàn)象。