云南省個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所/云南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部西南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650231；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所,云南 昆明 650231)

0 引 言

個(gè)舊市位于云南省南部，是云南省重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，其大屯壩是云南省重要商品糧生產(chǎn)基地。個(gè)舊市同時(shí)也是我國(guó)錫礦主要生產(chǎn)基地，其礦床共伴生鉛、砷、鋅、鎢、鉬等多種金屬。礦業(yè)活動(dòng)造成大量重金屬污染物進(jìn)入周邊農(nóng)田土壤[1-3]，農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)較為普遍[4-5]，居民食用本地農(nóng)作物引起重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)較高[6-7]。許多學(xué)者對(duì)個(gè)舊市礦區(qū)及影響區(qū)土壤重金屬污染程度和對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行了大量研究[8-10]，但缺乏對(duì)個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤污染情況和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本研究擬通過(guò)對(duì)個(gè)舊市主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤進(jìn)行采樣檢測(cè)分析，運(yùn)用單因素污染指數(shù)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)及潛在生態(tài)危害指數(shù)法，分析個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染情況并對(duì)個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤污染防治和保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)設(shè)置

云南省個(gè)舊市呈現(xiàn)北壩南山的分布特點(diǎn)，劃分為錫城鎮(zhèn)、沙甸鎮(zhèn)、雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)、老廠鎮(zhèn)、卡房鎮(zhèn)、賈沙鄉(xiāng)、保和鄉(xiāng)和蔓耗鎮(zhèn)9個(gè)行政區(qū)。個(gè)舊市耕地共1.63×104hm2，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地主要分布在壩區(qū)的雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)、沙甸鎮(zhèn)及山區(qū)的賈沙鄉(xiāng)、保和鄉(xiāng)和卡房鎮(zhèn)。而錫城鎮(zhèn)靠近市區(qū)，在城市擴(kuò)建中已無(wú)連片耕地，老廠鎮(zhèn)分布眾多小型尾礦庫(kù)[11]，蔓耗鎮(zhèn)位置偏遠(yuǎn)，且林地多耕地少。因此，將取樣點(diǎn)設(shè)置在雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)、沙甸鎮(zhèn)、卡房鎮(zhèn)、賈沙鄉(xiāng)和保和鄉(xiāng)。為保證樣品的可靠性，樣點(diǎn)設(shè)置均選擇在大面積種植的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)村寨，排除尾礦庫(kù)等非傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。共采集了 50 個(gè)村寨561份耕層土壤樣品，采樣村寨分布見(jiàn)圖 1 所示。

1.2 樣品采集、分析與數(shù)據(jù)處理

取樣依據(jù)《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 395-2000)的要求，用梅花形布點(diǎn)法取混樣，混樣含5～10個(gè)分樣，每個(gè)村寨至少取3個(gè)以上混樣。

土壤樣品通過(guò)四分法保留1 kg，過(guò)100 目尼龍網(wǎng)篩，準(zhǔn)確稱取0.1 g土壤樣品經(jīng)消化處理后進(jìn)行砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)和鋅(Zn)含量測(cè)定。Cd、Pb采用石墨爐原子吸收光譜法(GB/T17141-1997)，As 采用氫化物-原子熒光光譜法(GB/T 22105.2-2008)，Cr、Zn采用火焰原子吸收光譜法(GB/T17137- 1997)。檢測(cè)過(guò)程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)(GSS- 1及GSS- 6)進(jìn)行質(zhì)量控制。土壤pH采用2.5∶1 水土比，玻璃電極法測(cè)定。

數(shù)據(jù)采用EXCEL和SPSS 21.0軟件分析處理。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法

參照國(guó)家土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB15618-2018)(表1)，依據(jù)土壤pH值及類型(水田和旱地)，運(yùn)用單項(xiàng)污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[12]對(duì)個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；以云南省土壤質(zhì)量背景值作為參比值(表1)，運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法(表2)[13-15]對(duì)個(gè)舊農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)單項(xiàng)污染指數(shù)法

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為單項(xiàng)污染物的污染指數(shù)；Ci為污染物實(shí)測(cè)濃度；Si為污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或參考值。當(dāng)Pi≤1時(shí)，表示未污染；當(dāng)13時(shí)，表示重度污染。

(2)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

(2)

式中：Pimax為土壤污染物中污染指數(shù)最大值；Piave為土壤各污染指數(shù)的平均值。當(dāng)P綜<0.7時(shí)，表示安全；當(dāng)0.73時(shí)，表示重度污染。

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)法

(3)

表1土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)
Table 1 Soil environmental quality risk control standard for soil contamination of agricultural land

