基于土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法的區(qū)域農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

楊 趙，和麗萍

(1.云南環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究中心，云南 昆明 650034；2.云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034)

0 引言

科學(xué)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法能較好地評(píng)價(jià)土壤中重金屬污染的程度或空間分布、相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)等，是保障糧食安全和生態(tài)健康的基礎(chǔ)。目前土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的方法眾多，其中以指數(shù)法最為常見，如內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、富集因子法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法；也有以指數(shù)法為基礎(chǔ)的模糊數(shù)學(xué)模型、灰色聚類法等模型指數(shù)法；還有基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)法以及人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等綜合方法[1]。這些評(píng)價(jià)方法均基于累積于土壤的重金屬總量與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或者背景值的比值來表征土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)。但是累積于土壤的重金屬總量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，僅可一般了解重金屬的污染程度，難以區(qū)分土壤中重金屬的自然來源和人為來源，難以反映土壤重金屬的化學(xué)活性和生物可利用性，不能有效地評(píng)價(jià)重金屬的遷移特性和可能的潛在危害[2]，導(dǎo)致在實(shí)踐中出現(xiàn)重金屬總量超標(biāo)而農(nóng)產(chǎn)品不超標(biāo)，農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)而土壤重金屬總量不超標(biāo)的“例外”。在實(shí)踐中基于土壤重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)表征的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的弊端越來越凸顯，特別是土壤重金屬高背景值區(qū)域，這種評(píng)價(jià)結(jié)果與事實(shí)相悖的情況更為普遍。為更為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，王玉軍等提出土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法[3]。該方法將農(nóng)田土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的含量有效結(jié)合，綜合考量了元素價(jià)態(tài)效應(yīng)、土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、土壤元素背景值、特定土壤負(fù)載容量和農(nóng)產(chǎn)品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)等，可應(yīng)用于評(píng)價(jià)農(nóng)田中重金屬的單獨(dú)和復(fù)合污染。本文基于土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法，以已有的539對(duì)土壤-農(nóng)作物數(shù)據(jù)為對(duì)象對(duì)云南省農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本次評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)由云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院于2017—2019年間按照《HJT 166-2004土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[4]《NYT 398-2000農(nóng)、畜、水產(chǎn)品污染監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]要求采樣后送有資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)定土壤pH值、鎘、砷含量和農(nóng)作物鎘、砷含量。共獲得土壤-農(nóng)作物數(shù)據(jù)539對(duì)，其中土壤-玉米數(shù)據(jù)378對(duì)、土壤-水稻數(shù)據(jù)161對(duì)。點(diǎn)位分布見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位分布圖

1.2 評(píng)價(jià)方法

采用王玉軍等[3]提出的土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

IICQ=IICQS+IICQAP

式中：IICQ—綜合質(zhì)量影響指數(shù)；IICQS—土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)；IICQAP—農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量影響指數(shù)；X、Y—分別為土壤測(cè)量值超過標(biāo)準(zhǔn)值和背景值的數(shù)目；Z—農(nóng)產(chǎn)品中超過污染物限量標(biāo)準(zhǔn)的元素?cái)?shù)目；k—背景校正因子，它是與農(nóng)產(chǎn)品污染物限量國家標(biāo)準(zhǔn)和元素背景值的比值有關(guān)的參數(shù)，本次計(jì)算k值取5[3]。

RIE、DDDB、DDSB、QIAP分別為土壤相對(duì)影響當(dāng)量、土壤元素測(cè)定濃度偏離背景值程度、土壤標(biāo)準(zhǔn)偏離背景值程度、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)指數(shù)，其具體計(jì)算方法參照王玉軍等[3]研究成果。土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)劃分參照表1。

表1 基于綜合質(zhì)量指數(shù)的土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)劃分

1.3 相關(guān)參數(shù)的確定

(1)鎘元素氧化數(shù)為2，砷元素氧化數(shù)為5[3]。

(2)土壤中鎘、砷標(biāo)準(zhǔn)值按照《GB 15618-2018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)(試行)》[6]中的篩選值選取，詳見表2。計(jì)算過程中根據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的土壤pH值和農(nóng)用地類別選取對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 農(nóng)用地土壤鎘、砷篩選值 (mg/kg)

(3)土壤中鎘、砷背景值按照《云南土壤環(huán)境背景值研究報(bào)告》取值，詳見表3。實(shí)際計(jì)算中根據(jù)采樣點(diǎn)位所在區(qū)域選擇對(duì)應(yīng)的背景值。

