南盤江流域曲靖段土壤及農(nóng)作物中重金屬污染特征與生態(tài)風(fēng)險評價

陳曉鴻 李強 喇優(yōu)抓

摘 要：通過采集南盤江流域曲靖段內(nèi)的土壤及農(nóng)作物樣品，分析該段土壤及農(nóng)作物重金屬污染特征和分布規(guī)律，通過潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法對流域內(nèi)土壤重金屬污染進行生態(tài)風(fēng)險評價;通過地質(zhì)積累法反映農(nóng)作物對重金屬的富集狀況，并使用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子污染評價指數(shù)法來評估農(nóng)作物中5種重金屬的生態(tài)風(fēng)險。結(jié)果表明：鉛和鉻含量超標(biāo)較為嚴(yán)重，銅、鋅、鎘均在警戒線上;受重金屬污染的地點主要集中在焦煤廠、化肥廠、冶煉廠周邊和生活污水排污口處。

關(guān)鍵詞：南盤江;農(nóng)作物;土壤;重金屬;生態(tài)風(fēng)險

中圖分類號 X53;X825文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）15-0126-07

Abstract： This work collected many soil and crop samples from the Qujing section of the Nanpanriverto reflect the pollution characteristics， fate and transport of the heavy metals. The geological cumulative index method and potential ecological hazard index method were used to illustrate the ecological risk of heavy metals in the soils. Thegeological accumulation method was used to reflect the enrichment of heavy metal in the crops. Furthermore， the mei's pollution index method and single factor pollution method were applied to evaluate the ecological risk of heavy metals in the crops. Pb， Zn， Cu， Cd and Cr in the soils and crops were determined in this paper， The experiment results showed that Pb and Cr contents exceeded the criteria and the others were below the criteria. The location of the polluted soils and crops mainly concentrated in the areas of coking plant， fertilizer plant， smelting plant and sewage drain.

Key words： Nanpan river ; Crops; Soil; Heavy metals; Ecological risk

南盤江為珠江正源，發(fā)源于云南省曲靖市沾益縣馬雄山東麓，流域內(nèi)擁有撫仙湖、陽宗海、異龍湖、星云湖和杞麓湖五大湖泊。近年來，南盤江流域內(nèi)水環(huán)境污染事件頻發(fā)，如2008年陽宗海砷污染事件、2011珠江上游飲用水源鉻污染事件等。國家水利部、珠江水利局、全國各高等院校及其他機構(gòu)都投入了大量的資金和精力致力于珠江水系的研究，研究內(nèi)容包括各個支流、江段、湖泊、流域農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境和河流污染現(xiàn)狀以及生態(tài)修復(fù)等，但關(guān)于珠江源頭—南盤江土壤及農(nóng)作物中重金屬污染狀況的研究還鮮有報道。

筆者在南盤江流域曲靖段選取18個采樣點，測定農(nóng)作物及土壤樣品中Cu、Zn、Pb、Cd和Cr共5種重金屬含量，并采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法對南盤江曲靖段的農(nóng)田土壤進行評價研究，采用富集系數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)對南盤江流域內(nèi)的農(nóng)作物進行評價研究[1]，從而掌握珠江水系在南盤江段上游所受到的污染情況及重金屬的積累和富集情況，旨在為南盤江流域綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集 2次樣品采集都是從珠江源開始取點，順江而下，沿江取樣。分別在南盤江流域內(nèi)的沾益區(qū)、麒麟?yún)^(qū)、陸良縣、富源縣、師宗縣、羅平縣內(nèi)選取18個樣點（見圖1），采集100個農(nóng)作物樣品及100個土壤樣品（見表1），單個取樣點取混合樣測定。樣品采集過程中，為體現(xiàn)南盤江流經(jīng)城鎮(zhèn)后水質(zhì)變化的情況，分別在南盤江入城鎮(zhèn)前和出城鎮(zhèn)后采集2個樣品，在南盤江流經(jīng)城鎮(zhèn)中心處采集多個樣品。采集農(nóng)作物樣品，同時采集農(nóng)作物根部土壤樣品。同時，選擇南盤江曲靖段支流和流經(jīng)的2座大型水庫（花山水庫和瀟湘水庫）進行樣品采集，主要支流包括瀟湘江和白石江、匯入溪流和小河若干條，還包含麒麟?yún)^(qū)城區(qū)一條人工挖掘的生活污水經(jīng)處理后排放的暗渠。

