渝北區(qū)農(nóng)村土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

李小紅，劉正實(shí)，徐龍君

(1.重慶工商大學(xué) 國家智能制造服務(wù)國際科技合作基地，重慶 400067;2.重慶市渝北區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 401120;3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是食品安全與生態(tài)環(huán)境安全的重要保障.全球變化及人類活動的干擾會改變重金屬元素在環(huán)境中的行為，使其通過各種途徑進(jìn)入土壤，進(jìn)而會使農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，并危害人類健康；也會導(dǎo)致大氣和水環(huán)境惡化，最終威脅人類生存環(huán)境.開展農(nóng)村土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評估是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)管控的基礎(chǔ)，也是落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)和土壤污染治理修復(fù)的基本體現(xiàn).為此，廣東省出臺了《耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù) 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)》(DB44/T 2263.2-2020)[1]地方標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的基本原則、工作程序、資料收集與分析、點(diǎn)位風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、治理單元風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和評價(jià)報(bào)告編制的要求.

徐清等[2]發(fā)現(xiàn)，包頭市表層土壤污染工業(yè)區(qū)以Pb，Zn，Cd，Hg，As為主，農(nóng)村土壤以Hg的點(diǎn)源污染為主；劉瑞雪等[3]利用潛在生態(tài)危險(xiǎn)指數(shù)法分析認(rèn)為湘潭縣農(nóng)田土壤重金屬處于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài);安婧等[4]研究了東北典型污灌區(qū)——沈撫灌區(qū)農(nóng)田土壤和農(nóng)作物中Cd，Pb，Cu，Zn的污染現(xiàn)狀、時(shí)空分布特征、潛在健康風(fēng)險(xiǎn)；周勤利等[5]采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和H?kanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對寧夏賀蘭縣農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)果表明，土壤環(huán)境質(zhì)量整體良好，但Cd和Ni累積嚴(yán)重；張素榮等[6]開展了雄安新區(qū)西南部表層土壤金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，土壤整體的重金屬潛在危害程度為中等風(fēng)險(xiǎn)，其中Cd對潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的貢獻(xiàn)最大，且Cd的活性最強(qiáng)，遷移能力強(qiáng)，易被植物吸收.中國幅員遼闊，各地區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境的差異及利用方式的差異，導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量及污染程度不同.目前，對西南地區(qū)尤其是重慶地區(qū)土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究報(bào)道較少，為此，筆者以渝北區(qū)農(nóng)村土地質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析其土壤重金屬元素空間變異特征，探討金屬污染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為土地利用管理、土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)和居民健康風(fēng)險(xiǎn)提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 樣品采集與分析

渝北區(qū)位于重慶主城北大門，地勢西北高東南低，屬亞熱帶季風(fēng)潤濕氣候區(qū)，常年平均氣溫 17.3 ℃，年平均降雨量1 099. 8 mm，年平均日照1 341.1 h.幅員面積1 452 km2，土地面積為586 km2，占總幅員面積的40.36%，其中農(nóng)業(yè)耕地403 km2.研究區(qū)地質(zhì)屬沉積巖廣泛發(fā)育區(qū)，地質(zhì)形態(tài)為華鎣山帚狀褶皺束和宣漢—重慶平行褶皺束，褶皺帶呈北北東向展布，狹長而不對稱，褶皺緊密，向斜寬，背斜窄，斷裂少.研究區(qū)內(nèi)用地類型分為耕地、林地、水域、園地、城鎮(zhèn)及工礦用地、交通用地和其他用地類型，主要為耕地(園地).研究區(qū)土壤以水稻土、紫色土和黃壤土為主，pH在5.0～8.5之間.

1.1 監(jiān)測點(diǎn)位和樣品信息

表1給出了監(jiān)測點(diǎn)位和樣品的相關(guān)信息.樣品采集于2019年7月，監(jiān)測點(diǎn)位(圖1)覆蓋渝北區(qū)的3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和1個(gè)街道，包括：統(tǒng)景鎮(zhèn)(合理村、黃印村、御臨村和中和村)、茨竹鎮(zhèn)(放牛坪村)、木耳鎮(zhèn)(學(xué)堂村)和雙鳳橋街道(興旺村)，其中茨竹鎮(zhèn)已納入川渝高竹新區(qū)建設(shè)范圍，點(diǎn)位類型包括菜地、果園、居民區(qū)、農(nóng)田、企業(yè)周邊、水源地.按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166-2004)[7]，在1 m2監(jiān)測區(qū)域按照5點(diǎn)法，采集0～20 cm表層土壤，等量均勻(四分法)混合后為1個(gè)樣品，采樣量為1 kg，風(fēng)干，磨細(xì)后過篩、備用.

