縉云縣某復墾地塊土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查及生態(tài)風險評價

周 楊，周文斌，馬嘉偉，阮忠強，葉正錢，柳 丹

（1.縉云縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 縉云 321400；2.浙江農(nóng)林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300）

近年來，由于工業(yè)、交通等多重因素的影響，使得土壤環(huán)境遭受重金屬污染的威脅[1]。重金屬污染不僅會導致土壤質(zhì)量退化，降低作物品質(zhì)和糧食產(chǎn)量，從時間尺度上來看，還會通過食物鏈危害人類和動物的健康[2]。重金屬流入土壤后很難被發(fā)現(xiàn)，其長期性、不可逆性等特性也導致重金屬污染極難從土壤中完全去除，極大限制了中國的農(nóng)業(yè)發(fā)展[3]。作為中國主要的糧食作物之一，水稻Oryza sativa占據(jù)了中國55%的谷物年消耗量，其安全問題受到許多學者的關注[4]。研究發(fā)現(xiàn)：水稻對土壤中的鎘、鉻、鉛、砷和汞等重金屬元素均具有吸收作用[5]，而水稻植株累積重金屬會抑制其對營養(yǎng)元素鋅、鐵、鎂等的吸收[6]，降低水稻籽粒品質(zhì)。中國南方的水稻土壤重金屬污染較為普遍，嚴重威脅中國的糧食安全。因此，評估重金屬污染土壤所產(chǎn)水稻對人體健康產(chǎn)生的風險，研究稻田土壤-水稻系統(tǒng)重金屬的健康風險具有重要意義。

土壤復墾指在礦產(chǎn)資源開采、化工產(chǎn)業(yè)和燃煤發(fā)電等生產(chǎn)過程中被破壞的土地，采取整治措施，使其恢復到可利用狀態(tài)。復墾地具有基質(zhì)復雜、干擾因素較多、前處理困難、污染物種類多等特點[7-8]。本研究區(qū)域(浙江省縉云縣某自然村廢棄場地復墾點，以下稱復墾地塊)原為金屬鎳提煉點。調(diào)查顯示：復墾地塊部分地區(qū)存在重金屬超標現(xiàn)象，因此復墾后有必要對農(nóng)產(chǎn)品的安全風險進行評估。早期的研究在進行重金屬健康風險評價時，或只考慮土壤直接暴露途徑[9-10]，或只考慮稻米途徑[11-12]，評價結果可能被低估。本研究共采集復墾地塊17組土壤-水稻籽粒復合樣品(其中有1地塊無水稻樣品)，研究水稻籽粒及根際土中重金屬分布特征，結合GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》、GB/T 36869—2018《水稻生產(chǎn)的土壤 鎘、鉛、鉻、汞、砷安全閾值》等相關標準，評價重金屬污染土壤所產(chǎn)水稻的健康風險，為土壤污染防控及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

縉云縣地處浙江省中南部丘陵山區(qū) (28°25′～28°57′N，119°52′～120°25′E)。縉云縣屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，總體上熱量充足，降水充沛，溫暖濕潤，冬夏略長，春秋略短，四季分明。年平均氣溫為18.3 ℃，年降水量為 1 387.7 mm，年日照時數(shù)為 1 504.3 h。

復墾地塊由縉云縣某公司(用地面積約3 557 m2)完成復墾，并種植水稻。于2020年9月水稻收獲期對復墾地塊進行采樣調(diào)查，分別采集土壤及水稻籽粒樣品，分析土壤及水稻籽粒樣品的重金屬質(zhì)量分數(shù)，進行風險評價。

1.2 樣品采集與處理

分別采集土壤樣品17個，水稻籽粒樣品16個。采用全球定位系統(tǒng)定位，在0～20、20～40 cm分層采集土壤樣品，同時采集對應的水稻籽粒樣品。在每個取樣點以周圍5 m×5 m正方形范圍內(nèi)設置5～6個采樣點，均勻混合為1個樣品。土壤樣品自然風干后挑揀出石子、動植物殘體等，混勻磨碎過2.00 mm篩和0.15 mm篩備用。水稻籽粒用去離子水洗凈，70 ℃烘干至恒量，使用脫殼機脫殼粉碎后備用。

