合肥草莓基地土壤重金屬污染風(fēng)險評價

孫 慶，武旭斌，李學(xué)德，花日茂

合肥草莓基地土壤重金屬污染風(fēng)險評價

孫 慶，武旭斌，李學(xué)德，花日茂*

(農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全安徽省重點實驗室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036)

采集合肥市某草莓基地區(qū)域100個樣點的土壤，測定表層土壤（深度分別為0～10 cm和10～20 cm）的6種重金屬（Cd、Hg、As、Pb、Cr和Cu），利用地累積指數(shù)方法對草莓種植土壤重金屬的污染程度和生態(tài)風(fēng)險進行評價，并結(jié)合多元統(tǒng)計分析探討重金屬來源。結(jié)果表明，Pb、Cd、Hg、Cu和Cr雖對草莓基地部分區(qū)域的土壤有一定程度的累積和污染，但污染風(fēng)險低；主成分分析表明，Pb、Cd、As、Cu和Hg源于人類農(nóng)業(yè)活動，Cr源于土壤母質(zhì)及風(fēng)化累積。顯示草莓基地整體區(qū)域的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險低，種植基地土壤重金屬未對草莓質(zhì)量安全產(chǎn)生影響。

重金屬；土壤；草莓；生態(tài)風(fēng)險評價

草莓為多年生草本植物，因其富含多種營養(yǎng)成分和香甜的口感而被譽為“水果皇后”[1-3]。自其進入我國以來，深受消費者的喜愛，因此，草莓種植在我國快速發(fā)展，目前我國的草莓種植面積和產(chǎn)量已經(jīng)位居全球第一[4-5]。土壤是草莓種植生產(chǎn)中不可或缺的組成部分，隨著社會的發(fā)展，土壤各種污染也隨之而來，尤其是土壤重金屬的污染。一些養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)過程中的動物糞便含有的重金屬被作為有機肥使用，會給農(nóng)田土壤帶來潛在風(fēng)險。目前，對土壤的重金屬污染已有眾多學(xué)者進行研究[6-7]。本研究以草莓基地的土壤為研究對象，研究了草莓種植基地土壤中的Cd、Hg、As、Pb、Cr和Cu 6種重金屬的含量分布特征，利用地累積指數(shù)對土壤重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險進行評估，為草莓生產(chǎn)和食用安全，促進草莓產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

某草莓基地位于合肥市區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域土地平坦，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候條件比較優(yōu)越，雨水充足，光照充足[8]。研究區(qū)域草莓基地的土壤類型相對單一，且具有氣候溫暖濕潤的良好條件，因此十分適合種植草莓。目前，草莓產(chǎn)業(yè)已成為當?shù)氐奶厣鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè)，并且已經(jīng)成為當?shù)剞r(nóng)業(yè)的主要經(jīng)濟支柱之一。

1.2 樣品采集與測試

1.2.1 樣品采集 調(diào)查研究土壤樣品采集在草莓種植前進行，草莓樣品待草莓種植成熟后進行采集。土壤采集在5 000畝研究區(qū)域草莓基地內(nèi)設(shè)置100個取樣點，每個采樣點內(nèi)分別以下0～10 cm和10～20 cm兩種表層土壤進行系統(tǒng)采集。采集好的土壤樣品挑出石塊、枯葉等雜物后混勻，再將其風(fēng)干、破碎、過篩。

1.2.2 樣品測試 研究測定的是常見6種重金屬元素：Pb、Cd、Hg、As、Cu和Cr。

土壤重金屬各元素分析測試方法為：Pb和Cd的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997）[9]，Hg和As的測定采用微波消解/原子熒光法（HJ 680-2013）[10]，Cu和Cr的測定采用火焰原子吸收光度法（HJ 491—2019）[11]。

草莓產(chǎn)品重金屬含量按照食品安全國家標準食品中多元素的測定。其中Pb、Cd、As、Cu和Cr為食品安全國家標準（GB 5009.268-2016 第一法）[12]測定，Hg為食品安全標準（GB 5009.17-2014 第一篇第一法）[13]測定。

1.3 生態(tài)風(fēng)險評價方法

C為樣品土壤中重金屬元素a的濃度；B為當?shù)氐耐寥乐亟饘賏的背景濃度，本次研究采用安徽A層土壤元素背景值；1.5為修正指數(shù)。geo≤0（Ⅰ級）未受污染；0＜geo≤1（Ⅱ級）輕度污染；1＜geo≤2（Ⅲ級）中度污染；2＜geo≤3（Ⅳ級）中度污染到重度污染；3＜geo≤4（Ⅴ級）重度污染；4＜geo≤5（Ⅵ級）重度污染到極度污染；geo＞5（Ⅶ級）極度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬濃度水平

