秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬分布特征及生態(tài)風險研究

王愛雯 申婭 楊建波 郎利珠 吳岑岑 江水萍

摘要[目的]研究秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬分布特征及生態(tài)風險。[方法]以秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤為研究對象，采用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地質積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤中重金屬進行特征分析及生態(tài)風險評價。[結果]研究區(qū)域土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb 5種重金屬的平均含量均符合《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）二級標準要求，除Cr外，其余4種均高于重慶市土壤背景值。土壤中重金屬元素的污染程度從大到小依次為As、Cd、Hg、Cr、Pb，平均單項生態(tài)風險因子由強到弱依次為Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中Hg處于很強生態(tài)風險，另外4種重金屬均處于較低生態(tài)風險水平。[結論]該研究可為秀山縣生態(tài)環(huán)境保護提供科學參考。

關鍵詞秀山縣；重金屬；地質積累指數(shù)法；潛在生態(tài)危害指數(shù)法

中圖分類號X53文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）17-0053-04

Abstract[Objective]To study the distribution characteristics and ecological risk of heavy metals in agricultural soils of Xiushan County. [Method]Taking the agricultural soil in Xiushan County as the research object， the characteristics of heavy metals in the soil and ecological risk assessment were carried by the single factor pollution index method， nemero comprehensive pollution index method， geological accumulation index method and potential ecological hazard index method. [Result]The results showed that the average content of As， Cd， Cr， Hg， Pb were in accordance with the soil environment quality standard the secondary standard（GB15618—1995）in research area soil heavy metals. In addition， the average content of Cr was lower than the soil background values in Chongqing， the rest of the four kinds of heavy metal was higher than its background values. The pollution degree of heavy metals in soil ranged from big to small were As， Cd， Hg， Cr， Pb， the average individual ecological risk factors from strong to weak order were Hg， Cd， As， Pb， Cr， among them Hg was a high ecological risk， the other four kinds of heavy metal were at a lower ecological risk level. [Conclusion]The study can provide scientific reference for ecological environment protection in Xiushan County.

Key wordsXiushan County；Heavy metals；The geological accumulation index method；The index method of potential ecological harm

作者簡介王愛雯（1983—），男，重慶人，工程師，從事環(huán)境管理和監(jiān)測研究。

收稿日期2017-04-14

進入21世紀以來，人們對生態(tài)環(huán)境質量愈加關注，土壤環(huán)境質量成為關注的焦點之一。近年來，我國對土壤環(huán)境質量也越來越重視，尤其是“土十條”的頒布，把土壤污染防治提升為當前生態(tài)環(huán)境保護的重要工作。由于重金屬特有的生物富集性，能在生物鏈中轉移、傳遞，若長期暴露，會對人體健康產(chǎn)生嚴重危害，這已引起國內(nèi)外學者的廣泛關注[1-3]。土壤中的Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金屬（類金屬）通過食物鏈進入人體，嚴重影響人體健康，甚至是危害整個生態(tài)系統(tǒng)[4]。作為人體營養(yǎng)元素的重金屬，長期暴露或過量對人體有害[5]。

秀山縣位于重慶市生態(tài)保護發(fā)展區(qū)域，生態(tài)環(huán)境質量良好。但近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤環(huán)境質量也呈現(xiàn)不同程度的問題。筆者以秀山縣農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤為研究對象，檢測土壤中重金屬元素的含量水平，利用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地質積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對土壤重金屬進行特征分析和潛生態(tài)風險評價，以期為秀山縣生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集

按土壤利用性質，分類采集秀山縣農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域土壤樣品（包括飲用水水源地、農(nóng)田、菜地、居民生活區(qū)和其他等類別）。參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T 166—2004）[6]，使用雙對角線法設置采樣點，共采集10個混合樣品（其中1～5號為城市郊區(qū)土壤樣品，6～10號為重點生態(tài)保護區(qū)土壤樣品）。采樣時，先去除地表礫石及動植物殘體，使用硬質塑料鏟垂直挖取40 cm×40 cm土壤剖面，分層取樣后混合為1個代表樣品，取約1 kg樣品裝入樣品袋，帶回實驗室，剔除土壤中作物根系和石礫等雜物，置于實驗室內(nèi)自然風干。土壤風干后，用木棒粗磨，過2 mm孔徑尼龍篩后，采用四分法取均勻土樣在瑪瑙研缽中研磨，過100目尼龍篩后，取混勻樣品裝入塑料瓶中密閉保存，備用。