項(xiàng)目Item土壤類型Soil typepHAs/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)Zn/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值 Soil risk screening values水田Paddy soil旱地Arid soil≤5.5300.3250200805.5～6.5300.42502001006.5～7.5250.6300250140>7.5200.8350300240≤5.5400.3150200705.5～6.5400.3150200906.5～7.5300.3200250120>7.5250.6250300170土壤風(fēng)險(xiǎn)管制值Soil risk control standard≤5.52001.5800-4005.5～6.51502.0850-5006.5～7.51203.01 000-700>7.51004.01 300-1 000云南省土壤質(zhì)量背景Background value in Yunnan Province18.40.2265.240.689.7重金屬元素毒性系數(shù)Toxicity coefficient of heavy metal1030215

備注：-代表未規(guī)定。

Note:- means no stated.

表2 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級(jí)關(guān)系Table 2 Heavy metal classification standard of potential ecological risk

2 結(jié)果與分析

2.1 云南省個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕地類型及pH值范圍

采樣村寨均為耕種多年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，根據(jù)耕地類型及灌溉條件分為水稻田、水澆地、梯田、干旱壩區(qū)(旱地)和山坡地。其中有灌溉條件的28個(gè)村寨，按水田(含水稻田、水澆地和梯田)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；無(wú)灌溉條件的22個(gè)村寨，按旱地(干旱壩區(qū)和山坡地)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)采樣村寨土壤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及pH值測(cè)定(表3)，結(jié)果表明，個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤pH值在4.50～7.92，均值為6.45，水田和旱地的pH平均值為6.52和6.36。大屯鎮(zhèn)、雞街鎮(zhèn)以水田為主，pH 平均值為6.71和6.85；卡房鎮(zhèn)、賈沙鄉(xiāng)、保和鄉(xiāng)和沙甸鎮(zhèn)以旱地為主，pH 平均值分別為6.29、5.94、6.10和6.25。

2.2 云南省個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染特征

個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn平均值分別為129 mg·kg-1、1.60 mg·kg-1、104 mg·kg-1、212 mg·kg-1和249 mg·kg-1，均顯著高于云南省土壤重金屬背景值(表1)，耕層土壤存在重金屬積累現(xiàn)象(表3)。與國(guó)家土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB15618-2018)(表1)比較，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn的超標(biāo)位點(diǎn)分別為80%、88%、2%、68%和18%。個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤整體表現(xiàn)為As、Cd和Pb超標(biāo)，部分村寨還存在Cr、Zn超標(biāo)現(xiàn)象。其中大屯鎮(zhèn)、雞街鎮(zhèn)和卡房鎮(zhèn)表現(xiàn)為As、Cd和Pb超標(biāo)，沙甸鎮(zhèn)表現(xiàn)為As、Cd、Pb和Zn超標(biāo)，賈沙鄉(xiāng)和保和鄉(xiāng)僅部分村寨As或Cd超標(biāo)。

表3 不同采樣區(qū)內(nèi)土壤重金屬的濃度Table 3 Soil heavy metal concentrations from different sampling areas in Gejiu City

2.3 云南省個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn的單因子污染指數(shù)(表4)為4.31、6.73、0.44、0.79和1.05，污染程度依次是：Cd>As>Zn>Pb>Cr，其中Pb、Cr整體未超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染程度為：沙甸>大屯>雞街>卡房>保和>賈沙。其中沙甸為As、Cd、Zn重度污染，Pb中度污染；雞街和卡房為As、Cd重度污染，Pb中度污染；大屯為As、Cd重度污染，Pb輕度污染；保和為Cd輕度污染。個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤整體表現(xiàn)為重度污染，主要污染物為As、Cd重度污染，Pb中度污染，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為6.1。

個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤污染位點(diǎn)占總采樣點(diǎn)的86%(圖1)，重度污染、中度污染和輕度污染分別占56%、18%和12%。污染最嚴(yán)重的村寨Pi綜高達(dá)72.1，PiCd、PiAs和PiPb最高分別達(dá)到99.3、19.8和16.1，已不適合進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染程度主要集中在北部壩區(qū)及卡房礦區(qū)周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)、卡房鎮(zhèn)及沙甸鎮(zhèn)主要表現(xiàn)為重度污染；保和鄉(xiāng)、賈沙鄉(xiāng)的村寨為警戒及安全水平。

表4 個(gè)舊市不同地區(qū)土壤污染狀況評(píng)價(jià)Table 4 Soil pollutions assessment for different sampling areas in Gejiu City

