王 茜，张光辉，田言亮，严明疆，张希雨

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)



农田表层土壤中重金属潜在生态风险效应研究

王 茜，张光辉，田言亮，严明疆，张希雨

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

皖江经济区南陵县是我国商品粮生产基地之一，该区农田表层土壤中重金属元素潜在生态风险效应研究对于提高粮食安全具有重要意义。文章以南陵县基本农田区作为主要研究区，按土地质量地球化学调查评价要求，布设和采集了0～20 cm深度的表层土壤样品500组，分别监测了土壤中Cd、Pb、Cr、Hg、As、Cu、Fe、Mn和Zn等重金属含量现状，并采用地质累积指数法和潜在生态风险指数法量化解析了这些重金属在土壤中的潜在生态风险效应。结果表明：(1)土壤中除了Cr元素，其余重金属元素都不同程度存在异常；(2)局部土壤中Cd、Hg和Fe等元素含量存在异常，平均含量分别是所在区域背景值的1.92，1.95，7.13倍，存在潜在生态风险的影响；(3)土壤中重金属元素的潜在生态风险值(平均RI值)为164.5，Cd和Hg元素为主要影响元素。

农田区表层土壤；重金属；潜在生态风险；粮食安全；地质累积指数法

基本农田是粮食生产的主要载体。农田土壤质量的优劣直接决定着农产品的产量、品质与安全。近年来，伴随城市化进程加快和农业集约化发展，人类活动产生的各类污染物质导致土壤环境质量持续恶化。重金属具有毒性、生态积累性[1～2]、污染不可逆性[3]和危害长久性[4]等特征，是最普遍、危害最严重的土壤污染物。农田中重金属的含量和分布状况不仅影响土壤质量，而且对粮食安全具有一定的潜在生态风险，是划定基本农田和评价耕地质量优劣的重要指标之一[5]。此外，由于外源输入的重金属主要累积于耕作层[6]，并最终被作物吸收后残留于体内，影响粮食安全及人体健康[7]。因此，开展农田耕层土壤中重金属潜在生态风险效应研究对提高粮食安全保障能力具有积极作用。

目前有关农田土壤重金属影响的研究方法主要有环境质量指数法，包括单因子指数法、内梅罗指数法；生态指数法，包括地质累积指数法和潜在生态风险指数法；地统计和模型法等。生态指数法从沉积学角度出发，基于污染物质的生态环境效应和毒理特征，定量评价重金属对环境的影响并对其潜在生态风险程度划分等级。该方法因其直观性、定量性和对于潜在生态危害预测性等特点，在沉积物、土壤和街道灰尘等多种介质和全国多地区不同利用类型土地的重金属元素生态影响研究中广泛应用，为生态环境的改善和人类健康提供了科学依据。

皖江经济区是我国水稻、小麦、玉米、薯类重要产区和国家商品粮生产基地。随着工农业发展、城市化推进和上游山区有色金属矿产开发，该地区农田土壤中重金属污染问题引起广泛关注[8]。但有关皖江地区农田土壤环境质量问题研究主要集中于元素基准值、背景值的确定及土壤中微量元素和矿物组成分析，对农田区土壤重金属潜在生态风险的研究鲜有报道。本文以皖江经济区南陵县国家商品粮基地为重点研究区，结合野外实地调查和0～20 cm土壤样品采集分析，应用地质累积指数法和潜在生态风险指数法，开展农田表层土壤中重金属潜在生态风险效应研究，为该区基本农田的划定、安全利用和管理提供科学依据。

1 研究区概况

皖江经济区位于长江流域安徽段两岸地区，包括安徽的沿江平原和巢湖地区，所辖地市涉及合肥、芜湖、安庆、池州、铜陵、马鞍山、宣城(除绩溪县)和滁州市。研究区南陵县基本农田位于皖江经济区东南部，隶属芜湖市(图1)，主要包括籍山镇、弋江镇、许镇镇、家发镇、工山镇、三里镇、何湾镇和烟墩镇等乡镇，面积1 263.7 km2，人口76万。南陵县经济以农业为主，为国家高标准农田示范区、国家级生态示范区，是我国粮、棉、油、鱼、茶的重要产区，“南陵大米”是国家地理标志保护产品。研究区地处皖南山区与沿江平原过渡地带，地貌以平原、丘陵和低山为主，地势呈西南部高、东北部低。多年平均气温15.8 ℃，年均降水量1 500 mm，降水主要集中每年4～8月份，属于北亚热带湿润季风气候。研究区境内主要河流有青弋江、漳河和资福河。土壤类型以水稻土为主，农作物种植结构为双季水稻或稻麦轮作。

