永春縣4種主要農產品產地土壤重金屬含量及其風險評估

趙 蘭

(永春縣農業科學研究所， 福建 泉州 362600)

永春縣位于福建省中南部，泉州市中北部，東經117°41′55″～118°31′9″，北緯25°13′15″～25°33′45″。土壤主要為花崗巖風化物形成的酸性紅壤，地勢由西北向東南傾斜，年均氣溫20.8℃，水熱資源豐富。永春縣盛產蘆柑、佛手茶、蔬菜、水稻等農產品，是全國最大的佛手茶生產和出口基地，有“中國蘆柑之鄉”和“中國名茶之鄉”之稱。永春蘆柑和佛手茶先后被列為國家地理標志保護產品[1-2]。隨著生活水平的不斷提高，人們更加關注食品安全和飲食健康。重金屬是典型的土壤污染物，不易被微生物降解，土壤中累積的重金屬對土壤質量和作物品質產生不利影響，甚至危害生態安全和身體健康[3-4]。因此，對主要農產品產地土壤重金屬污染狀況進行系統調查并進行風險評估，對保障農產品質量安全、推進農業綠色發展具有重要意義。

土地種植類型是人們在生產過程形成的特定生產形式，種植類型的改變不但會使耕作、施肥等管理措施發生變化，還會影響農田土壤重金屬的遷移轉化及富集。李靈等[3]研究表明，5種不同種植類型土壤中6種重金屬綜合污染指數排序為旱地>果園>竹林>稻田>茶園。而周萍等[5]研究顯示，5種不同種植類型下，土壤中5種重金屬綜合污染指數大小排序為大棚蔬菜>果園>菜地>麥田>稻田。文獻調查表明，永春蘆柑和佛手茶產地土壤研究較少，鮮見永春蘆柑和佛手茶主要產地重金屬污染方面的研究。鑒于此，本研究測試分析永春縣4種主要農產品產地(柑園、茶園、菜地、稻田)土壤中鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、銅(Cu)等8種重金屬元素含量，采用單因子指數法和內梅羅綜合指數法評價農產品產地土壤重金屬污染狀況，以期為永春縣主要農產品質量安全監督管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 點位布設

采用網格法，根據污染程度、污染源類型和排放強度等進行布點，在1∶10 000土地利用現狀圖上劃分網格，標出每個網格中心的經緯度，全縣布設111個點位(其中柑園20個、茶園21個、菜地19個、稻田51個)。

1.2 樣品采集與分析

采樣前預先設計好網格中心經緯度，采樣時在中心點附近選擇均勻、平整的代表性田塊作為采樣地塊(面積不小于150 m2)。采用S形5點采樣法分別采集表層土樣(稻田、菜地采樣深度0～20 cm，柑園、茶園采樣深度0～30 cm)，每個采樣地塊采集1 kg混合土壤樣品，揀去雜物，風干過篩備用。

樣品pH值測定參照NY/T 1377-2007《土壤pH的測定》，Pb、Cd含量測定參照GB/T 17141-1997《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》，Hg含量測定參照GB/T 22105.1-2008《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第1部分：土壤中總汞的測定》，As含量測定參照GB/T 22105.2-2008《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第2部分：土壤中總砷的測定》， Ni含量測定參照GB/T17139-1997《土壤質量 鎳的測定 火焰原子吸收分光光度法》，Cr含量測定參照HJ491-2009《土壤 總鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》，Cu、Zn含量測定參照GB/T17138-1997《土壤質量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》。

1.3 評價方法

參照GB 15618-2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[6]，將農用地土壤污染風險篩選值作為本研究的評價標準(表1)，采用單因子污染指數法和內梅羅綜合指數法評估主要農產品產地土壤重金屬生態風險。