1.2 樣品預(yù)處理及測定方法 土壤樣品采集后冷凍烘干，農(nóng)作物樣品采集后先在105℃下殺青，后在65℃下烘干至恒重。干燥后的農(nóng)作物樣品和土壤樣品進行研磨、篩選，取研磨后的微小塵土裝入塑封袋備用。采用電熱板消解和微波消解相結(jié)合進行樣品消解，消解后稀釋定容待測。樣品中Cu、Zn、Pb、Cd和Cr含量采用火焰原子吸收分光光度計（AA2360）檢測。

1.3 土壤重金屬污染評價 土壤重金屬污染評價采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法。潛在生態(tài)危害指數(shù)法是利用重金屬的實際檢測含量[Ci]與其背景值[Cin]的比值得到單項污染參數(shù)[Cif]，然后再引入重金屬毒性系數(shù)[Tfr]，得到潛在生態(tài)危害單項系數(shù)[Eir]，最后加權(quán)得到重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)[RI][2]。單項污染物污染參數(shù)的計算公式為：

式中：[Cin]取云南省背景值，Cu、Zn、Cd、Pb、Cr的背景值分別為46.3、89.7、0.218、40.6、65.2mg/kg。

用[Cif]值確定土壤中受到單個污染物污染情況見表2[3]。

潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)計算公式：

式中：Cu、Zn、Cd、Pb、Cr的[Tfr]分別為5、1、30、5、2。

農(nóng)田土壤中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（[RI]）可表示為：

農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)危害程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3[4-6]。

地質(zhì)累積指數(shù)法是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來用于研究土壤及沉積物中重金屬污染程度定量分析的重要指標(biāo)。地質(zhì)累積指數(shù)不僅能反映出重金屬分布的變化特征，還是判斷人類活動對環(huán)境影響的重要參數(shù)[7]。計算公式如下：

式中：[Igeo]指地質(zhì)累積指數(shù);[Ci]（mg/kg）指元素i在土壤中的實際含量;[BEi]指化學(xué)背景值;此次化學(xué)背景值采用云南省背景值;1.5是修正指數(shù)。

根據(jù)受污染程度的強弱，將地質(zhì)累積指數(shù)分為7個級別[8]（見表4）。

1.4 農(nóng)作物重金屬污染評價 農(nóng)作物重金屬污染評價采用富集系數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)。富集系數(shù)（BCF），即生物體內(nèi)污染物的平衡濃度與其生存環(huán)境中該污染物濃度的比值，用來反映農(nóng)作物對重金屬富集程度的高低或富集能力的強弱[9]。而同植株不同部位不同的富集系數(shù)則可以反映出不同部位對重金屬的富集情況[10]。富集系數(shù)越大，富集能力就越強[11]。富集系數(shù)的計算公式為：

式中：[CF]表示農(nóng)作物中重金屬含量，[CW]表示土壤及水體中重金屬的濃度。

對所采集的農(nóng)作物可食部分重金屬含量進行測定，得出農(nóng)作物重金屬超標(biāo)情況數(shù)據(jù)，采用單因子污染評價指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合評價指數(shù)法進行分析與評價。單因子污染評價指數(shù)表達式為：

式中：[Pi]為所計算出的重金屬單項污染指數(shù);[Ci]為該重金屬的實測值;[Si]為各項評價標(biāo)準(zhǔn)值，評價標(biāo)準(zhǔn)值采用云南省土壤背景值。

農(nóng)作物評價結(jié)果參照蔬菜評價標(biāo)準(zhǔn)劃分5個等級[12]（見表5）。為突出不同農(nóng)作物中不同重金屬的最高污染指數(shù)，引入綜合評價指數(shù)，即在單項污染指數(shù)的基礎(chǔ)上使用內(nèi)梅羅污染指數(shù)對農(nóng)作物進行綜合性評價。其計算公式為：

式中：[（Ci/Si）max]為農(nóng)作物各單項污染指數(shù)[Pi]的平均值;[（Ci/Si）ave]為農(nóng)作物各單項污染指數(shù)[Pi]的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品的重金屬含量

