探析長期污灌農田土壤重金屬污染與潛在環境風險評價

郭東興

（河南省地質環境勘查院河南鄭州450000）

探析長期污灌農田土壤重金屬污染與潛在環境風險評價

郭東興

（河南省地質環境勘查院河南鄭州450000）

中國是世界公認的13個貧水國之一，同時也是水污染較為嚴重的國家。為緩解農業用水，引污水灌溉農田在我國北方缺水地區非常普遍。污灌不僅能顯著提高土壤肥力、促進糧食生產，還能有效緩解農業用水緊張，解決城市污水排放等問題。但與此同時，伴隨污灌，也造成各種重金屬元素在土壤中富集，通過土壤-作物系統中遷移和食物鏈傳輸，對人體健康構成嚴重威脅。為促進區域生態環境建設和保障農產品安全，眾多學者圍繞污灌區土壤重金屬環境容量、重金屬在土壤-作物系統中賦存形態及遷移轉化、土壤生物及上覆植被重金屬污染響應、土壤重金屬復合污染評價等方面開展了一系列研究，并取得豐碩成果。但相比較而言，針對我國西北干旱半干旱地區開展污灌農田土壤重金屬潛在環境風險的研究則相對較少。為此，本文以某市典型污灌區為研究對象，系統分析長期污灌條件下土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的含量及富集狀況，并采用內梅羅指數法和Hakanson潛在生態危害指數法對該區土壤重金屬污染現狀與潛在環境風險進行評價，旨在為西北地區污灌農田土壤重金屬污染防治、區域環境保護，以及土地利用結構調整提供必要理論及決策依據。

污水灌溉土壤重金屬污染評價潛在環境風險評價

1　材料與方法

1.1研究區概況及數據采集

研究區位于該市西北郊灃惠渠灌區，面積14.27 km2，介于北緯34°18′～34°20′，東經108°20′～108°50′之間，屬暖溫帶半干旱大陸季風性氣候，年均氣溫13.4℃，平均降水量580.17 mm，全年盛行東北風和西南風；該區地勢平坦，海拔380～385 m，成土母質為沖積性次生黃土，土層深厚，質地勻細，以黃綿土（按中國土壤系統分類為石灰干潤雛形土，CalcaricUstic Cambosols）為主，土壤養分含量較高。

本研究經多次實地走訪、查閱相關資料，在當地農戶協助下確定農田污灌年限及離灌渠距離，于2010年5月小麥收獲前，按隨機均勻布點方式采集農田土壤樣品52份。在每個樣點周圍5 m×5 m正方形范圍內設置6～28個樣品采集點，在每個采集點用塑料鏟取表層土壤（0～20 cm）0.5 kg，均勻混合后取2 kg裝袋帶回，并用GPS記錄正方形中心位置為該采樣點坐標，樣點分布見圖1。采集土樣在室內陰涼處自然風干，撿出石塊、根須等異物，用木棒、瑪瑙研缽等工具磨碎后過100目尼龍網篩，裝瓶備用。土壤重金屬含量（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）參照國家土壤環境質量標準（GB 15618—1995）進行測定，并在測試過程中加入標準土壤樣品（GSS17和GSS19）進行質量控制，分析過程所用試劑為優級純；土壤pH值按土水比1∶2.5比例混合、攪拌、靜置，pH計測定。

圖1　研究樣區與采樣點分布

1.2數據處理

在本研究中，對土壤重金屬數據整理和描述統計用Excel 2010完成，統計分析用SPSS 19.0軟件完成，研究區及樣點分布圖用ArcGIS 9.3.1軟件完成。

2　結果與討論

2.1土壤重金屬含量及富集狀況

表1為研究區污灌農田土壤重金屬描述統計結果。8種土壤重金屬平均含量分別為As 9.88 mg·kg-1、Cd 1.45 mg·kg-1、Cr 88.41 mg·kg-1、Cu 52.24 mg·kg-1、Hg 1.38 mg·kg-1、Ni 34.14 mg·kg-1、Pb 55.01 mg·kg-1和Zn 151.16 mg·kg-1。經與當地背景值比較發現，Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 7種元素的平均含量均高于自然背景水平，其中Cd、Cu、Hg和Zn的富集比例達到100%，Cr、Ni和Pb的樣品富集個數也分別有43、42和51個；在8種土壤元素中，僅有As的平均含量略低于背景水平；按富集比例排序為Cd=Cu=Hg=Zn>Pb> Cr>Ni>As，前7種元素在表層土壤中已呈現不同程度累積，僅有As保持相對清潔。此外，通過比較各元素富集倍數還發現，土壤Hg和Cd的平均含量分別達到本地區背景含量的10倍和5倍，表明該區由于長期污水灌溉，已導致農田土壤Hg、Cd元素的顯著富集，應引起農業環境部門重視。

表1　污灌區農田土壤重金屬含量描述統計

在地球環境化學中，土壤元素的累積通常伴隨變異性的增強。因此，作為反映環境變量總體波動特征的參數———變異系數，在一定程度上可用于表征各元素的累積狀況。由表1可知，8種土壤重金屬變異系數介于10%～90%之間，Cd的變異系數最大，為85.84%，其次為Zn和Hg，分別為64.29%和61.68%，As的變異系數最小，僅為12.86%。土壤重金屬按其變異系數大小可排序為Cd> Zn>Hg>Cu>Cr>Pb>Ni>As。其中，Ni和As的變異系數介于10%～15%之間，屬弱變異，反映該兩種元素可能受自然成土因素長期均一化作用，所受人為干擾較少，致使其變幅較小；其余6種元素的變異系數主要集中在25%～100%之間，屬中等強度變異。由此不難發現Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn除了具有較高富集系數外，同時還具有較大變異性，這預示著長期污灌對其含量分布存在更多人為因素的擾亂。