表3 云南省土壤鎘、砷背景值 (mg/kg)

(4)作物鎘、砷限值按照《GB 2762-2017食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[7]取值，其中稻谷的評(píng)價(jià)指標(biāo)為無機(jī)砷，而文獻(xiàn)中的測(cè)定方法大多為總砷，故本次評(píng)價(jià)采用稻谷總砷限值0.5mg/kg，詳見表4。

表4 作物鎘、砷限值 (mg/kg)

2 結(jié)果分析

2.1 土壤基本特征

所采539個(gè)土壤樣品pH值范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 4.5～8.49、7.07和1.0。539個(gè)土壤樣品中強(qiáng)酸性點(diǎn)位占11.3%、酸性點(diǎn)位占15.9%、中性點(diǎn)位占27.1%、堿性點(diǎn)位占45.7%。其中稻田土壤樣品161個(gè)，pH值范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 4.51～8.31、6.67和1.08；玉米地土壤樣品378個(gè)，pH值范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 4.5～8.4、7.21和0.91。玉米地土壤pH分布范圍更廣，且極顯著高于稻田土壤pH(p<0.01)。

土壤鎘含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.03～261、2.48和13.23mg/kg，其中稻田土壤樣品鎘含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.05～261、3.828和22.867；玉米地土壤樣品鎘含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.029～54.085、1.943和5.524。玉米地土壤鎘平均含量與水稻田鎘平均含量差異不顯著(p>0.05)。參照《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)(試行)》[6]，統(tǒng)計(jì)所有土壤樣品鎘的檢測(cè)結(jié)果：超過篩選值的土壤樣品點(diǎn)位數(shù)為210個(gè)，超過管制值的土壤樣品點(diǎn)位數(shù)為60個(gè)。檢測(cè)最大含量為261mg/kg，對(duì)應(yīng)點(diǎn)位土壤pH為7.43，超管制值86倍，其中稻田土壤樣品超過篩選值及管制值的比例為31.1%；玉米地土壤樣品超過篩選值及管制值的比例為57.7%。

土壤砷含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.16～3231.25、48.88和159.64mg/kg，其中稻田土壤樣品砷含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.16～73.4、11.93和9.63；玉米地土壤樣品砷含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.38～3231.25、64.88和189.76。玉米地土壤砷平均含量極顯著高于水稻田砷平均含量(p<0.01)。參照《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)(試行)》[6]，統(tǒng)計(jì)所有土壤樣品砷的檢測(cè)結(jié)果：超過篩選值的土壤樣品點(diǎn)位數(shù)為210個(gè)，超過管制值的土壤樣品點(diǎn)位數(shù)為60個(gè)。檢測(cè)最大含量為3231.25mg/kg，對(duì)應(yīng)點(diǎn)位土壤pH為8.03，超管制值31.3倍，其中稻田土壤樣品超過篩選值及管制值的比例為9.3%；玉米地土壤樣品超過篩選值及管制值的比例為39.4%。

2.2 農(nóng)作物鎘、砷含量特征

從所采集的農(nóng)作物樣品中鎘、砷含量來看，農(nóng)作物鎘含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.001～1.113、0.025和0.080mg/kg。其中水稻鎘含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.001～0.956、0.042和0.109mg/kg；玉米鎘含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.001～1.113、0.018和0.064mg/kg。所采集的農(nóng)作物樣品中水稻鎘含量極顯著高于玉米鎘含量(p<0.01)。所采集的水稻、玉米樣品中鎘超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[7]標(biāo)準(zhǔn)限值的比例分別為4.35%、1.85%。

農(nóng)作物砷含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.002～1.939、0.108和0.153mg/kg。其中水稻砷含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.004～1.939、0.172和0.191mg/kg；玉米砷含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.002～0.961、0.082和0.126mg/kg。所采集的農(nóng)作物樣品中水稻砷含量顯著高于玉米砷含量(p<0.01)。所采集的水稻、玉米樣品中砷超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[7]標(biāo)準(zhǔn)限值的比例分別為1.24%、2.12%。

表5 不同農(nóng)作物地塊土壤鎘、砷含量特征

表6 農(nóng)作物鎘、砷含量及富集系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.3 不同作物鎘、砷富集系數(shù)特征

