滨江沿海地区耕地土壤重金属污染特征及潜在生态风险
2019-07-10吴为武攀峰缪明张琰张敏
吴为 武攀峰 缪明 张琰 张敏
摘要：该文基于855个采样点位重金属实测数据，综合采用单因子、内梅罗污染指数法和Hakanson潜在生态危害指数法（RI）两种方法，全面评估南通市耕地土壤重金属的污染状况，分析其主要污染来源。结果表明：除如皋和海安的Hg元素外，Cr、Pb、Cd、As、Hg含量均高于背景值，分别为背景值的1.17～1.48倍、1.02～1.20倍、1.28～1.69倍、1.03～1.80倍和1.11～1.34倍，但低于国家标准，污染等级为安全。Hakanson潜在生态危害评价结果显示，研究区域耕地土壤重金属污染为低生态风险程度，其中以通州、市区、启东和海门较高，如皋最低;各重金属元素Eri值从大到小依次为Cd>Hg>As>Pb>Cr，两种方法评价结果间存在一定的差异。区域内耕地土壤Cd主要来自化肥和农药非点源污染;Hg和As污染主要位于滨江沿海区域，可能与集中的化工园区和外源性Hg、As污染物大气传输等有关;与此同时还应关注海安与通州两地电镀、钢丝绳和纺织染整企业对周边Cr的污染。
关键词：耕地土壤;重金属;潜在生态风险;污染源
中图分类号：X53
文献标志码：A
文章编号：1674–5124（2019）02–0078–05
0 引言
土壤重金属不仅难降解、具有持久性，而且能够通过粮食等作物进入食物链，危害人类健康[1-2]，尤其是镉、铅还会导致人体内分泌紊乱，被定义为环境激素物质[3]，一直以来是土壤研究中重点关注的一类污染因子[4～5]。随着我国经济高速发展和工业化进程加快，土壤生态系统重金属污染日趋恶化。
国内外学者对土壤重金属污染研究主要集中在污染调查与评价、迁移转化途径、对生物体的影响、土壤修复等方面[1，6-8]。据统计，从2012年到2016年全球土壤污染防治相关文献报道达9323篇，呈现稳步上升的趋势，其中我国居首位，共发表论文2410篇[9]。我国国务院也出台土壤污染防治行动计划（简称“土十条”），将土壤污染问题列入了我国生态文明建设三大攻坚战之一，并逐步启动耕地土壤的污染修复工作[10]。目前的土壤修复一般是以区域为单元，在调查评价基础上的靶向性精准修复，因此对于一个区域污染的准确调查与评价是土壤修复的先决条件。由于重金属在土壤中的分布并不均匀，且易受污染点源影响，如果采样点数量不足，會造成对区域重金属污染评估的不准确，甚至出现偏离。但以往研究采样点数稍显不足，比如，强承魁等[11]对徐州地区的调查中选定的3个主栽区中每个主栽区仅选择8个点位。此外，在评价方法的选用上，单因子污染指数法和内梅罗指数法最常用，但这种方法仅考虑了重金属在土壤中的富集状况，可能会低估部分低浓度、高毒性重金属的潜在环境风险，而Hakanson的潜在生态危害指数则综合考虑了这些因素，已被广泛应用于多个领域[12-15]。
近年来，江苏省凭借其滨江沿海的独特区位优势，经济总量一直居于全国前列。然而，这些沿江、沿海布局的大量化工企业和园区也使得当地环境污染问题突出。为此，本文以江苏省南通市为例，基于大量土壤重金属实测数据，综合采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和Hakanson潜在生态危害指数法，全面评估区域耕地土壤重金属（Cr、Pb、Cd、As、Hg）的污染状况，分析其主要污染来源，以期为下一步土壤修复和农业污染控制提供依据，同时也为环境类似地区开展相关工作提供借鉴。1材料与方法
1.1 研究区域概况
南通地处长江下游长江三角洲地区冲积平原，位于北纬31°41'～32°43'、东经120°12'～121°55'之间，海洋性气候明显，年平均气温15.1°C，全年降水量1040mm左右，属北亚热带和暖温带季风气候，光照充足，雨水充沛，四季分明，温和宜人。全市耕地总面积700万亩，土壤肥沃，适种范围广，盛产水稻、蚕茧、棉花、油料、小麦等作物，是国家商品粮生产基地、全国最具优势生产优质弱筋小麦区域、全国双低油菜基地市、江苏省优质中粳稻生产基地。同时，南通市位于沿海经济带与长江经济带T型结构交汇点，经济总量仅次于南京、苏州和无锡，列江苏省第四，是全国有名的纺织印染、钢丝绳生产基地，也是化工、医药等行业的集聚地。全市总面积8001平方公里，下辖如皋、海门、启东、海安、如东等5县（市）和崇川、港闸、通州、南通经济技术开发区4个市辖区。
1.2 调查时间、范围与点位布设
调查时间为2013-2014年，调查范围包括全区5县4区，因通州区为县（市）改区，在此单独统计。采样点位结合项目区域优势作物种植面积、土壤类型、地块形状、地势和周围环境情况确定，并记录各点位GPS，共采集855个土壤样点。
1.3 样品采样与处理
样品采集按照NY/T395-2012《农田土壤环境质量监测技术规范》相关要求，用对角线布点法、梅花形布点法、棋盘式布点法和蛇形布点法采样。采集0～20cm深度表层土壤，将多点土样混合用四分法取土壤样2.5kg。将采集的土壤样品捡除异物，置室内阴凉处自然风干，再将风干土拣去石块、玻璃、植物的根茎等杂物。全部研磨过20目筛，再取部分过100目筛。
1.4 测定项目与方法