2.1.1 土壤 用Origin 9.0作圖分析軟件對所有樣品中重金屬含量進行定量分析。由圖2可以看出，在每一個采樣點采集的土壤樣品中檢測出的重金屬含量，Pb、Cu、Zn的含量均大于Cd和Cr。Pb含量最大值為A6的180.45mg/kg，最小值為A9的54.59mg/kg;Cu含量最大值為A9的169.71mg/kg，最小值為A6的140.47mg/kg;Zn含量最大值為A9的460.02mg/kg，最小值為A6的39.48mg/kg;Cr含量最大值為A9的46.57mg/kg，最小值為A10的13.37mg/kg;Cd含量最大值為A10的13.73mg/kg，最小值為A2的3.88mg/kg。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最大的為Zn，最小的為Cd。

2.1.2 農(nóng)作物 由圖3可以看出，在每一個樣點采集的農(nóng)作物樣品中，重金屬Pb的含量最大，最大值為A17的227.01mg/kg;其次是Cu的含量，最大值為A15的157.55mg/kg;再次是Zn的含量，最大值為A15的110.33mg/kg;而Cd和Cr的含量最少，其中Cd的最大值為A1的3.92mg/kg，Cr的最大值為A18的80.19mg/kg。

2.2 土壤樣品中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險 土壤樣品中，重金屬Cd、Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險單項污染指數(shù)表現(xiàn)出不同級別的污染（表6、7），其余3種重金屬均未表現(xiàn)出污染級別。而潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)只有重金屬Cd表現(xiàn)出潛在風(fēng)險污染程度（表8），其余4種重金屬均未表現(xiàn)出。

2.3 土壤樣品中重金屬的地質(zhì)累積指數(shù) 所有土壤樣品中，只有重金屬Cd、Cu、Pb的地質(zhì)累積指數(shù)表現(xiàn)出不同級別的污染程度（見表9、10、11），而Cr和Zn未表現(xiàn)出任何級別的污染程度。

根據(jù)農(nóng)田土壤中重金屬地質(zhì)累積指數(shù)，對比國家土壤標(biāo)準(zhǔn)，可以知道所有樣品中Cu、Cd均超標(biāo)，Cr、Pb未超標(biāo)，Zn只有A9超標(biāo)，其余均未超標(biāo)。

2.4 農(nóng)作物樣品中重金屬富集系數(shù)和含量 由表12可知，Cd、Zn在農(nóng)作物中均屬于無富集或弱富集，而Cr只在A18點位有明顯富集，Cu只在A15點位有富集，Pb在所有點位均有富集。5種重金屬在農(nóng)作物中的富集能力依次為Pb>Cu>Cr>Cd>Zn。A18點位位于陸良縣境內(nèi)響水壩出水口，塑料垃圾以及廢棄涂料等長期在水中浸泡導(dǎo)致南盤江該段水質(zhì)改變，重金屬Cr逐漸沉積，在使用南盤江江水灌溉農(nóng)田后，Cr在農(nóng)作物中逐漸富集。A15點位位于陸良縣板橋鎮(zhèn)引水渠與南盤江交匯處，城鎮(zhèn)居民生活廢水的排放以及廢棄銅制品長期浸泡產(chǎn)生銅銹等，對水質(zhì)造成污染，周邊農(nóng)戶使用江水灌溉農(nóng)作物，致使Cu在農(nóng)作物中長期富集。

由表13可知，同種重金屬在不同農(nóng)作物中的富集能力不同，5種重金屬在玉米中的富集能力依次為Pb>Cu>Cd>Cr>Zn，在水稻中的富集能力依次為Pb>Cu>Cd>Cd>Zn，在蠶豆和大豆中的富集能力依次為Pb>Cu>Cd>Cr>Zn;重金屬Pb在大多數(shù)農(nóng)作物中的富集系數(shù)都是最大的，富集能力也最強，因此該流域應(yīng)選擇對鉛富集能力相對較弱的農(nóng)作物進行栽培;同種農(nóng)作物不同部位間，根部對重金屬的富集能力比莖葉強，這主要跟農(nóng)作物根系從土壤中吸收養(yǎng)分和水分的機制有關(guān)。

2.5 農(nóng)作物樣品中重金屬含量單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù) 所有農(nóng)作物樣品中，只有重金屬Cd、Cu、Pb的單因子污染指數(shù)表現(xiàn)出不同程度的污染（見表14、15、16），Cr、Zn均表現(xiàn)出無污染。