表1 農用地土壤污染風險篩選值

1.3.1單因子污染指數法 本研究采用單因子污染指數法來評價農產品產地土壤重金屬污染物的危害程度[7]。

計算公式為：Pi=Ci/Si

式中，Pi為第i種污染物的污染指數；Ci為第i種污染物實測濃度；Si為第i種污染物的評價標準值。根據污染指數(Pi)大小，將重金屬污染物的危害程度劃分為4個等級，即非污染(Pi≤1)、輕污染(13)。

1.3.2內梅羅綜合指數法 本研究采用內梅羅綜合指數法對土壤污染狀況進行全面評價，克服單因子污染指數法的缺陷，通過綜合污染指數全面反映重金屬污染物的污染狀況[8]。

計算方法如下：

式中：P綜是采樣點的綜合污染指數；Pimax為第i采樣點重金屬污染物單項污染指數最大值，Pave為測定點所有污染物單項污染指數的平均值。根據綜合污染指數(P綜)大小，將土壤污染情況劃分為5個等級，即安全(P綜≤0.7)、警戒線(0.73.0)[9]。

2 結果與分析

2.1 4種主要農產品產地表層土壤pH值

由表2可知，永春縣4種主要農產品產地土壤pH總體在4.34～6.37，其中柑園、茶園、菜地、稻田土壤pH均值分別為4.77、4.80、5.14、5.15，均小于7，呈弱酸性。

表2 4種主要農產品產地表層土壤pH值

2.2 4種主要農產品產地土壤重金屬含量

由圖1可知，柑園、茶園、菜地、稻田土壤中Cd、Pb、Hg、As、Ni、Cr、Zn、Cu元素含量(均值)分別介于0.06～0.22、46.17～76.19、0.09～0.17、2.34～4.51、24.52～28.58、12.45～30.20、91.05～120.28、27.10～74.10 mg·kg-1。

4種主要農產品產地土壤中，Cd含量以菜地最高，是含量最低的茶園3.67倍。Pb含量以柑園最高，是含量最低的菜地1.65倍。Hg、Ni含量在稻田土壤最高，分別是含量最低的柑園1.89倍和茶園1.17倍。As含量在稻田、菜地、柑園和茶園土壤中相對較低，分別是2.34、2.94、4.51、3.61 mg·kg-1。Cr、Cu和Zn含量以柑園最高，分別是含量最低的茶園2.43、2.73、1.32倍。除柑園土壤Pb外，其他重金屬均未超出國標GB 15618-2018《土壤環境質量農用地土壤風險管控標準(試行)》[6]篩選值。

注：圖中單位為mg·kg-1圖1 4種主要農產品產地土壤重金屬含量Fig.1 Heavy metal content of the soil in the four main agricultural product producing areas

2.3 4種主要農產品產地土壤重金屬的累積

4種主要農產品產地土壤Cd、Pb、Hg、As、Ni、Cr、Zn、Cu元素含量分別是福建省土壤元素背景值(Cd：0.054，Pb：34.9，Hg：0.081，As：5.78，Ni：13.5，Cr：41.3，Zn：82.7，Cu：21.6，單位mg·kg-1)[10]的1.11～4.07、1.32～2.18、1.10～2.10、0.40～0.78、1.82～2.12、0.30～0.73、1.10～1.45、1.25～3.43倍(圖2)。4種主要農產品產地土壤中Cd、Pb、Hg、Ni、Zn和Cu含量均超出福建省元素背景值，表明研究區土壤中上述6種元素均出現了一定程度的累積。4種主要農產品產地土壤中重金屬平均超標倍數為柑園(1.77倍)>菜地(1.66倍)>稻田(1.59倍)≥茶園(1.09倍)；8種重金屬元素平均超標倍數為Cd(2.78倍)>Ni(1.98倍)>Cu(1.88倍)≥Pb(1.60倍)>Hg(1.59倍)>Zn(1.30倍)≥As(0.58倍)>Cr(0.50倍)。