1.2樣品消解與測試

精確稱量0.5 g土壤樣品，經(jīng)鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸體系消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測定Cd、Pb、Cr含量，用原子熒光光度法測定Hg和As含量。土壤pH采用1.0∶2.5的土水質量比，用pH計測定。

1.3評價標準與評價方法

1.3.1評價標準。

選擇毒性較強的As、Cd、Cr、Hg、Pb 5類重金屬作為評價因子[7-8]，采用重慶市土壤背景值[9]和《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15168—1995）二級標準作為評價標準[10]。

1.3.2評價方法。

1.3.2.1單項污染指數(shù)法。

單項污染指數(shù)法以土壤重金屬元素的執(zhí)行標準為評價標準，能夠直觀地反映土壤中各項污染指標的情況，評價土壤受污染因子的污染程度。公式如下[11]：

式（1）中，Pi為土壤中污染物i的單項污染指數(shù)；Ci為調查點位土壤中污染物i的實測濃度（mg/kg）；Si為污染物i的評價標準值（mg/kg）。

1.3.2.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。

內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法以土壤污染指數(shù)最大值與土壤污染指數(shù)平均值為參數(shù)，對土壤污染狀況進行綜合評估。公式如下[8]：

式（2）中，P綜為土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pi，max為土壤污染指數(shù)最大值；Pi，ave為土壤污染指數(shù)平均值。根據(jù)P綜大小，綜合判定土壤重金屬污染程度（表1）。

1.3.2.3地質積累指數(shù)法。

近年來，國內(nèi)外常用地質積累指數(shù)法對土壤重金屬污染狀況進行評價。地質積累指數(shù)法是在評價中增加人為因素、環(huán)境地球化學背景值與自然成巖作用對背景值的影響，通過重金屬污染級別，反映沉積物中重金屬富集程度。公式如下[12]：

式（3）中，Igeo為地質積累指數(shù)；Ci為元素i在沉積物中的實測值（mg/kg）；BEi為元素i的化學背景值（mg/kg）；BEi為元素i的重慶市土壤元素背景值[7]；K值為1.5。Forstner等[13]將地質積累指數(shù)分為7個級別（表2）。

1.3.2.4潛在生態(tài)危害指數(shù)法。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法（Hakanson）可以定量評估潛在的生態(tài)風險和危害程度，將土壤重金屬含量、重金屬生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯(lián)系在一起，采取具有可比性、等價屬性指數(shù)分級法進行評價。公式如下：

式（4）中，RI為重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)；Eir是元素i潛在的生態(tài)風險系數(shù)；Tir是元素i的毒性系數(shù)；Cir是元素i的污染參數(shù)；Cin是重慶市土壤元素背景值[7]；ci是土壤中重金屬的測試濃度。Hakanson根據(jù)“元素豐度原則”和“元素稀釋度”，對毒性響應系數(shù)進行規(guī)范處理后定值為Hg=40，Cd=30，As=10，Pb=Cu=5，Cr=Ni=2，Zn=1。潛在生態(tài)風險系數(shù)（Eir）與潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）分別分為5個等級和4個等級[14]（表3、4）。

2結果與分析

2.1重金屬含量統(tǒng)計及特征

由表5可知，研究區(qū)域土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb 5種重金屬的平均含量分別為1960、022、27.80、0.29、22.40 mg/kg，各因子平均含量均低于《土壤環(huán)境質量標準》二級標準限值要求，說明研究區(qū)土壤環(huán)境質量狀況總體良好。但與重慶市土壤背景值相比較，除Cr低于重慶市土壤背景值外，其余4種重金屬均高于其背景值。按采樣點樣品的單個重金屬超標率統(tǒng)計，全部采樣點僅有Cr達標，Cd、Pb超標率均為40%，As、Hg的超標率均為100%，其中Hg與背景值的比值遠超過其他5種，是背景值的784倍。5種重金屬變異系數(shù)為22.0%～61.2%，其中Cd的變異系數(shù)最高，表明研究區(qū)域土壤已經(jīng)受到人為活動的影響[15]，同時反映出Cd受人為因素影響較為明顯；Pb的變異系數(shù)最小，可能是受自然因素的影響[16]。

