縉云縣某復墾地塊土壤環境質量調查及生態風險評價

周 楊，周文斌，馬嘉偉，阮忠強，葉正錢，柳 丹

（1.縉云縣農業農村局，浙江 縉云 321400；2.浙江農林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300）

近年來，由于工業、交通等多重因素的影響，使得土壤環境遭受重金屬污染的威脅[1]。重金屬污染不僅會導致土壤質量退化，降低作物品質和糧食產量，從時間尺度上來看，還會通過食物鏈危害人類和動物的健康[2]。重金屬流入土壤后很難被發現，其長期性、不可逆性等特性也導致重金屬污染極難從土壤中完全去除，極大限制了中國的農業發展[3]。作為中國主要的糧食作物之一，水稻Oryza sativa占據了中國55%的谷物年消耗量，其安全問題受到許多學者的關注[4]。研究發現：水稻對土壤中的鎘、鉻、鉛、砷和汞等重金屬元素均具有吸收作用[5]，而水稻植株累積重金屬會抑制其對營養元素鋅、鐵、鎂等的吸收[6]，降低水稻籽粒品質。中國南方的水稻土壤重金屬污染較為普遍，嚴重威脅中國的糧食安全。因此，評估重金屬污染土壤所產水稻對人體健康產生的風險，研究稻田土壤-水稻系統重金屬的健康風險具有重要意義。

土壤復墾指在礦產資源開采、化工產業和燃煤發電等生產過程中被破壞的土地，采取整治措施，使其恢復到可利用狀態。復墾地具有基質復雜、干擾因素較多、前處理困難、污染物種類多等特點[7-8]。本研究區域(浙江省縉云縣某自然村廢棄場地復墾點，以下稱復墾地塊)原為金屬鎳提煉點。調查顯示：復墾地塊部分地區存在重金屬超標現象，因此復墾后有必要對農產品的安全風險進行評估。早期的研究在進行重金屬健康風險評價時，或只考慮土壤直接暴露途徑[9-10]，或只考慮稻米途徑[11-12]，評價結果可能被低估。本研究共采集復墾地塊17組土壤-水稻籽粒復合樣品(其中有1地塊無水稻樣品)，研究水稻籽粒及根際土中重金屬分布特征，結合GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》、GB/T 36869—2018《水稻生產的土壤 鎘、鉛、鉻、汞、砷安全閾值》等相關標準，評價重金屬污染土壤所產水稻的健康風險，為土壤污染防控及農產品質量安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

縉云縣地處浙江省中南部丘陵山區 (28°25′～28°57′N，119°52′～120°25′E)。縉云縣屬中亞熱帶季風氣候區，總體上熱量充足，降水充沛，溫暖濕潤，冬夏略長，春秋略短，四季分明。年平均氣溫為18.3 ℃，年降水量為 1 387.7 mm，年日照時數為 1 504.3 h。

復墾地塊由縉云縣某公司(用地面積約3 557 m2)完成復墾，并種植水稻。于2020年9月水稻收獲期對復墾地塊進行采樣調查，分別采集土壤及水稻籽粒樣品，分析土壤及水稻籽粒樣品的重金屬質量分數，進行風險評價。

1.2 樣品采集與處理

分別采集土壤樣品17個，水稻籽粒樣品16個。采用全球定位系統定位，在0～20、20～40 cm分層采集土壤樣品，同時采集對應的水稻籽粒樣品。在每個取樣點以周圍5 m×5 m正方形范圍內設置5～6個采樣點，均勻混合為1個樣品。土壤樣品自然風干后挑揀出石子、動植物殘體等，混勻磨碎過2.00 mm篩和0.15 mm篩備用。水稻籽粒用去離子水洗凈，70 ℃烘干至恒量，使用脫殼機脫殼粉碎后備用。

1.3 樣品分析與測定

土壤pH采用水土質量比2.5∶1.0浸提，pH計測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量外加熱法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；有效磷采用氟化鈉-鹽酸提取，紫外/可見分光光度計測定；有效鉀以1 mol·L-1中性乙酸銨提取，火焰分光光度法測定。

土壤重金屬全量采用HNO3-HCl-HClO4微波消解后測定；水稻籽粒重金屬采用硝酸微波消解后測定。待測液中的鎘、鉛采用石墨爐原子吸收光譜儀測定，汞、砷采用原子熒光光譜儀測定，鉻采用火焰原子吸收光譜儀測定。測定時均加入國家標準土壤標樣和大米國家標準參比物分別進行質量控制。分析結果符合質量控制要求。