富集系數(shù)是指植物中污染物含量與土壤中污染物含量的比值，它可以大致反映植物在相同土壤污染物含量條件下對(duì)污染物的吸收能力，富集系數(shù)越小，則表明其吸收的能力越差，抗土壤污染的能力則較強(qiáng)。經(jīng)計(jì)算，水稻對(duì)鎘、砷的富集系數(shù)均極顯著高于玉米對(duì)鎘、砷的富集系數(shù)(p<0.01)。

2.4 土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

按照上述方法計(jì)算得到采樣點(diǎn)位的土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)、農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量影響指數(shù)和綜合質(zhì)量影響指數(shù)，按照表1的方法對(duì)采樣點(diǎn)位土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)劃分。結(jié)果表明539個(gè)點(diǎn)位中清潔點(diǎn)位占41.4%、輕微污染點(diǎn)位占26.0%、輕度污染點(diǎn)位占13.9%、中度污染點(diǎn)位占8.0%、重度污染點(diǎn)位占10.8%。分析結(jié)果表明水稻田土壤環(huán)境質(zhì)量顯著優(yōu)于玉米地土壤環(huán)境質(zhì)量(p<0.05)，水稻田的綜合質(zhì)量指數(shù)也顯著優(yōu)于玉米地(p<0.05)。

表7 不同作物鎘、砷富集系數(shù)

表8 綜合質(zhì)量影響指數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 討論

本次調(diào)查結(jié)果表明以種植玉米為主要代表的旱地土壤pH、土壤砷含量都顯著高于稻田土壤，稻田土壤環(huán)境質(zhì)量顯著優(yōu)于旱地。與國內(nèi)學(xué)者在廣西[8]、貴州劍河縣[9]、三峽庫區(qū)[10]的調(diào)查結(jié)果一致，但黃維恒等[11]在沘江流域的調(diào)查結(jié)果表明耕地土壤總體表現(xiàn)為水田重金屬污染略高于旱地。這種差異可能是由于沘江流域受鉛鋅礦冶污染，礦區(qū)土壤重金屬有效態(tài)含量高，易隨地表徑流進(jìn)入水田累積，而非礦區(qū)土壤重金屬有效態(tài)含量低，其土壤重金屬含量高多為地質(zhì)背景因素引起。

另一方面本次調(diào)查結(jié)果表明稻田土壤鎘、砷含量和超過《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)(試行)》篩選值及管制值的比例均低于玉米地為代表的旱地，但由于水稻對(duì)鎘、砷的富集能力強(qiáng)于玉米，故水稻鎘、砷含量均顯著高于玉米鎘、砷含量。這也進(jìn)一步說明采用基于累積于土壤的重金屬總量與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或者背景值的比值來表征土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法的局限性。本次評(píng)價(jià)采用了土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法，結(jié)果表明539個(gè)點(diǎn)位中清潔點(diǎn)位占41.4%、輕微污染點(diǎn)位占26.0%、輕度污染點(diǎn)位占13.9%、中度污染點(diǎn)位占8.0%、重度污染點(diǎn)位占10.8%。評(píng)價(jià)為清潔土壤的地塊作物均達(dá)標(biāo)，評(píng)價(jià)為中度及重度污染土壤對(duì)應(yīng)點(diǎn)位農(nóng)作物不超標(biāo)的比例為11.5%。而采用《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)(試行)》進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)果中，土壤超過篩選值及管制值對(duì)應(yīng)點(diǎn)位農(nóng)作物未超標(biāo)的比例為13.9%。以農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)情況為判定依據(jù)，采用土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的誤判率低于依據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的誤判率。但兩種方法相比，土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法沒有明顯提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確率，究其原因主要是農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量影響指數(shù)的權(quán)重偏低所致。

4 結(jié)論

本次調(diào)查結(jié)果表明稻田土壤鎘、砷含量和超過《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)(試行)》篩選值及管制值的比例均低于玉米地為代表的旱地，但由于水稻對(duì)鎘、砷的富集能力強(qiáng)于玉米，故水稻鎘、砷含量均顯著高于玉米鎘、砷含量。土壤和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明539個(gè)點(diǎn)位中清潔點(diǎn)位占41.4%、輕微污染點(diǎn)位占26.0%、輕度污染點(diǎn)位占13.9%、中度污染點(diǎn)位占8.0%、重度污染點(diǎn)位占10.8%。