山東省典型農田土壤中重金屬污染評價

于蕾　魯成秀　劉玉真　劉伏　成杰民

摘要：以山東省基本農田土壤為研究對象，采用地積累指數法和潛在生態風險指數法分析了土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的污染程度。由潛在生態風險指數可以看出山東省農田土壤重金屬潛在生態風險級別褐土為B級，潛在生態危害程度中等；潮土為A級，潛在生態危害程度輕微；棕壤為B級，潛在生態危害程度中等。就單個元素來看，Cd元素的潛在生態危害程度最高，各元素的潛在生態危害程度為Cd>Pb>Cu>Zn。由地累積指數法可以看出Pb的風險級別最大；其次是Cu元素；Cd、Zn的污染程度相比較而言較輕，風險級別低，各元素的污染程度和風險級別為Pb>Cu>Cd>Zn。

關鍵詞：土壤；重金屬；污染評價；地積累指數法；潛在生態風險指數法

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）13-3010-04

Assessing the Potential Ecological Risks of Heavy Metals in Farmland Soils in Shandong Province

YU Lei，LU Cheng-xiu，LIU Yu-zhen，LIU Fu，CHENG Jie-min

（College of Population Resources and Environment， Shandong Normal University， Jinan 250014， China）

Abstract： Using the basic farmland of Shandong Province served as object， the potential ecological risks of Cu and Zn， Pb， Cd in the soil was evaluated by using the index of potential ecological risk and the index of geoaccumulation.Results based on the index of potential ecological risk showed that the potential ecological risk of moisture soil was at B level， indicating that the ecological damage was moderate. The potential ecological risk of brunisolic soil were at A level， indicating that the ecological damage was not serious； while the potential ecological risk of brown earth was at B level， indicating that the ecological damage was moderate. The potential ecological risk degrees of heavy metals were ranked in order of Cd>Pb>Cu>Zn. Results based on index of geoaccumulation showed that the potential ecological risks of heavy metals were ranked in order of Pb>Cu>Zn>Cd.

Key words： soil； heavy metals； pollution assessment； index of geoaccumulation； index of potential ecologicalrisk

近年來，我國農業生產在快速發展的同時，農業生態環境也遭受著嚴重的污染和破壞[1]。調查表明，我國污灌區被重金屬所污染的土地面積已達污灌區面積的64.8%，所以農村生態被稱為“中國環保的短板”[2]，分析土壤重金屬元素含量對研究人為活動對土壤質量的影響以及合理開發和利用土地資源具有重要意義[3]。根據農業部對全國污灌區進行的調查表明，在我國大約140萬hm2的污水灌溉區中，已經遭受重金屬污染的土地面積占到污水灌區面積的64.8%，具體為輕度污染的占46.7%，中度污染的占9.7%，而嚴重污染的占8.4%[4]。由農田土壤及作物的重金屬污染所引起的潛在健康風險引起了國內外學者的廣泛關注[5-7]。對重金屬進行生態風險評價的方法很多，其中常用的有地積累指數法及潛在生態風險指數法等。地積累指數法主要對沉積物或土壤中的重金屬污染程度及其分級情況進行定量評價[8，9]。潛在生態風險指數法可以將生物毒性、生態危害與污染物濃度有機結合起來，從而綜合反映重金屬對生態環境的影響潛力[10]。本研究以山東省典型農田土壤為對象，于2009-2010年對山東省90%以上的棕壤、褐土、潮土等主要土壤類型進行調查，并在此基礎上采用地累積指數法和潛在生態風險指數法對山東省典型農田土壤重金屬的生態風險進行評價，從而為采用何種方法對污染土壤進行科學管理、修復、治理并防止污染進一步發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省地處黃河下游，位于東徑114°36′-122°43′，北緯34°22′-38°33′之間，土地總面積15.7萬km2，其中耕地面積為733.5萬hm2。