2.2重金屬污染評價

單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和地質積累指數(shù)法評價結果見表6。

單項污染評價結果表明，研究區(qū)域土壤中5種重金屬元素的污染程度從大到小依次為As、Cd、Hg、Cr、Pb。不同采樣點土壤重金屬的污染程度表現(xiàn)為Cd、Hg、Cr、Pb單項污染指數(shù)均小于1，說明這4種重金屬均未對研究區(qū)土壤產(chǎn)生污染；2、7、10號采樣點As的單項污染指數(shù)分別為1.33、1.02、1.01，說明該區(qū)域土壤受輕微污染，與其他4種重金屬比較，As污染指數(shù)總體偏高，說明各采樣點的As可能有相似的來源或污染途徑。用土壤污染分擔率分析，As、Cd、Cr、Hg和Pb分擔率從大到小依次為As（50.9%）、Cd（22.0%）、Hg（17.0%）、Cr（5.9%）、Pb（38%），說明As、Cd、Hg是土壤主要重金屬污染物。As的最大值超標倍數(shù)最大，個別采樣點位As超標不容忽視。農(nóng)業(yè)區(qū)域中重點生態(tài)保護區(qū)（采樣點6～10）與城市郊區(qū)（采樣點1～5）比較發(fā)現(xiàn)，城市郊區(qū)土壤樣品中As、Cd、Cr、Hg和Pb的污染指數(shù)普遍高于重點生態(tài)保護區(qū)，這可能與城市郊區(qū)的人為活動有關。

內(nèi)梅羅綜合污染評價結果表明，研究區(qū)域土壤平均污染指數(shù)為0.650，各采樣點污染指數(shù)均未超過1，土壤污染程度安全，土壤污染水平清潔。2、5、7、10號采樣點，土壤污染處于警戒線內(nèi)，其中2、5、10號采樣點與As元素超標，5號采樣點與As、Cd元素濃度接近標準限值有關。

地質積累評價結果表明，研究區(qū)域土壤中Cd、Cr、Pb的地質積累指數(shù)均小于0，表明土壤未受Cd、Cr、Pb的污染，污染等級為0，但As、Hg地質積累指數(shù)在0～1，表明土壤受As、Hg污染，污染程度為輕污染，污染等級為輕度。比較發(fā)現(xiàn)，在地質積累指數(shù)法統(tǒng)計中，除Cd、Cr、Pb外，各采樣點土壤Hg的地質積累指數(shù)均大于As，這與評價時采用的重慶地區(qū)土壤背景值密切相關，同時也說明研究區(qū)域土壤受Hg的污染程度明顯大于As，這與土壤重金屬含量統(tǒng)計及特征的結果基本一致。

2.3潛在的生態(tài)風險評價

由表7可知，研究區(qū)域土壤中5種重金屬平均單項生態(tài)風險因子的風險程度由強到弱依次為Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中As、Pb、Cr處在輕微生態(tài)風險，Cd處在中度生態(tài)風險，Hg處在很強生態(tài)風險，需引起重視。從各個采樣點分析，研究區(qū)域土壤中5種重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)在217.3～610.7，10個采樣點中，有3個采樣點處于中等生態(tài)風險，6個采樣點處于強生態(tài)風險，1個采樣點處于很強生態(tài)風險，整個研究區(qū)域污染程度屬于強生態(tài)風險。從單項生態(tài)風險因子的貢獻率看，Hg的比例高達79.1%，說明Hg是研究區(qū)域土壤質量的首要風險因子，這與地質累積指數(shù)法評價結果一致。城市郊區(qū)（采樣點1～5）土壤潛在生態(tài)風險高于重點生態(tài)保護區(qū)（采樣點1～6），整個研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風險均值為396.4，處于強生態(tài)危害等級，需采取防治措施，確保土壤環(huán)境安全。

3結論

（1）研究區(qū)域土壤中5種重金屬As、Cd、Cr、Hg、Pb的平均含量分別為19.60、0.22、27.80、0.29、22.40 mg/kg，符合《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15168—1995）二級標準要求，除Cr外，其余4種均高于重慶市土壤背景值。

（2）單項污染評價結果表明，研究區(qū)域土壤中5種重金屬元素的污染程度從大到小依次為As、Cd、Hg、Cr、Pb。內(nèi)梅羅綜合污染評價結果表明，研究區(qū)域土壤平均污染指數(shù)為0650，為清潔水平。

（3）地質積累評價結果表明，研究區(qū)土壤受As、Hg污染，污染程度為輕污染。參考重慶地區(qū)土壤背景值，研究區(qū)域土壤受Hg的污染程度大于As。

（4）潛在的生態(tài)風險評價結果表明，研究區(qū)域土壤中5種重金屬的平均單項生態(tài)風險因子由強到弱為Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中Hg處于很強生態(tài)風險，另外4種均處于較低生態(tài)風險水平。城市郊區(qū)土壤潛在生態(tài)風險高于重點生態(tài)保護區(qū)，整個研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風險為396.4，屬于強生態(tài)危害等級，需采取防止措施，確保土壤環(huán)境安全。

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