武漢市江夏區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量及其生態(tài)風(fēng)險評價

張貴友 王素萍 杜雷

摘要：以武漢市江夏區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，共采集149個土壤樣品，分析其中8種重金屬（Pb、Cd、Cr、Hg、As、Ni、Cu和Zn）的含量，以土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）為評價基準(zhǔn)值，采用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價該地區(qū)土壤農(nóng)田重金屬污染狀況。結(jié)果表明，江夏區(qū)農(nóng)田土壤半數(shù)以上處于清潔水平，存在的污染主要為Cd污染，40.27%的農(nóng)田土壤處于Cd污染狀態(tài)，1%左右的農(nóng)田土壤分別處于As、Ni、Zn污染狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤受到Cr、Cu、Hg和Pb的污染。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤; 重金屬; 污染評價; 武漢市江夏區(qū)

中圖分類號：X53 ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）17-0054-04

Abstract： A total of 149 soil samples were collected from farmland soils in Jiangxia district， Wuhan city. The contents of 8 heavy metals （Pb， Cd， Cr， Hg， As， Ni， Cu and Zn） were analyzed. The single factor pollution index and Nemerow synthetical pollution index were used to evaluate the heavy metals in farmland soils in this area based on the soil environmental quality risk management and control standard. The results showed that more than half of the farmland soils in Jiangxia distract were clean. The main pollution was Cd pollution， 40.27% of farmland soils were in the state of Cd pollution， about 1% of farmland soils were in the state of As， Ni and Zn pollution respectively， and no farmland soils were found to be contaminated by Cr， Cu， Hg and Pb.

Key words： farmland soils; heavy metal; pollution assessment; Jiangxia district; Wuhan city

重金屬是指一些生物毒性較為顯著的微量元素，是土壤中一類具有潛在危害性的污染物，由于其在土壤中具有易富集和遷移的特性，不僅影響作物的生長發(fā)育，而且還會通過食物鏈進入動物體內(nèi)，最終進入人體，在人體內(nèi)積累，導(dǎo)致一系列的慢性病、畸形甚至癌癥的發(fā)生[1-5]。關(guān)于重金屬污染的研究主要是針對鉛、鎘、鉻、汞、砷和鎳這6種元素，此外作為生物生長發(fā)育必需元素的銅、鋅在高濃度的情況下也會對動植物和人類造成一定的危害，因此將銅、鋅元素也歸為重金屬研究的范疇[6，7]。

當(dāng)前土壤重金屬污染問題已成為國內(nèi)外的研究熱點。土壤重金屬含量水平不僅影響著土壤的可持續(xù)利用，而且對糧食安全也有著直接的影響[8，9]。隨著中國城市化進程不斷加快，工業(yè)化程度不斷提高，越來越多的污染物被排放到環(huán)境中，土壤作為重要的載體承受著越來越多的排放壓力，加上普遍存在的農(nóng)藥和化肥等農(nóng)用化學(xué)品的過量施用，導(dǎo)致了重金屬元素在土壤中的大量富集[10]，進而影響到人們的健康[11]。

近年來，已有學(xué)者對北京、天津、上海、長沙、杭州、重慶、廣州、?？诘鹊氐牟说赝寥乐亟饘傥廴緺顩r進行了一系列的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)中國部分城市的菜地土壤已經(jīng)受到了不同程度的重金屬污染[12-20]，北京市懷柔區(qū)和大興區(qū)土壤鎘污染較為突出[13];天津市近半數(shù)地區(qū)土壤屬于重金屬輕度污染以上水平，開始影響到當(dāng)?shù)鼐用竦慕】礫14];上海市崇明島土壤重金屬污染風(fēng)險水平屬于輕度預(yù)警狀態(tài)[15];長沙市郊蔬菜基地70.0%的土壤受到鎘污染，58.6%的土壤受到重金屬的綜合污染[16];杭州市農(nóng)業(yè)土壤總體處于安全水平，個別地區(qū)土壤重金屬含量超過土壤二級標(biāo)準(zhǔn)[17];重慶市蔬菜基地土壤狀況總體較好，鎘和汞存在不同程度超標(biāo)[18];廣州市菜地土壤重金屬污染以鎘為主，砷、汞次之，存在點源污染[19];海口市蔬菜基地土壤鎘含量超過土壤二級標(biāo)準(zhǔn)，葉菜類蔬菜重金屬污染指數(shù)高于果菜類[20]。目前對于武漢市的土壤重金屬研究主要集中于湖泊沉積物、工業(yè)區(qū)土壤及主城區(qū)土壤[21-25]，鮮有針對城郊農(nóng)田土壤重金屬的研究[26-28]。

