武漢市新城區(qū)菜地土壤重金屬含量狀況及污染評價

郭翠英++王素萍++陳鋼++洪娟++黃翔++杜雷++練志成

摘要：為了了解武漢市新城區(qū)蔬菜種植基地土壤重金屬含量狀況，對其主要種植區(qū)（黃陂區(qū)）的土壤進(jìn)行了取樣調(diào)查，測定土壤中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn 8種重金屬的含量，以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)值，采用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對其進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，黃陂區(qū)菜地各項土壤重金屬含量變幅均較大；采用單因子污染指數(shù)法對調(diào)查區(qū)土壤進(jìn)行評價，結(jié)果顯示As、Cr、Pb、Zn均處于清潔水平，Cu、Ni、Cd、Hg的超標(biāo)率依次為5.20%、0.58%、15.61%、2.90%，Hg和Cd的污染普遍性及污染程度都是最大的，評價指數(shù)分別達(dá)4.47和10.94；采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行評價，結(jié)果顯示調(diào)查區(qū)域有10.40%的土壤處于污染水平，大部分土壤處于清潔水平。對土壤重金屬與pH進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明Ni、As含量與pH呈極顯著正相關(guān)；Pb、Hg含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：菜地土壤；重金屬；污染評價；武漢市城區(qū)

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）01-0043-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.012

Analysis and Assessment on Heavy Metal Contents of Vegetable Plantation Soils in New Urban District of Wuhan

GUO Cui-ying1，2，WANG Su-ping2，CHEN Gang2，HONG Juan1，2，HUANG Xiang2，DU Lei2，LIAN Zhi-cheng2

（1.College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；

2.Institute of Crop Sciences，WAAST，Wuhan 430345，China）

Abstract： To understand the situation of heavy mental pollution in Wuhan vegetable soil， some soil samples were conducted in the main vegetable bases（Huangpi region） of Wuhan， the contents of As， Hg， Cd， Cr， Cu， Ni， Pb， Zn in soil were measured， and pollution risk was assessed by single cumulative index method and Nemerow pollution index method. The results showed that the variation range of the heavy metal content of vegetable plantation soils was large. The results of pollution risk evaluated by single cumulative index indicated that the contents of As， Cr， Pb and Zn were at the level of security， but Cu， Ni， Cd and Hg were higher than standard， the percentage was 5.20%，0.58%，15.61%，2.89% respectively， and pollution levels of Hg and Cd were the biggest， the evaluation index were 4.47 and 10.94. The results of pollution risk evaluated by Nemerow pollution index showed that， only 10.40% of the soil were in the pollution level， so， most soil of the vegetable plantation was safe level. In addition， Ni content and As content were significantly positively related with pH values in soil， Pb and Hg had negative relation with pH values.

Key words： vegetable soils； heavy metal； pollution assessment； new urbart district of Wuhan city

中國城市化和工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，越來越多的污染物被排放到環(huán)境中，加上為追求高產(chǎn)造成的農(nóng)用化學(xué)品的過量施用，均可導(dǎo)致重金屬元素在土壤中不斷積累[1]。由于蔬菜和農(nóng)作物能從污染的土壤中吸收重金屬，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體[2，3]，從而影響人類健康[4]。國內(nèi)曾系統(tǒng)地對北京[5]、上海[6]、廣州[7]、天津[8]、長沙[9]、杭州[10]、重慶[11]、海口[12]等城市的菜地土壤重金屬污染狀況做了一系列調(diào)查研究工作，結(jié)果表明，中國部分城市的菜地土壤受到了不同程度和不同種類的重金屬污染，其中，廣州市菜地土壤重金屬砷和鉛的污染最為普遍，超標(biāo)率分別達(dá)到了23%、41%[7]；長沙市郊區(qū)菜園土壤中鎘和汞的污染較嚴(yán)重[9]；重慶市蔬菜基地環(huán)境質(zhì)量總體較好，但是汞和鎘等重金屬出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)[11]。目前，對武漢市土壤重金屬的研究主要集中在湖泊沉積物、工廠附近土壤、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)周圍土壤以及城市土壤[13-16]，但是對菜地土壤重金屬的相關(guān)研究較少。