表1 監(jiān)測點(diǎn)位和樣品信息

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置示意

1.2 樣品測試與質(zhì)量控制

測試項(xiàng)目有Cd、Hg、As、Pb、Zn、Cr、Ni、Cu、土壤pH、干物質(zhì)含量等指標(biāo).土樣經(jīng)鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解后，原子吸收法測定Cd，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu；土樣經(jīng)王水消解后，原子熒光法測定Hg，As.土壤中各重金屬元素的分析測試方法和檢出限見表2.樣品分析測試質(zhì)量控制與質(zhì)量保證工作以相應(yīng)的分析測試方法為基礎(chǔ).

表2 表層土壤重金屬元素分析方法和檢出限

測試中采用國土資源部中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品監(jiān)控分析測試的準(zhǔn)確度，采用留樣復(fù)測監(jiān)控分析測試的精密度[8].精密度和準(zhǔn)確度合格率均為100%，各重金屬的回收率均為100%±10%，樣品分析測試質(zhì)量和各重金屬元素指標(biāo)檢出限滿足生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)樣品分析技術(shù)規(guī)范要求，分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠.

1.3 數(shù)據(jù)處理

研究中地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)利用Excel 2016和SPSS 20軟件完成，各參數(shù)小數(shù)點(diǎn)保留位數(shù)是綜合考慮分析方法檢出限與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際儀器檢出限可靠位數(shù)而定，按原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)地球化學(xué)參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬元素污染統(tǒng)計(jì)特征

表3為渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤重金屬元素含量特征.

表3 表層土壤重金屬元素含量特征

由表3可見，土壤主要以偏堿性為主，重金屬Cd，Hg，As，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu元素含量的平均值分別為0.257，0.055，3.27，16.9，128.6，68.7，35.9，31.7 mg·kg-1.渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤中重金屬Cd，Zn，Cr，Ni，Cu平均值高于全國[9]和重慶[10]表層土壤平均水平，Cd，Zn，Cr，Cu中位值高于全國[9]和重慶[10]表層土壤平均水平.依據(jù)《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)》(GB15618-2018)[11]，渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤Cd，Hg，As，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu平均含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，為安全無污染風(fēng)險(xiǎn)等級[8].

土壤科學(xué)中變異系數(shù)(Cv)的大小被用于表示土壤重金屬元素的均勻性和變異程度[8]，結(jié)果表明：渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤重金屬Cr屬于中等變異元素，Cd，Hg，As，Pb，Zn，Ni，Cu屬于高度變異元素，其中Hg變異系數(shù)最大，不均勻性最高.

地累積指數(shù)(geoaccumulation index, 以Igeo表示)被學(xué)者們廣泛用于土壤污染評價(jià)[12]，渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤重金屬元素地累積指數(shù)等級分布情況見表4.

表4 表層土壤重金屬元素地累積指數(shù)等級分布情況

由表4可知，渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤重金屬污染等級均在未污染—中度至重度污染之間；表層土壤重金屬Igeo中位值降序依次為Cd(0.17)>Cu(-0.09)>Hg(-0.15)>Cr(-0.23)>Zn(-0.28)>Ni(-0.71)>Pb(-0.93)>As(-1.99)，Igeo平均值降序依次為Cd(0.14)>Zn(-0.06)>Cr(-0.34)>Cu(-0.60)>Ni(-0.68)>Hg(-1.40)>As(-2.00)>Pb(-2.15)；表層土壤污染最嚴(yán)重的是Hg，其次是Zn和Cu；Hg元素未污染、未污染至中度污染、中度污染和中度至重度污染的樣品比例依次為76.06%，18.31%，4.22%，1.41%；Zn元素未污染、未污染至中度污染和中度污染的樣品比例依次為77.46%，16.90%，5.64%；Cu元素未污染、未污染至中度污染和中度污染的樣品比例依次為76.06%，21.13%，2.81%，存在多種重金屬的復(fù)合污染，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高[12].

