湖北省某地農(nóng)田土壤中重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

易甜　姚晶晶　李書謙　彭立軍

摘要：通過(guò)對(duì)湖北省某地農(nóng)田土壤中5種重金屬（As、Cd、Cr、Hg、Pb）的污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，了解該地區(qū)農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，并結(jié)合單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，土壤中重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的平均含量均未超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其單因子污染指數(shù)平均值都小于0.7。重金屬超標(biāo)的46個(gè)樣本點(diǎn)的潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)結(jié)果表明，輕微生態(tài)危害樣品點(diǎn)45個(gè)；中等生態(tài)危害樣品點(diǎn)1個(gè)；該研究區(qū)農(nóng)田重金屬潛在生態(tài)危害由重至輕依次為Cd、Cr、Hg、Pb、As。從整體水平來(lái)看，該研究區(qū)土壤污染等級(jí)處于安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；重金屬；污染；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）24-6379-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.074

Abstract： This study was conducted to establish the contamination status，and explore the pollution assessment of As，Cd，Cr，Hg and Pb in the agricultural soils from an place in Hubei province. Potential ecological risk assessment of the heavy metals was analyzed with statistics，single-factor and Hakanson potential ecological risk index techniques.The results showed that the average values of soil heavy metal content of As，Cd，Cr，Hg and Pb were lower than the national soil environmental quality standard grade II and the average values of the single factor index was less than 0.7. The results of 46 of heavy metal exceeding samples showed that there was 45 slight pollution risk index regions and 1 medium pollution risk index region. Cd pollution in soils was the most serious，followed by Cr，Hg，Pb，and As.As a whole，the study of agricultural soil pollution level was in a safe level.

Key words：agricultural soil；heavy metals；pollution；risk assessment

隨著經(jīng)貿(mào)全球化的迅速發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易日趨成熟，各國(guó)政府對(duì)糧食質(zhì)量安全問(wèn)題尤為重視。農(nóng)田土壤環(huán)境是糧食的生產(chǎn)源頭和重要環(huán)境要素，土壤環(huán)境直接影響糧食的安全。重金屬作為土壤一個(gè)基本生態(tài)安全指標(biāo)，是評(píng)判區(qū)域性生態(tài)環(huán)境的必要參數(shù)[1，2]。分析農(nóng)田土壤重金屬的基本狀態(tài)是判斷該地區(qū)糧食質(zhì)量安全的有效的手段。

該試驗(yàn)以湖北省某地區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，分析土壤重金屬砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）和鉛（Pb）的污染狀況，并采用單因子指數(shù)法和潛在危害指數(shù)法，評(píng)價(jià)湖北省某地農(nóng)田重金屬污染程度和潛在生態(tài)危害，該研究對(duì)提高糧食生產(chǎn)質(zhì)量和對(duì)不同污染程度的土壤進(jìn)行規(guī)避或修復(fù)具有一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料

根據(jù)地塊情況，選擇采用梅花五點(diǎn)法、對(duì)角線法、棋盤法或蛇形法，采集湖北省某地糧食主產(chǎn)區(qū)耕作層土壤（0～20 cm）樣品400個(gè)，樣品pH均小于6.5。土壤樣品風(fēng)干磨碎，并過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)尼龍篩，裝棕色瓶備用。采樣時(shí)嚴(yán)格避免與金屬器具的接觸，以免污染樣品[3]。

1.2 方法

1.2.1 重金屬含量測(cè)定 用HCl-HNO3消解，原子熒光光度計(jì)法測(cè)定As和Hg[4]。用HNO3-HClO4-HF法消解，石墨爐原子光度法測(cè)定Pb和Cd，火焰原子光度法測(cè)定Cr[4，5]。在樣品消化和測(cè)定過(guò)程中，各設(shè)3個(gè)空白樣品、平行樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSS-2、GSS-15）同步分析，控制分析結(jié)果質(zhì)量。

1.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)參照《中華人民共和國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）分析農(nóng)田土壤重金屬污染情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出其重金屬含量分布狀況。根據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量分類，Ⅱ類主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等土壤，土壤質(zhì)量基本上對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)別規(guī)定，Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值[6]。該研究區(qū)農(nóng)田pH小于6.5，屬于酸性土壤，所有土壤限制值按照酸性土壤標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)。

1.2.3 單因子污染指數(shù)法[3] 單因子污染指數(shù)法常用于評(píng)價(jià)土壤被某一重金屬的污染程度，是中國(guó)較為通用的方法，其計(jì)算公式為：

Pi=■ （1）

式（1）中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實(shí)測(cè)濃度；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法[7] 潛在生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學(xué)家Hakanson提出，是根據(jù)重金屬性質(zhì)及其在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化沉積等行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)的角度評(píng)價(jià)土壤或者沉積物中的重金屬[7，8]。該方法首先要測(cè)得土壤中重金屬的含量，通過(guò)與土壤中重金屬元素背景值的比值得到單項(xiàng)污染指數(shù)，然后引入重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，得到潛在生態(tài)危單項(xiàng)系數(shù)，其計(jì)算公式為：

Eir=Tir×Pi=Tir×■ （2）

式（2）中，Eir為單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)，Tir為重金屬i的毒性系數(shù)，Pi為單因子污染指數(shù)。此值反映了該種重金屬的毒性水平及水體對(duì)其污染的敏感性。