本試驗以武漢市江夏區(qū)為研究區(qū)域，對該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進行調(diào)查和分析，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險，為該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染的防控和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江夏區(qū)位于武漢市南部，面積2 018.3 km2，北與洪山區(qū)相連，南與咸寧市咸安區(qū)、嘉魚縣接壤，東臨鄂州市、大冶市，西與蔡甸區(qū)、漢南區(qū)隔江相望，東西最大橫距54.2 km，南北最大縱距63.2 km。江夏區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤、四季鮮明、熱量豐富、降水充沛、光照充足、雨熱同季。

1.2 樣品采集

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進行網(wǎng)格法布局，同時兼顧區(qū)域內(nèi)行政村農(nóng)田種植面積，采集 ? ?0～20 cm的耕作層土壤。采用多點混合采樣法，即在樣點周圍50 m范圍內(nèi)采集5個土壤樣品，充分混合后采用四分法留取1 kg左右，共采集土壤樣品149份。用聚乙烯塑料袋包裝帶回實驗室風(fēng)干，剔除其中的植物殘根、石塊及雜物，用瑪瑙研缽研磨并過100目篩，裝袋密封后備用。

1.3 樣品測定

土壤樣品采用微波消解法（硝酸-氫氟酸-雙氧水）進行預(yù)處理，即稱取0.2 g土壤樣品于50 mL具蓋聚四氟乙烯消解管中，依次加入6 mL硝酸、2 mL氫氟酸和1 mL雙氧水，放入微波消解儀（SINEO ?JUPITER-8）消解，用ICP-OES（Thermo iCAP 6300）測定消解液中的As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn和Ni的含量，用原子熒光光度計（普析通用PF31）測定Hg的含量。分析方法準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度采用國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-5和平行樣品進行控制，數(shù)據(jù)用Excel和SPSS 19.0軟件處理。

1.4 重金屬污染評價

采用國家《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)，應(yīng)用單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對農(nóng)田土壤重金屬污染程度進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4.1 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)是土壤環(huán)境質(zhì)量評價的常見指標(biāo)，公式為Pi=Ci/Si，Pi為土壤中污染物i的單項污染指數(shù);Ci為污染物i的實測值;Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)。Pi>1表示土壤受到污染，Pi≤1 表示土壤未受污染，Pi值越大，表明土壤受污染程度越嚴重;其中，13表示土壤受重度污染。

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前常用的另一種土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法，在進行環(huán)境質(zhì)量評價以及土壤污染程度的比較上具有較強實用性，使得不同污染物間或不同地域間環(huán)境質(zhì)量的比較成為可能。其公式為[P綜=（P2+P2imax）/2]，P綜為土壤污染綜合指數(shù);P為各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值;Pimax為各污染物中最大污染指數(shù)。P綜≤0.7表示安全;0.73表示重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 江夏區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量

