长三角典型农业区耕地土壤重金属污染与潜在生态风险评价

2018-01-09巩万合王志强阚建鸾

湖北农业科学 2017年23期

巩万合+王志强+阚建鸾

摘要：以81个耕地质量长期定位监测点为基础，对长三角典型农业区——江苏省南通市耕地土壤重金属含量进行检测分析，并采用污染指数法与潜在生态风险指数法进行评价。结果表明，南通市全市耕地土壤As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分别为10.46、0.14、24.51、0.18、49.21 mg/kg，均未超出无公害农产品产地土壤环境质量标准；各重金属元素单因子污染指数均小于1.0，内梅罗综合污染指数小于0.7，潜在生态风险指数小于150，说明南通市耕地土壤环境质量处于安全和低潜在生态风险水平，适合种植无公害农产品。

关键词：土壤重金属；污染指数；潜在生态风险指数；监测点；耕地类型；南通市

中图分类号：X833；X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4493-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.018

Abstract： Based on the long-term monitoring sites of 81 cultivated land qualities， the heavy metal content of cultivated soil in Nantong city，the typical agricultural area of Yangtze River Delta，was tested and evaluated by using the pollution index method and the potential ecological risk index method. The results showed that the average contents of As，Hg，Pb，Cd and Cr in cultivated soil were 10.46 mg/kg，0.14 mg/kg，24.51 mg/kg，0.18 mg/kg and 49.21 mg/kg，respectively，did not exceed the environmental quality standard of soil origins of agricultural products. Single factor pollution index of heavy metals was all less than 1.0，Nemero comprehensive pollution index was less than 0.7，and the potential ecological risk index was less than 150， indicating that farmland soil environmental quality of Nantong city was in a safe and low potential ecological risk level，suitable for planting pollution-free agricultural products.

Key words： soil heavy metal； pollution index； potential ecological risk index； monitoring site； types of cultivated land； Nantong city

土壤重金属污染是指由于人类活动，致使土壤中的重金属含量明显高于其自然背景含量，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象[1]。作为世界性环境问题之一，它对人类社会可持续发展构成严重威胁[2-4]。土壤重金属污染物不仅影响农作物生长，而且可通过土壤-植物-人体食物链富集危害人类健康[5，6]。据测算，当前中国每年受重金属污染的粮食高达1 200万t，相当于4 000万人一年的口粮[7]。面对严峻的形势，国务院2016年印发了《土壤污染防治行动计划》，要求全面开展土壤污染状况详查，建设土壤环境质量监测网络，严控新增土壤污染，切实加大耕地保护力度。

作为长江三角洲的典型农业区，江苏省南通市种植业发达，是国家商品粮生产基地、全国“双低”油菜生产基地、江苏省优质中粳稻生产基地。为了更好地掌握全市耕地质量状况，指导耕地质量建设，2006年以来，全市先后建成了81个耕地质量长期定位监测点，其设置兼顾种植面积、作物布局、耕作制度等因素，远离城镇建设用地規划预留区。本研究以81个监测点土壤作为研究对象，测定其As、Hg、Pb、Cd、Cr等元素含量，并对其污染状况与潜在生态风险进行评价，以了解全市耕地土壤重金属污染特征，为无公害农产品生产基地建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南通市位于江苏省东南部，长江三角洲北翼，北纬31°41′-32°43′、东经120°12′-121°55′，东濒黄海，南临长江，与上海市、苏州市隔江相望，北接盐城，西靠泰州。地处长江下游冲积平原，三面环水，属北亚热带和暖温带季风气候，季风影响明显，气候温和，光照充足，雨水充沛，四季分明，春秋两季比较短，雨热同季，无霜期长，年降水量1 000 mm左右。主要土壤类型为潮土、水稻土和盐土。耕作制度一年两熟，主要种植小麦、水稻、油菜、玉米、棉花、豆类等作物。全市土地面积10 549 km2，现辖海安、如东、如皋、启东、海门5县（市），通州、崇川、港闸3区，及南通经济技术开发区、通州湾示范区。2016年南通常住人口730万人，实现地区生产总值6 768亿元。

1.2 土壤样品采集与处理

于2015年10月，分别采集81个监测点常规施肥区0～20 cm土壤，S形取样，每个样品由20个样点土壤混合而成，四分法保留至1 kg。带回室内自然风干，除去土样中动植物残体等异物，研磨，过100目尼龙筛，装袋编号备测。

1.3 土壤样品分析方法

土壤pH的测定参照《土壤pH的测定》（NY/T 1377-2007），As、Hg的测定参照《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》（GB/T 22105-2008），Pb、Cd的测定参照《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141-1997），Cr的测定参照《土壤总铬的测定火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491-2009）。

1.4 统计分析

数据采用 SPSS 19.0软件进行统计分析。

1.5 评价标准

根据土壤pH，参照中華人民共和国农业部《无公害农产品种植业产地环境条件》（NY/T 5010-2016）二级标准及南通市土壤元素背景值[8]（表1）。

1.6 评价方法

1.6.1 污染指数法单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法是目前国内外普遍采用的污染评价方法[9-12]，前者可以比较直观地反映环境中各项污染指标的污染程度，而后者则可以全面反映采样点各重金属综合污染水平。单因子污染指数计算公式：

Pi=■

式中，Pi为土壤中i污染物的污染指数，Ci为i污染物的实测值，Si为i污染物的评价标准值。根据Pi的大小，判定土壤中i污染物的污染程度。当Pi≤1时，表示无污染；当13时，表示重度污染。