山東省主要土壤類型有棕壤、褐土、潮土和鹽土等土壤類型。其中褐土占全省土壤總面積的18.16%、潮土占41.10%、棕壤占30.66%，總計約90%。棕壤、褐土、潮土為山東省主要土壤類型[11]，同時也是本研究農田土壤的3種類型。

1.2 樣品采集與測定

按照土壤類型和作物種植品種分布及土壤肥力高、中、低分別采樣，采用全球定位系統進行全省范圍內的精確布設代表性采樣點60個（其中褐土25個，潮土16個，棕壤19個）（圖1），采集農田耕層土壤（0～20 cm），風干，磨細，過篩，備用。土壤中Cu、Zn的測定采用火焰原子吸收分光光度法[12]；土壤中Pb、Cd的測定采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法[13]。

1.3 數據處理

1.3.1 地累積指數法 地積累指數（Index of geo-accumulation）又稱Mull指數，地積累指數法考慮了元素相對于自然本底值的富集性，主要側重于從自然角度對土壤進行評價[10] 。

計算公式如下：Igeo=log2Cn/（K·Bn）

式中，Cn為實測重金屬元素的含量，mg/kg；Bn為當地沉積物中重金屬元素含量的地球化學背景值，mg/kg；K為考慮到各地成巖作用不同引起背景值波動所設定的常數，K=1.5。地累積指數法分級標準見表1。

1.3.2 潛在生態風險指數法 潛在生態風險指數 （The potential ecologicalrisk index） 法則考慮了各重金屬元素的毒性，更側重于從生物和人的角度對土壤進行評價[14]。計算公式如下：

式中， RI為多種重金屬元素的潛在生態風險指數； Eir為第i種重金屬元素的潛在生態風險指數； Cif為第i種重金屬元素的污染系數；Ci為所測樣品中第i種重金屬元素含量的實測值，mg/kg；Cin為第i種重金屬元素含量的背景值，mg/kg；Tir為第i種重金屬元素的毒性響應參數[14]。潛在生態風險指數法分級標準見表2。

2 結果與分析

2.1 地累積指數法評價結果

山東省農田土壤60個采樣點的重金屬污染地累積指數不同風險級別的頻數及比例如表3所示。

根據地累積指數法分級標準可知，山東省典型土壤中Zn、Cu、Pb、Cd等元素多數樣點在無污染至中等—強污染范圍內。其中，Pb的污染最重，其中污染程度達到強—極嚴重污染和強污染的采樣點各有1個，風險級別分別為5級和4級。另外有21.7%的采樣點達中等—強污染的程度，值得重視。其次是Cu元素，有5.0%的采樣點達中等—強污染的污染程度，3級風險，28.3%的采樣點達中等污染程度。Cd、Zn的污染程度相對較輕，分別有40.0%和26.7%的采樣點土壤達到中等污染程度，其余為無污染或輕度—中等污染程度，風險級別較低。

就不同的土壤類型來看（表4），褐土中Cu、Zn風險級別為1級，Cd、Pb為2級，各元素的風險程度依次為Pb>Cd>Cu>Zn；潮土中Cu、Cd、Zn為1級風險，Pb為2級，各元素的風險程度依次為Pb>Cu>Cd>Zn；棕壤中Cd、Zn為0級風險，Pb為1級風險，Cu的風險級別為2級，各元素的風險程度依次為Cu>Pb>Zn>Cd。

2.2 潛在生態風險指數法評價結果

研究區農田表層土壤中各元素的單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數（表5）顯示，所有采樣點的Cu和Zn元素的潛生態風險指數均小于40，風險級別為A，潛在生態危害程度輕微；對于Pb元素，占總數3.30%的采樣點其潛在生態風險指數大于80但小于160，風險級別為C，生態危害程度強，占總數10%的采樣點，其潛在生態風險指數大于40小于或等于80，潛在生態風險級別為B，潛在生態危害程度中等，其余監測點的潛在生態風險指數均小于或等于40，屬A級風險級別，對生態有輕微危害，全省所有監測點平均潛在生態風險級別為A級；對于Cd元素，占總數3.30%的采樣點，其潛在生態風險指數大于160，風險級別D級，潛在生態危害程度極強，A、B、C三個級別采樣點所占比例分別為20.00%、36.70%和40.00%，全省平均潛在生態風險指數為82.78，大于80，屬于C級，對生態具有強污染。由此可看出，Cd污染較為嚴重，各元素的潛在生態危害程度為Cd>Pb>Cu>Zn。

