重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域農田土壤鎘含量特征及風險評估

潘明安，徐 燕

（重慶三峽農業(yè)科學院，重慶萬州 404155）

土壤是自然環(huán)境的重要組成部分，是農業(yè)生產(chǎn)的重要載體。近年來，我國糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬污染呈上升趨勢，已對糧食安全構成嚴重威脅[1]。隨著我國經(jīng)濟水平不斷提高，城市化進程不斷加快，工業(yè)“三廢”、畜禽糞便、農藥、化肥等都可成為土壤重金屬的污染來源，大量的重金屬通過各種途徑進入土壤，使得土壤環(huán)境的安全問題日益嚴峻[2-4]。重金屬通過植物吸收進入食物鏈，從而影響農牧產(chǎn)品品質，對人類健康產(chǎn)生潛在威脅[5]。鎘是影響土壤質量的一種重金屬，毒性較大，被鎘污染的空氣和食物對人體危害嚴重，且在人體內代謝較慢，日本因鎘中毒曾出現(xiàn)“痛痛病”。土壤中鎘含量超標，對植物葉綠素結構產(chǎn)生破壞，且會影響作物根系對水分和養(yǎng)分的吸收，導致植物不能正常生長，從而降低作物產(chǎn)量[6-7]。研究表明，我國每年因重金屬污染而減產(chǎn)的糧食超過1 000 萬t，被重金屬直接污染的糧食多達1 200 萬t，損失超過200億元[8]。

萬州區(qū)地處三峽庫區(qū)腹心，唐將等對三峽庫區(qū)環(huán)境質量評價作了研究[9]；王健康等對三峽庫區(qū)蓄水運用期表層沉積物重金屬污染及其潛在生態(tài)風險作了研究[10]。但針對重慶市萬州區(qū)農田土壤重金屬的研究還鮮見報道。本研究對萬州區(qū)瀼渡河流域農田土壤重金屬含量特征進行分析，采用單項污染指數(shù)、Muller 指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)對土壤重金屬的污染現(xiàn)狀和潛在生態(tài)風險進行評價，可以為區(qū)域性重金屬污染農田土壤的安全利用、規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域，瀼渡河是長江上游干流下段左岸的一級支流，位于東經(jīng)108°06′～108°18′，北緯30°51′～30°46′，河流發(fā)源于分水鎮(zhèn)鐵峰山南麓，經(jīng)分水鎮(zhèn)、柱山鄉(xiāng)、甘寧鎮(zhèn)、龍沙鎮(zhèn)于瀼渡鎮(zhèn)匯入長江。流域面積266.1 km2，主河道全長43.6 km，河道平均比降12.7%。瀼渡河流域成扇形，地勢西北高、東南低，河谷主要形態(tài)為“U”形。流域上游部分地區(qū)植被較好，中、下游的河谷兩岸多開墾為坡地、梯田及成片田地的平壩。

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品樣點遍布整個瀼渡河流域。樣品利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定位，根據(jù)土地利用方式，分為旱地土壤、水田土壤。土壤樣品采集采用“S”形五點法，取耕層0～20 cm 土壤，共采集土壤樣品37 個，其中旱地土壤22 個、水田土壤15 個。土樣自然風干后，研磨過0.149 mm 孔徑尼龍篩備用。樣品的采集、混合、粉碎和研磨等處理均使用木頭、塑料等工具，處理過程不帶入重金屬鎘。

采用硝酸雙氧水消解法對土壤樣品進行前處理，并用原子吸收分光光度法測定樣品中鎘含量。測試過程中采用優(yōu)級純試劑，水為亞沸水。測定偏差控制不大于±10%，土壤樣品進行重復測試，結果相對誤差不大于±5%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對所采土壤樣品進行正態(tài)分布檢驗，樣本均值采用符合正態(tài)分布，非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行正態(tài)轉換。用SPSS 22.0軟件進行正態(tài)分布統(tǒng)計檢驗。半方差函數(shù)的擬合在GS+5.3軟件平臺上進行。

1.4 土壤污染評價

1.4.1 單項污染指數(shù)法

單項污染指數(shù)法針對的是單一的污染物，單項污染指數(shù)Pi計算公式為：

（1）式中：Pi為重金屬單項污染指數(shù)；Ci為重金屬含量實際值，單位為mg·kg-1；Si為樣品重金屬含量的限量標準值，單位為mg·kg-1。

以基線值為限量標準值進行單項污染指數(shù)計算：當Pi≤1 時，無污染；1＜Pi≤2 時，輕度污染；2＜Pi≤3時，中度污染；Pi＞3 時，重度污染。對于正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，土壤基線值等于土壤背景值加上2 倍的算術標準差；對于對數(shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，土壤基線值等于其幾何均值乘以幾何標準差的平方[11-12]。

1.4.2 Muller指數(shù)法

Muller 指數(shù)法在反映土壤重金屬自然分布變化特征的同時，更多強調了污染的歷史積累作用。Muller指數(shù)表達式為：

式中：cn為元素的實測濃度，單位為mg·kg-1；1.5為修正指數(shù)；BEn為背景值。

分級標準：Igeo≤0，無污染；0＜Igeo≤1，輕度污染-中度污染；1＜Igeo≤2，中度污染；2＜Igeo≤3，中度污染-強污染；3＜Igeo≤4，強污染；4＜Igeo≤5，強污染-極嚴重污染；5＜Igeo≤10，極嚴重污染[13-14]。