個(gè)舊市5種不同類型耕地土壤重金屬污染存在差異性，重金屬污染程度表現(xiàn)為水澆地>水稻田>旱地>坡地>梯田(表5)。其中水澆地、水稻田和旱地為重度污染，坡地為中度污染，梯田為輕度污染。水澆地和旱地土壤重金屬含量均顯著高于梯田和山坡地，水稻田Cd含量顯著高于梯田(P<0.05)。其中水澆地As、Cr及Pb污染均最高，水稻田Cd污染最高，旱地Zn污染最高。梯田土壤的重金屬含量明顯低于水稻田和水澆地，僅部分村寨存在Cd污染，土壤相對(duì)潔凈。這主要是水澆地、水稻田和旱地土壤的采樣點(diǎn)主要集中在雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)及卡房鎮(zhèn)等壩區(qū)，而坡地和梯田的采樣點(diǎn)大部分位于山區(qū)，不同類型耕地土壤的重金屬含量主要取決于與壩區(qū)污染源的距離。這與喬鵬煒[16]的研究結(jié)果大屯旱地污染高于水田有所不同。

表5不同類型農(nóng)田土壤重金屬污染狀況評(píng)價(jià)
Table 5 Soil heavy metal pollutions assessment for different cultivated lands

重金屬Heavy metal/(mg·kg-1)旱地Arid-land坡地Sloping land水澆地Irrigated land水稻田Paddy land梯田Terrace landPi旱地Arid-land坡地Sloping land水澆地Irrigated land水稻田Paddy land梯田Terrace landAs241 b52.8 a264 b94.6 ab17.1 aAs6.741.447.323.420.57Cd2.09 b0.87 a2.48 b2.88 b0.52 aCd6.362.816.858.131.39Cr94.7 ab97.9 ab112 b91.3 ab43.9 aCr0.570.620.660.360.18Zn548 b106 a320 ab156.8 a86.0 aZn2.530.501.500.700.43Pb258 ab125 a469 b164 a107 aPb2.661.334.831.381.26Pi綜6.352.376.946.701.15污染程度重度中度重度重度輕度

注: 同行數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異在0.05水平上顯著水平。

Note: Data in the same row indicate significant differences between treatments at 0.05 level.

注：底圖來(lái)源于云南省測(cè)繪地理信息局(www.ynbsm.gov.cn)。Note:Background map oringinates from Yunnan Bureau of Surveying,Mapping and Geoinformation.www.ynbsm.gov.cn.圖1 個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地樣點(diǎn)設(shè)置和重金屬污染分布Fig.1 Distribution of soil sampling areas and their heavy metal pollutions in Gejiu City

2.4 云南省個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析(表6)，結(jié)果表明個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為319，表現(xiàn)為重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從污染元素看，Cd為重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，As為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、Cr、Pb和Zn為低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域看，沙甸鎮(zhèn)為重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，雞街鎮(zhèn)、卡房鎮(zhèn)和大屯鎮(zhèn)為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，賈沙鄉(xiāng)、保和鄉(xiāng)為低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)為壩區(qū)平原，更是云南省商品糧重要生產(chǎn)基地，是蔬菜的主要生產(chǎn)基地，Cd、As易在水稻、蔬菜中積累富集，且均具有較高的毒性系數(shù)，因此個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)安全應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)的高度重視。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)受礦業(yè)活動(dòng)的影響，個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬含量有增加的趨勢(shì)。本研究分析了個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地耕層土壤中5種重金屬元素含量，其平均含量均高于云南省重金屬背景值。個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地As、Cd和Pb含量超出國(guó)家土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值，局部村寨Cr、Zn也超出國(guó)家土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值。土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn的超標(biāo)率分別為80%、88%、2%、68%和18%。

(2)個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤綜合污染指數(shù)達(dá)到5.21，屬于重度污染。As、Cd和Pb是主要污染物，污染指數(shù)分別為3.87、5.84和2.07。污染嚴(yán)重村寨主要分布在沙甸鎮(zhèn)、雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)和卡房鎮(zhèn)等礦業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域，且水田污染程度高于旱地。

表6 個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 6 Soil ecological risk assessment in agricultural production areas of Gejiu City

(3)50個(gè)采樣村寨中56%為重度污染，18%為中度污染，12%為輕度污染；耕種類型重金屬含量高低依次為水澆地>水稻田>旱地>坡地>梯田。

(4)個(gè)舊市耕地土壤(雞街鎮(zhèn)、大屯鎮(zhèn)、卡房鎮(zhèn)、賈沙鄉(xiāng)和保和鄉(xiāng))的取樣調(diào)查結(jié)果表明：個(gè)舊市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地已屬于重度風(fēng)險(xiǎn)生態(tài)，其中Cd 為重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，As為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。