湖北省天門(mén)市富硒耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

易 甜，李寶琦，彭立軍，姚晶晶

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，武漢 430064；2.農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)與安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；3.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢 430034）

硒（Se）元素在地球上的分布稀少且分散，其在地殼中的豐度僅為0.05~0.09 μg/g。硒在工業(yè)上用途廣泛，是人體和動(dòng)物所必需的微量元素，對(duì)重金屬毒性有拮抗作用［1，2］。膳食中硒攝入不足，將嚴(yán)重影響人體健康，缺硒會(huì)引起許多疾病，如克山病與消化道癌癥等。人類(lèi)主要通過(guò)食品攝入硒，而植物性食品中的硒大部分來(lái)自土壤，土壤中硒濃度的高低直接影響食品中硒的含量［3］。中國(guó)是缺硒大國(guó)，全國(guó)約有72%的地區(qū)處于缺硒、低硒狀態(tài)，僅有少部分地區(qū)為硒含量較高或高硒區(qū)域。湖北省恩施州和陜西省紫陽(yáng)縣是2 個(gè)大面積的天然富硒區(qū)。國(guó)內(nèi)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)富硒地帶，如江西省龍南地區(qū)、重慶市江津縣、貴州省開(kāi)陽(yáng)縣，貴州開(kāi)陽(yáng)縣表層土壤硒含量均值為0.6 mg/kg［4，5］。研究表明，硒能改善動(dòng)物機(jī)體的免疫力，提高人體抗癌能力，抑制鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、銀（Ag）等重金屬毒性［6，7］。尋找富硒土壤，合理利用土地資源，開(kāi)發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品，可為城鎮(zhèn)居民，尤其是缺硒地區(qū)的居民提供補(bǔ)硒途徑，增強(qiáng)居民飲食營(yíng)養(yǎng)，提高身體健康水平。

富硒土壤的環(huán)境質(zhì)量受到多種因素影響，既有自然因素也有人為因素。但由于土壤中的Se 通常與As、Hg、Cd、鉛（Pb）、鉻（Cr）等重金屬處于同一系統(tǒng)中，這些重金屬含量高于土壤安全標(biāo)準(zhǔn)，不僅危害到Se 的生物有效性，還可能對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全造成不利影響［8，9］。合理地利用富硒土壤資源，防止土壤環(huán)境的污染和破壞，是堅(jiān)持環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求。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，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題尤為重要，耕地土壤環(huán)境是農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)源頭和重要環(huán)境要素。重金屬作為土壤一個(gè)基本的生態(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)［10，11］。分析耕地土壤重金屬的基本狀態(tài)是判斷該地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全最有效的手段。

湖北省天門(mén)市耕地土壤富硒調(diào)查及重金屬污染現(xiàn)狀的研究和評(píng)價(jià)較少。以天門(mén)市農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)耕作層土壤為研究對(duì)象，分析、評(píng)價(jià)土壤中硒的含量及分布，通過(guò)評(píng)價(jià)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染狀況，明確周邊耕地土壤的重金屬富集及伴生情況，分析天門(mén)市富硒耕地土壤的污染程度，以期為該市含硒耕地土壤資源的合理開(kāi)發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天門(mén)市位于湖北省中南部，江漢平原北部，總面積2 622 km2，東經(jīng)112°33′45″—113°26′15″，北緯30°22′30″—30°52′30″。市境北緣與大洪山余脈的低丘相連，西、南面有漢水環(huán)繞，依山帶水。整個(gè)地勢(shì)自西北向東南傾斜，形成低丘、崗狀平原和河湖平原3種地貎。府河、漢北河橫貫腹地，皂市改道河、東河、西河等20 多條河流縱橫交錯(cuò)，有張家湖、華嚴(yán)湖等多個(gè)湖泊。東與漢川市、應(yīng)城市接壤，北與京山縣、鐘祥市毗鄰，南面和西面隔漢江與仙桃市、潛江市、荊門(mén)市相望。

1.2 樣品采集與測(cè)定

1.2.1 樣品采集 采樣點(diǎn)布設(shè)于農(nóng)田、園地、林地、草地及山地丘陵土層較厚地帶，采樣時(shí)避開(kāi)新近搬運(yùn)的堆積土、垃圾堆和局部污染明顯的地區(qū)；老城區(qū)在歷史較長(zhǎng)的公園、林地及其他空曠地帶采樣；新城區(qū)（或開(kāi)發(fā)區(qū)）在尚未開(kāi)發(fā)利用的農(nóng)用地中采樣。采集湖北省天門(mén)市農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)耕作層土壤（0~20 cm）樣品641 個(gè)。土壤樣品在風(fēng)干室風(fēng)干磨碎，并過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)尼龍篩，裝棕色瓶備用［12，13］。

