三峽庫區庫尾典型農用地土壤重金屬污染特征及潛在風險

王金霞，羅 樂，陳玉成，何清明，詹玲玲

（1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；2.西南大學資源環境學院，重慶 400715；3.江蘇省泰州學院，江蘇 泰州 225300）

重金屬導致土壤肥力不斷退化，大幅降低農作物的產量和質量。重金屬可以通過食物鏈在人體和其他生物體內富集，從而對人類的健康產生威脅[1-2]。土壤重金屬污染的特點主要有以下3個：隱蔽性、不可逆性以及長期性。由于工業化的快速發展，導致土壤中重金屬的污染越來越嚴重[3-6]。《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[7]對土壤中 8 種重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）的篩選值進行了規定。為保障農業生產和維護人體健康，應加強對農用地土壤重金屬的分布特點及其可能存在的生態風險進行深入了解。現階段，土壤重金屬環境質量評價的方法較多，例如地累積指數法[5]、潛在生態風險指數法[8]、富集因子法[9]、正定矩陣因子分解法[10]、單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法[11]等。國際上關于土壤重金屬的研究最具系統性、科學性的方法是潛在生態風險指數法。潛在生態風險指數法不但考慮了重金屬的含量，同時還把重金屬的生態效應和生物毒性進行有效的關聯，對重金屬潛在的生態風險進行了定量的劃分，從而對重金屬進行有效的評價。該方法在土壤重金屬研究中的應用非常廣泛。內梅羅污染指數法可以針對不同種類的重金屬元素對土壤產生的具體作用進行全面的體現。該方法最大的優勢在于重點分析高濃度重金屬元素對環境產生的影響作用[11]。國內學者結合我國農用地的特點在農用地分級管理及規劃等方面取得了重要成果[12]。

重慶市江津區位于三峽庫區庫尾，是三峽庫區糧食、蔬菜、水果及中藥材的重要生產基地之一。本文以該區的農用地土壤為研究對象，分析了農用地土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的污染水平。結合單因子污染指數法、內梅羅污染指數法和潛在生態風險指數法對研究區污染狀況和潛在生態風險進行評價，并對研究區農用地進行安全利用分區，為即將開展的重金屬土壤污染修復工作提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區距重慶市江津城區約15 km，是一個多土地利用格局的農業生態系統。其土地格局中，旱地所占面積最大，其次是水田，而林地的占地面積則較小。一般情況下，旱地的耕作方式主要是旱作方式，而水田則選擇水旱輪流作業方式，旱作時間一般在秋末到春末期間。林地主要包括：喬木林地、竹林地及其他林地。由于該研究區受外界因素干擾較小，因此是一個較為典型的人工農業生態系統。

1.2 樣品采集

在研究區范圍內布設網格，按照1 km×1 km打網格，網格中心作為土壤采樣點，但受現場條件影響，會根據其地形地貌與土地利用類型分布特點適當調整。通過GPS對采樣點的經度和緯度進行詳細記錄，研究區采樣點位見圖1。采集0～20 cm表層土壤，每個采樣點按照蛇形采樣法均勻采樣（6～10個樣品），用四分法留下0.5～1 kg的土壤樣品。將樣品置于聚乙烯塑料袋中，密封保存。共采集82個土壤樣品，樣品采集時間為2016年5月。

圖1 研究區采樣點位圖Figure 1 Location of sampling sites of study area

1.3 樣品制備與分析

將樣品均勻混合，去除石塊和雜草，置于室內自然風干。研磨并過孔徑為100目尼龍篩，密封保存在塑料袋中，供分析測定。參考《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》與國家標準規定的分析方法，選擇合適的測試方法（表1）。選取6～7個點（含空白）繪制標準曲線，每個樣品測試3次，取其平均值作為測試試驗結果。每批樣品制備2個全程序空白。

表1 檢測方法及設備Table 1 Detection method and equipment

1.4 評價方法

重金屬污染既可以是單一因素作用結果，也可能是多因素共同作用的結果。為了能夠定量反應研究區域土壤重金屬污染情況，本文采用單因子與多因子相結合的方法對土壤污染等級與潛在生態風險等級進行評價[3]。

1.4.1 土壤污染評價方法

目前土壤污染評價的方法較多，應用最為廣泛的是單因子指數法以及內梅羅綜合污染指數法[13]。

土壤污染評價計算公式如下：

單因子污染指數：Pi=Ci/Si

內梅羅綜合污染指數：PN=

式中：Pi為土壤污染物i的單因子污染指數；Ci為土壤污染物i的真實測量數據；Si為土壤污染物i的具體評價標準，本文以《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》[7]規定的篩選值作為評價標準；PN為內梅羅綜合污染指數；Piave為土壤中污染物單因子污染指數的平均值；Pimax為土壤中污染物單因子污染指數的最大值。污染指數分級標準見表2。

表2 土壤污染分級標準[8]Table 2 The grading standards of integrated pollution index for soil[8]