1.3 樣品分析與測定

土壤pH采用水土質(zhì)量比2.5∶1.0浸提，pH計測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量外加熱法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；有效磷采用氟化鈉-鹽酸提取，紫外/可見分光光度計測定；有效鉀以1 mol·L-1中性乙酸銨提取，火焰分光光度法測定。

土壤重金屬全量采用HNO3-HCl-HClO4微波消解后測定；水稻籽粒重金屬采用硝酸微波消解后測定。待測液中的鎘、鉛采用石墨爐原子吸收光譜儀測定，汞、砷采用原子熒光光譜儀測定，鉻采用火焰原子吸收光譜儀測定。測定時均加入國家標準土壤標樣和大米國家標準參比物分別進行質(zhì)量控制。分析結果符合質(zhì)量控制要求。

1.4 污染評價方法與標準

1.4.1 單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法針對土壤中單一污染物進行評價。其計算公式為：

式(1)中：Pi為重金屬元素i的污染指數(shù)；Ci為重金屬元素i的質(zhì)量分數(shù)(mg·kg-1)；Ti為重金屬元素i的評價標準 (mg·kg-1)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[13-14]是在單因子污染指數(shù)評價的基礎上對重金屬污染進行綜合性評價。其計算公式為：

式(2)中：P綜為土壤污染綜合指數(shù)；Piave為土壤中各污染指數(shù)平均值；Pimax為土壤中各污染指數(shù)最大值。

1.4.2 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)(Igeo)法[15]被應用于自然成巖作用對背景值及人為活動對環(huán)境的影響評價。Igeo的計算公式如下：

式(3)中：Igeo為地累積指數(shù)；Ci為重金屬元素i的質(zhì)量分數(shù)(mg·kg-1)；Bi為重金屬元素i的地球化學背景值 (mg·kg-1)。

1.4.3 潛在生態(tài)風險評價指數(shù)法和生態(tài)風險預警指數(shù)法 潛在生態(tài)風險評價指數(shù)法采用HAKANSON[16]提出的生態(tài)風險指數(shù)法進行評價，以沉積學理論為基礎，綜合考慮了元素的富集程度及獨特的毒性和綜合生態(tài)危害[17-18]。其計算公式如下：

式(4)～(6)中：Ci為重金屬元素i的質(zhì)量分數(shù)(mg·kg-1)；C為重金屬元素i的參比值。Fr、Tr、Er分別為重金屬污染系數(shù)、毒性響應系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)。鎘、鉛、汞、砷、鉻的毒性響應系數(shù)分別為30、5、40、10、2[19]。IR為5種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風險值。

采用生態(tài)風險預警指數(shù)[20]對水稻土生態(tài)風險進行預警評估。IER的計算公式為：

式(7)中：IER為生態(tài)風險預警指數(shù)；IERi為重金屬元素i的生態(tài)風險指數(shù)；CAi為重金屬元素i的質(zhì)量分數(shù)(mg·kg-1)；CRi為重金屬元素i的參比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對土壤及水稻籽粒重金屬質(zhì)量分數(shù)進行描述性統(tǒng)計分析。采用SPSS 22.0進行Spearman相關性分析。數(shù)據(jù)可視化繪制由Origin 8.5完成。

2 結果與討論

2.1 土壤 pH 和養(yǎng)分狀況

土壤pH和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對土壤重金屬有效性均具有較大的影響。在相同的重金屬污染水平下，土壤高pH、高有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)有利于降低重金屬生物有效性，抑制作物對重金屬的吸收和積累，降低其重金屬污染風險[21]。根據(jù)調(diào)研結果，復墾地塊0～20 cm土層土壤pH為6.73～8.53，平均為8.15，屬于堿性土壤；土壤有機質(zhì)為 3.98～9.94 g·kg-1，平均為 6.51 g·kg-1。20～40 cm 土層土壤 pH 為 7.42～8.52，平均為 8.24；土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為 4.79～10.10 g·kg-1，平均為 6.97 g·kg-1(表1)。