图1 研究区及采样点位置示意图Fig.1 Location of the study area with the sampling site

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

在南陵县的基本农田区按照1.0 km×2.0 km的矩形规则网格进行样品点布设(图1)，于2015年7—9月期间共采集500组土壤样品。取样点所在农田类型包括水田、旱地、菜园和林地等。山地和非农田区没有布设采样点。为确保土壤样品分布的代表性，每组样品采用梅花模式取样，在采样点的周围等间距处布设4个辅助样品点，分别垂直采集0～20 cm农田耕作层土壤，混合均匀后装入塑封袋中，样品原始重量大于1 kg。在土壤样品采集的同时，利用GPS进行采样点位置定位，并记录其坐标和高程信息。

室温条件下，土壤样品经风干、研磨，剔除动植物残体、砾石和较大杂质后，按照测试规范的技术要求，分别过2 mm/0.074 mm土样筛待测。

样品测试分析由国土资源部保定矿产资源监督检测中心完成。测试项目包括As、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Pb和Zn等元素。其中As、Hg采用原子荧光光谱仪进行测定，其余元素采用电感耦合等离子质谱仪进行测试。测试分析执行多目标区域地球化学调查规范(DD2005-01)相关规定。

2.2 数据处理

2.3 表层土壤中重金属潜在生态风险评价方法

对于农田区表层土壤中重金属元素对土壤质量影响和潜在生态风险效应，本文采用地质累积指数法和潜在生态风险指数法进行研究。

2.3.1 地质累积指数法

地质累积指数(Igeo)方法由德国海德堡大学沉积物研究所的学者Muller首次提出[9]，可以作为研究水环境沉积物中重金属元素潜在影响程度的定量指标，其计算公式为：

(1)

K——经验系数，一般取1.5。

地质累积指数分为7级[10]，分别表示土壤或沉积物中重金属元素对土地质量与土壤生态影响程度，如表1所示。

表1 地质累积指数(Igeo)评价指标体系

2.3.2 潜在生态风险指数法

(2)

(3)

潜在生态风险指数(RI)易受沉积物中金属元素含量、所含重金属元素数量及组分、金属元素毒性及敏感性等因素影响[11]，其分级与评价标准见表2。

表2 风险因子、潜在生态危害系数及生态风险程度等级

3 结果与讨论

3.1 农田区表层土壤中金属元素含量异常特征

根据500组土壤样品测试分析数据，研究区农田表层(0～20 cm)土壤中重金属普遍检出(表3)。同中国土壤中相应元素背景值[12]比较，除了As和Zn平均含量略低，其他各重金属元素含量均高于背景值，其中Cd和Fe平均含量明显高于中国土壤元素背景值，是相应元素背景值的2.06倍和10.8倍。与安徽省江淮流域现有的元素背景值相比[13]，Cd、Hg和Fe元素含量高于相应元素背景值2倍或以上，Cr和Cu含量略低于背景值。

进一步分析发现，超半数的取样点土壤中Cd、Cr、Cu、Fe、Hg和Pb元素含量高于全国相应元素含量背景值，其中Cd和Fe含量超全国背景值的采样点数分别占本次总采样点的97.6%和100%，平均含量低于全国背景值的Zn元素也存在36.3%的采样点含量超过全国Zn背景值的情况。由此表明，南陵县基本农田区土壤中存在重金属元素外源影响状况，其中Cd、Hg和Fe含量明显高于全国或所在区域对应元素的背景值。

变异系数(CV, coefficient variation)计算结果表明：研究区农田表层土壤中9类被测重金属元素存在不同程度的变异特征，CV值介于14.61%～43.51%，其中As、Cd、Hg和Mn元素的变异系数大于30%，分别为43.51%、38.25%、32.46%和36.96%，表明这些元素受到外域因素的影响，在研究区农田土壤中存在一定程度的空间变异性；Cr、Pb和Fe元素的变异系数小于20%，变异程度较小，表明此类元素受外域因素影响较小。