1.4.2 潛在生態風險評價方法

通過潛在生態危害指數法可以看出，重金屬污染的潛在生態風險不僅與重金屬含量有關，還與該重金屬的毒性有關，因此用潛在生態風險評價方法評價更具有實際意義。單個金屬潛在生態風險等級（Eir）表示單一因素生態風險，綜合潛在生態風險等級（RI）表示多因素共同作用生態風險。

潛在生態風險評價計算公式如下：

1.4.3 研究區農用地土壤安全利用分級

基于單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態風險指數法評價結果，參照中國地質大學劉霈珈[15]提出的農用地安全利用劃分方案將研究區農用地進行安全利用分級。

1.5 數據處理

數據處理采用SPSS 22.0和Excel 2003軟件，采樣點分布圖與克里格插值分析采用ArcGIS 10.2.2軟件完成。

表3 和RI分級標準Table 3 Grade standard ofand RI

表3 和RI分級標準Table 3 Grade standard ofand RI

單項潛在生態危害指數Ecological risk index of individual element綜合潛在生態危害指數Integrated potential ecological risk index Ei r風險等級RI風險等級≤40低≤135低40～80中135～265中80～160較重265～525重160～320重＞525嚴重＞320嚴重

2 結果與討論

2.1 研究區農用地土壤重金屬污染分布特征

研究區農用地土壤重金屬測試結果見表4。從表4可以看出，樣品中除As、Hg、Ni外，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的平均含量均高于三峽庫區農業土壤背景值[14]。超標倍數為1.43～2.54倍，表明該研究區土壤中重金屬 Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 存在不同程度的累積。其中12.20%的土壤樣品Cu含量超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》的篩選值。有研究表明，Cd、Cr、Cu、Pb與汽車尾氣排放有關，是機動車污染源的標記元素，Cr主要受土壤母質和成土過程影響[16]。通過變異系數可以有效地反映出總體樣本中各個不同采樣點的平均變異程度。如果變異系數超過0.5，則說明土壤中重金屬含量存在空間分布不均勻現象，由于外源物質的進入，導致在某一局部地區出現點源污染。研究區農用地土壤樣品中As、Cu和Hg變異系數較大，接近0.5，表明可能存在外源物質進入引起的點源污染。土壤As與有機肥、城市有機廢物、城市污泥有關[17]。另有研究表明Cr、Cu、Zn、Cd主要受化肥、農藥、有機肥、污水灌溉等農業活動的影響。對As與Hg產生影響作用的因素主要有燃煤、廢棄物的排放以及工業廢水等[10]。江津區內有德感、白沙、雙福三個工業園區，研究區距離城區較近。推測研究區多種重金屬高于背景值的原因可能是受城市效應、工業基地、農業活動共同因素的影響。

為了對研究區農用地土壤重金屬含量空間分布特征進行深入了解，通過ArcGIS 10.2.2軟件用克里格插值技術得到土壤重金屬含量空間分布圖（圖2）。從圖2可以看出，Cu、Ni和Zn空間分布規律特征基本相同，As和Cr空間分布規律特征基本相同。Cd和Hg空間分布相對較均勻，且低值區出現位置相似，提示元素間具有一定相關關系。有研究表明，不同重金屬間一般具有同源關系或存在復合污染的現象[16]。Pb空間分布規律特性區別于其他重金屬，提示Pb與其他重金屬相關性較差，表明Pb可能存在單獨的污染來源。研究區土壤中重金屬分布差異性較大的原因有以下兩個：其一，不同區域土壤的背景值可能存在不同；其二，受人類不同活動的影響[10]。

2.2 研究區農用地土壤重金屬污染評價

為了進一步評價研究區域土壤重金屬的污染程度，并對土壤中重要的污染物進行有效識別，以《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》[7]規定的篩選值作為土壤重金屬污染程度評價的標準，利用單因子污染指數法和綜合污染指數法分析了研究區重金屬污染等級，分析結果見表5。從表5中可以看出，有2.44%土壤樣品Cd、19.51%土壤樣品Cr、14.63%土壤樣品Cu、9.76%土壤樣品Hg為警戒級，12.20%采樣點的Cu為輕污染級。但是研究區8種重金屬單項污染指數（Pi）平均值均小于0.7，污染等級均為安全級。內梅羅綜合污染指值數（PN）順序為Cu（1.01）＞Cr（0.81）＞Cd（0.62）＞Zn（0.52）＞Pb（0.45）＞Ni（0.32）＞As（0.29）＞Hg（0.09）。內梅羅綜合污染指數結果表明：Cu污染等級為輕污染，Cr污染等級為警戒級，其余6種重金屬為安全級。內梅羅綜合污染指數法屬于一種計權型單因子環境質量評價方法，其最大特點在于突出單因子污染指數的最大值。所以，通過內梅羅污染指數評價結果可以看出，研究區農用地土壤受到Cu的輕度污染。