1.4.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

土壤中第i種重金屬的潛在生態(tài)風險系數(shù)計算公式為：

式中：為第i種土壤重金屬的背景值；為土壤中重金屬i的實測濃度；為重金屬i的毒性響應系數(shù)；為重金屬i的潛在生態(tài)風險系數(shù)。查閱資料可知，土壤鎘的毒性響應系數(shù)為30[15]。

根據(jù)潛在生態(tài)風險系數(shù)，可將土壤污染等級分為：＜40，低潛在生態(tài)風險；40≤＜80，中等潛在生態(tài)風險；80≤＜160，中高等潛在生態(tài)風險；160≤＜320，高等潛在生態(tài)風險；≥320，極高等潛在生態(tài)風險。

2 結果與分析

2.1 土壤鎘含量統(tǒng)計特征

由表1可知，旱地土壤鎘含量在0.06～1.08 mg·kg-1，平均含量0.46 mg·kg-1，變異系數(shù)為71.74%，屬于中等程度變異。水田土壤中鎘含量在0.07～1.16 mg·kg-1，平均含量0.36 mg·kg-1，變異系數(shù)為88.89%，屬于中等程度變異。數(shù)據(jù)表明，在研究區(qū)域內旱地和水田土壤中鎘分布不均，這主要受人為活動如施肥的影響。偏度檢驗值和峰度檢驗值都較小，數(shù)據(jù)分布比較集中，變幅較小，經(jīng)K-S 檢驗所測數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

表1 重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域農田土壤鎘含量統(tǒng)計特征值

2.2 土壤鎘空間結構分析

2.2.1 分形特點

土壤鎘的步長和半方差的雙對數(shù)曲線往往具有良好的線性相關性，說明它們具有很好的分形特征。分形維數(shù)D為雙對數(shù)曲線回歸方程中的斜率，是一個無量綱數(shù)。結構性好、分布簡單，則分形維數(shù)低；相反，隨機性強、結構性差、分布復雜，則分形維數(shù)較高。經(jīng)過計算得到旱地土壤鎘的分形維數(shù)為1.91，水田土壤鎘的分形維數(shù)為1.83，表明土壤鎘的空間結構受隨機性影響如人為活動影響較大。

2.2.2 半方差函數(shù)結構分析

對于區(qū)域化變量，半方差函數(shù)不僅與步長有關，而且與方向有關，落在各方向上區(qū)域化變量的變異性不同則為各向異性，各向異性是絕對的。土壤鎘空間變異函數(shù)結構分析見表2。由表2可知，旱地土壤鎘的最優(yōu)擬合模型為球狀模型，其塊金系數(shù)為11.13%，具有中等程度的空間相關性，空間相關距離為217 m；水田土壤鎘的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型，其塊金系數(shù)15.96%，空間相關距離為237 m。土壤鎘的塊金值均較小，表明由實驗誤差和小于實驗取樣尺度引起的變異很小。

表2 重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域農田土壤鎘空間變異函數(shù)結構

2.3 土壤污染評價

目前，關于土壤污染評價方法眾多，各種方法的側重點各不相同。本文采用3 種不同評價方法對旱地和水田土壤中鎘含量進行評價，結果見表3 和表4。3種評價方法均表明本研究所采集的旱地土壤中鎘含量以無污染和輕度污染為主，只有少數(shù)樣品達到中度污染和重度污染水平。不同評價方法下樣品受污染程度個數(shù)也不盡相同：按單項污染指數(shù)法，大多旱地土壤鎘均無污染，中度污染程度只有1 個樣品；按Muller指數(shù)法，中度污染程度有3個樣品，重度污染程度有2個樣品；而潛在生態(tài)風險指數(shù)法表明，中等風險程度樣品有5個，強風險程度樣品有3個。

表3 重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域旱地土壤鎘評價結果 單位：個

表4 重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域水田土壤鎘評價結果 單位：個

與旱地土壤鎘污染情況類似，本研究所采集的水田土壤中鎘含量以無污染和輕度污染為主，只有少數(shù)樣品達到中度污染和重度污染水平。

3 結論

本研究所采集的重慶市萬州區(qū)瀼渡河流域農田旱地土壤中鎘平均含量0.46 mg·kg-1，水田土壤中鎘平均含量0.36 mg·kg-1，均遠高于當?shù)赝寥乐墟k背景值含量0.13 mg·kg-1。旱地土壤鎘含量最高達到1.08 mg·kg-1，水田土壤鎘最高達1.16 mg·kg-1，經(jīng)過調查發(fā)現(xiàn)，在該區(qū)域內有一廢棄的養(yǎng)豬場，經(jīng)營期間養(yǎng)殖廢棄物直接排放使得土壤中鎘含量異常偏高。土壤中鎘的空間結構分析表明，旱地土壤鎘的分形維數(shù)為1.91，空間相關距離為217 m，水田土壤鎘的分形維數(shù)為1.83，空間相關距離為237 m，土壤鎘的空間結構受隨機性因子影響較大。土壤中鎘含量以無污染和輕度污染為主，只有少數(shù)樣品達到中度污染和重度污染水平，但不同評價方法下樣品受污染程度個數(shù)也不盡相同。綜合來看，Muller 指數(shù)法與潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價結果較為一致。