圖2 4種主要農產品產地土壤重金屬含量超標倍數Fig.2 Exceeded multiples of the heavy metal content in the soil in the producing areas of four main agricultural products

2.4 4種主要農產品產地土壤重金屬污染評價

2.4.1單因子污染指數評價 由表3可知，稻田表層土壤重金屬單因子污染指數平均值(Pi)排序為：Pb>Cd>Hg>Cu>Zn>Ni>As≈Cr；菜地表層土壤重金屬Pi排序為：Cd>Cu>Pb>Zn>Ni>Hg≈Cr>As；柑園表層土壤重金屬Pi排序為：Pb>Zn>Cu>Ni>Cd>Cr>As>Hg；茶園表層土壤重金屬Pi排序為：Pb>Cu>Zn>Ni>Cd>As>Cr>Hg。除柑園土壤Pb(1.09)外，其他重金屬單項污染指數均小于1，說明永春縣主要農產品產地土壤除柑園輕度污染外，其他種植類型土壤均處于尚未污染狀態。

表3 4種主要農產品產地土壤重金屬污染評價

2.4.2綜合污染指數評價 為全面反映農產品產地土壤重金屬污染狀況，本研究采用內梅羅指數法來綜合評價土壤污染水平。從表3可知，各元素綜合污染指數(P綜)由大到小為Pb(0.95)>Cd(0.63)>Cu(0.62)>Zn(0.57)>Ni(0.47)>Hg(0.43)>Cr(0.16)>As(0.10)。在整個研究區域中，所有土壤8種重金屬綜合污染指數均小于1，說明永春縣主要農產品(蘆柑、茶葉、蔬菜、水稻)產地土壤處于尚未被污染的狀態，今后需要繼續加大耕地保育和產地環境保護力度。

3 結論與討論

本研究通過測定分析永春縣4種主要農產品產地土壤重金屬含量，并采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對土壤中Cd、Pb、Hg、As、Ni、Cr、Zn、Cu等8種重金屬元素污染風險進行了評估，結果表明： (1)4種主要農產品產地土壤中8種重金屬元素除柑園土壤Pb(超標9.0%)，其他均未超出國標GB 15618-2018《土壤環境質量農用地土壤風險管控標準(試行)》[6]篩選值。相關研究表明，交通排放[11]和污泥施用[12]是土壤中Pb元素的重要來源，而調查顯示上述兩種因素對永春柑園土壤中Pb的貢獻較小。因此，永春縣柑園土壤中Pb含量超標，可能與使用含砷酸鉛的殺蟲劑、除草劑等[13]等農用物資有關，或是因為長期單一種植模式下土壤重金屬元素殘留普遍較高所致[14]。(2)4種主要農產品產地土壤中Cd、Pb、Hg、Ni、Zn和Cu含量均超出福建省元素背景值，Cd積累最為明顯，超過背景值178%。這可能與農業生產中施用富含Cd元素的磷肥有關[15]，因為含有重金屬(如Cd等)的化肥中，重金屬含量排序為磷肥>復合肥>鉀肥>氮肥[16]。(3)4種主要農產品產地土壤中8種重金屬單項污染指數除柑園土壤Pb外，其他重金屬均小于1；所有土壤中重金屬綜合污染指數均小于1。說明永春縣主要農產品產地土壤除柑園土壤Pb輕度污染外，其他種植類型的土壤均處于尚未被污染的狀態。

總體而言，永春縣主要農產品產地土壤大部分處于未被污染的狀態，但產地土壤中Cd、Pb、Hg、Ni、Zn和Cu等6種元素含量均超過了福建省土壤重金屬含量背景值，尤其是Cd元素累積趨勢明顯。由于一些毒性較大的重金屬元素(如Cd、Cr等)易為農作物吸收利用，并隨食物鏈進入人體富集，對人類身體健康產生不良影響[17-18]。因此，加強對主要農產品產地土壤重金屬的長期監測及系統防治是今后的工作重點和努力方向。