易甜　姚晶晶　李书谦　彭立军

摘要：通过对湖北省某地农田土壤中5种重金属（As、Cd、Cr、Hg、Pb）的污染风险进行评价，了解该地区农田重金属污染现状。采用统计学分析方法，并结合单因子污染指数和潜在生态风险指数法对土壤中重金属污染状况进行评估。结果表明，土壤中重金属As、Cd、Cr、Hg和Pb的平均含量均未超过国家二级标准，其单因子污染指数平均值都小于0.7。重金属超标的46个样本点的潜在生态危害综合指数结果表明，轻微生态危害样品点45个；中等生态危害样品点1个；该研究区农田重金属潜在生态危害由重至轻依次为Cd、Cr、Hg、Pb、As。从整体水平来看，该研究区土壤污染等级处于安全状态。

关键词：农田；重金属；污染；风险评价

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：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

随着经贸全球化的迅速发展，农产品贸易日趋成熟，各国政府对粮食质量安全问题尤为重视。农田土壤环境是粮食的生产源头和重要环境要素，土壤环境直接影响粮食的安全。重金属作为土壤一个基本生态安全指标，是评判区域性生态环境的必要参数[1，2]。分析农田土壤重金属的基本状态是判断该地区粮食质量安全的有效的手段。

该试验以湖北省某地区农田土壤为研究对象，分析土壤重金属砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）和铅（Pb）的污染状况，并采用单因子指数法和潜在危害指数法，评价湖北省某地农田重金属污染程度和潜在生态危害，该研究对提高粮食生产质量和对不同污染程度的土壤进行规避或修复具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料

根据地块情况，选择采用梅花五点法、对角线法、棋盘法或蛇形法，采集湖北省某地粮食主产区耕作层土壤（0～20 cm）样品400个，样品pH均小于6.5。土壤样品风干磨碎，并过100目标准尼龙筛，装棕色瓶备用。采样时严格避免与金属器具的接触，以免污染样品[3]。

1.2 方法

1.2.1 重金属含量测定 用HCl-HNO3消解，原子荧光光度计法测定As和Hg[4]。用HNO3-HClO4-HF法消解，石墨炉原子光度法测定Pb和Cd，火焰原子光度法测定Cr[4，5]。在样品消化和测定过程中，各设3个空白样品、平行样品和标准物质（GSS-2、GSS-15）同步分析，控制分析结果质量。

1.2.2 数据统计 数据采集与统计参照《中华人民共和国土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）分析农田土壤重金属污染情况进行统计分析，得出其重金属含量分布状况。根据国家土壤环境质量标准对土壤环境质量分类，Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。国家土壤环境质量标准对各类土壤环境质量执行标准的级别规定，Ⅱ类土壤环境质量执行二级标准，二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值[6]。该研究区农田pH小于6.5，属于酸性土壤，所有土壤限制值按照酸性土壤标准来评价。

1.2.3 单因子污染指数法[3] 单因子污染指数法常用于评价土壤被某一重金属的污染程度，是中国较为通用的方法，其计算公式为：

Pi=■ （1）

式（1）中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测浓度；Si为污染物i的评价标准值。具体分级标准见表1。

1.2.4 潜在生态危害指数法[7] 潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson提出，是根据重金属性质及其在环境中迁移转化沉积等行为特点，从沉积学的角度评价土壤或者沉积物中的重金属[7，8]。该方法首先要测得土壤中重金属的含量，通过与土壤中重金属元素背景值的比值得到单项污染指数，然后引入重金属毒性响应系数，得到潜在生态危单项系数，其计算公式为：

Eir=Tir×Pi=Tir×■ （2）

式（2）中，Eir为单项潜在生态危害系数，Tir为重金属i的毒性系数，Pi为单因子污染指数。此值反映了该种重金属的毒性水平及水体对其污染的敏感性。

通过对单一重金属的潜在生态危害系数加权，得到该区域农田中多种重金属综合潜在生态危害指数（RI），其计算公式为：

RI=■Eir （3）

式（3）中，RI为综合潜在生态危害系数，Eir为单项潜在生态危害系数。重金属的生物毒性系数、参比值和评价标准，分别如表2和表3所示[9]。

1.2.5 数据处理 采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 19.0分析软件进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 统计学方法

利用分析软件对研究区土壤重金属含量进行描述性分析，各项统计指标如表4所示。从表4中可以得出，研究区土壤重金属As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量变化范围分别为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。研究区土壤重金属As、Cd、Hg和Pb含量平均值均超过湖北省土壤背景值，其中，重金属Pb积累最为明显，含量为背景值的1.54倍；其他依次为Hg（1.50倍）、As（1.37倍）和Cd（1.06倍）。重金属Cr含量低于背景值，说明没有明显积累。与国家土壤质量标准相比，研究区土壤重金属As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量均低于国家二级标准，说明该研究区土壤并未受到较大污染，保护较好。