隨著城市的擴(kuò)大和居住人口的增多，蔬菜需求量日益增多，已有蔬菜基地復(fù)種指數(shù)越來越高，農(nóng)用物資的投入也呈逐年遞增趨勢，新的蔬菜基地不斷在建設(shè)。武漢市黃陂區(qū)是武漢市蔬菜種植面積最大的一個區(qū)，同時也是蔬菜產(chǎn)量最大的區(qū)域[17]。因此，對菜地土壤重金屬污染狀況的調(diào)查和評價很有必要，本研究以黃陂區(qū)為例，對該區(qū)域蔬菜生產(chǎn)基地的土壤重金屬的污染情況進(jìn)行調(diào)查，對該區(qū)域的農(nóng)作物種植的安全生產(chǎn)以及區(qū)域規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃陂區(qū)位于武漢市中心城區(qū)的北部，地理位置為北緯30°41′-31°22′，東經(jīng)114°9′-114°37′。南北長104 km，東西寬55 km，總面積為2 261 km2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有光照充足、雨量充沛等優(yōu)點，是武漢市面積最大和人口最多的一個新城區(qū)[18]。

1.2 樣點布設(shè)及采樣方法

研究對象為黃陂區(qū)大型蔬菜種植基地，根據(jù)不同種植基地的種植面積，并兼顧布點的均勻性、科學(xué)性和代表性的原則，于2015年5月至8月對上季已收獲下季尚未種植的28個蔬菜種植基地的耕作層土壤（0～20 cm）進(jìn)行樣品采集，共采得土壤樣品173個。采用多點混合采樣法，充分混合后采用“四分法”留取1 kg土壤，帶回實驗室風(fēng)干，除去可見的植物殘體和礫石，碾碎，過100目篩裝袋，供化學(xué)分析用。

1.3 測定指標(biāo)及方法

稱取過0.149 mm（100目）篩的土壤樣品，采用鹽酸-硝酸水浴消解，利用AFS-9700原子熒光光度計測定As、Hg含量；用硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，用ICP-MS測定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量。

1.4 重金屬污染評價

采用國家《土壤重金屬污染評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）二級標(biāo)準(zhǔn)為評價基準(zhǔn)值，應(yīng)用單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對蔬菜種植基地的重金屬污染程度進(jìn)行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4.1 單因子污染指數(shù)評價法 單因子污染指數(shù)是土壤環(huán)境質(zhì)量評價的常見指標(biāo)。其評價模式為：Pi=Ci/Si，Pi為土壤中污染物i的單項污染指數(shù)；Ci為污染物i的實測值；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)。Pi>1表示土壤受污染；Pi≤1表示土壤未受污染。Pi值越大，則受污染程度越嚴(yán)重，Pi≤1表示未污染；13表示重度污染。

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前土壤環(huán)境質(zhì)量評價的常用方法，在進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評價以及土壤污染程度的比較時具有較強(qiáng)的實用性，可以使不同污染物間和不同地域間環(huán)境質(zhì)量的比較成為可能。綜合污染指數(shù)法評價采用內(nèi)梅羅公式計算。

P綜=■

式中，P綜為土壤污染綜合指數(shù)；P為各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值；Pimax為各污染物中最大污染指數(shù)。參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，P綜≤0.7表示安全；0.73表示重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃陂區(qū)蔬菜種植基地土壤重金屬含量狀況

由表2可知，黃陂區(qū)蔬菜種植基地的土壤中重金屬含量變化范圍較大，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量范圍分別為0.08～10.85、0.05～3.28、11.13～66.34、20.28～117.28、0.02～2.23、3.32～49.67、2.95～21.80、30.84～156.77 mg/kg，變異系數(shù)在31.13%～292.11%，其中Cd、Hg的變異系數(shù)較大，說明其分布的不均勻程度較高。土壤中重金屬的平均含量與湖北省土壤背景值相比，Hg的平均含量超過背景值，Cu的平均含量接近背景值，As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的平均含量低于背景值。其中所有采樣點的As、Cr、Pb的含量均低于湖北省土壤背景值，Cd的含量高于背景值的樣點數(shù)占總數(shù)的19.08%，Cu占總數(shù)的67.63%，Hg占總數(shù)的53.76%，Ni占總數(shù)的1.73%，Zn占總數(shù)的17.34%。Cd、Cu、Hg、Ni、Zn最大含量依次為相應(yīng)背景值的19.07、3.82、27.88、1.33、1.88倍，說明Cd、Cu、Hg、Ni、Zn在土壤中有不同程度的積累，并且Cd、Hg積累的現(xiàn)象比較明顯。

