重慶市墊江南部土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風險評價

胡小蘭 雷沖 王顯卿 宋金鞠 胡小俊 徐高海

摘要 ［目的］探究墊江縣土壤重金屬污染特征及生態(tài)風險狀況，提出合理有效的風險管控建議。［方法］在墊江南部采集2 796件表層土壤（0～20 cm）樣品，分析土壤中重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）和土壤Cd有效態(tài)含量及土壤pH，采用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)法開展土壤重金屬污染風險評價。［結(jié)果］研究區(qū)土壤中Cd、Cu、Ni、Pb和Zn累積效應(yīng)明顯。土壤As、Cd和Hg屬于高度變異，受人類活動影響較大。土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)以無污染和尚未污染（警戒線）為主，潛在生態(tài)風險指數(shù)處于輕微風險和中等風險為主，主要風險因子為Cd和Hg，中等風險區(qū)主要位于研究區(qū)西北部和東南部。土壤Cd的有效性和土壤pH相關(guān)性顯著，酸性土壤中Cd的有效性更高。［結(jié)論］建議加強土壤酸化治理，緩解土壤酸化問題，降低農(nóng)作物重金屬超標的風險。

關(guān)鍵詞 土壤重金屬；污染特征；生態(tài)風險

中圖分類號 X 825? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）07-0064-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.016

Heavy Metal Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Soil in Southern Dianjiang in Chongqing

HU Xiao-lan， LEI Chong， WANG Xian-qing et al

（Chongqing Geology and Mineral Exploration and Development Bureau Nanjiang Hydrogeology Engineering Geology Team， Chongqing 401144）

Abstract ［Objective］To explore the characteristics of soil heavy metal pollution and ecological risk status in Dianjiang County， and to put forward reasonable and effective risk management and control suggestions.［Method］ 2 796 topsoil （0-20 cm） samples were collected in the southern Dianjiang， and the heavy metals （As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb and Zn） in the soil， soil Cd available state content and soil pH were analyzed， the single-factor pollution index， Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index method were used to carry out soil heavy metal pollution risk assessment. ［Result］The accumulation effect of Cd， Cu， Ni， Pb and Zn in the soil of the study area was obvious.As， Cd and Hg in soil were highly variable and were greatly affected by human activities. The Nemerow comprehensive pollution index of heavy metals in soil was mainly non-polluted and not yet polluted （warning line）， the potential ecological risk index was mainly at slight risk and moderate risk， the main risk factor was Cd and Hg， and the medium risk areas were mainly located in the northwest and southeast of the study area. The availability of soil Cd was significantly correlated with soil pH， and the availability of Cd was higher in acidic soil. ［Conclusion］It is recommended to strengthen soil acidification treatment to alleviate the problem of soil acidification and reduce the risk of excessive heavy metals in crops.

Key words Soil heavy metals;Pollution characteristic;Ecological risk

基金項目 重慶市2020年度第一批地質(zhì)礦產(chǎn)勘查類項目（ZC-2020012）。

作者簡介 胡小蘭（1993—），女，四川瀘州人，工程師，碩士，從事土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查工作。

收稿日期 2022-06-27

土壤是最寶貴的自然資源，是人類不可或缺、賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程的不斷加快，土壤污染問題日益加?。?］。土壤重金屬污染物具有潛伏性、持久性、不可逆性等特性，不僅危害農(nóng)田環(huán)境，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，還可以通過土壤-作物-人體系統(tǒng)直接或間接在人體內(nèi)累積，危及人體健康，是影響地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、限制生態(tài)文明建設(shè)的主要危害因子之一［3-5］。

墊江縣地處成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈東向腹心地帶、重慶主城都市區(qū)與渝東北三峽庫區(qū)城鎮(zhèn)群重要聯(lián)結(jié)點，是川渝東部唱響“雙城記”的“突擊隊”，是川東北渝東北陸上交通的重要樞紐。墊江縣盛產(chǎn)水稻、玉米、油菜、花椒、臍橙等，是渝東北主要的糧食產(chǎn)地之一［6］。筆者以墊江縣南部為研究對象，采用單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)等方法，開展土壤重金屬污染評價，根據(jù)評價結(jié)果，給出風險管控重點區(qū)域及管控措施建議，以期為地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和糧食安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

墊江縣位于重慶市東北部、長江上游地區(qū)，東接豐都縣、北臨梁平區(qū)、西靠四川省鄰水縣、南接長壽區(qū)（圖1）。地處華鎣山脈東部，地貌以丘陵為主，地勢北高南低。屬亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，四季分明。主要出露侏羅系、三疊系地層，巖性以砂巖和灰?guī)r為主。