江夏區(qū)149個采樣點土壤中各重金屬含量如表2所示。不同樣點土壤重金屬含量變化范圍較大，As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn的含量范圍分別為1.38～50.27 mg/kg、0.00～4.94 mg/kg、3.69～171.21 mg/kg、8.26～53.27 mg/kg、0.00～0.35 mg/kg、10.28～72.46 mg/kg、0.00～75.22 mg/kg和26.60～293.73 mg/kg，變異系數(shù)分別為47.24%、173.60%、46.16%、35.55%、60.59%、44.23%、54.57%和48.83%，可見Cd的變異系數(shù)最高，表明Cd在江夏區(qū)的分布差異較高。將不同樣點農(nóng)田土壤中各重金屬含量與湖北省土壤背景值對比發(fā)現(xiàn)，土壤As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu和Zn含量高于湖北省土壤背景值的樣點數(shù)分別占46.31%、56.38%、30.20%、30.87%、74.50%、15.44%、36.24%和23.49%，表明各重金屬在江夏區(qū)農(nóng)田土壤中均有一定程度的積累，且Cd、Hg在土壤中的積累范圍較廣。

2.2 江夏區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果 以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)，對采樣點土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價，結(jié)果見表3。江夏區(qū)農(nóng)田土壤中Cr、Cu、Hg、Pb均處于清潔水平，As、Cd、Ni、Zn均有不同程度的污染，其中Cd污染程度最嚴重，有40.27%的樣點存在Cd污染，有4.03%的樣點達到中度污染水平，有4.70%的樣點達到了重度污染水平，其余3種元素As、Ni和Zn僅在1%左右的樣點發(fā)現(xiàn)存在輕度污染狀況?？傮w表明，Cd的污染在江夏區(qū)的普遍性和嚴重性較高，其他重金屬元素的污染較輕。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果 以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)值，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對樣點土壤進行評價，結(jié)果見表4。江夏區(qū)大部分地區(qū)的土壤處于警戒限及以下，達79.19%，有16.11%的樣點處于輕度污染水平，4.70%的樣點處于重度污染水平。評價結(jié)果表明江夏區(qū)大部分土壤處于安全水平，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較小，通過對小范圍污染指數(shù)較高的土壤進行改良，減少高重金屬含量肥料的使用來降低土壤中重金屬含量，可以顯著降低江夏區(qū)的土壤重金屬污染水平。

3 結(jié)論

將重金屬含量測定結(jié)果與湖北省土壤背景值進行比較，并以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值作為基準(zhǔn)值進行重金屬污染評價，結(jié)果表明江夏區(qū)農(nóng)田土壤中均發(fā)現(xiàn)了一定量的重金屬元素，有半數(shù)以上的農(nóng)田土壤樣點中Cd和Hg的含量超過湖北省土壤背景值，其中Cr、Cu、Hg和Pb含量較低，處于未受該4種重金屬元素污染水平，但是As、Cd、Ni和Zn的含量在部分樣點達到了污染水平，以Cd的含量最高，且該元素污染在江夏區(qū)農(nóng)田土壤中分布最廣，有40.27%的農(nóng)田土壤處于Cd污染狀態(tài)，其中31.54%的土壤處于Cd輕度污染水平，有4.03%和4.70%的土壤分別處于Cd中度污染和重度污染水平，而且Cd含量在不同樣點含量的變異系數(shù)較高，也說明了其分布的不均勻性較高，可能存在一定的外源污染。另外，有1%左右的農(nóng)田土壤分別處于As、Ni、Zn污染狀態(tài)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果表明，處于重金屬輕度污染水平和重度污染水平的農(nóng)田土壤分別占16.11%和4.70%，Cd污染為主要貢獻因子。

有研究表明，磷肥原料中含有Cd等重金屬元素，且磷肥生產(chǎn)中容易出現(xiàn)重金屬污染情況[29]，因此江夏區(qū)農(nóng)田土壤中Cd的高含量和高分布性可能與農(nóng)戶長期過量施用磷肥有關(guān)[30]。不使用污水灌溉和控制磷肥的過量施用可有效控制當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤的重金屬累積，可通過土壤改良降低其他重金屬元素的含量，改善當(dāng)?shù)赝寥罓顩r。

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