2.2 黃陂區(qū)蔬菜種植基地土壤重金屬含量狀況評價

2.2.1 單因子污染指數(shù) 以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)為評價基準(zhǔn)值，采用單因子污染指數(shù)法對采樣土壤進(jìn)行評價，結(jié)果見表3，其中As、Cr、Pb、Zn均處于清潔水平，Cu、Ni、Cd、Hg有不同程度的重金屬污染，Hg和Cd污染程度較大，單因子污染評價值高達(dá)4.47和10.94。Cu、Ni只有部分土樣達(dá)到輕度污染水平，所占的比例分別為5.20%、0.58%；Cd在輕度污染、中度污染、重度污染水平都有分布，分別占樣本總數(shù)的6.94%、4.62%、4.05%；Hg中度、重度污染水平皆有分布，分別占樣本總數(shù)的1.16%、1.16%。總體來說，Cd無論從污染的普遍性還是污染的程度都是最大的。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù) 以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)為評價基準(zhǔn)值，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對采樣區(qū)土壤進(jìn)行評價的結(jié)果見表4。該區(qū)土壤大部分處于警戒限以下，輕度、中度和重度污染都有分布。低于警戒限的土壤占樣本總數(shù)的89.60%；處于輕度、中度、重度污染水平的土壤分別占樣本總數(shù)的5.20%、1.73%、3.47%。采用該評價方法能綜合表征土壤中多種重金屬的污染水平，但是會突出高濃度重金屬元素對總體重金屬污染水平的影響。評價結(jié)果表明，大部分蔬菜種植基地土壤處于清潔水平，適宜健康蔬菜的生產(chǎn)。對于綜合污染指數(shù)較高的土壤，可以先分析高濃度重金屬，通過對高濃度重金屬的改善來提高土壤的整體質(zhì)量水平。

2.3 黃陂區(qū)蔬菜種植基地土壤重金屬含量之間的相關(guān)性

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果（表5），調(diào)查區(qū)土壤中Ni、Pb、As、Hg與pH間的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，其中Ni、As與pH呈極顯著正相關(guān)，Pb、Hg與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。對土壤重金屬元素間進(jìn)行相關(guān)性分析，可以判斷土壤中重金屬的來源是否相同，存在顯著相關(guān)關(guān)系的元素來自相同來源的可能性較大[19]。分析8種重金屬之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示，多種重金屬之間的相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著水平，其中Cr與Cu、Zn、Pb、As呈極顯著相關(guān)，Ni與Cu、Cd、Pb呈極顯著相關(guān)，Zn與Pb、As呈極顯著相關(guān)，Pb與As呈顯著相關(guān)，說明土壤中Cu、Zn、Pb、As元素可能有相同的來源。

3 結(jié)論

調(diào)查區(qū)域菜地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量范圍較大，依次為0.08～10.85、0.05～3.28、11.13～66.34、20.28～117.28、0.02～2.23、3.32～49.67、2.95～21.8、30.84～156.77 mg/kg。其中，Cd、Hg的變異系數(shù)較大，說明其分布的不均勻程度較高，可能是存在外源污染造成的。

將測定結(jié)果與湖北省土壤背景值進(jìn)行比較，并以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)值評價其單因子污染指數(shù)，表明土壤的As、Cr、Pb、Zn的含量水平皆處于警戒限下，Hg、Cd、Cu、Ni都存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，其中Cd、Hg的超標(biāo)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。由于采樣區(qū)域周圍沒有大型的工廠等其他明顯的污染源，分析Hg超標(biāo)的現(xiàn)象可能是由于長期使用含汞的肥料或農(nóng)藥造成的[20]。由于磷肥的生產(chǎn)原料磷礦石含有Cd等重金屬，以及肥料生產(chǎn)工藝流程的污染，磷肥中常含有重金屬元素等副成分，菜地土壤Cd超標(biāo)可能與長期超量施用磷肥有關(guān)[21]。另外，針對本研究區(qū)域土壤中Hg超標(biāo)的現(xiàn)象，可以通過施石灰、硫酸亞鐵等方法來調(diào)節(jié)土壤的pH進(jìn)行改善。

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對采樣區(qū)土壤進(jìn)行評價，結(jié)果表明，低于警戒限的土壤占樣本總數(shù)的89.60%，處于污染水平的土壤占樣本總數(shù)的10.40%，且其中5.20%的土壤處于輕污染水平，對于5.20%的中度、重度重金屬污染區(qū)域，必須采用合理的措施進(jìn)行改善，從而為蔬菜的生產(chǎn)提供健康的環(huán)境。由于本評價以國家土壤環(huán)境質(zhì)量評價二級標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)值，評價要求較低，對于生產(chǎn)綠色蔬菜的種植基地，需以更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

通過土壤中8種重金屬及pH的相關(guān)性分析，表明Ni、Pb、As、Hg與pH的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，其中Ni、As與pH呈極顯著正相關(guān)，Pb、Hg與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。本研究與翟琨等[22]對恩施市蔬菜基地土壤重金屬的研究土壤中Hg含量與pH呈顯著負(fù)相關(guān)一致。此外，多種重金屬之間也存在一定的相關(guān)性，這與姚春霞等[23]對上海市浦東新區(qū)蔬菜地土壤重金屬的研究結(jié)論Cd、Zn、Cu、Pb、Hg、As相互之間統(tǒng)計檢驗相關(guān)性達(dá)極顯著水平基本一致。

參考文獻(xiàn)：

[1] HU X F，WU H X，HU X. Impact of urbanization on Shanghais soil environmental quality[J].Pedosphere，2004，14（2）：151-158.