通過(guò)對(duì)單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)加權(quán)，得到該區(qū)域農(nóng)田中多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI），其計(jì)算公式為：

RI=■Eir （3）

式（3）中，RI為綜合潛在生態(tài)危害系數(shù)，Eir為單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)。重金屬的生物毒性系數(shù)、參比值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別如表2和表3所示[9]。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 19.0分析軟件進(jìn)行整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

利用分析軟件對(duì)研究區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行描述性分析，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如表4所示。從表4中可以得出，研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量變化范圍分別為1.63～59.50 mg/kg，0～0.90 mg/kg，22.20～135.00 mg/kg，0.03～1.87 mg/kg和16.10～315.00 mg/kg。研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Hg和Pb含量平均值均超過(guò)湖北省土壤背景值，其中，重金屬Pb積累最為明顯，含量為背景值的1.54倍；其他依次為Hg（1.50倍）、As（1.37倍）和Cd（1.06倍）。重金屬Cr含量低于背景值，說(shuō)明沒(méi)有明顯積累。與國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量均低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該研究區(qū)土壤并未受到較大污染，保護(hù)較好。

峰度和偏度是描述數(shù)據(jù)正態(tài)分布的兩個(gè)指標(biāo)。峰度是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布的陡峭程度，偏度則顯示分布左右對(duì)稱的情況。峰度最大的是重金屬Hg（111.71），說(shuō)明數(shù)據(jù)分布高聳狹窄；峰度最小的是Cr，峰度小于0且接近于0，說(shuō)明數(shù)據(jù)分布比較平坦。5個(gè)重金屬的偏度均大于0，說(shuō)明數(shù)據(jù)多集中在正態(tài)中心左側(cè)。

變異系數(shù)作為反映統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)特征的參數(shù)，可從一定程度上反映其積累的分布與均勻狀態(tài)。變異系數(shù)最大的重金屬是Hg，表明重金屬Hg的分布最不均勻，且受人為干擾強(qiáng)于其他4種重金屬。

2.2 單因子污染指數(shù)法

根據(jù)單因子污染指數(shù)法的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果如表5所示。以土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618-1995中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的污染指數(shù)平均值范圍為0.16～0.59，均小于0.7，說(shuō)明整體上污染指數(shù)較低，污染情況較輕，這與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)論保持一致。Cr的Pi最大值為0.54，小于0.7，表明Cr屬于清潔等級(jí)；As和Pb的污染指數(shù)最大值分別為1.98和1.26，兩者的超標(biāo)樣數(shù)分別為10和2，說(shuō)明有部分地區(qū)農(nóng)田已經(jīng)達(dá)到輕度污染級(jí)別，需要引起重視，避免污染日趨嚴(yán)重；Cd和Hg污染指數(shù)最大值分別為3.00和6.24，兩者的超標(biāo)樣數(shù)分別為23和16，已經(jīng)達(dá)到重度污染級(jí)別，從數(shù)量上和廣度上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他重金屬，必須引起高度重視，并對(duì)污染嚴(yán)重區(qū)域農(nóng)田進(jìn)行綜合治理。

2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

根據(jù)單因子污染指數(shù)法結(jié)果，針對(duì)重金屬超標(biāo)的46個(gè)樣本點(diǎn)，進(jìn)行重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)。經(jīng)計(jì)算，湖北某地農(nóng)田土壤中5種金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）和潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)（RI）如表6所示。

根據(jù)單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）分析，重金屬As、Hg和Pb危害程度相對(duì)較低（Eir<40）；重金屬Cr有7個(gè)采樣點(diǎn)屬于中等生態(tài)危害（40≤Eir<80），2個(gè)采樣點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害（80≤<160）；重金屬Cd有13個(gè)采樣點(diǎn)屬于中等生態(tài)危害（40≤Eir<80），2個(gè)采樣點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害（80≤Eir<160），1個(gè)采樣點(diǎn)甚至出現(xiàn)了很強(qiáng)生態(tài)危害的信號(hào)（160≤Eir<320）。

潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)（RI）結(jié)果表明，在研究區(qū)土壤重金屬超標(biāo)的46個(gè)采樣點(diǎn)中，屬于輕微生態(tài)危害（RI<150）的有45個(gè)；屬于中等生態(tài)危害1個(gè)（150≤RI<300）。

無(wú)論以單因子的潛在生態(tài)系數(shù)（Eir），還是以多因子的潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）來(lái)評(píng)價(jià)，該研究區(qū)土壤重金屬污染最嚴(yán)重的是Cd，其次是Cr、Hg、Pb、As。

3 小結(jié)

與國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，研究區(qū)農(nóng)田土壤中5種重金屬As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量均低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其單因子污染指數(shù)平均值都小于0.7，說(shuō)明研究區(qū)農(nóng)田整體上并未受到較大污染，保護(hù)較為完善。針對(duì)重金屬超標(biāo)的46個(gè)樣本點(diǎn)，進(jìn)行重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)。潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)RI結(jié)果表明，研究區(qū)中屬于輕微生態(tài)危害（RI<150）的有45個(gè)；屬于中等生態(tài)危害1個(gè)（150≤RI<300）；該研究區(qū)農(nóng)田重金屬潛在生態(tài)危害由重至輕依次為Cd、Cr、Hg、Pb、As。

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