表4 土壤重金屬含量統計分析Table 4 Statistic values of heavy metal concentration of soil

圖2 研究區土壤重金屬含量空間分布Figure 2 Spatial distribution of heavy metal concentrations in study area

表5 研究區土壤污染評價Table 5 Pollution assessment of soil for heavy metals in study area

2.3 研究區土壤重金屬潛在生態危害評估

以2008年唐將等[14]提出的三峽庫區土壤背景值為參比值，得出各采樣點單項潛在生態危害指數和綜合潛在生態危害指數，統計分析結果見圖3。從圖3可以看出，研究區農用地土壤重金屬的單項潛在生態危害指數平均值從大到小依次為Hg（41.33）＞Cd（36.71）＞As（12.20）＞Cu（6.54）＞Pb（5.32）＞Ni（4.72）＞Cr（2.42）＞Zn（1.14）。Hg的 Eir均值大于40，處于中等生態風險等級，其余7種重金屬Eir均值小于40，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn整體上表現為低生態風險等級。Cd和Hg處于中等生態風險等級樣品所占比例分別為4.25%和67.5%。雖然Cd的平均濃度只有0.16 mg·kg-1，比背景值高出一點，但是Cd重金屬的毒性系數等于30，其單項潛在生態危害指數為36.71。Hg的平均濃度只有0.05 mg·kg-1，與背景值相同，但是Hg的毒性系數等于40，其單項潛在生態危害指數為41.33。從以上數據可以看出，研究區農用地土壤中Hg與Cd單項潛在生態危害指數之所以比較高的原因是Hg和Cd的高毒性系數，而非Hg和Cd的高含量[17]。研究區綜合潛在生態危害指數RI范圍為68.57～143.57，平均值為110.37，僅有9.76%的土壤樣品RI值大于135。從評價結果可以明顯看出，目前研究區農用地土壤重金屬綜合潛在生態風險等級屬于低風險等級，研究區農用地土壤重金屬潛在生態危害主要來自Hg和Cd。有研究表明，重慶不同功能區綠地土壤Hg含量高于重慶市背景值，且與土壤有機質呈現正相關，表明人類活動是影響Hg富集的主要因素[18]。

圖3 研究區土壤重金屬單項生態危害指數評價結果Figure 3 Ecological risk index of individual element for heavy metals in study area

2.4 研究區農用地土壤安全利用分級

針對農用地合理利用和管理，劉霈珈等[15]提出農用地安全利用劃分方案，將農用地劃分為5種綜合分區，即Ⅰ級（安全利用區）、Ⅱ級（基本安全利用區）、Ⅲ級（低風險監控區）、Ⅳ級（中風險預警區）和Ⅴ級（高風險限制區）。基于單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態風險指數法評價結果，利用上述分級方案對研究區農用地進行安全利用分級，圖4為研究區農用地安全利用綜合分區圖。Ⅰ級安全利用區面積為68.39 km2，占農用地總面積的79.53%，Ⅱ級基本安全利用區面積為13.73 km2，占農用地總面積的15.97%，Ⅲ級低風險監控區面積為3.88 km2，占農用地總面積的4.50%。研究區農用地均為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級利用區，無Ⅳ級和Ⅴ級利用區。表明研究區農用地安全利用等級較低，該分區結果及其空間分布特征為后續農用地安全利用和管理提供重要依據。

3 結論

圖4 農用地安全利用綜合分區Figure 4 Comprehensive zones of agricultural land safe utilization

（1）研究區農用地表層土壤中，除 As（5.48 mg·kg-1）、Hg（0.05 mg·kg-1）和 Ni（27.80 mg·kg-1）的平均值未超過三峽庫區農業土壤重金屬背景值以外，Cr（94.31 mg·kg-1）、Zn（79.36 mg·kg-1）、Cu（32.70 mg·kg-1）、Pb（25.41 mg·kg-1）、Cd（0.16 mg·kg-1）的平均值均高于背景值。其中有12.20%的土壤樣品Cu含量超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》篩選值。

（2）內梅羅綜合污染指數結果表明研究區農用地表層土壤中Cu污染等級為輕污染，Cr污染等級為警戒級，其余6種重金屬為安全級。單項潛在生態風險指數順序為 Hg（41.33）＞Cd（36.71）＞As（12.20）＞Cu（6.54）＞Pb（5.32）＞Ni（4.72）＞Cr（2.42）＞Zn（1.14），Hg為中等生態風險，其他7種重金屬為較低生態風險，Hg和Cd是影響研究區農用地土壤重金屬綜合潛在生態風險的主要元素，整個研究區農用地土壤綜合潛在生態風險危害為低風險水平。

（3）研究區農用地土壤79.53%的面積屬于安全利用區，15.97%的面積屬于基本安全利用區，4.50%的面積屬于低風險監控區，且不涉及中風險預警區和高風險限制區。