过20目土样测pH值;过100目土样测Hg、As、Pb、Cd、Cr5种重金属元素。pH值采用玻璃电极法测定（梅特勒S2K），Hg、As采用原子荧光法测定（北京吉天9230型），Pb、Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定（安捷伦AA240DUO），Cr采用火焰原子吸收分光光度法测定（安捷伦AA240DUO）。
所用试剂均为优级纯。
1.5 评价方法
1.5.1 单因子和综合指数法
采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行现状评价，相关公式详见HJ/T166-2004《土壤环境监测技术规范》[16]，分级标准如表1所示。
1.5.2 生态风险评价法
采用Hakanson潜在生态危害指数法（RI）[14，17]，其公式为：
式中：Eri——重金属元素i的潜在生态风险系数;
Cri——重金属i的污染因子;
Tri——重金属i的毒性响应因子，Cr、Pb、Cd、As和Hg的毒性响应因子（Tri）分别为2.0、5.0、30、10和40;
Csi——重金属i的实测含量;Cni——重金属i的参比值;RI——潜在生态风险指数。
RI分级标准与生态风险程度如表2所示。
2 结果与讨论
2.1 耕地土壤重金属含量分析
研究区域耕地表层土壤中重金属含量测定结果见表3。可见，5种重金属元素的含量均低于GB15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中6.5 2.2 耕地土壤重金属污染现状评价 研究区域土壤重金属污染现状评价以GB15618—2018中6.5 2.3 耕地土壤重金属潜在生态分险评价 Hakanson潜在生态风险评价法由于考虑到了各元素间的毒性水平差异，能够更好地反应重金属生态污染状况。根据公式，其参比值既可以选择标准值，也可以选择背景值，但考虑到与污染指数法的可比性，本研究选定GB15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中6.5 由表5可知，研究区域土壤重金属污染的潜在生态分险级别为A级（低生态风险），各元素的潜在生态风险等级从大到小依次为Cd>Hg>As>Pb>Cr;从RI值判定的多种金属潜在生态风险地区分布来看，通州最大，依次为市区、启东、海门、如东、海安、如皋。这与污染指数法结果有所差异，主要与部分重金属增加了毒性权重有关，通过结合含量测定结果分析（表3），说明综合考虑重金属毒性响应有助于获得较为准确的评价结果。由RI排序结果分析，位列前四的通州、市区、启东和海门都是南通市经济最为发达的县（市）区，为全国最早一批的百强县，工业发达和人口密度等应是其主要影响因素。相反，如皋地区最低，其作为全国有名的长寿之乡，百岁老人众多，相对较好的环境质量可能也是其中一个重要因素。 从单因素角度分析可知，5种重金属中Cd的含量虽然最低，但潜在生态危害程度却最强，且在7个地区间表现一致，如果在此土壤中生长农作物可能会有生物积累和富集[19]，与众多研究结果一致[4，7-8，15]。因此，本研究区应重点关注镉污染，作为下一步土壤修复和环境治理的重点目标[15]。经分析，此污染应与该地区耕地长期使用磷肥等无机肥料有关，农药和化肥使用是农田土壤Cd的重要来源，7个地区甚至全国多地都具有同样的污染特征，更加证实了该重金属元素的污染最可能来自农业面源污染，而非点源[20-21]。其次是Hg，其在通州、如東、市区、海门和启东生态危害程度较高，指数大于5.4，明显高于其他两个地区。As列第3，其在启东、通州、海门和市区生态危害程度较高，指数大于3.0，说明其来源极为相似[7]。Hg为燃煤烟气排放的特征性元素，As主要来源于化工、冶炼和燃煤过程中排放的废水、废气和废渣[5，8]，这几个地区有一个共同点，即滨江临海，是当前南通市化工园区的主要集中地，因此这些地区受当地工业污染源影响较大。此外，外源性Hg、As污染物大气传输也不能排除。Cr和Pb生态危害程度则普遍较低，Er值小于1。通州和海安两个地区Cr污染受工业点源影响突出，海安地区电镀工业发达，通州以钢丝绳和纺织染整为支柱产业，此类工业废水、废气中Cr是重要的特征环境因子，因此，可能与部分点位位于这些企业附近有关。表3中通州、海安SD值分别为14.5和12.3，明显较高，说明数据间离散程度高，可以证明这一点。 2.4 耕地土壤重金属的相关性分析 相关分析能够较好地判别土壤重金属污染来源[13，20]，表6列出了各重金属检测结果间的Pearson相关系数。可见，Cd、Hg与As两两之间均呈现极显著正相关（P<0.01），相关系数变化范围为0.103～0.313。其次，Cr除与Hg无相关性外，与Pb、As和Cd两者之间也呈现极显著正相关（P<0.01），相关系数变化范围为0.146～0.367。由此说明它们来源极为相似[4]。 3 结束语 1）南通市耕地土壤重金属整体属于轻度富集 水平，潜在生态风险评价级别为低生态风险;2）Cd应为南通市所有区域优先控制重金属元素指标，也是下一步进行土壤修复的重点关注对象，并且在今后的农业生产过程中需加强对磷肥的使用量管理，试行测土施肥，避免过量使用;3）As和Hg潜在生态风险评价级别位列其次，主要为通州、海门、市区、启东和如东等5个地区的控制指标，而沿江沿海布局的化工企业和园区是其主要污染来源，应重大加强对这些化工园区的环境治理工作;4）此外还要注意对海安、通州两地电镀、钢丝绳和纺织染整企业周边Cr污染的控制。 