昆明陽(yáng)宗海沿岸農(nóng)田土壤及農(nóng)作物砷污染特征研究與評(píng)價(jià)

鄒鯉嶺，李昌盛,郎學(xué)偉

(1.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650217；2.曲靖師范學(xué)院，云南 曲靖 655011)

【研究意義】陽(yáng)宗海是云南九大高原湖泊之一，地跨澄江、呈貢、宜良三地，位于東經(jīng)102°5′～103°02′，北緯24°51′～24°58′，距昆明36 km，屬于珠江流域南盤江水系[1]。2008年發(fā)生了陽(yáng)宗海砷污染事件，據(jù)報(bào)道, 2008 年以來(lái), 水體中砷濃度持續(xù)上升[2]。陽(yáng)宗海水作為周邊主要的農(nóng)業(yè)用水，會(huì)導(dǎo)致土壤砷超標(biāo)，并可能在農(nóng)作物中富集。【前人研究進(jìn)展】目前研究砷在土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中累積遷移的文章很多，許多研究表明普通人群攝入砷的最重要途徑是通過(guò)土壤-農(nóng)作物-人體暴露進(jìn)行的，對(duì)中國(guó)12個(gè)省、市膳食調(diào)查研究表明，成年男子攝入砷總量75.6 %都來(lái)源于農(nóng)作物和糧食[3]。對(duì)陽(yáng)宗海湖水砷進(jìn)行監(jiān)測(cè)及處理的研究較多，關(guān)于對(duì)周邊農(nóng)作物和土壤砷進(jìn)行調(diào)查研究較少。砷是一種具有較強(qiáng)生物毒性、難降解性、生物富集性及生物放大性的重金屬元素。農(nóng)作物中砷的含量是反應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】故以陽(yáng)宗海胡家莊周邊農(nóng)田土壤及農(nóng)作物為研究對(duì)象，對(duì)其砷元素含量進(jìn)行測(cè)定及評(píng)價(jià)。農(nóng)作物砷含量采用單項(xiàng)污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，土壤砷含量采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)及地累積指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析農(nóng)作物和土壤中重金屬污染狀況的相關(guān)性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期為陽(yáng)宗海周邊村莊居民食品安全問(wèn)題提供相關(guān)的參考依據(jù)，還能給土壤-農(nóng)作物砷遷移轉(zhuǎn)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

以胡家莊周邊農(nóng)田為研究對(duì)象，根據(jù)距離陽(yáng)宗海從近到遠(yuǎn)的順序，按照S形布置采樣點(diǎn)，用GPS記錄采樣點(diǎn)見圖1，記為ZY01～ZY10。采集農(nóng)田土壤、白菜和花椰菜,各采集10個(gè)。

每點(diǎn)取農(nóng)作物2～3株匯合成1個(gè)樣，樣品采集約1 kg，裝入聚乙烯塑料袋，扎緊袋口封裝，在24 h內(nèi)將樣品存放至低溫環(huán)境中[4]。同時(shí)，農(nóng)作物周邊土壤，取表層(0～20 cm)土壤，每個(gè)樣點(diǎn)取土樣6～10個(gè)混合為1個(gè)樣，對(duì)采集的土壤樣品反復(fù)按四分法棄取，最后留下1.0 kg左右，除去異物，將樣品裝入布袋，送實(shí)驗(yàn)室備測(cè)[5]。

1.2 樣品測(cè)試

土壤樣品和玉米樣品送昆明礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)，采用食品中重金屬檢測(cè)方法(GB/T 5009)[6]檢測(cè)農(nóng)作物重金屬含量。土壤樣品中重金屬含量采用農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(NYT 395-2000)[7]檢測(cè)。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 農(nóng)作物砷污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)作物重金屬采用國(guó)家制定的(GB2762-2017)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。

農(nóng)作物中重金屬元素的污染程度用單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)[4]，其計(jì)算公式：

p=c/s

(1)

式中,p為農(nóng)作物中砷的單項(xiàng)污染指數(shù)；c為砷的實(shí)測(cè)濃度，mg·kg-1；s為砷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg·kg-1；根據(jù)p值劃分質(zhì)量等級(jí)，p≤1為未受污染；p>1為已受污染；污染越嚴(yán)重則p值越大。

1.3.2 土壤砷污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 采用GB 15618-2018《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)》(6.5

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)土壤重金屬元素的污染情況，公式如下[2]：

(2)

式中:(c/s)max代表單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值；(c/s)ave代表單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 地累積指數(shù)法 Muller指數(shù)又稱為地質(zhì)累積指數(shù)[10]，最早是由德國(guó)科學(xué)家Muller提出， 主要用于評(píng)價(jià)水體底泥中重金屬污染狀況。后被廣泛作為一種污染定量指標(biāo)，應(yīng)用于土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)。該指數(shù)把人為活動(dòng)對(duì)重金屬污染影響、環(huán)境地球的化學(xué)背景值以及自然成巖過(guò)程引起的背景值變化等因素都考慮進(jìn)去，能更客觀的反應(yīng)土壤重金屬污染特性：公式如下：