2.2 土壤重金屬元素空間分布特征

為研究渝北區(qū)農(nóng)村表層土壤重金屬元素含量水平及空間分布特征，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出土壤重金屬元素地球化學(xué)圖(圖2).

圖2 表層土壤重金屬元素地球化學(xué)分布

結(jié)合圖1和圖2可知，Ni，Cr，Cd，Zn含量空間分布有很大的相似性，含量高值區(qū)主要在放牛坪村和中和村，其位于渝北區(qū)東南和西北地區(qū).As，Hg，Cu 含量高值區(qū)主要在黃印村、興旺村和合理村，其位于渝北區(qū)西南和東北地區(qū).

2.3 土壤重金屬來源

元素之間的相關(guān)性可以判別是否具有同源性，采用SPSS分析重金屬元素間的相關(guān)性， 得到Pearson相關(guān)系數(shù)列于表5.

表5 表層土壤重金屬含量相關(guān)性分析

由表5可知，Cd與Zn、Hg與As、As與Pb、As與Cu、Pb與Cu、Zn與Ni、Ni與Cu之間均為顯著正相關(guān)，表明可能有相同的來源.從土地類型看，菜地、果園、農(nóng)田中重金屬Cu，Pb，Zn含量較高，這與大量使用有機(jī)肥、農(nóng)藥和塑料薄膜等有關(guān)，企業(yè)周邊重金屬As和Cd含量較高，這與工業(yè)生產(chǎn)中污水排放和污水灌溉有關(guān)[13-15].居民區(qū)周邊重金屬Hg含量較高，Hg在土壤中的積累通常與人類活動引起的大氣沉積有關(guān)[16].土壤中Cr和Ni的含量通常取決于它們在成土母質(zhì)中的含量，與成巖成分有關(guān)，屬于自然來源[17].

2.4 土壤重金屬環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

圖3 表層土壤重金屬(Hg和Cd)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)及重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布和重金屬貢獻(xiàn)比例

渝北區(qū)農(nóng)村土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖3)，輕微生態(tài)危害(PERI<150)占樣數(shù)的70.42%，中等生態(tài)危害(150≤PERI<300)占樣數(shù)的28.17%，強(qiáng)生態(tài)危害(300≤PERI<600)占樣數(shù)的1.41%，無很強(qiáng)生態(tài)危害樣品.土壤重金屬對PERI貢獻(xiàn)指數(shù)降序依次為Hg>Cd>Ni>Cu>As>Cr>Pb>Zn，貢獻(xiàn)率分別為52.66%，34.78%，2.99%，2.89%，2.72%，1.94%，1.13%，0.89%.

綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布進(jìn)一步顯示，輕微生態(tài)危害(PERI<150)主要分布在黃印村、合理村和御臨村；中等生態(tài)危害(150≤PERI<300)分布面積較廣，除學(xué)堂村和御臨村外均有分布；強(qiáng)生態(tài)危害(300≤PERI<600)分布面積較小.

3 結(jié)束語

(1) 研究區(qū)土壤重金屬Cd，Zn，Cr，Cu含量的平均值和中位值均超過全國和重慶土壤背景值，Cd，Hg，As，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu的平均含量均小于《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)》(GB15618-2018)[11]規(guī)定的篩選值，為安全無污染風(fēng)險(xiǎn)等級.地累積指數(shù)結(jié)果表明，表層土壤污染最嚴(yán)重的是Hg，其次是Zn和Cu；中度污染及以上的樣品分別占5.63%，5.64%，2.81%，存在多種重金屬的復(fù)合污染，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高.

(2) 研究區(qū)土壤重金屬對PERI貢獻(xiàn)指數(shù)降序依次為Hg(52.66%)>Cd(34.78%)>Ni(2.99%)>Cu(2.89%)>As(2.72%)>Cr(1.94%)>Pb(1.13%)>Zn(0.89%)，Hg和Cd是最重要的風(fēng)險(xiǎn)元素.

(3) 研究區(qū)土壤重金屬分布不平衡，一定程度上取決于土地類型，其重金屬來源于自然、工業(yè)生產(chǎn)的污水排放和污水灌溉、大氣中重金屬沉降、農(nóng)藥、化肥和農(nóng)用化學(xué)品.