表3 全国[12]及研究区[13]成土母质重金属元素背景

注：a表示金属元素含量单位为mg/kg；b表示金属元素含量单位为g/kg。

3.2 土壤重金属空间变异性

根据对南陵县基本农田表层土壤中金属含量的统计分析和半方差函数分析，Cr、Pb、Cu、Fe和Mn含量服从正态分布，Cd含量服从对数正态分布(K-S检验，p>0.05，双截尾)，其余元素含量表现为明显的偏态分布。

根据半方差函数理论，计算得到南陵县基本农田表层(0～20 cm)土壤金属含量的半方差函数拟合模型(表4)，在研究区土壤的9类重金属中，As、Cr、Hg、Cu和Zn球状模型拟合效果最优，Cd、Pb、Fe和Mn元素含量采用指数模型进行拟合。所有被测的9种金属元素拟合模型的决定系数在0.720～0.996之间，达到显著水平。金属元素的空间相关距离在17.49～192.66 km之间，存在较大的差异性。其中Cd和Zn的空间相关性范围均小于20 km，元素在空间上的相关性较弱；As、Hg、Pb和Cu的空间相关距离分别为61.1，71.1，36.09，71.04 km，表现为中等程度的空间相关性；Cr、Fe和Mn的相关性范围分别为192.66，95.91，192.54 km，空间相关距离较远，表明这些元素受到自然或人类活动等因素的影响较小，导致其空间自相关距离变大。

块金值(C0, Nugget)是半方差函数模型中间隔距离为0处的半方差取值，代表由实验误差及小于实验采样尺度上由于随机因素产生的变异。南陵农田表层土壤中，9类重金属含量的块金值C0分布范围为0.26～0.72，表明在此次取样与实验尺度上由于误差与随机变异等因素引起的元素含量变异性较小。

表4 南陵县基本农田表层土壤(0～20 cm)金属元素含量统计特征与半方差函数模型

块金值与基台值的比值(C0/Sill)表明土壤中重金属空间相关性的程度。比值小于0.25表明具有强的空间相关性，比值在0.25～0.75之间表明空间相关性中等，比值大于0.75表明空间相关性很差。通过分析研究区土壤中重金属含量的块金值与基台值比发现，Zn和Fe具有较强的空间相关性，C0/Sill值分别为24.13%和18.75%。其余重金属的空间相关性为中等(30.45%～49.67%)。说明南陵县基本农田中，大部分重金属含量的空间分布是由气候、母质、地貌、土壤类型等结构性因素和人类活动的随机性因素共同制约与作用的结果。

3.3 土壤重金属地质累积指数特征

基于500组农田区表层土壤测试数据，采用地质累积指数法(Igeo)分析，结果显示：研究区农田表层土壤中Fe元素的平均地质累积指数较大，为2.22，是被测的9类重金属元素中最大值，表明Fe元素对表层土壤质量存在“中等- 强”程度的影响；Cd、Hg元素的平均地质累积指数均为0.27，表明它们对土壤质量存在“轻度- 中等”程度的影响；其余各金属元素的平均地质累积指数都小于0，表明它们对研究区农田表层土壤质量影响不明显。需要指出，虽然在农田表层土壤中，总体上大部分重金属元素对土壤质量的影响程度表现为不明显，但是局部范围的地质累积指数较高，例如As和Mn的地积累指数最大值分别达1.84与2.81，表明在某些采样点表层土壤中As和Cd对土地质量存在不同程度的影响(表5)。

表5 农田表层土壤重金属元素地质累积指数(Igeo)及影响程度分级比例

从重金属元素对表层土壤影响程度分级所占比例分析中可知，Fe元素对土壤质量影响程度与影响范围比例均为最大，全部采样点(100%)表层土壤中Fe元素均达到“中等”和“中等- 强”影响程度，其中“中等- 强”影响程度的采样点比例可达到77.76%，“中等”影响程度的采样点比例占22.24%。Cd和Hg元素对表层土壤具有影响的样本数量比例亦很高，分别可达到调查样地数的72.56%，76.17%。其中5.28%的土壤样本处于Cd“中等”、“中等- 强”的影响程度，67.28%的土壤样本Cd对土地质量影响程度为“轻度- 中等”。对于重金属元素Hg，达到“中等”程度的土壤样本比例为5.91%，“轻度- 中等”影响程度的样本比例约占70.26%。Cr、Cu和Pb元素对表层土壤质量产生影响的样本数比例最低。在研究区所有土壤样本中Cr元素表现为对表层土地质量无影响，Cu和Pb元素影响土地质量的样本比例也仅为0.81%和2.26%，且均为“轻度- 中等”程度影响。从总体样本空间中各重金属元素的统计分析可以看出，Cd和Mn元素地质累积指数的标准差(S.D.)相对于其他金属元素偏高，说明在土壤样本中这两类金属元素的地质累积指数离散程度较高，变异系数偏大。