本次調(diào)查研究選用的元素參比值為安徽省土壤元素算術(shù)平均值[18]。從表1可以看出，地表0～10 cm深度的淺表層土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr和Cu的平均濃度分別為0.118、0.038、8.78、28.02、75.11和28.89 mg·kg-1。除As的平均濃度低于背景值9 mg·kg-1， Cd、Hg、Pb、Cr和Cu的平均濃度均高出了對應(yīng)的環(huán)境背景值。10～20 cm表層土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr和Cu的平均濃度分別為0.111、0.039、8.86、27.96、75.94和28.48 mg·kg-1，與0～0 cm表層土壤一樣，除了As的平均濃度低于背景值9 mg·kg-1，其余Cd、Hg、Pb、Cr和Cu的平均濃度均高出了對應(yīng)的安徽省的元素環(huán)境背景值。各個取樣點0～20 cm土壤中的6種重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr和Cu的平均濃度分別為0.115、0.039、8.82、27.99、75.52和28.69 mg·kg-1。除As的平均濃度低于背景值9 mg·kg-1，其余Cd、Hg、Pb、Cr和Cu的平均濃度均高出了對應(yīng)的環(huán)境背景值。對照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）（GB15618-2018）》[19]，采用較嚴格的風(fēng)險篩選值進行評價，所測6種重金屬100個取樣點位中的200樣品均未有樣品超出風(fēng)險篩選值，未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準。由此可見研究區(qū)域土壤重金屬呈現(xiàn)較低程度的累積。變異系數(shù)可以在一定程度上反映干擾活動的影響，根據(jù)變異系數(shù)的分級標準：變異系數(shù)大于30%為強變異，10%至30%為中等變異，小于10%為弱變異。草莓基地土壤中Cd和Hg變異系數(shù)大于30%，為強變異。其余4種重金屬變異系數(shù)在10%和30%之間，為中度變異。由此表明草莓基地土壤重金屬有可能受外界因素的影響。

2.2 土壤生態(tài)風(fēng)險評估

從表2看出，根據(jù)污染等級的劃分，草莓基地0～10 cm表層土壤所有采樣點As的geo值為Ⅰ級，這表明土壤未受As的影響。Cd、Hg、Pb、Cr和Cu的geo值范圍均是從Ⅰ級到Ⅱ級，分別為78%、81%、95%、97%和96%，Ⅱ級占比分別為22%、19%、5%、3%和4%。草莓基地10～20 cm表層土壤所有采樣點As的geo值為Ⅰ級，表明目前土壤未受As的影響。Cd、Hg、Pb、Cr和Cu的geo值范圍均是從Ⅰ級到Ⅱ級，分別為86%、85%、97%、97%和97%，Ⅱ級占比分別為14%、15%、3%、3%和3%。將各個取樣點0～20 cm表層土壤數(shù)據(jù)進行分析評價，Cd、Hg、As、Pb、Cr和Cu的geo值范圍均是從Ⅰ級到Ⅱ級，分別為82%、85%、100%、96%、98%和96%，Ⅱ級的占比分別為18%、15%、0%、4%、2%和4%。3組數(shù)據(jù)表明，重金屬Pb、Cd、Hg、Cu和Cr雖對草莓基地的土壤有一定的污染，但污染的程度不高，草莓基地大多數(shù)地區(qū)未受到這幾種重金屬的污染。

注：樣本數(shù)=100，GB15618-2018為《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（執(zhí)行）》[19]。

表 2 土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)污染分級統(tǒng)計

表3 Perason相關(guān)分析結(jié)果

2.3 土壤重金屬來源分析

2.3.1 相關(guān)性分析 運用SPSS軟件，通過皮爾遜（Pearson）相關(guān)性分析確定草莓基地6種重金屬濃度之間的相互關(guān)系，初步探究草莓基地的土壤重金屬的可能相似來源[20-21]。重金屬之間的相關(guān)性越顯著，表明其來源途徑越接近[22-23]。由表3可以看出，在<0.01水平上，Pb與Cd、As、Cu呈極顯著相關(guān)；Cd與Pb、Cu之間呈極顯著相關(guān)；As與Pb、Cu呈極顯著相關(guān)；Cu與Pb、Cd、As之間存在較強的相關(guān)性。Pb、Cd、As和Cu 4種重金屬元素之間有著相似的來源途徑，Hg和Cr與其他重金屬之間相關(guān)性不顯著，表明這兩種重金屬元素來源跟其他重金屬元素有所差別。

