滇中耕地土壤重金屬污染現狀及潛在生態風險評價

陳立志，余小小，馬麗娟，羅飛杭

（1.湖南博世科環保科技有限公司；2.湖南格瑞大地環境科技有限公司，長沙 410006；3.中國科學院昆明動物研究所，昆明 650223）

云南地處亞歐板塊與印度洋板塊的交界地帶，擁有眾多有色金屬礦藏，重金屬元素在成土母質風化過程中不斷釋放和積累，使得云南土壤有較高的重金屬背景值[1]。本文選取滇中地區某坡耕地為研究對象，通過實地采樣調查和實驗室檢測，了解該坡耕地土壤重金屬污染情況，并進行土壤重金屬污染分析及耕地潛在生態風險評價，為該坡耕地的后續利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省澄江縣，平均坡度為16.33%，土質類型為第四紀酸性紅壤。研究區耕地于20世紀50年代開墾，主要種植烤煙、玉米等作物。

1.2 樣品采集與分析

研究區面積為30 000 m2，樣點布設和樣品采集參照《建設用地土壤污染狀況調查技術導則》（HJ 25.1—2019）和《建設用地土壤污染風險管控和修復監測技術導則》（HJ 25.2—2019）中提供的系統隨機法，共采集40個表層0.5 m深度土壤樣品。每袋樣品質量約為1 kg，裝入低溫保存箱，送第三方檢測機構進行重金屬含量檢測。檢測指標包括pH、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅、汞和鎘等。

1.3 評價方法

土壤重金屬生態風險評估常用潛在生態風險指數法，該方法由瑞典科學家Hakanson于1980年提出，是評價重金屬潛在生態風險的一種相對快速、簡便和標準的方法，又被稱為Hakanson指數法[2]。該方法同時考慮重金屬的毒理學效應、環境效應和生態效應，將三種效應聯系起來，定量地劃分土壤重金屬的潛在風險[3]。相關計算公式如下：

式中：為重金屬的單項潛在生態風險指數；為重金屬的單項污染指數；RI為綜合潛在生態風險指數，即潛在風險系數之和；為單個污染物的毒性響應系數；Ci為土壤中污染物的實測濃度，mg/kg；為參比值，通常為一個地區土壤重金屬背景值，此處選擇《中國土壤元素背景值》中的云南省土壤環境背景值[4]。

根據和RI值劃分潛在生態危害，如表1所示。

表1 潛在生態風險分級標準

1.4 圖形制作與數據處理

圖形制作和處理使用Esri Arcgis10.1軟件，數據整理分析使用Excel2013、Notepad++軟件。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬污染現狀分析

由表2可知，研究區土壤總體偏酸性，檢出砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅等6種重金屬。重金屬含量范圍分別為：鉛43.7～553 mg/kg、鋅59.2～528 mg/kg、鉻41.3～307 mg/kg、銅25～116 mg/kg、砷20～77 mg/kg、鎳13.3～139 mg/kg。平均含量排序分別為鉛＞鋅＞鉻＞銅＞砷＞鎳，6種檢出的重金屬元素平均值全部超過《中國土壤元素背景值》中的云南省土壤環境背景值。其點位超標率分別為100%、100%、67.5%、55%、100%和95%。超標情況最嚴重的為鉛，最大超標達123.99倍，平均超標達38.30倍。鉛污染主要集中在南部；砷、銅、鋅和鎳污染主要集中在西北部；鉻在東北部和西南部分別有一個集中區域。根據表3土壤重金屬含量相關性分析結果，各重金屬元素分布無明顯相關性。

表2 土壤重金屬特征統計描述

表3 土壤重金屬含量相關性分析

2.2 潛在生態風險評估

下面應用潛在生態風險指數法對研究區的重金屬潛在風險進行計算，砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的毒性響應系數分別取10、5、2、5、5、1[5]。經計算，6種重金屬平均值由高向低的順序依次為鉛（196.513）＞砷（22.364）＞鎳（15.031）＞鋅（12.31）＞銅（5.417）＞鉻（2.505），鉛達到很強的潛在生態危害程度，其他重金屬平均Er i值均在40以下，為輕度生態危害程度。

計算點位綜合風險值，各風險等級占比由高到低依次為：輕度（50%）＞較強（27.5%）＞中度（17.5%）＞很強（5%）。經差值分析及繪制潛在生態風險等級分布圖，研究區潛在生態風險等級主要為中度和較強，面積占比分別為46.03%和37.51%，其次為輕度風險，占15.65%，剩余0.81%的面積為很強的生態風險等級區域。對比采樣點位圖和重金屬濃度分布圖可以發現，S27和S30兩個點位鉛的值分別為681.034和568.966。鉛對兩個點位RI值的貢獻率分別為90.68%和88.53%。如表4所示，鉛對各風險等級RI值的平均貢獻率分別為輕度47.31%、中度79.96%、較強84.72%和很強89.61%，鉛的貢獻率越高，風險越大。

表4 土壤重金屬生態風險貢獻率

鉛主要通過呼吸道進入人體，在人體內取代某些酶中硫基（-SH）上的氫原子，使酶失去活性，造成酶的生物功能喪失。鉛會引起神經系統、骨髓造血系統、消化系統、心血管系統、腎臟及生殖系統和免疫系統等多個臟器和系統的損傷，尤其會對兒童的腦部發育和骨骼發育造成終身損害[6]。

研究區耕地土壤重金屬（尤其是鉛）含量偏高，但通過訪談當地居民及查閱相關資料，該坡耕地歷史上沒有任何工業設施，附近區域僅有一個已經廢棄的磷礦廢渣堆場。因此，初步推斷該坡耕地的土壤重金屬污染為內源性污染。

根據冉繼偉等[7]對云南省個舊市農作物中重金屬含量的研究，個舊市大屯鎮農田土壤鉛的平均含量為943.5 mg/kg，對應的玉米可食用部分鉛超標率為13%，具有很高的生態風險。生俊丹[8]研究發現，玉米、生姜、小白菜、芥菜、水稻、蔥和萵筍等農作物可食用部分的鉛、鋅和鉻等重金屬含量明顯低于非可食用部分。因此，研究區后續應種植非可食用農作物，以避免食用該坡耕地農作物造成人體重金屬中毒。

3 結論

研究區土壤6種重金屬的平均濃度排序為：鉛（1 595.68 mg/kg） ＞ 鋅（220.84 mg/kg） ＞ 鉻（81.66 mg/kg）＞銅（50.16 mg/kg）＞砷（41.15 mg/kg）＞鎳（37.58 mg/kg）。其均高于云南省土壤環境背景值，各重金屬元素分布無明顯相關性。研究區土壤重金屬潛在生態風險指數主要為中度和較強。經插值分析和計算，中度和較強潛在風險區域占研究區面積的比重分別為46.03%和37.51%，輕度風險區域面積占比為15.65%，僅0.81%的面積達到很強的風險等級，主要原因是該區域內鉛濃度過高。鉛是該研究區潛在生態風險的主要污染因子，對輕度、中度、較強和很強等4個風險等級的貢獻率分別為47.31%、73.96%、84.72%和89.61%，遠遠大于其他重金屬元素。研究區的總體重金屬污染情況比較嚴重，受到多種重金屬污染，雖未發生重金屬中毒事件，但應采取一定措施，保障耕作人員的人身健康和農作物的食用安全，防止重金屬通過食物鏈進入人體。