1.2.2 重金屬含量測(cè)定 樣品經(jīng)硝酸-高氯酸混合酸加熱消化后，在鹽酸介質(zhì)中，將樣品中的六價(jià)硒還原成四價(jià)硒，用硼氫化鈉（NaBH4）或硼氫化鉀（KBH4）作還原劑，將四價(jià)硒在鹽酸介質(zhì)中還原成硒化氫（SeH2），由載氣（氬氣）帶入原子化器中進(jìn)行原子化，在硒特制空心陰極燈照射下，基態(tài)硒原子被激發(fā)至高能態(tài)，在去活化回到基態(tài)時(shí)，發(fā)射出特征波長(zhǎng)的熒光，其熒光強(qiáng)度和硒含量成正比［14］。

用原子熒光光度計(jì)法測(cè)定As 和Hg［15］。用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定Pb、Cd 和Cr［12］。在樣品進(jìn)行消化、測(cè)定過(guò)程中，均有2~3 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。

1.3 硒含量調(diào)查與分析

硒含量調(diào)查與分析以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方式，對(duì)天門(mén)市農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)耕作層土壤富硒程度和分布進(jìn)行研究。土壤中硒的含量達(dá)到0.4 mg/kg以上可以判斷為富硒耕地土壤。

1.4 耕地土壤重金屬評(píng)價(jià)方法

在統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上，采用單因子指數(shù)法和潛在危害指數(shù)法，對(duì)天門(mén)市耕地土壤重金屬污染程度和潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 依據(jù)《中華人民共和國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）對(duì)土壤重金屬污染情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［16］。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(lèi)，Ⅱ類(lèi)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。Ⅱ類(lèi)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。

1.4.2 單因子污染指數(shù)法 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［17，18］，其計(jì)算公式為：

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。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量單因子污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法，根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化沉積等行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)的角度，對(duì)土壤或沉積物中的重金屬做出評(píng)價(jià)［10，19］。其計(jì)算公式如下。

式（2）中，Eir為單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)，T ri為重金屬i的毒性系數(shù)，Pi為單因子污染指數(shù)。Eir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)域耕地中多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI，其計(jì)算公式如下。

式（3）中，RI為綜合潛在生態(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)見(jiàn)表2 和表3［9］。

表2 重金屬的參比值Si和生物毒性系數(shù)Tri

表3 生態(tài)危害系數(shù)、指數(shù)與危害程度分級(jí)

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2017、SPSS 20.0和Matlab 7.0 分析軟件進(jìn)行整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒含量分布狀況

對(duì)天門(mén)市耕地土壤硒含量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該地區(qū)土壤pH 為4.86~8.91，土壤略偏堿性；硒含量為0.05~0.65 mg/kg，平均值為0.33 mg/kg。在所有土壤樣品中，有145 個(gè)樣品達(dá)到土壤富硒的標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)量的22.6%；有480 個(gè)樣品硒含量集中在0.2~0.4 mg/kg，16 個(gè)土壤樣品硒含量低于0.2 mg/kg。天門(mén)市硒含量分布圖見(jiàn)圖1。由圖1 可知，該地區(qū)硒含量分布較為均勻，含量適中，適合發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)。

圖1 天門(mén)市硒含量分布

2.2 耕地重金屬含量

利用分析軟件對(duì)研究區(qū)耕地重金屬含量進(jìn)行描述性分析，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表4。由表4 可知，該區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的含量分別為4.40~26.10 mg/kg、0.09~1.91 mg/kg、48.80~127.30 mg/kg、0.00~0.46 mg/kg 和10.50~39.90 mg/kg。該區(qū)土壤重金屬As、Cr、Hg 和Pb 含量平均值均未超過(guò)湖北省土壤背景值，說(shuō)明重金屬在該地區(qū)的積累效應(yīng)不明顯。與國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，天門(mén)市耕地土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 含量均低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該區(qū)域耕地土壤并未受到較大污染。變異系數(shù)最大的重金屬是Hg，與其他4 種重金屬相比，Hg 分布最不均勻，受到嚴(yán)重的人為干擾。

表4 耕地重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.3 單因子污染指數(shù)法

根據(jù)單因子污染指數(shù)法分析天門(mén)市各種重金屬污染程度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。將土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018 中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值設(shè)定為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)耕地重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染指數(shù)平均值分別為0.57、0.53、0.27、0.38 和0.12，均小于0.70，說(shuō)明污染情況較輕，與統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

表5 天門(mén)市耕地土壤重金屬含量污染指數(shù)及超標(biāo)樣本數(shù)