Igeo= log2(c/k×b)

(3)

式中，Igeo代表砷元素的地累積指數(shù)值；c代表砷元素在土壤中的含量；b代表土壤砷元素的背景值，本研究使用云南省土壤元素背景值(表2)作為參比值[11]；k值取1.5，是作為不同地區(qū)巖石之間的不一致可能引起背景值差異而取的系數(shù)[12]。該指數(shù)表示的污染等級(jí)一般共分為7個(gè)等級(jí)[12]，其指數(shù)值與污染水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表2 As元素的標(biāo)準(zhǔn)值、自然背景值及毒性系數(shù)

表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)、地累積指數(shù)等級(jí)劃分

1.4.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson提出的一種沉積物中重金屬評(píng)價(jià)指標(biāo)[12]。該指標(biāo)主要用于評(píng)價(jià)水體表層沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，目前主要用于評(píng)價(jià)土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，該方法不僅考慮了土壤中重金屬的濃度，還把多元素協(xié)同作用、重金屬的毒性水平、重金屬在環(huán)境中的污染敏感性等因素一同考慮進(jìn)去，因此在土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。其計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2010系統(tǒng)錄入，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤砷污染現(xiàn)狀及分析

由表4可知，研究區(qū)土壤pH值在6.52～7.1，故土壤砷含量采用GB15618-2018《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)》(6.5

表4 采樣點(diǎn)及污染指數(shù)

研究區(qū)域采樣點(diǎn)ZY01到ZY10土壤中重金屬地累積指數(shù)值在0～1，故均屬于輕度污染。陽(yáng)宗海周邊有火電廠、高爾夫球場(chǎng)和湯池溫泉，對(duì)陽(yáng)宗海砷污染有一定影響。

研究區(qū)域重金屬砷潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯示，采樣點(diǎn)均為低風(fēng)險(xiǎn)。雖然土壤中含有砷元素，但砷含量不會(huì)對(duì)土壤安全造成危害。采樣點(diǎn)ZY01到ZY10，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。距離陽(yáng)宗海越近，土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)逐漸增大。

以上幾個(gè)指標(biāo)顯示，研究區(qū)域農(nóng)用地土壤砷污染風(fēng)險(xiǎn)低，砷含量屬于能保證人體健康、農(nóng)作物安全的范圍，但由于砷具有生物放大作用和生物累積性，因此對(duì)于土壤砷的來(lái)源、影響因素還應(yīng)繼續(xù)關(guān)注。

2.2 農(nóng)作物砷污染現(xiàn)狀及分析

由表4可知，在研究區(qū)P白菜和P花椰菜均小于1，說(shuō)明該區(qū)域的花椰菜和白菜都未受砷污染。由圖2可知，采樣點(diǎn)ZY01到ZY10，白菜砷含量及花椰菜砷含量整體呈下降趨勢(shì)。白菜中砷的含量大于花椰菜。白菜屬于葉菜類，花椰菜屬于果實(shí)類，農(nóng)作物的砷量葉菜類>果實(shí)類。由此可見，和花椰菜相比，砷更容易在白菜中富集。在砷污染較為嚴(yán)重的地方，不要選擇種植白菜。

2.3 農(nóng)作物重金屬與土壤重金屬含量相關(guān)性分析

2.3.1 白菜砷含量與土壤砷含量相關(guān)性分析 用SPSS軟件做白菜砷和土壤砷含量的相關(guān)性分析，得到相關(guān)性系數(shù)為0.627(r0.01=0.053),因此認(rèn)為雖然2個(gè)變量總體趨勢(shì)有一致性,但并不顯著。由圖3可見，2個(gè)變量總體趨勢(shì)有一致性，可以說(shuō)明土壤中砷和白菜中砷是同一來(lái)源。白菜砷含量和土壤砷含量的相關(guān)性不顯著，說(shuō)明白菜中的砷不一定來(lái)源于土壤，化肥、有機(jī)肥及農(nóng)藥的使用也會(huì)導(dǎo)致土壤及農(nóng)作物中砷含量升高。

2.3.2 花椰菜砷含量與土壤砷含量相關(guān)性分析 用SPSS軟件做花椰菜砷和土壤砷含量的相關(guān)性分析，得到的相關(guān)系數(shù)是0.814(r0.01=0.004),說(shuō)明相關(guān)性在0.01上顯著，說(shuō)明花椰菜和土壤砷含量的相關(guān)性是顯著的，可以看出花椰菜中的砷主要來(lái)源于土壤(圖4)。