内梅罗综合污染指数计算公式：

P综=■

式中，P综为j监测点土壤污染物的综合污染指数，Pjmax为j监测点土壤所有污染物单项污染指数的最大值，Pjave为j监测点土壤所有污染物单项污染指数的平均值。综合污染指数分级标准见表2。

1.6.2 Hakanson潜在生态风险指数法该方法是瑞典学者Hakanson 根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的一种对土壤中重金属污染进行评价的方法[13，14]。其计算公式：

Cfi=■，

Eri=Tri·Cfi，

RI=■Eri

式中，Cfi为重金属i的富集系数；Csi为重金属i的实测含量；Cni为重金属i计算所需的参比值，本研究采用南通市土壤环境背景值作参比；Eri为土壤中重金属元素i的潜在生态风险指数；Tri为重金属元素i的毒性系数，反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度。根据Hakanson[15]与徐争启等[16]研究，确定重金属毒性系数分别为Cr=2，Pb=5，As=10，Cd=30，Hg=40。RI为土壤中多种重金属的综合生态风险指数。土壤中重金属浓度越大，重金属污染物种类越多，重金属的毒性水平越高，潜在生态风险指数值越大，表明其潜在生态风险越高。

2 结果与分析

2.1 南通市耕地土壤重金属含量分析

由表4可知，全市耕地土壤pH 6.09～8.74，均值为7.77，总体偏碱性，不同点位的pH变异系数较小；重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分别为10.46、0.14、24.51、0.18、49.21 mg/kg，As、Cd元素变异系数较高。与无公害农产品产地土壤环境标准（表1）相比，5种重金属的含量均在标准限值允许范围内；与南通市土壤元素背景值相比，As平均含量稍高于背景值，其他重金属元素平均含量均低于背景值，不过，仍有部分监测点重金属含量高于背景值，具体表现为As、Hg、Pb、Cd、Cr超过南通市土壤元素背景值点数分别为33、10、32、19、12，超标点率分别为40.74%、12.34%、39.51%、23.46%、14.81%。武攀峰等[17]2006年对南通市农田土壤重金属污染研究表明，As、Hg、Pb、Cr平均含量分别为7.80、0.089、35.1、61.5 mg/kg；王进等[18]2007年研究结果表明，As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分别为7.81、0.088、35.54、0.032、33.28 mg/kg，本研究与其相比，发现近十余年来，除Pb外，其他4种重金属元素含量均有明显提高，表明这4种重金属在耕地土壤中出现明显富集。

2.2 土壤重金属各元素间相关性分析

从表5可以看出，南通市耕地土壤中Pb含量与Cd、Cr、Hg含量，及Cr含量与As含量存在极显著正相关性，说明研究区土壤中这5种重金属可能具有相同的污染来源或存在一定程度的复合污染。

2.3 南通市耕地土壤重金属污染与潜在生态风险评价

2.3.1 污染指数法以《无公害农产品种植业产地环境条件》（NY/T 5010-2016）土壤环境二级标准作为评价标准，计算监测点重金属单因子污染指数与内梅罗综合污染指数并进行分析。由表6可以看出，各重金属Pi均小于1，说明土壤处于清洁水平。

南通市耕地土壤重金属内梅罗综合污染指数平均为0.45，小于0.7，表明土壤整体处于安全等级，属清洁水平。但从每个监测点来看，内梅罗综合污染指数范围为0.14～0.74，有5个点（其中旱地2个，水田1个，菜地2个）内梅罗综合污染指数在0.7～1.0，说明这些监测点土壤重金属污染达到警戒限，处于尚清洁水平。

2.3.2 潜在生态风险指数法应用Hakanson潜在生态风险指数法进行评价，结果（表7）表明，As、Hg、Pb、Cd、Cr的潜在生态风险系数均值都小于40，属于低风险等级；但是Hg在部分监测点的单因子生态风险指数介于40～80，达到中等潜在生态风险。无论旱地、水田，还是菜地，各重金属元素对土壤潜在生态风险贡献率大小顺序均为Hg>Cd>As>Pb>Cr。各监测点多种重金属综合潜在生态风险指数范围在41.88～115.83，表明南通市耕地土壤重金属污染处于低潜在生态风险水平。

3 结论

南通市耕地土壤重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr含量均在《无公害农产品种植业产地环境条件》（NY/T 5010-2016）二级标准限值范围内，除As平均含量稍高于南通市土壤环境背景值外，其他重金属平均含量都低于背景值。与2006年测定结果相比，As、Hg、Cd、Cr平均含量均有明显上升。Pb含量与Cd、Cr、Hg含量，及Cr含量与As含量存在极显著正相关性，表明其可能具有相同的污染来源或存在一定程度的复合污染。

利用污染指数法與潜在生态风险指数法对南通市耕地土壤重金属进行评价，单因子污染指数小于1.0，内梅罗综合污染指数平均值小于0.7，潜在生态风险指数小于150，表明耕地土壤环境质量处于安全和低潜在生态风险水平。个别监测点内梅罗综合污染指数在0.7～1.0，达到警戒限，需要引起重视，并采取相应防范措施。

本研究中的耕地质量监测点均远离城镇、公路和工业园区，不存在污水灌溉，因此所测土壤重金属含量有一定局限性，建议在开展土壤环境质量监测时考虑上述因素对土壤污染的影响。

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