基于指数法的土壤砷和重金属污染评价以某废弃农田为例

2019-10-22陶恺赟

上海国土资源 2019年3期

陶恺赟

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 自然资源部上海资源环境监督检测中心，上海 200072）

目前我国土壤环境问题突出，尤其是重金属污染严重，甚至威胁到了人体健康[1-3]。其中，农用地土壤质量因为直接与农作物食品安全关联而受到重视[4-5]。但是，过去的研究对废弃农田的土壤质量关注较少。随着城市化和工业化的快速发展，农村地区的农用地面积大量减少，而用地规划没有及时跟上，导致部分农田闲置。有研究表明，基于重金属生物可利用性考虑，废弃农用地可能对孩童（1至6岁）产生危害[6]。所以，评价土壤中的重金属污染程度，对加强土壤环境风险管控，保障人体健康等具有重要的意义。

国内外土壤重金属污染评价方法中，指数法的应用较广泛。Kowalska等列出了18种指数，包括地累积指数（Igeo）、内梅罗指数（PN）、富集因子（EF）、潜在生态危害指数（RI）等，不同的指数各有利弊及适用范围[7]。地累积指数（Igeo）同时反映了人为活动和自然地质对重金属含量的影响，常用于评价农田土壤重金属污染[8]。另外，在使用指数对土壤环境质量进行评价时，不仅要考虑评价的目的（如反映人类活动或自然背景的影响），还要考虑指数方法的模糊度等影响因素。当污染物浓度较低时，为了避免“误报”需要方法没有模糊性，内梅罗指数（PN）较为适用[9]。

因此，本研究将某废弃农田作为研究对象，选择常用的地累积指数和内梅罗指数对其土壤中砷和重金属的污染状况进行评价，以期为研究区域的土壤污染防治工作提供技术支持。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区为长江三角洲冲积平原内的某废弃农田，历史上一直用作农用地，在2016年左右耕作活动停止成为荒地，有杂草生长。其北侧约100 m处为地表河流，南侧约150 m处为水泥道路，东侧约100 m处为建筑物。表层主要为耕填土，厚约0.7～1.0 m，松散稍湿，含植物根茎。

1.2 样品采集和前处理

采用系统布点法将区域划分为面积不大于80 m×80 m的10个区块，在每个区块内布设一个监测点，共10个土壤采样点。采样时利用GPS对采样点进行定位，找到采样点位置后先去掉表层的草皮、碎石等杂物，然后采集填土层内的土壤，并依次编号为S01～S10。

采集的土壤送至实验室后，室温下避光风干，并经过研磨过筛、混匀缩分等步骤制备成粒度小于200目的样品以供测试。

1.3 样品测试

测试指标的选择主要从保护农产品质量安全角度出发，兼顾提高内梅罗指数法的适用性，选择了砷、镉、铬、汞、铅这5项作为参评元素[10]。土壤中的砷和汞元素采用微波消解—原子荧光法测定；镉和铅元素采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；铬采用火焰原子吸收分光光度法测定。

表1 测试方法的质量保证和质量控制结果Table 1 The quality assurance and quality control results of analytical methods

1.4 评价方法

地累积指数（Igeo）取决于样品某个指标的实测值和地球化学背景值。针对研究区内的某一个监测点，其计算公式为：

式中：Ci——第i种指标的实测值；

Bi——第i种指标的背景值；

1.5——修正系数；

Igeo——地累积指数。

内梅罗指数（PN）是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数。针对研究区内的某一个监测点，其计算公式为：

式中：Pi——第i种指标的单项污染指数；

Ci——第i种指标的实测值；

1)补充营养。开花前后喷2～3次0.3%～0.4%的尿素溶液，盛花初期喷1次0.3%～0.5%的硼砂溶液，花后喷1次0.4%的磷酸二氢钾溶液能提高坐果率。

C0——第i种指标的标准限值；

PN——内梅罗综合污染指数。

地累积指数（Igeo）和内梅罗指数（PN）的分级标准与污染程度之间的对应关系见表2。一般当Igeo＜0或PN≤0.7时，环境质量较好。

表2 污染等级划分Table 2 Classi fi cation of pollution levels

2 结果与讨论

2.1 土壤砷和重金属含量总体特征

本研究中所测得的土壤样品pH值为7.85～8.34、呈弱碱性，因此选取《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）中pH＞7.5情况下的风险筛选值作为是否超标的评判依据[11]。同时，环境背景值反映了一定的自然历史期间一定的地域内某些原有或准原有状态的物质丰度，因此选取全国土壤背景值来判断自然成因和人类活动对元素积累的影响[12-13]。