1.2 樣品采集與測試

按照《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）［7］的要求，采用1∶50 000比例尺，在研究區(qū)耕地采用網(wǎng)格布樣法，采樣密度為4～6個/km2 ，以GPS定位的采樣點為中心，向四周輻射30～50 m確定3～5個分樣點，采樣避開溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、糞堆及微地形高低不平無代表性地段。采集0～20 cm的表層土壤樣品，采集的各分樣點土壤掰碎，挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物，充分混合后，四分法留取1.0～1.5 kg 裝入樣品袋。土壤樣品風干、敲碎，過20目尼龍篩后及時送實驗室測試。全區(qū)共采集表層土壤樣2 796件。土壤樣品分析測試由重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)集團檢驗檢測有限公司完成。

按照《區(qū)域地球化學樣品分析方法》（DZ/T 0279—2016）［8］有關(guān)分析方法及檢出限的要求，樣品采取的測試方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）、等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）、X射線熒光光譜法（XRF）和pH計電極法（ISE）等，分析土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量及土壤pH。采用薄膜梯度擴散技術(shù)（DGT）提取法分析土壤Cd有效態(tài)。

1.3 重金屬污染評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法。

單因子污染指數(shù)可以簡單有效地評估重金屬污染狀況和估計人類活動的影響，是對某一單項污染指標進行分析，計算公式如下［9］：

Pi=CiSi（1）

式中，Pi為單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測含量；Si為重金屬 i的評價標準，采用《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 15618—2018） ［10］ 給出的污染風險篩選值。單因子污染指數(shù)評價標準見表1。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是基于單因子指數(shù)法而衍生出的綜合性污染評價方法，既考慮了單因子污染指數(shù)的平均值和最大值，又能夠反映各污染物對土壤的影響，具有突出最大污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)點，計算公式如下［11］：

P=P2iavg+P2imax2（2）

式中，P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Piavg為單因子污染指數(shù)的平均值；Pimax為單因子污染指數(shù)的最大值。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價標準見表 2。

1.3.3 潛在生態(tài)風險評價。

采用瑞典學者Hakanson［12］提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對土壤重金屬的潛在生態(tài)風險進行評價。該方法不僅將重金屬的含量考慮在內(nèi)，還將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學效應(yīng)聯(lián)系起來，是目前生態(tài)風險評價使用較廣泛的方法，計算公式如下［12］：

Eir=T ir×CiCin（3）

RI=miEir（4）

式中，RI表示樣品中重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)；Eir是重金屬 i 的潛在生態(tài)風險系數(shù)；Ci為樣品中重金屬 i 的實測值；Cin 表示重金屬i的背景值；T ir是重金屬i的毒性系數(shù)，重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的毒性系數(shù)分別為10、30、2、5、40、5、5和1［13］。Hakanson 提出的 RI分級標準是基于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 和多氯聯(lián)苯的毒性系數(shù)總和（133）計算得到的，RI的第一級限值為150，而此次研究是針對8種重金屬開展的，因此，需要對RI的分級限值進行調(diào)整［14］，8種重金屬的毒性系數(shù)和為98，因此RI對應(yīng)的第一級限值為110。具體分級標準見表3～4。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量 從研究區(qū)耕地土壤重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果（表5）可以看出，重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的平均值分別為8.06、0.330、73.28、25.91、0.044、33.24、28.57和85.37 mg/kg。與重慶市表層土壤地球化學背景值［15］相比，研究區(qū)土壤中As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的均值明顯偏高，超重慶市土壤背景值點位占比分別為58.66%、65.81%、62.45%、61.30%、56.72%和67.27%；與全國土壤背景值［16］相比，研究區(qū)土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的均值明顯偏高，超全國土壤背景值點位占比分別為99.54%、87.20%、73.64%、81.26%、77.83%和79.11%；其中，Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量既超過了重慶市土壤背景值，也超過了全國土壤背景值，表明這些重金屬在研究區(qū)土壤中都有一定程度的累積。

變異系數(shù)可以反映重金屬在土壤中的均勻性和變異性，變異系數(shù)越大，元素在土壤中的含量分布越不均勻，受人類活動影響越大［17］ 。研究區(qū)土壤中Cr和Pb的變異系數(shù)小于15%，屬于弱變異，空間差異不顯著；Cu、Ni和Zn的變異系數(shù)介于15%～35%，屬于中等變異，推測其主要受地貌和成土母質(zhì)的影響［18］ 。土壤中As、Cd和Hg的變異系數(shù)大于35%，屬于高度變異，說明在土壤中分布不均勻，受人類活動影響較大。