3 討 論

在胡家莊周邊農(nóng)田，土壤中砷濃度比土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值要小，可知農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低。土壤中重金屬地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，本研究區(qū)域?qū)儆谳p度污染，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均為低風(fēng)險(xiǎn)。白菜和花椰菜砷含量均達(dá)標(biāo)。采樣點(diǎn)從ZY01到ZY10，土壤砷含量總體呈現(xiàn)距離陽(yáng)宗海越遠(yuǎn)含量越低的趨勢(shì)，陽(yáng)宗海水作為農(nóng)田灌溉主要用水，可能導(dǎo)致少量砷在土壤富集，從取樣點(diǎn)ZY01到ZY10地勢(shì)逐漸升高，土壤砷含量逐漸降低，可能因?yàn)橛晁疀_刷等作用導(dǎo)致。白菜和花椰菜砷含量也從ZY01到ZY10呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，白菜中砷含量高于花椰菜，說(shuō)明白菜和花椰菜相比，砷更易于在白菜中富集。白菜砷和土壤中砷含量的相關(guān)性不顯著，說(shuō)明白菜中的砷不一定來(lái)源于土壤，含砷農(nóng)藥的使用也可能導(dǎo)致土壤及農(nóng)作物中砷含量升高。早期，陽(yáng)宗?；痣娬镜姆勖夯彝品盼恢梦挥陉?yáng)宗海西岸，粉煤灰中的砷元素一部分可能通過(guò)降塵作用進(jìn)入到陽(yáng)宗海周邊的土壤，另一部分由于雨水的沖刷，從而進(jìn)入陽(yáng)宗海湖水中。據(jù)調(diào)查，陽(yáng)宗海旁高爾夫球場(chǎng)的草坪使用了大量的農(nóng)藥，而這些農(nóng)藥中含有砷元素，陽(yáng)宗海和草坪中間沒(méi)有任何隔斷措施，因此草坪施用農(nóng)藥中的砷對(duì)陽(yáng)宗海砷污染有一定貢獻(xiàn)[13]。采樣點(diǎn)ZY01到ZY10，地累積指數(shù)值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在研究區(qū)域，土壤中重金屬砷地累積指數(shù)的貢獻(xiàn)值主要還是來(lái)源于陽(yáng)宗海湖水，離陽(yáng)宗海越遠(yuǎn)，地累積指數(shù)越小。東岸的高爾夫球場(chǎng)及北岸的火電廠、溫泉也對(duì)陽(yáng)宗海砷的累積有所貢獻(xiàn)[9]?；ㄒ松楹屯寥乐猩楹坑酗@著的相關(guān)性，土壤中砷污染風(fēng)險(xiǎn)低，不易遷移轉(zhuǎn)化到農(nóng)作物體內(nèi)。較多的研究發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)作物種類，對(duì)重金屬的富集能力也有明顯差異[14]，葉菜類農(nóng)作物重金屬超標(biāo)率較高。王麗鳳等[15]的調(diào)查結(jié)果表明，沈陽(yáng)市農(nóng)作物中重金屬含量大小順序?yàn)槿~菜類>根莖類>瓜果類。同一種農(nóng)作物不同器官對(duì)同一種重金屬富集程度也有所不同，張志權(quán)等[16]認(rèn)為，Pb被吸收后一般累積在更新周期較長(zhǎng)的器官中。李學(xué)德等[17]發(fā)現(xiàn)，菠菜葉片和根對(duì)Cd的積累量相近，但均高于莖中的；而Pb的積累量則依次為根>莖>葉片。李非里[18]等通過(guò)對(duì)Cd在辣椒的不同部位富集含有量的調(diào)查結(jié)果表明，Cd的積累量依次為根>莖葉>果實(shí)。農(nóng)作物中的砷含量葉菜類>果實(shí)類。由此可見，和花椰菜相比，砷更容易在白菜中富集。在砷污染較為嚴(yán)重的地方，不要選擇種植白菜。

4 結(jié) 論

云南省陽(yáng)宗海胡家莊農(nóng)田土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低，從采樣點(diǎn)ZY01-ZY10土壤砷整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。白菜、花椰菜砷水平符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，白菜砷含量高于花椰菜，和花椰菜相比，砷更容易在白菜中富集。在砷污染較為嚴(yán)重的地方，不要選擇種植白菜。從采樣點(diǎn)ZY01-ZY10白菜砷含量、花椰菜砷含量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。白菜砷含量和土壤砷含量的相關(guān)性不顯著，花椰菜砷含量和土壤中砷含量有顯著的相關(guān)性。陽(yáng)宗海水作為灌溉用水不會(huì)引起土壤、農(nóng)作物砷超標(biāo)，白菜及花椰菜砷含量達(dá)到食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)，可以放心食用。