由表3可见，所有土壤样品中的砷、镉、铬、汞和铅的含量均值（最大值）分别为8.00（9.90）、0.16（0.34）、89.17（132.64）、0.11（0.21）、27.75（35.93）mg/kg，均低于其对应的农用地土壤污染风险筛选值。这说明所测的砷和重金属对该废弃农田的土壤生态环境的风险低。但是与全国土壤背景值相比，除了砷含量低于背景值，其余重金属的含量均值都超过背景值。尤其是重金属汞，其含量均值超过了背景值近2倍，这说明该废弃农田表层土壤中的重金属总体上存在积累现象。

砷、铬、铅的变异系数分别为15.60%、28.78%、17.36%，属于中等变异（15%～36%）；而镉和汞的变异系数分别为45.30%和44.19%，属于强变异（＞36%）。较高的变异系数说明该废弃农田中的重金属分布不均匀，并且可能受人为污染源的影响[14]。砷和重金属的偏态系数从大到小排列依次为：镉＞汞＞铅＞铬＞砷。除砷外，重金属的偏态系数均大于0，属于正偏斜分布，可能受人类活动的影响[15]。

表3 土壤砷和重金属含量统计特征分析Table 3 Descriptive statistics of arsenic and heavy metals contents in soil

2.2 土壤砷和重金属污染评价

（1）内梅罗指数法评价

利用热图分析能够直观地呈现出不同采样点之间土壤污染状况的差异（如图1和图3）。以图1为例，横轴代表的是不同的污染指标，纵轴代表的是不同的采样点，方框内的数值为根据公式(2)计算而得的单因子指数。一般当单因子指数Pi≤1时，可以认为土壤没有受到参评指标的污染。由图1可见，计算所得的单因子指数在0.02～0.57之间，均小于1。这说明以风险筛选值为参照，采样点表层土壤中砷、铅、铬、镉和汞的污染状况均为“无污染”级别。总体上，研究区各采样点表层土壤中砷和铬的单因子指数普遍较高，汞的单因子指数相对较低。由聚类分析可知，砷和铅可以归为一组，镉和汞可以归为一组，铬单独为一组，归为一组的元素可能来源相似。有研究表明砷、铅、镉和锌可能来源于人为因素，比如汽车尾气排放、生活垃圾处置以及使用磷肥和杀虫剂[16]。

根据公式(3)计算得到各采样点表层土壤重金属的内梅罗综合污染指数，见图2。内梅罗指数范围在0.26～0.46，均小于表2中“清洁”所对应的限值0.7，可以认为研究区内各采样点表层土壤没有受到砷、铅、铬、镉和汞的污染。最高的内梅罗指数出现在S8采样点，最低的内梅罗指数出现在S1采样点，不同采样点之间的差异较小。

图1 单因子指数热图分析Fig.1 Results of single pollution index based on the heat map

图2 研究区的内梅罗指数评价结果Fig.2 Nemerow pollution index evaluation results in the study area

（2）地累积指数法评价

根据公式(1)计算得到研究区内各采样点表层土壤中砷、铅、铬、镉和汞的地累积指数，见图3各对应的方框中。对照表2中地累积指数的污染等级划分，研究区内有70%采样点表层土壤的汞元素为“无污染到中度污染”状态，剩余30%的采样点表层土壤的汞元素达到了“中度污染”状态，这与内梅罗指数评价法得到的汞污染状况为“无污染”结果差异较大。除此之外，S2、S7和S6采样点的表层土壤镉元素为“无污染到中度污染”状态，S8采样点的表层土壤镉元素更是达到了“中度污染”状态，S3和S9采样点的表层土壤铬元素为“无污染到中度污染”状态。但是，根据内梅罗指数评价结果，研究区内各采样点表层土壤并没有受到这些重金属的污染。导致评价结果出现差异的原因可能是地累积指数更强调元素地球化学背景值的影响[17]。所以，地累积指数以背景值作为参比可以用来评价重金属在土壤中的累积污染[18]。由图4可知，不同采样点表层土壤中砷和重金属的地累积指数平均值从大到小排列依次为：汞（0.74）＞镉（0.17）＞铬（-0.18）＞铅（-0.33）＞砷（-0.92）。这与部分研究表明的聊城市土壤重金属的富集程度（汞＞铜＞镉＞锌＞铬＞铅＞砷＞镍）基本一致[19]。与全国土壤背景值相比，该研究区内的各采样点表层土壤中汞和镉元素总体上有累积现象。有研究发现，磷肥中的汞的含量明显高于氮肥和钾肥[20]。重金属在农田土壤中产生积累可能是长期施肥导致，尤其是施用含有多种重金属的磷肥。