2.2 土壤重金屬污染風險評價

研究區(qū)土壤重金屬的單因子污染指數(shù)計算結(jié)果見圖2，土壤Cd處于無污染（安全）、輕微污染（警戒線）、輕度污染、中度污染和重度污染的點位占比分別為85.76%、13.81%、0.39%、0和0.04%，以無污染（安全）和輕微污染（警戒線）為主，存在點狀的輕度和重度污染。土壤As、Cu和Zn處于輕微污染（警戒線）的點位占比分別為0.11%、0.03%和0.03%。就單因子污染指數(shù)評價結(jié)果而言，研究區(qū)土壤以Cd超標為主，其余重金屬的超標問題不顯著。

研究區(qū)土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P）介于0.18～3.89，平均值為0.56，處于無污染、尚未污染（警戒線）、輕度污染、中度污染和重度污染的比例分別為77.96%、19.78%、2.22%、0和0.04%；以無污染和尚未污染（警戒線）為主。輕度和重度污染以點狀分布，主要位于研究區(qū)北部、東南部和中部地區(qū)（圖3）。主要污染因子為Cd。

圖4為研究區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風險系數(shù)（Eir），土壤Cd處于輕微風險、中等風險、強風險和很強風險的點位比例分別為72.74%、26.83%、0.39%和0.04%，不存在極強風險；土壤Hg處于輕微風險、中度風險和強風險的點位比例分別為89.59%、9.77%和0.64%，不存在很強和極強風險；其余重金屬多處于輕微風險。

研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）評價結(jié)果見圖5，潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）介于32.6～234.8，平均值為91.3。處于輕微風險、中等風險和強風險的比例分別為84.40%、15.46%和0.14%，不存在很強和極強風險。中等風險區(qū)主要位于研究區(qū)西北部和東南部。主要風險因子為Cd和Hg。

2.3 土壤Cd的有效性及風險管控建議

綜上所述，造成研究區(qū)土壤重金屬污染風險的主要影響因子為Cd。一般而言，土壤中Cd元素的活動性高、遷移能力強，易進入土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中，進而影響人體健康及植物生長［19］，為了提出更加合理有效的風險管控建議，需進一步討論土壤Cd的有效性及其影響因素。

已有研究表明，土壤pH是影響土壤Cd有效性的主要因素之一［20］，將Cd有效態(tài)占比與土壤pH的空間分布情況疊加，結(jié)果見圖6。研究區(qū)土壤pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5和pH＞7.5的點位比例分別為16.28%、27.51%、14.56%和41.65%，酸性與中堿性土壤均接近于條帶狀分布?？梢钥闯鐾寥纏H對Cd的有效性具有顯著影響，有效Cd占比超過20%的點位多位于酸性土壤中，說明酸性土壤中Cd潛在生態(tài)風險較高。

基于土壤重金屬污染風險評級結(jié)果、土壤Cd有效性的影響因素及土壤pH分布特征可以看出，研究區(qū)北部和東南部存在顯著潛在生態(tài)風險，建議加強土壤酸化治理，緩解土壤酸化問題，降低農(nóng)作物重金屬超標的風險［21-22］。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤中As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的均值超重慶市土壤背景值點位占比分別為58.66%、65.81%、62.45%、61.30%、56.72%和67.27%，土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的均值超全國土壤背景值點位占比分別為99.54%、87.20%、73.64%、81.26%、77.83%和79.11%，表明Cd、Cu、Ni、Pb和Zn累積效應(yīng)明顯。土壤As、Cd和Hg屬于高度變異，在土壤中分布不均勻，受人類活動影響較大。

（2）單因子污染評價結(jié)果顯示，土壤Cd以無污染（安全）和輕微污染（警戒線）為主，存在點狀的輕度和重度污染，其余重金屬的超標問題不顯著。土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P）以無污染和尚未污染（警戒線）為主；輕度和重度污染以點狀分布，主要位于研究區(qū)北部、東南部和中部地區(qū)；主要污染因子為Cd。

（3）潛在生態(tài)風險系數(shù)評價結(jié)果顯示，土壤Cd處于輕微風險、中等風險、強風險和很強風險的點位比例分別為72.74%、26.83%、0.39%和0.04%；土壤Hg處于輕微風險、中度風險和強風險的點位比例分別為89.59%、9.77%和0.64%。潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）處于輕微風險、中等風險和強風險的比例分別為84.40%、15.46%和0.14%；中風險區(qū)主要位于研究區(qū)西北部和東南部；主要風險因子為Cd和Hg。

（4）土壤Cd的有效性和土壤pH相關(guān)性顯著，酸性土壤中Cd的有效性更高。研究區(qū)北部和東南部存在顯著潛在生態(tài)風險，建議加強土壤酸化治理，緩解土壤酸化問題，降低農(nóng)作物重金屬超標的風險。

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