3.4 土壤重金属潜在生态风险指数分布特征

表6 研究区土壤中重金属潜在生态风险指数及程度比例

Hg和Cd的潜在生态风险指数最大值分别为173.2和184.62，达到“很强潜在生态风险”，其平均值分别为75.92和57.84(表6)。按照重金属土地质量影响程度等级分类来看，Cd和Hg元素达到“中等程度”及“中等以上程度”生态危害的比例分别为83.33%和96.13%。其余7类元素中，除As生态风险系数最大值为53.83，达到“中等潜在生态风险”程度，Cr、Pb、Cu、Zn、Fe和Mn的生态风险系数最大值均小于40，研究区全部土壤样本中这六类元素均表现为“轻微潜在生态风险”。

从不同重金属对土壤存在的潜在生态风险程度比例分析中可知，Hg元素对研究区农田表层土壤的潜在生态风险影响以“中度- 强”为主，该程度的样品数占样本重量比例为95.11%；重金属元素Cd的潜在生态风险影响以“中度”为主，该程度的采样点数占总采样点的比例为72.56%。由此可见，南陵县农田区表层土壤中潜在生态风险影响主要来源于毒性金属Cd和Hg。此外，As对于研究区局部农田表层土壤质量也存在潜在的生态风险。

在空间分布上，研究区表层土壤重金属潜在生态风险指数如图2所示。重金属Hg的潜在生态风险最为明显，研究区绝大部分农田均处于“中度潜在生态风险”影响下，在研究区南部、中部城区和北部土壤中Hg元素达到“强潜在生态风险”及以上的水平。Cd为潜在生态风险第二贡献元素，超过10%研究区农田达到“强”和“很强”程度的潜在生态风险，其中存在“很强”程度潜在生态风险(>160)的区域主要分布于研究区西部。其余重金属的潜在生态风险指数均以轻微为主，为显示各元素潜在生态风险的分布特征和趋势性，将其值分为五级进行Kriging插值作图(图2)。

图2 研究区表层土壤重金属单项潜在生态风险指数分布特征Fig.2 Spatial distribution of ecological risk coefficients of heavy metals in top- soils of the study area

图2表明，在研究区西部和南部的低山—丘陵区，金属元素的潜在生态风险指数均表现有不同程度的相对增加。进一步调查发现，这些区域为该地区金、铜等有色金属矿区，且分布有若干规模不等的金属矿产开采、加工厂。土壤中金属元素含量的分布与变化与有色金属矿产分布密切相关，矿区附近土壤的环境地球化学异常是导致这些区域重金属潜在生态风险指数偏高的自然因素。此外，矿石的开采、加工和冶炼等人类活动也是造成重金属区域性异常的重要因素。

在研究区北部的冲积—湖积平原地区，Cr和Cu潜在生态风险指数相对较高。该区域湖塘密集，水产养殖业较为发达。集约化养殖过程中饲料的投放是环境中重金属的重要外源输入，周边农田引湖塘水浇灌农田是导致土壤中Cr、Cu潜在生态风险指数增加的重要因素。

南陵县农田区表层土壤重金属综合潜在生态风险指数(RI)介于65.09～309.33之间，平均值为164.5。分析发现，皖江区农田整体上处于“中等- 轻微”程度的潜在生态风险下(表1)，64.4%的取样点(322个)存在“中等”程度的潜在生态风险；处于“轻微”潜在生态风险(RI<150)下的取样点占总取样点比例35%。

图3为研究区农田表层土壤重金属综合潜在生态风险指数空间分布图。重金属轻微潜在生态风险区呈块状、条带状分布于南陵县中部和东部平原区。重金属对这些区域农田土地质量存在较轻微的潜在生态影响。RI高值区以斑块状分散于研究区的西部、南部丘陵山区、城区和北部平原区，并呈放射状向周围递减；“中等强度”潜在生态风险区域呈条带状分布于研究区的中部和东部。