[2] 謝正苗，李 靜，徐建明，等.杭州市郊蔬菜基地土壤和蔬菜中Pb、Zn和Cu含量的環(huán)境質(zhì)量評價[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27（4）：742-747.

[3] 尹 偉，盧 瑛，甘海華，等.佛山市某工業(yè)區(qū)周邊蔬菜地土壤金屬含量與評價[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，28（3）：508-512.

[4] PAPAZOGLOU E G， SERELIS K G， BOURANIS D L， et al. Impact of high cadmium and nickel soil concentration on selected physiological parameters of Arundo donax L.[J].European Journal of Soil Biology，2007，43（4）：207-215.

[5] 叢 源，鄭 萍，陳岳龍，等.北京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險評價[J].地質(zhì)通報，2008，27（5）：681-688.

[6] 王 軍，陳振樓，王 初，等.上海崇明島蔬菜地土壤重金屬含量與生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（3）：647-653.

[7] 魏秀國，何江華，陳俊堅，等.廣州市蔬菜地土壤重金屬污染狀況調(diào)查及評價[J].土壤與環(huán)境，2002，11（3）：252-254.

[8] 李雪梅，王祖?zhèn)ィ囆∥?天津郊區(qū)菜田土壤重金屬污染環(huán)境質(zhì)量評價[J].天津師范大學(xué)學(xué)報，2005，25（1）：69-72.

[9] 李明德，湯海濤，湯 睿，等.長沙市郊蔬菜土壤和蔬菜重金屬污染狀況調(diào)查及評價[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005（3）：34-36.

[10] 徐玉裕，史 堅，周侶艷，等.杭州地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中重金屬的分布特征及其環(huán)境意義[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28（4）：74-80.

[11] 張大元.重慶市蔬菜基地土壤環(huán)境質(zhì)量狀況及對策措施[J].四川環(huán)境，2010（6）：58-61.

[12] 何玉生，廖香俊，倪 倩，等.海口市蔬菜基地土壤和蔬菜中重金屬的分布特征及污染評價[J].土壤通報，2015，46（3）：721-726.

[13] 唐陣武，岳 勇，程家麗.武漢市中小河流沉積物重金屬污染特征及其生態(tài)風(fēng)險[J].水土保持學(xué)報，2009，23（1）：132-136.

[14] 張 貝，李衛(wèi)東，張傳榮.武漢東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)土壤重金屬污染狀況及影響因素[J].環(huán)境化學(xué)，2013，32（9）：1714-1722.

[15] 王 凱，凌其聰.武漢市城市土壤重金屬粒徑分布特征[J].環(huán)境化學(xué)，2013，32（12）：2329-2334.

[16] 李 晶，凌其聰，嚴(yán) 莎，等.武漢市重工業(yè)區(qū)周緣環(huán)境中鎘的分布及其危害性[J].長江流域資源與環(huán)境，2010，19（10）：1219-1225.

[17] 丁 健，朱 濤，張 潔.武漢市蔬菜市場調(diào)查分析[J].北方園藝，2012（22）：198-202.

[18] 羅洋洋.武漢市黃陂區(qū)耕地質(zhì)量空間分布特征研究[D].武漢：湖北大學(xué)，2013.

[19] 朱建軍，崔保山，楊志峰，等.縱向嶺谷區(qū)公路沿線土壤表層重金屬空間分異特征[J].生態(tài)學(xué)報，2006，26（1）：146-153.

[20] 尹 偉，盧 瑛，李軍輝，等.廣州城市土壤汞的分布特征及污染評價[J].土壤通報，2009，40（5）：1184-1188.

[21] 高陽俊，張乃明.施用磷肥對環(huán)境的影響探究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2003，19（6）：162-165.

[22] 翟 琨，向東山.恩施市蔬菜基地土壤養(yǎng)分及重金屬污染狀況評價[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，43（12）：69-72.

[23] 姚春霞，陳振樓，許世遠(yuǎn)，等.上海市浦東新區(qū)蔬菜地土壤重金屬含量及評價[J].土壤，2005，37（5）：517-522.