彭水县耕地土壤重金属污染特征调查及风险评价
时间：2023-03-10 18:40:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王银华，任远锋，何建平
（彭水县农业农村委员会，重庆彭水 409600）
随着土壤污染防治行动计划的分阶段实施及国家粮食安全战略的提出，土壤污染及粮食安全备受关注[1-2]。《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤污染状况不容乐观，其中重金属等无机污染物是主要的污染因子[3]。从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方，长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。其中，耕地土壤点位超标率为19.4%，主要污染物为Cd等重金属元素[4]。
耕地土壤重金属超标不仅会影响农产品品质，造成粮食减产，而且会通过食物链进入人体，在人体内不断累积，造成人体脏器功能损害，对身体健康造成影响，是人民通往美好生活道路上的主要障碍之一[5-7]。已有研究表明，重庆市东南地区由于地质原因，土壤重金属本地含量高，部分地区土壤重金属超标问题显著[8]。本文选择彭水县为研究区域，通过采集耕地土壤样品，评价重金属污染状况，并对重金属来源和有效性进行研究，提出相应的建议，以期对地区重金属污染防控提供科学依据。
1.1 研究区概况
彭水县位于重庆东南部，地处乌江下游，北纬28°57′～29°51′、东经107°48′～108°36′。东西宽78 km，南北长96.40 km，水陆边界线总长414.90 km，总面积3 905.22 km2。属中亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，光照偏少。多年平均气温17.50 ℃，常年平均降水量1 104.20 mm。有耕地10.70 万hm2，草山、草地0.81 万hm2，林业用地19.53 万hm2，主要种植作物为玉米、红薯和水稻。
1.2 样品采集与测试
在彭水县主要农耕区采集0～20 cm 的表层样品120 个。根据耕地地块形状，在梯田区采用“S”形采集分样点，在地势相对平缓的地区，采用“X”形或棋盘形采集分样点，采集4～6个子样点混合成一个样品。土壤样品在自然条件下阴干，样品晾干后用尼龙筛截取2 mm（10目）粒级送至实验室分析。采用X射线荧光光谱法分析土壤Cr 和Pb 的含量；
采用原子荧光光谱法分析土壤As 和Hg 的含量；
采用等离子体发射光谱法分析土壤Cd 含量；
采用pH 计电极法测试土壤pH值；
采用DGT提取法分析土壤Cd有效态占比。
2.1 土壤重金属含量
统计120 个耕地土壤样品中重金属的含量，并参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）对土壤重金属超标情况进行评价。由表1 可见，土壤Cd、Hg、Pb、As 和Cr 的平均含量分别为0.72、0.59、0.28、0.37 和0.22 mg·kg-1，土壤Cd 轻度超标率（含量介于筛选值和管制值之间）为30.25%，重度超标率（超过管制值）为2.05%，耕地土壤Cd 超标问题显著。土壤Cd、Hg 含量的变异系数分别为0.72、0.59，属于极强变异，说明含量在空间上分布不均匀，受到人为扰动的可能性较大[9]。
表1 彭水县耕地土壤重金属含量及超标情况
对研究区土壤pH 进行统计分析，结果显示，强酸性（pH≤5.5）、酸性（pH 值在5.5～6.5）、中性（pH值在6.5～7.5）和碱性（pH＞7.5）所占比例分别为18.33%、27%、32.83%和21.84%，土壤存在一定程度的酸化情况。
2.2 土壤重金属来源
对土壤重金属含量进行相关性分析发现，各重金属含量间均存在显著相关关系（p＜0.01）（见表2），说明土壤重金属可能具有同源性。为了进一步探究土壤重金属来源，对土壤重金属进行主成分分析，结果见表3。对Kaiser 标准化后的因子进行Varimax 正交旋转，得到了两个特征值大于1 的主成分，方差贡献率分别为45.21%及39.26%，累计贡献率为84.47%，可解释土壤重金属元素的大部分信息。第一主成分载荷较高的元素为Pb 和As，第二主成分载荷较高的是Cr，土壤Cd 和Hg 在两个主成分上的载荷相差较小，来源可能同时受到两方面的影响。一般来说，土壤Cr主要受到成土母质的影响，人为活动对土壤Cr的输入通量较小；
据报道，土壤Cr、Hg 和Cd 可能受到自然因素的影响[10]。由于本次土壤采样点主要位于耕地土壤中，且平时使用的禽类、畜类饲料中会添加部分As元素用以促进牲畜对营养元素的吸收，而研究区使用牲畜粪便作为基肥的情况较为普遍[11]，因此，As、Pb、Cd和Hg可能受到人为活动的影响。
表2 土壤重金属含量相关性分析
表3 土壤重金属主成分分析
2.3 重金属污染评价
内梅罗综合污染指数法是基于单因子指数法而衍生出的综合性污染评价方法，既考虑了单因子污染指数的平均值和最大值，又能够反映各污染物对土壤的影响，具有突出最大污染物对土壤环境质量影响的优点[12]。
式中，Pi为单因子污染指数；
Ci为重金属i的实测含量，Si为《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准）（试行）》（GB 15618-2018）给出的污染风险筛选值。Pi的分级标准为：Pi≤1，无污染（安全）；
1＜Pi≤2，轻微污染（警戒线）；