1.4 污染評價方法與標準

1.4.1 單因子污染指數評價法和內梅羅綜合指數法 單因子污染指數法針對土壤中單一污染物進行評價。其計算公式為：

式(1)中：Pi為重金屬元素i的污染指數；Ci為重金屬元素i的質量分數(mg·kg-1)；Ti為重金屬元素i的評價標準 (mg·kg-1)。

內梅羅綜合污染指數法[13-14]是在單因子污染指數評價的基礎上對重金屬污染進行綜合性評價。其計算公式為：

式(2)中：P綜為土壤污染綜合指數；Piave為土壤中各污染指數平均值；Pimax為土壤中各污染指數最大值。

1.4.2 地累積指數法 地累積指數(Igeo)法[15]被應用于自然成巖作用對背景值及人為活動對環境的影響評價。Igeo的計算公式如下：

式(3)中：Igeo為地累積指數；Ci為重金屬元素i的質量分數(mg·kg-1)；Bi為重金屬元素i的地球化學背景值 (mg·kg-1)。

1.4.3 潛在生態風險評價指數法和生態風險預警指數法 潛在生態風險評價指數法采用HAKANSON[16]提出的生態風險指數法進行評價，以沉積學理論為基礎，綜合考慮了元素的富集程度及獨特的毒性和綜合生態危害[17-18]。其計算公式如下：

式(4)～(6)中：Ci為重金屬元素i的質量分數(mg·kg-1)；C為重金屬元素i的參比值。Fr、Tr、Er分別為重金屬污染系數、毒性響應系數和潛在生態危害指數。鎘、鉛、汞、砷、鉻的毒性響應系數分別為30、5、40、10、2[19]。IR為5種重金屬元素的綜合潛在生態風險值。

采用生態風險預警指數[20]對水稻土生態風險進行預警評估。IER的計算公式為：

式(7)中：IER為生態風險預警指數；IERi為重金屬元素i的生態風險指數；CAi為重金屬元素i的質量分數(mg·kg-1)；CRi為重金屬元素i的參比值。

1.5 數據處理

采用Excel 2016對土壤及水稻籽粒重金屬質量分數進行描述性統計分析。采用SPSS 22.0進行Spearman相關性分析。數據可視化繪制由Origin 8.5完成。

2 結果與討論

2.1 土壤 pH 和養分狀況

土壤pH和有機質質量分數對土壤重金屬有效性均具有較大的影響。在相同的重金屬污染水平下，土壤高pH、高有機質質量分數有利于降低重金屬生物有效性，抑制作物對重金屬的吸收和積累，降低其重金屬污染風險[21]。根據調研結果，復墾地塊0～20 cm土層土壤pH為6.73～8.53，平均為8.15，屬于堿性土壤；土壤有機質為 3.98～9.94 g·kg-1，平均為 6.51 g·kg-1。20～40 cm 土層土壤 pH 為 7.42～8.52，平均為 8.24；土壤有機質質量分數為 4.79～10.10 g·kg-1，平均為 6.97 g·kg-1(表1)。

表1 復墾地塊土壤 pH 和養分質量分數Table 1 Status of soil pH and nutrient content in reclaimed land

復墾地塊 0～20 cm 土層土壤有機質質量分數＜10.00 g·kg-1，全氮平均值為 284.04 mg·kg-1，有效磷平均質量分數為14.54 mg·kg-1。從總體來看，調查地塊養分質量分數偏低。

2.2 土壤重金屬質量分數

復墾地塊0～20 cm土層土壤重金屬鎘、鉻、鉛、汞、砷的質量分數分別為0.209～0.598、71.80～145、43.10～67.10、0.021～0.034、8.61～23.70 mg·kg-1，均值分別為 0.330、107.74、53.40、0.030 mg·kg-1、18.42 mg·kg-1。20～40 cm 土層土壤鎘、鉻、鉛、汞、砷的質量分數分別為 0.240～0.497、72.80～139.00、44.60～65.30、0.029～0.058、7.39～21.40 mg·kg-1，均值分別為 0.310、106.67、54.06、0.040、16.60 mg·kg-1(表2)。2層土壤中重金屬質量分數從高到底依次為為鉻、鉛、砷、鎘、汞。

表2 復墾地塊土壤重金屬質量分數Table 2 Soil heavy metal content of reclaimed land

依據農用地土壤污染風險篩選值，耕層土壤砷有35.29%的點位超標，鎘、鉻、鉛和汞4種重金屬質量分數均未超標；但以GB/T 36869—2018《水稻生產的土壤 鎘、鉛、鉻、汞、砷安全閾值》作為對比，有少數點位的鎘元素超出安全閾值，同時有88.24%點位的耕層土壤砷元素超出安全閾值，從長期來看，對水稻安全生產而言，重金屬鎘與砷仍然具有一定的風險。這是因為土壤pH會隨著作物種植年份的延長而逐漸下降[22-23]，而重金屬的絕對值不會降低，重金屬的生物有效值就會隨之增加[24]。因此，鎘和砷為復墾地塊需要重點關注的重金屬元素。試驗測定重金屬元素質量分數變異程度較低，變異系數均小于40%，說明復墾后人為活動對該區域的重金屬影響不大，5種重金屬元素在空間上存在相似的污染程度。