表1 復墾地塊土壤 pH 和養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)Table 1 Status of soil pH and nutrient content in reclaimed land

復墾地塊 0～20 cm 土層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)＜10.00 g·kg-1，全氮平均值為 284.04 mg·kg-1，有效磷平均質(zhì)量分數(shù)為14.54 mg·kg-1。從總體來看，調(diào)查地塊養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)偏低。

2.2 土壤重金屬質(zhì)量分數(shù)

復墾地塊0～20 cm土層土壤重金屬鎘、鉻、鉛、汞、砷的質(zhì)量分數(shù)分別為0.209～0.598、71.80～145、43.10～67.10、0.021～0.034、8.61～23.70 mg·kg-1，均值分別為 0.330、107.74、53.40、0.030 mg·kg-1、18.42 mg·kg-1。20～40 cm 土層土壤鎘、鉻、鉛、汞、砷的質(zhì)量分數(shù)分別為 0.240～0.497、72.80～139.00、44.60～65.30、0.029～0.058、7.39～21.40 mg·kg-1，均值分別為 0.310、106.67、54.06、0.040、16.60 mg·kg-1(表2)。2層土壤中重金屬質(zhì)量分數(shù)從高到底依次為為鉻、鉛、砷、鎘、汞。

表2 復墾地塊土壤重金屬質(zhì)量分數(shù)Table 2 Soil heavy metal content of reclaimed land

依據(jù)農(nóng)用地土壤污染風險篩選值，耕層土壤砷有35.29%的點位超標，鎘、鉻、鉛和汞4種重金屬質(zhì)量分數(shù)均未超標；但以GB/T 36869—2018《水稻生產(chǎn)的土壤 鎘、鉛、鉻、汞、砷安全閾值》作為對比，有少數(shù)點位的鎘元素超出安全閾值，同時有88.24%點位的耕層土壤砷元素超出安全閾值，從長期來看，對水稻安全生產(chǎn)而言，重金屬鎘與砷仍然具有一定的風險。這是因為土壤pH會隨著作物種植年份的延長而逐漸下降[22-23]，而重金屬的絕對值不會降低，重金屬的生物有效值就會隨之增加[24]。因此，鎘和砷為復墾地塊需要重點關注的重金屬元素。試驗測定重金屬元素質(zhì)量分數(shù)變異程度較低，變異系數(shù)均小于40%，說明復墾后人為活動對該區(qū)域的重金屬影響不大，5種重金屬元素在空間上存在相似的污染程度。

2.3 水稻籽粒重金屬質(zhì)量分數(shù)

根據(jù)GB 2762—2017 《食品安全國家標準 食品中污染物限量》可知：復墾地塊水稻個別點位鉻和鉛超標，超標率為12.50%～18.75% (表3)，可能原因是土壤中重金屬鉻和鉛質(zhì)量分數(shù)分別為71.80～145.00和43.10～67.10 mg·kg-1，雖然未超出風險篩選值，但其質(zhì)量分數(shù)相對比較高，從而導致水稻吸收的鉻和鉛超出限量值。

表3 復墾地塊水稻籽粒重金屬質(zhì)量分數(shù)Table 3 Heavy metal content of rice in reclaimed land

2.4 水稻土壤重金屬污染評價

2.4.1 單因子污染指數(shù)評價和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價 以 GB 15618—2018《農(nóng)用地土壤污染風險篩選值》為依據(jù)，計算復墾地塊土壤重金屬的單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)。以0～20 cm耕層土壤進行評價，重金屬鎘、鉛、汞、砷、鉻的單因子污染指數(shù)平均值分別為0.43、0.24、0.01、0.90、0.32 (表4)，部分點位重金屬砷單因子污染指數(shù)大于1.00，其余4種重金屬單因子污染指數(shù)平均值均小于1.00。