綜合多元素，從綜合潛在生態風險指數（表6）來看，山東省基本農田土壤中褐土和棕壤潛在生態風險級別為B級，潛在生態危害程度中等，潮土的潛在生態風險級別為A級，潛在生態危害程度輕微。

3 結論與討論

從地累積指數可以看出，Pb的污染最重；其次是Cu元素，有5.0%的采樣點達中等—強污染的程度，3級風險，28.3%的采樣點達中等污染程度。Cd、Zn的污染程度相對較輕，分別有40%和26.7%的采樣點土壤達到中等污染程度，其余為無污染或輕度—中等污染，風險等級較低。

根據地累積指數法，就不同的土壤類型來看，褐土中各元素的風險程度為Pb>Cd>Cu>Zn；潮土中各元素的風險程度為Pb>Cu>Cd>Zn；棕壤中各元素的風險程度為Cu>Pb>Zn>Cd。

研究區農田表層土壤中各元素的單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數顯示，所有采樣點的Cu和Zn元素的潛在生態風險指數均小于40，潛在風險級別為A級，潛在生態危害程度輕微，其中Zn元素的潛在生態風險指數范圍為0.23～4.70，Cu元素的潛在生態風險指數范圍為2.31～36.84；對于Pb元素，潛在生態風險指數范圍為3.03～136.23；對于Cd元素，潛在生態風險指數范圍為9.88～173.43。由此可看出，Cd元素的潛在生態危害最大，各元素的潛在生態危害程度為Cd>Pb>Cu>Zn。

兩種方法都得出Zn元素的污染程度最低，但是對于其他3種元素的結果均不相同，這是各方法的要求不同造成的，具體采用何種方法應根據研究目的而定。根據潛在生態風險指數法的評價結果，Cd元素的潛在生態危害最大，但是根據地累積指數法的評價結果，只有40%的采樣點土壤Cd達到中等污染程度，其余屬無污染或輕度—中等污染程度，風險等級較低。在成杰民等[15]對Cu、Cd、Pb、Zn的積累速率的計算中發現，4種重金屬元素中雖然Cd的積累速率非常低，但由于其本身原始含量就較低，其年變化速率卻高于Cu、Zn，僅次于Pb，這從另一方面說明了Cd存在較大潛在風險。賈琳等[1]在對山東禹城農田土壤的研究中同樣發現其土壤中Hg和Cd潛在生態危害指數較大，存在較大的潛在生態風險。因為禹城為典型施肥區，其畜禽養殖和污灌以及城市化進程是造成土壤中Cd含量超過原有背景值的主要因素。

農田土壤的質量與人類的生產活動密切相關，因此對于農田土壤重金屬污染的危害應多從人類和生物的角度考慮，對毒性的研究要多加注意。潛在生態風險指數法不僅可以反映在一定環境中的全部污染物的影響，并且通過潛在生態危害指數的計算指出了其中應該特別注意的物質，所以對于污染的控制非常重要[16]。由此來看，采用潛在生態風險指數法對農田土壤重金屬污染進行評價更適合此次的研究目的。

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農田土壤的質量與人類的生產活動密切相關，因此對于農田土壤重金屬污染的危害應多從人類和生物的角度考慮，對毒性的研究要多加注意。潛在生態風險指數法不僅可以反映在一定環境中的全部污染物的影響，并且通過潛在生態危害指數的計算指出了其中應該特別注意的物質，所以對于污染的控制非常重要[16]。由此來看，采用潛在生態風險指數法對農田土壤重金屬污染進行評價更適合此次的研究目的。

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