2.3 水稻籽粒重金屬質量分數

根據GB 2762—2017 《食品安全國家標準 食品中污染物限量》可知：復墾地塊水稻個別點位鉻和鉛超標，超標率為12.50%～18.75% (表3)，可能原因是土壤中重金屬鉻和鉛質量分數分別為71.80～145.00和43.10～67.10 mg·kg-1，雖然未超出風險篩選值，但其質量分數相對比較高，從而導致水稻吸收的鉻和鉛超出限量值。

表3 復墾地塊水稻籽粒重金屬質量分數Table 3 Heavy metal content of rice in reclaimed land

2.4 水稻土壤重金屬污染評價

2.4.1 單因子污染指數評價和內梅羅綜合指數評價 以 GB 15618—2018《農用地土壤污染風險篩選值》為依據，計算復墾地塊土壤重金屬的單因子污染指數和綜合污染指數。以0～20 cm耕層土壤進行評價，重金屬鎘、鉛、汞、砷、鉻的單因子污染指數平均值分別為0.43、0.24、0.01、0.90、0.32 (表4)，部分點位重金屬砷單因子污染指數大于1.00，其余4種重金屬單因子污染指數平均值均小于1.00。

表4 水稻土壤重金屬污染指數Table 4 Heavy metal pollution index of paddy soil

根據重金屬元素不同污染級別點位數占比可知(表5)：有64.61%的點位土壤砷單因子污染指數小于1.00，其余35.29%的點位土壤砷超標。鎘、鉛、汞、鉻等4種元素的單因子污染指數全部都小于1.00，無超標點位。從內梅羅綜合指數(表5)看，復墾地塊土壤鎘、鉛、汞、砷、鉻綜合指數為0.37～0.88，其中41.18%的點位處于安全范圍，58.82%的點位處于警戒線。總體來看，復墾地塊土壤環境受到重金屬威脅，后續應加大保護修復力度，防止重金屬污染，保護農產品安全。

表5 基于污染指數法重金屬污染點位分布Table 5 Distribution of heavy metal pollution points based on pollution index method

2.4.2 地累積指數法 以浙江省土壤背景值為參比，對鎘、鉛、汞、砷、鉻等5種重金屬元素進行地累積指數評價(表6)。可以得出：5種重金屬元素的Igeo從大到小依次為鎘(0.08)、鉛(0.01)、砷(-0.32)、鉻(-0.35)、汞(-3.02)。在所有采樣點位中，汞的Igeo均小于0，呈現出無污染狀態，污染最嚴重的為鎘，其次為鉛，地累積指數分別為0.08和0.01，呈現出輕微污染的狀態。鉛和鎘在復墾地塊僅有58.82%的點位處于未被污染狀態，其余41.18%的點位處于輕微富集狀態，個別樣點的砷、鉻元素存在輕微富集現象(表6)。

表6 重金屬元素地累積指數評價特征值統計表Table 6 Statistical table of evaluation characteristic values of accumulation index of heavy metal elements

2.4.3 潛在生態風險評價和生態風險預警 重金屬元素鉛、汞、砷、鉻在研究區域的Er平均值均小于40，表明這4種重金屬元素均處于輕度生態危害程度且各個采樣點生態危害程度相差不大。5種重金屬元素潛在危害程度從高到低排序為鎘(49.16)、砷(12.28)、鉛(7.63)、汞(2.64)、鉻(2.39)，鎘的潛在生態風險指數最高。這說明鎘是復墾地塊最主要的生態風險因子，主要在“中等”生態危害等級中分布，占比64.71%，其次為輕微生態風險點位，占比29.41%。依據IR進行評價，復墾地塊總體處于輕微生態風險狀態。研究區域土壤生態風險預警指數(IER)變化范圍為3.22～4.02，平均值為3.67，達到中度預警級別 (表7)。

表7 水稻土重金屬潛在生態風險評價Table 7 Evaluation of potential ecological risks of heavy metals in paddy soils

3 結論

在整體空間內，復墾地塊土壤砷元素有35.29%的點位超標，鎘、鉻、鉛和汞4種重金屬均未超過土壤重金屬污染篩選值，但以GB/T 36869—2018《水稻生產的土壤 鎘、鉛、鉻、汞、砷安全閾值》作為參比，少數點位鎘元素超出安全閾值，砷元素有88.24%的點位超出安全閾值。在對應的水稻籽粒樣品中，復墾地塊個別點位有鉻和鉛超標。根據生態風險評價結果，鎘的潛在生態風險指數最高，是研究區最主要的生態風險因子。從總體來看，復墾地個別點位水稻籽粒鉻和鉛超標；土壤砷元素有部分點位超標，其他重金屬存在著一定的生態風險。由于土壤pH會隨著種植年限的延長而下降，可能會導致重金屬超標。因此，重金屬鎘、鉻、鉛和砷是研究區最主要的生態風險因子，后續需要進一步加強農田土壤環境監管，保障土壤環境安全和農產品安全。