2＜Pi≤3，轻度污染；
3＜Pi≤5，中度污染；
Pi＞5，重度污染。P为内梅罗综合污染指数；
Piavg为单因子污染指数的平均值；
Pimax为单因子污染指数的最大值，P的分级标准为：P≤0.7，无污染；
0.7＜P≤1.0，尚未污染（警戒线）；
1.0＜P≤2.0，轻度污染；
2.0＜P≤3.0，中度污染；
P＞3.0，重度污染。
利用式（1）和式（2）对研究区土壤重金属污染情况进行评价，结果见图1。土壤Cd 的单因子污染指数介于0.43～12.20，平均值为2.04，无污染（安全）、轻微污染（警戒线）、轻度污染、中度污染和重度污染点位所占比例分别为19.72%、43.66%、14.08%、19.71%和2.83%，以轻微污染（警戒线）为主，其余重金属的单因子指数均小于1，处于无污染（安全）水平。研究区内梅罗指数介于0.37～8.83，平均值为1.52，无污染、尚未污染（警戒线）、轻度污染、中度污染和重度污染点位所占比例分别为14.08%、21.12%、39.44%、19.71%和5.65%，以轻度污染为主。
图1 研究区土壤单因子及内梅罗指数评价结果
瑞典学者Hakanson 于1980 年首次提出潜在生态危害指数法，能综合反映重金属对生态环境影响潜力指标，其计算公式如下[13]：
（3）（4）式中，Eri为重金属i 的潜在生态风险指数；
Ci为土壤中重金属i的实测值；
Cni为重金属i的风险筛选值；
Tri为重金属i 的毒性系数，重金属Cd、Hg、Pb、As及Cr的毒性系数分别为30、40、5、10和2[14]。m为参与计算的重金属个数；
RI为土壤中重金属的潜在生态风险指数；
Hakanson提出的RI分级标准是基于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 和多氯联苯的毒性系数总和(133)计算得到的，RI的第一级限值为150，由于本研究只考虑了5 种重金属，因此，对RI的分级限值进行了调整[15]，Cd、Hg、Pb、As 及Cr 的毒性系数总和为87，因此RI对应的第一级限值调整为100，具体分级标准见表4。
表4 重金属潜在生态风险指数分级标准
研究区土壤重金属潜在生态风险评价结果见图2。土壤Cd 的潜在生态风险指数介于12.75～366.00，平均值为61.23，轻微、中等、强、很强和极强风险等级点位所占比例分别为36.62%、38.02%、23.94%、0%和1.42%，以轻微和中等风险为主，其余重金属的潜在生态风险指数均小于40。研究区土壤重金属潜在生态风险指数介于23.11～374.21，平均值为73.37，轻微、中等、强和很强风险点位所占比例分别为77.46%、21.12%、0%和1.42%，以轻微和中等风险为主。
图2 研究区土壤重金属潜在生态风险评价结果
2.4 土壤重金属有效态及其影响因素
土壤中重金属的总量仅能反映地区土壤重金属背景和潜在风险，尚不能直接表征土壤重金属的污染程度。一般将能被农产品直接吸收的重金属形态称为生物有效态，是评价地区土壤重金属污染程度的主要指标。上节已述，土壤Cd 是研究区主要的污染因子，因此，对土壤Cd 的有效态含量进行评价。土壤有效Cd 的含量范围为0.03～0.91 mg·kg-1，平均含量为0.26 mg·kg-1，其中低风险等级的（“有效态含量/全量”＜20%）点位占比28.16%，中风险等级的（20%＜“有效态含量/全量”＜40%）点位占比39.43%，高风险等级的（“有效态含量/全量”＞40%）点位占比32.41%。说明研究区土壤Cd 的有效性高，存在较强的生态风险。
分析土壤Cd 有效态含量占比与土壤pH 值的相关性，由图3 可以看出，土壤Cd 有效态占比与土壤pH值呈显著负相关关系，在酸性条件下，有效态占比更高，因此研究区土壤整体偏酸性可能是Cd有效态含量较高的主要原因。
图3 土壤Cd有效态占比与土壤pH值的相关性
研究表明，施用碱性调理剂能明显地改善土壤酸性状况，因此，建议对研究区耕地土壤施用一定量的碱性调理剂，调节土壤pH，延缓土壤酸化趋势，降低重金属有效态含量，降低地区土壤重金属污染风险[16]。
1）研究区土壤Cd 轻度超标率（含量介于筛选值和管制值之间）为30.25%，重度超标率（超过管制值）为2.05%，变异系数分别为0.72，属于极强变异，受到人为扰动的可能性较大。强酸性（pH≤5.5）、酸性（pH 值在5.5～6.5）、中性（pH 值在6.5～7.5）和碱性（pH＞7.5）土壤所占比例分别为18.33%、27%、32.83%和21.84%，土壤存在一定程度的酸化情况。
2）研究区重金属含量间均存在显著相关关系（P＜0.01），说明其来源存在一定联系。土壤Cr、Hg和Cd 可能受到自然因素的影响，土壤As、Pb、Cd 和Hg可能受到农业活动等人为因素的影响。
3）研究区土壤污染状况以中度污染为主，点位所占比例为39.44%，潜在生态风险以轻微和中等风险为主，点位所占比例分别为77.46%和21.12%。主要污染因子为Cd元素。
4）研究区土壤有效Cd 低风险等级的（“有效态含量/全量”＜20%）、风险等级的（20%＜“有效态含量/全量”＜40%）和高风险等级的（“有效态含量/全量”＞40%）点位占比分别为28.16%、39.43%和32.41%，土壤Cd 的有效性高，存在较强的生态风险。土壤Cd 有效态占比与土壤pH 值呈显著负相关关系，在酸性条件下，有效态占比更高，建议施用碱性调理剂改善土壤酸性状况。
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