参考文献 [1]ZHANGJ， LIH， ZHOUY， etal.Bioavailabilityandsoil-to-croptransferofheavymetalsinfarmlandsoils： AcasestudyinthePearlRiverDelta， SouthChina[J].EnvironmentalPollution， 2018， 235： 710-719. [2]CHARYNS， KAMALACT， RAJDS.Assessingriskofheavymetalsfromconsumingfoodgrownonsewageirrigatedsoilsandfoodchaintransfer[J].EcotoxicologyandEnvironmentalSafety， 2008， 69（3）： 513-524. [3]颜流水，付结友，罗旭彪.环境内分泌干扰物与DNA相互作用的光谱研究[J].环境化学，2008，27（3）：375-377. [4]ZhangP， QinC， HongX， etal.RiskassessmentandsourceanalysisofsoilheavymetalpollutionfromlowerreachesofYellowRiverirrigationinChina[J].ScienceofTheTotalEnvironment， 2018， 633： 1136-1147. [5]王皙玮，王秋红，於丽华.土壤重金属污染及对生物体影响的研究进展[J].中国农学通报，2017，33（19）：86-92. [6]LIULW， LIW， SONGWP， etal.Remediationtechniquesforheavymetal-contaminatedsoils： Principlesandapplicability[J].ScienceofTheTotalEnvironment， 2018， 633： 206-219. [7]虞敏达，张慧，何小松，等.典型农业活动区土壤重金属污染特征及生态风险评价[J].环境工程学报，2016，10（3）：1500-1507. [8]尚二萍，许尔琪，张红旗，等.中国粮食主产区耕地土壤重金属时空变化与污染源分析[J].环境科学，2018，4（24）：1-20. [9]土壤污染防治研究发展态势报告（上）[R/OL].[2018-08-29]http：//www.cenews.com.cn/zfzj_3479/dsj/dsjtrxf/201803/t20180314_868169.html. [10]国务院.国务院关于印发土壤污染防治行动计划的通知：国发[2016]31号[A/OL].（2016-05-28）[2018-08-29]http：//www.gov.cn/zhengce/2016-05/31/content_5078448.htm. [11]強承魁，秦越华，丁永辉，等.徐州地区麦田土壤和小麦籽实重金属污染特征分析[J].生态环境学报，2016，25（6）：1032-1038. [12]HAKANSONL.Anecologicalriskindexforaquaticpollution-control.Asedimentologicaapproach[J].WaterResearch， 1980， 14（8）： 975-1001. [13]EFFENDIH， KAWAROEM， MURSALIN， etal.EcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalPollutioninSurfaceSedimentofMahakamDelta， EastKalimantan[J].ProcediaEnvironmentalSciences， 2016， 33： 574-582. [14]贾英，方明，吴友军，等.上海河流沉积物重金属的污染特征与潜在生态风险[J].中国环境科学，2013，33（1）：147-153. [15]雷沛，张洪，单保庆.丹江口水库典型库湾及支流沉积物重金属污染分析及生态风险评价[J].长江流域资源与环境，2013，22（1）：110-117. [16]国家环境保护总局.土壤环境监测技术规范：HJ/T166-2004[S].北京：中国环境科学出版社，2004. [17]吴洋，杨军，周小勇，等.广西都安县耕地土壤重金属污染风险评价[J].环境科学，2015，36（8）：2964-2971. [18]安华强，张炳奎.南通市农业土壤和粮食中金属元素背景值的调查[J].环境科学与技术，1989（2）：27-31. [19]阿吉古丽·马木提，麦麦提吐尔逊·艾则孜，艾尼瓦尔·买买提.新疆焉耆县耕地土壤重金属的空间分布及来源解析[J].环境监测管理与技术，2018，30（3）：12-16. [20]王美，李书田.肥料重金属含量状况及施肥对土壤和作物重金属富集的影响[J].植物营养与肥料学报，2014，20（2）：466-480. [21]师荣光，郑向群，龚琼，等.农产品产地土壤重金属外源污染来源解析及防控策略研究[J].环境监测管理与技术，2017，29（4）：9-13.