表4 水稻土壤重金屬污染指數(shù)Table 4 Heavy metal pollution index of paddy soil

根據(jù)重金屬元素不同污染級別點位數(shù)占比可知(表5)：有64.61%的點位土壤砷單因子污染指數(shù)小于1.00，其余35.29%的點位土壤砷超標。鎘、鉛、汞、鉻等4種元素的單因子污染指數(shù)全部都小于1.00，無超標點位。從內(nèi)梅羅綜合指數(shù)(表5)看，復墾地塊土壤鎘、鉛、汞、砷、鉻綜合指數(shù)為0.37～0.88，其中41.18%的點位處于安全范圍，58.82%的點位處于警戒線。總體來看，復墾地塊土壤環(huán)境受到重金屬威脅，后續(xù)應加大保護修復力度，防止重金屬污染，保護農(nóng)產(chǎn)品安全。

表5 基于污染指數(shù)法重金屬污染點位分布Table 5 Distribution of heavy metal pollution points based on pollution index method

2.4.2 地累積指數(shù)法 以浙江省土壤背景值為參比，對鎘、鉛、汞、砷、鉻等5種重金屬元素進行地累積指數(shù)評價(表6)。可以得出：5種重金屬元素的Igeo從大到小依次為鎘(0.08)、鉛(0.01)、砷(-0.32)、鉻(-0.35)、汞(-3.02)。在所有采樣點位中，汞的Igeo均小于0，呈現(xiàn)出無污染狀態(tài)，污染最嚴重的為鎘，其次為鉛，地累積指數(shù)分別為0.08和0.01，呈現(xiàn)出輕微污染的狀態(tài)。鉛和鎘在復墾地塊僅有58.82%的點位處于未被污染狀態(tài)，其余41.18%的點位處于輕微富集狀態(tài)，個別樣點的砷、鉻元素存在輕微富集現(xiàn)象(表6)。

表6 重金屬元素地累積指數(shù)評價特征值統(tǒng)計表Table 6 Statistical table of evaluation characteristic values of accumulation index of heavy metal elements

2.4.3 潛在生態(tài)風險評價和生態(tài)風險預警 重金屬元素鉛、汞、砷、鉻在研究區(qū)域的Er平均值均小于40，表明這4種重金屬元素均處于輕度生態(tài)危害程度且各個采樣點生態(tài)危害程度相差不大。5種重金屬元素潛在危害程度從高到低排序為鎘(49.16)、砷(12.28)、鉛(7.63)、汞(2.64)、鉻(2.39)，鎘的潛在生態(tài)風險指數(shù)最高。這說明鎘是復墾地塊最主要的生態(tài)風險因子，主要在“中等”生態(tài)危害等級中分布，占比64.71%，其次為輕微生態(tài)風險點位，占比29.41%。依據(jù)IR進行評價，復墾地塊總體處于輕微生態(tài)風險狀態(tài)。研究區(qū)域土壤生態(tài)風險預警指數(shù)(IER)變化范圍為3.22～4.02，平均值為3.67，達到中度預警級別 (表7)。

表7 水稻土重金屬潛在生態(tài)風險評價Table 7 Evaluation of potential ecological risks of heavy metals in paddy soils

3 結論

在整體空間內(nèi)，復墾地塊土壤砷元素有35.29%的點位超標，鎘、鉻、鉛和汞4種重金屬均未超過土壤重金屬污染篩選值，但以GB/T 36869—2018《水稻生產(chǎn)的土壤 鎘、鉛、鉻、汞、砷安全閾值》作為參比，少數(shù)點位鎘元素超出安全閾值，砷元素有88.24%的點位超出安全閾值。在對應的水稻籽粒樣品中，復墾地塊個別點位有鉻和鉛超標。根據(jù)生態(tài)風險評價結果，鎘的潛在生態(tài)風險指數(shù)最高，是研究區(qū)最主要的生態(tài)風險因子。從總體來看，復墾地個別點位水稻籽粒鉻和鉛超標；土壤砷元素有部分點位超標，其他重金屬存在著一定的生態(tài)風險。由于土壤pH會隨著種植年限的延長而下降，可能會導致重金屬超標。因此，重金屬鎘、鉻、鉛和砷是研究區(qū)最主要的生態(tài)風險因子，后續(xù)需要進一步加強農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)管，保障土壤環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品安全。