As 和Pb 的污染指數(shù)最大值分別為1.42 和1.22，超標(biāo)樣數(shù)分別為5 和4 個(gè)，說(shuō)明部分地區(qū)耕地已經(jīng)達(dá)到輕度污染級(jí)別，需提高警惕。Cr 的污染指數(shù)最大值為0.54，小于0.70，表明Cr 屬于清潔等級(jí)。Cd 和Hg 污染指數(shù)最大值分別為2.01 和3.21，超標(biāo)樣數(shù)分別為12 和7 個(gè)，已達(dá)到重度污染級(jí)別，從數(shù)量和廣度上都遠(yuǎn)超過(guò)其他重金屬，對(duì)污染嚴(yán)重區(qū)域耕地進(jìn)行綜合治理，避免污染日趨嚴(yán)重。

2.4 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28 個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)。天門(mén)市耕地中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）見(jiàn)表6。由表6 可知，重金屬As、Cr 和Pb 危害程度相對(duì)較低（Eir< 40）；重金屬Cd 有2 個(gè)樣本點(diǎn)屬中等生態(tài)危害（40 ≤Eir< 80）；重金屬Hg 有4 個(gè)樣本點(diǎn)屬中等生態(tài)危害（40 ≤Eir<80），1 個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)了很強(qiáng)的生態(tài)危害信號(hào)（160 ≤<320）。

表6 天門(mén)市耕地重金屬生態(tài)危害評(píng)價(jià)指數(shù)

潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)RI結(jié)果表明，在研究區(qū)重金屬超標(biāo)的28 個(gè)采樣點(diǎn)中，23 個(gè)屬于輕微生態(tài)危害（RI<150）；1個(gè)屬于中等生態(tài)危害（150 ≤RI<300）。

該研究區(qū)耕地重金屬污染最嚴(yán)重的是Cd，其次是Hg。

3 硒資源開(kāi)發(fā)建議

富硒土地作為獨(dú)特的地質(zhì)資源，開(kāi)發(fā)利用好天門(mén)市的富硒土地資源對(duì)于天門(mén)市實(shí)現(xiàn)由資源優(yōu)勢(shì)地位向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)地位的轉(zhuǎn)化，打造地方特色農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)民收入等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。富硒耕地的直接開(kāi)發(fā)利用相對(duì)比較簡(jiǎn)單，將本地資源狀況和實(shí)際自然環(huán)境相結(jié)合，根據(jù)市場(chǎng)需求和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整要求，通過(guò)比較經(jīng)濟(jì)效益，選擇既易富硒又具有國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)前景且經(jīng)濟(jì)效益更高的農(nóng)產(chǎn)品種類(lèi)，直接在已知的富硒耕地上種植和栽培富硒農(nóng)作物。但由于富硒土壤在成因上比較獨(dú)特，農(nóng)作物中的硒不僅與土壤的總硒含量有關(guān)，還與腐植酸態(tài)硒濃度密切相關(guān)。因此，建議在土地利用過(guò)程中，以天然種植為主，確立以發(fā)展富硒蔬菜和富硒水稻種植為基礎(chǔ)，以全力提升品質(zhì)為目標(biāo)。

鑒于該地區(qū)傳統(tǒng)以種植水稻和蔬菜為主，要依據(jù)富硒土壤的分布特點(diǎn)和自然特性，合理地、有針對(duì)性地打造富硒農(nóng)產(chǎn)品，建議在棚外以種植水稻和蔬菜為主，首選毛豆、長(zhǎng)豇豆、豆角、蠶豆、雪菜、青菜、大白菜、卷心菜、菠菜、生菜、莧菜、薹菜、芹菜、香菜、蔥、蒜、花菜、茼蒿、空心菜、西藍(lán)花、絲瓜、白蘿卜、胡蘿卜、玉米等，以此打造“菜籃子”工程，讓富硒蔬菜成為湖北人補(bǔ)硒的美味佳肴。同時(shí)建議棚栽區(qū)應(yīng)種植栽培富硒程度相對(duì)而言較難的作物，如黃瓜、小南瓜、番茄、甘藍(lán)、瓠子、茄子、辣椒、青椒、甜椒、西瓜、冬瓜、甜瓜、葡萄等。

4 小結(jié)

天門(mén)市耕地土壤調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，耕地土壤呈堿化趨勢(shì)，耕地土壤硒最高濃度為0.65 mg/kg，平均值為0.33 mg/kg。土壤樣品中的硒含量主要集中在0.2~0.4 mg/kg，土壤硒含量總體達(dá)到足硒水平，局部達(dá)到富硒水平，整體分布均勻。天門(mén)市可以大力發(fā)展富硒產(chǎn)品種植。該地區(qū)局部區(qū)域的耕地土壤中存在部分重金屬元素輕微污染的情況，總體情況較為安全。與國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，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，研究區(qū)耕地整體并未受到較大污染，保護(hù)較為完善。在明確富硒土壤分布范圍的基礎(chǔ)上，選擇易富硒又具有國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)前景且經(jīng)濟(jì)效益更高的農(nóng)作物品種，因地制宜，規(guī)劃種植栽培區(qū)域，以打造規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、高效益的富硒農(nóng)作物生產(chǎn)基地。