在农田区表层土壤中，Cd富集区分布于南陵县西部低山丘陵地区，Hg高值区分布于南部山区和中部城区。对比发现，研究区综合潜在生态风险分布与Cd和Hg的空间异常分布呈高度一致性。结合农田表层土壤重金属单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数，Cd和Hg是该区土壤重金属潜在生态风险的主要贡献因子。

RI值一方面受研究区重金属含量高低的影响，更为重要的制约因素是重金属元素的生态毒性[18]。Cd和Hg元素的毒性响应系数分别为30和80,具有极高的生态毒性，因此虽然研究区土壤大部分重金属元素表现为“轻微”程度潜在生态风险但区域仍存在“强- 中等”的潜在生态风险(图2、图3)。

图3 表层土壤重金属综合潜在生态风险分布与分区特征Fig.3 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metals in top- soils

4 结论

在皖江经济区南陵县农田区表层(0～20 cm)土壤中，As、Cd、Hg、Pb、Mn、Fe和Zn的平均含量高于所在区域的背景值，其中Cd、Hg和Fe平均含量分别为所在区域相应元素背景值的1.92、1.95和7.13倍；Cd和As元素变异系数值较高，与上游山区有色金属矿产开发和人类活动影响有关。

根据土壤重金属元素地质累积指数分析结果，Fe元素对农田土地质量影响程度为“中等- 强”，Cd、Hg和Mn元素影响程度以“轻度- 中等”为主，局部表现为“中等”程度的影响。总体上，As、Cr、Cu、Pb和Zn元素平均地质累积指数介于“无影响”范围，局部为“轻度- 中等”程度影响。

南陵县农田区土壤中重金属的单项潜在生态风险指数大小顺序为：Hg>Cd>As>Fe>Pb>Cu>Cr>Zn>Mn，其中Cd和Hg元素的潜在生态风险指数平均值分别为57.84和75.92，潜在生态风险影响为“中等程度”状态。

虽然南陵县农田区多数重金属元素为“轻微”程度的潜在生态风险影响，但是，从综合潜在生态风险指数(RI)来看，研究区的64%范围表层土壤存在“中等程度”重金属潜在生态风险，这与研究区表层土壤中Cd和Hg含量偏高、且分布较广有关。因此，采取相应治理措施势在必行。

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责任编辑：汪美华

Research on the potential ecological risk of farmland top- soil of heavy metals

WANG Qian, ZHANG Guanghui, TIAN Yanliang, YAN Mingjiang, ZHANG Xiyu

(InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China)

Basic farmland plays an important role in grain quality and security. Research on the potential ecological risk of farmland top- soil of heavy metals is of great guiding significance for increasing grain yield and security. Based on the assessment standard of the soil quality geo- chemical survey, this article selects the basic farmland in Nanling county in Anhui as the main study area, and a total of 500 top- soil samples (depth of 0～20 cm) are collected. By using the methods of geo- accumulation index and potential ecological risk index, the potential effects of heavy metals in the top- soil of Nanling farmland are examined. The results show that (1) there is no pollution of the heavy metal element Cr in the top- soil, however, the rest of heavy metals occur harmful effects in varying degrees; (2) the contents of heavy metals Cd, Hg and Fe exist regional abnormal in top- soil and mean concentration of these heavy metals are more than the geo- chemical background value of Nanling county 1.92, 1.95 and 7.13 times, respectively, which carries potential risk for the grain quality and security; (3) the meanRIvalue is 164.5, indicating that the Nanling farmland sufferes from a moderate- level potential ecological risk and the principle heavy metals element are Cd and Hg.

top- soil in farmland; heavy metals; potential ecological risk; grain security; geo- accumulation index

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.25

2016- 10- 25;

2017- 02- 20

国家自然科学基金项目(41502253)；中国地质调查局地质调查项目(12120115049701，121201236000160009)

王茜(1987- )，女，博士，主要从事水循环与水土环境保护等方面研究。E- mail：wangqian870731@gmail.com

张光辉(1959- )，男，研究员，博导，长期从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。E- mail：huanjing59@163.com

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A

1000- 3665(2017)04- 0165- 08