表4 土壤重金屬元素主成分分析

表5 土壤重金屬初始因子載荷矩陣

2.3.2 主成分分析 基于相關(guān)性分析結(jié)果，對6種重金屬進行了主成分分析（表4和表5），提取前3個特征值大于1的主成分，其累計貢獻率為73.36%，因此結(jié)合草莓基地土壤的利用情況對這3個主成分進行分析，可以代表本次研究結(jié)果。由表4和表5可以看出，第一主成分的貢獻率為34.46%，在Pb、Cd、As、Cu含量上有較高的正載荷，由相關(guān)性可知這4種重金屬來源途徑相似，本研究結(jié)果與夏文建等[24]和王飛騰等[25]提出的化肥及有機肥顯著提高了土壤中Cu、Cd和As等重金屬的含量結(jié)果一致。且在研究區(qū)域草莓基地的各重金屬污染程度較低或無污染，說明第一主成分主要表征為人類施用化肥有機肥的農(nóng)業(yè)活動。第二主成分的貢獻率21.51%，在Hg含量上有較高的正載荷，含Hg的農(nóng)藥能給農(nóng)用地土壤帶來污染[26-27]，結(jié)合變異系數(shù)，說明草莓基地Hg的第二主成分表征為人類使用農(nóng)藥影響。第三主成分貢獻率為17.39%，在Cr含量上有較高的正載荷，研究表明Cr主要受土壤母質(zhì)及風(fēng)化累積的作用[28]，所以第三主成分主要表征為自然來源。

2.4 土壤重金屬污染對草莓質(zhì)量安全影響

由表6可知，草莓樣品檢測出了6種重金屬中的3種。所有樣品都檢測出Cu元素，有2個樣品檢測出As，還有1個樣品檢測出了Cd。Cu是人體的必需元素，表明草莓是含豐富Cu元素的水果，對照食品中Cu限量衛(wèi)生標準（GB 15199—94）[29]，其含量遠低于水果中Cu含量最高容許限量10 mg·kg-1。根據(jù)食品安全國家標準食物中污染物限量標準（GB 2762—2017）[30]，水果中5種重金屬最高限量（Cd-0.05 mg·kg-1，Hg-0.01 mg·kg-1，As-0.5 mg·kg-1，Pb-0.2 mg·kg-1，Cr-0.5 mg·kg-1）。所有草莓樣品中這5種重金屬的含量低于最高限量。結(jié)合土壤的污染狀態(tài)，草莓基地土壤重金屬未對草莓質(zhì)量安全產(chǎn)生影響。

表6 草莓重金屬含量特征

3 結(jié)論

草莓基地土壤樣品中的所測重金屬元素Pb、Cd、Hg、Cu和Cr的均值均超出了安徽省的土壤元素背景值，As的均值未超出背景值。在草莓基地100樣品點位中，200份土壤樣品的6種重金屬含量均未超出對應(yīng)的重金屬風(fēng)險篩選值，未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準。表明草莓基地的土壤風(fēng)險低，一般情況下可忽略其影響。

根據(jù)污染評價方法的結(jié)果來看，6種重金屬Pb、Cd、Hg、Cu、As和Cr對草莓基地的土壤有一定的污染，但污染的程度不高。草莓基地整體區(qū)域的土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險低，屬于需要保護類型的土壤。主成分分析表明，Pb、Cd、As、Cu源于人類施用化肥、有機肥的農(nóng)業(yè)活動，Hg源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的農(nóng)藥，Cr源于土壤母質(zhì)及風(fēng)化累積。

草莓基地生產(chǎn)的草莓，其含量遠低于標準食品安全國家標準食物中污染物限量（GB 2762—2017）[30]，表明草莓基地土壤重金屬未對草莓產(chǎn)品質(zhì)量安全產(chǎn)生影響。

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Risk assessment of heavy metal pollution in soil of Hefei strawberry base

SUN Qing, WU Xubing, LI Xuede, HUA Rimao

(Key Laboratory of Agri-food Safety of Anhui Province, School of Resource and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

The contents of six heavy metals (Cd, Hg, As, Pb, Cr and Cu) were measured in the surface soil (depth in 0-10 cm and 10-20 cm, respectively) from 100 sampling sites in a strawberry base area in Hefei, and the degree of contamination and ecological risk of heavy metals in strawberry growing soil were evaluated using the ground accumulation index method and combined with multivariate statistical analysis to explore the sources of heavy metals. The results showed that Pb, Cd, Hg, Cu and Cr had accumulated and polluted soil in some areas of strawberry base to a certain extent, but the pollution risk was low. The principal component analysis showed that Pb, Cd, As Cu and Hg were derived from human agricultural activities. Cr originates from soil parent material and weathering accumulation. It showed that the ecological risk of soil heavy metals in the whole area of strawberry base was low, and the heavy metals in the soil have not affected the quality and safety of strawberries.

heavy metals; soil; strawberry; ecological risk assessment

X53; X820.4

A

1672-352X (2022)05-0794-05

10.13610/j.cnki.1672-352x.20221111.015

2022-11-15 9:06:39

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20221111.1117.030.html

2021-04-19

安徽省農(nóng)業(yè)競爭力項目（20803005）資助。

孫 慶，碩士研究生。E-mail：1577588976@qq.com

花日茂，博士，教授。E-mail：rimaohua@ahau.edu.cn