峰度和偏度是描述数据正态分布的两个指标。峰度是统计数据分布的陡峭程度，偏度则显示分布左右对称的情况。峰度最大的是重金属Hg（111.71），说明数据分布高耸狭窄；峰度最小的是Cr，峰度小于0且接近于0，说明数据分布比较平坦。5个重金属的偏度均大于0，说明数据多集中在正态中心左侧。

变异系数作为反映统计数据波动特征的参数，可从一定程度上反映其积累的分布与均匀状态。变异系数最大的重金属是Hg，表明重金属Hg的分布最不均匀，且受人为干扰强于其他4种重金属。

2.2 单因子污染指数法

根据单因子污染指数法的计算公式，计算结果如表5所示。以土壤环境质量标准GB 15618-1995中的二级标准限值为评价标准，研究区土壤重金属As、Cd、Cr、Hg和Pb的污染指数平均值范围为0.16～0.59，均小于0.7，说明整体上污染指数较低，污染情况较轻，这与统计学方法结论保持一致。Cr的Pi最大值为0.54，小于0.7，表明Cr属于清洁等级；As和Pb的污染指数最大值分别为1.98和1.26，两者的超标样数分别为10和2，说明有部分地区农田已经达到轻度污染级别，需要引起重视，避免污染日趋严重；Cd和Hg污染指数最大值分别为3.00和6.24，两者的超标样数分别为23和16，已经达到重度污染级别，从数量上和广度上都远远超过其他重金属，必须引起高度重视，并对污染严重区域农田进行综合治理。

2.3 潜在生态危害指数法

根据单因子污染指数法结果，针对重金属超标的46个样本点，进行重金属潜在生态危害评价。经计算，湖北某地农田土壤中5种金属的潜在生态危害指数（Eir）和潜在生态危害综合指数（RI）如表6所示。

根据单因子潜在生态危害指数（Eir）分析，重金属As、Hg和Pb危害程度相对较低（Eir<40）；重金属Cr有7个采样点属于中等生态危害（40≤Eir<80），2个采样点达到强生态危害（80≤<160）；重金属Cd有13个采样点属于中等生态危害（40≤Eir<80），2个采样点达到强生态危害（80≤Eir<160），1个采样点甚至出现了很强生态危害的信号（160≤Eir<320）。

潜在生态危害综合指数（RI）结果表明，在研究区土壤重金属超标的46个采样点中，属于轻微生态危害（RI<150）的有45个；属于中等生态危害1个（150≤RI<300）。

无论以单因子的潜在生态系数（Eir），还是以多因子的潜在生态危害指数（RI）来评价，该研究区土壤重金属污染最严重的是Cd，其次是Cr、Hg、Pb、As。

3 小结

与国家土壤质量标准相比，研究区农田土壤中5种重金属As、Cd、Cr、Hg和Pb的含量均低于国家二级标准，其单因子污染指数平均值都小于0.7，说明研究区农田整体上并未受到较大污染，保护较为完善。针对重金属超标的46个样本点，进行重金属潜在生态危害评价。潜在生态危害综合指数RI结果表明，研究区中属于轻微生态危害（RI<150）的有45个；属于中等生态危害1个（150≤RI<300）；该研究区农田重金属潜在生态危害由重至轻依次为Cd、Cr、Hg、Pb、As。

参考文献：

[1] 孙 波，周生路，赵其国.基于空间变异分析的土壤重金属复合污染研究[J].农业环境科学学报，2003，22（2）：248-251.

[2] 许桂苹，王晓飞，付 洁.土壤重金属污染评价方法研究综述[J].农村经济与科技，2014，25（1）：71-74.

[3] HJ/T166-2004.土壤环境检测技术规范[S].

[4] 陈怀满.环境土壤学[M].北京：科学出版社，2005.

[5] 徐 畅，高 明，谢德体，等.重庆市植烟土壤重金属含量特征及污染评价[J].水土保持学报，2009，23（4）：141-145.

[6] GB15618-1995.土壤质量环境标准[S].

[7] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control： A sedimentological approach[J]. Water Research， 1980， 14（8）： 975-1001.

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[9] 宁建凤，邹献中，杨少海，等.广东大中型水库底泥重金属含量特征及潜在生态风险评价[J].生态学报，2009，29（11）：6059-6067.

[10] 中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.