根據(jù)農(nóng)作物體內(nèi)重金屬單因子污染指數(shù)可知，在所有農(nóng)作物樣品中，Cd單因子污染指數(shù)均大于3，屬于重污染程度;Cu單因子污染指數(shù)中，A3、A5、A12、A15、A18均屬于重污染區(qū)域，其他點位均屬于中等污染;Pb單因子污染指數(shù)均大于3，在所有采樣點均屬于重污染。

由表17可知，玉米植株中，Cd和Pb屬于重污染，Cu屬于中污染，Cr在警戒線上，Zn屬于安全范圍;水稻植株中，Cu、Pb、Cd均屬于重污染，Cr屬于安全范圍，Zn在警戒線上;蠶豆植株中，Cd、Cr、Cu、Pb均屬于中污染，Zn在警戒線上;大豆植株中，Cd、Pb屬于重污染，Cr、Cu屬于中污染，Zn在警戒線上;辣椒植株內(nèi)的污染情況和大豆植株類似，均屬同一個級別。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，南盤江在流經(jīng)曲靖后，水質(zhì)或多或少都受到了重金屬污染;排除化肥殘留的因素，農(nóng)作物及土壤均受到不同程度的重金屬富集;重金屬的富集和積累在土壤與農(nóng)作物間產(chǎn)生了遷移影響。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，南盤江曲靖段所受到的重金屬污染大多是由于生活污水排放和沿江兩岸的化工廠、煤場及冶煉廠排出的廢水所致。除此之外，大量的塑料垃圾和廢棄涂料長期在江水中浸泡，釋放出生產(chǎn)時所添加的各種化學(xué)材料和化學(xué)元素，長年累月導(dǎo)致重金屬的累積和富集，再通過農(nóng)業(yè)灌溉，重金屬從土壤遷移到農(nóng)作物中。此次研究對南盤江曲靖段的污染情況有了初步了解，為下一步的生態(tài)修復(fù)和環(huán)境改善提供了依據(jù)。

參考文獻

[1]張宏.曲靖市境內(nèi)南盤江水質(zhì)變化趨勢及影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2013（4）：59-63，69.

[2]Carman C.M，Li Xiangdong， Zhang Gan，et al. Trace metal distribution in sediments of the Pearl River Estuary and the surrounding coastal area，South China[J]. Environmental pollution. 2007，147（20）：311-323.

[3]楊夢昕，楊東璇，李萌立，等.湘江長沙段沿岸常見農(nóng)作物重金屬污染研究——Zn、Cu、Pb和Cd的富集規(guī)律及污染評價[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015（1）：126-131.

[4] Wang X L， Sato T， Xing B S， et al. Health risks of heavy metals to the general public in Tianjin， China via consumption of vegetables and fish[J]. Science of the Total Environment， 2005， 350：28-37.

[5]宋雁輝，鐘正燕，李紅梅，等.云南個舊多金屬礦區(qū)農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)重金屬污染現(xiàn)狀——以乍甸鎮(zhèn)為例[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2012（1）：138-146.

[6]肖青青，王宏鑌，趙賓，等.云南個舊市郊農(nóng)作物重金屬污染現(xiàn)狀及健康風(fēng)險[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011（2）：271-281.

[7]楊軍.灌溉水中重金屬對土壤和農(nóng)作物的污染風(fēng)險[D].重慶：西南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[8]高瑞英.土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險評價方法研究進展[J].科技管理研究，2012（8）：45-50.

[9]付紅波，李取生，駱承程，等.珠三角灘涂圍墾農(nóng)田土壤和農(nóng)作物重金屬污染[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009（6）：1142-1146.

[10]Yang S， Zhou D， Yu H， et al. Distribution and spciation of metals（Cu， Zn， Cd， and Pb） in agricultural and non-agricultural soils near a stream upriver from the Pearl River， China[J]. Environmental Pollution，2013，177：64-70.

[11]王爽，李榮華，張增強，等.陜西潼關(guān)農(nóng)田土壤及農(nóng)作物重金屬污染及潛在風(fēng)險[J].中國環(huán)境科學(xué)，2014（9）：2313-2320.

[12]宋美英.珠江河口水體和沉積物中重金屬的分布特征及風(fēng)險評估[D].廣州：暨南大學(xué)，2014.

（責(zé)編：徐世紅）