2.2土壤重金屬污染評價

經上述統計，發現Hg、Cd、Zn、Cu、Pb、Cr和Ni已在表層土壤中有不同程度富集。為合理規劃農業生產結構，保障土壤資源可持續利用，本研究選用國家《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）作為污染評價閾值，對8種重金屬污染現狀進行評價，結果見表2。

由于該區土壤pH值介于7.91～8.89之間，呈微堿性環境，故選擇國家土壤環境質量標準pH>7.5的二級限量值作為污染判斷閾值。由表2可知，8種土壤重金屬中，僅有Cd、Hg的單項污染指數平均值大于1，分別為2.42和1.38，屬中度污染和輕度污染；其余6種元素的污染指數均低于0.70，總體為清潔水平。按單因子污染指數平均值依次排序為Cd>Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr>Pb。

分別將52份土壤樣品的重金屬含量與污染限量值比較后發現：①所有樣品As、Ni、Pb含量均低于國家土壤環境質量二級標準25、60 mg·kg-1和350 mg·kg-1，屬清潔或警戒水平；②所有樣品中，有2～3份土樣的Cr、Cu和Zn含量高于其對應限量值，達到污染水平，其中有1份樣品的Zn含量超過污染標準（300mg·kg-1）2倍，屬中度污染，其余為輕度污染；③對于Cd、Hg而言，則分別有42份和30份樣品的污染指數大于1，其余未超過污染標準，在所有已污染樣品中，分別有38.46%和42.31%的樣品Cd、Hg含量達到所規定的輕度污染，19.23%和7.69%處于中度污染，剩余23.08%和7.69%達到重度污染；④由于該區土壤Cd、Hg污染較為普遍，已導致所有樣品綜合污染指數較高，其中76.92%的樣品受到不同程度污染，僅有不足5%的樣品綜合污染指數低于0.7，處于安全水平。

從評價結果來看，該區農田土壤Cd、Hg、Cr、Cu、Zn 5種元素已表現出不同程度污染，其中Cd和Hg污染尤為嚴重。由于國家《土壤環境質量標準》中Pb、Cu和Zn的污染限量值分別為350、100mg·kg-1和300mg·kg-1，盡管此3種元素的富集比例均已超過98%，但其含量仍遠低于污染限量值，從而導致其污染指數普遍較低；而對于Ni而言，即使其富集倍數僅為自然背景水平的1.09倍，但由于其污染限量值僅為60mg·kg-1，從而導致其平均污染指數仍較高于Cu、Zn、Pb等元素。

2.3土壤重金屬環境風險評價

8種土壤重金屬的環境風險系數（Eir）及綜合危害指數（RI）如表3所示。由表可知：①As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn 6種元素的環境風險指數Eir均低于40，其污染風險輕微；②而對于Cd元素而言，僅有30.77%的土樣污染風險處于輕微水平，其余69.23%的Eir≥40，其中，80≤Eir<160的樣品占25.00%，Eir≥160的樣品達到13.46%，總體上講該區土壤Cd具有較強環境風險；③相對元素Cd，Hg的毒性響應系數則更高（Tir=40），其平均Eir值達到了221.57，具有強污染風險，在52份土壤樣品中，Hg的Eir均大于80，其中介于80～160之間的樣品占42.31%，而大于160的樣品則有57.69%，可見該區土壤具有極強Hg污染風險，應高度重視；④按照各元素平均Eir大小排序為Hg>Cd>Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn。

表2　污灌區土壤重金屬污染狀況

表3　污灌區各土壤重金屬的潛在環境風險指數統計

本區土壤Cd、Hg具有較強污染風險，從而導致其綜合環境風險增強，平均RI值達到335.16，總體處于強風險水平；在52份土壤樣品中，51.93%的樣品呈現“強”或“極強”環境危害。可見，長期污水灌溉已對當地農業安全生產構成嚴重威脅。

在本研究中，土壤重金屬污染評價結果與環境風險評價結果之間存在一些差異，主要區別在As、Pb和Zn 3種元素。As雖在本研究中富集倍數最低，尚未受到污染，但由于其生物毒性效應較高（Tir=10），其環境風險也隨之上升；反之，由于Zn是一種重要的植物營養元素，其毒性響應系數最小（僅為1），其環境風險亦降至最低；而元素Pb由于其風險評價參比值較低（Cin=25 mg·kg-1），導致其在環境風險中的排序相對污染排序有所上升。

在本研究中，污染評價是通過實測值與國家土壤環境質量標準限量值比較而實現的，主要側重揭示外源重金屬的土壤累積程度，強調農田土壤按照國家限量標準是否達到污染水平；而環境風險評價則除了考慮工業化以來各種人為因素引起表層土壤重金屬累積程度外，還側重考慮了不同元素對生物的毒性影響，并通過加權求和突出了多元素污染風險的協同效應，這為決策者從作物安全角度理解重金屬污染、進行科學決策提供了更豐富的信息。

3　結論

（1）在長期污灌條件下，灌區土壤重金屬按污染指數由強至弱依次為Cd>Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr>Pb，其中，Cd和Hg污染尤為嚴重。

（2）各種重金屬污染對灌區農田土壤構成潛在環境風險由強至弱排序為Hg>Cd>Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn；其中Cd和Hg的影響占據主導，導致該區總體上具有很強環境風險，對農業安全生產構成嚴重威脅。

（3）污灌歷史、與渠距離遠近均對土壤重金屬的污染狀況及潛在環境風險構成顯著影響。鑒于該區土壤重金屬已表現出較強生態危害性，應及時采取必要防治措施，調整土壤利用結構，確保農田環境及農產品安全生產。

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-356-3