基于内梅罗综合污染指数的农田耕层土壤重金属污染评价

2019-12-14常瑛李彦荣施志国

安徽农业科学 2019年19期

常瑛李彦荣施志国

摘要為重金属污染防治提供科学依据，以石羊河流域武威平原区农田耕层土壤为研究对象，采集和测定了67个样点中重金属Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的含量，在农田土壤重金属元素总量分布特征分析的基础上，分别以国标土壤污染风险筛选值和甘肃省土壤背景值为参评标准，采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法对重金属污染程度进行评价。结果表明，石羊河流域武威平原区农田耕层土壤中重金属Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni的含量，参比国标土壤污染风险筛选值，单因子污染指数均小于1，超标率为0，内梅罗综合污染指数为0.36，所有样点均处于安全无污染水平。参比甘肃省土壤背景值，内梅罗综合污染指数为2.16，轻度污染、中度污染和重度污染分别占56.7%、28.4%和14.9%;Cd、Hg污染最严重，平均含量分别达0.19、0.04 mg/kg，分别是甘肃省土壤背景值的2.24倍和2.34倍，超标率分别达100.0%和92.54%，内梅罗综合污染指数分别达4.12和5.94，为重度污染;其余的Pb、Cr、Cu、As、Ni为轻度污染，超标率分别为56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。

关键词武威平原区;农田;重金属;污染;评价;内梅罗综合污染指数法

中图分类号 X53文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）19-0063-05doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.020

Abstract To provide scientific basis for prevention and control of heavy metal pollution， taking farmland plough soil in Wuwei plain of Shiyang River as the research object， the contents of heavy metals such as Cr， Ni， Cu， Cd， Pb， As and Hg in 67 samples were collected and determined.Based on analysis of distribution characteristics of heavy metals in farmland soils，risk screening values for soil contamination of agricultural land and soil background value of Gansu Province were used as the reference standards，the pollution degree of heavy metals was evaluated by single factor pollution index method and Nemerow comprehensive index method. The result showed that the contents of heavy metal Cd，Hg，Pb，Cr，Cu，As and Ni in cultivated soil of Wuwei plain of Shiyang River Basin were all at the safe and nonpollution ，compared with the national standard soil pollution risk screening value，the single factor pollution index was less than 1， the exceeding standard rate was 0， and the comprehensive pollution index of Nemero was 0.36.However，compared with the soil background values in Gansu Province，the Nemero comprehensive pollution index was 2.16. Slight pollution， moderate pollution and severe pollution accounted for 56.7%， 28.4% and 14.9%， respectively.The most serious contaminants were Cd and Hg and the average contents were 0.19，0.04 mg/kg， respectively.It was 2.24 times and 2.34 times than the soil background value of Gansu Province，the rate of exceeding standard reached 100.0% and 92.54%，respectively.The comprehensive pollution index of Nemero reached 4.12 and 5.94 ， which belonged to serious pollution.Pb，Cr，Cu，As and Ni were slightly polluted， with exceeding standard rates of 56.72%， 56.72%， 53.73%， 52.24% and 40.30%， respectively.

Key words Wuwei plain area;Farmland;Heavy metal;Pollution;Evaluation;Nemero comprehensive pollution index method

土壤是生态系统的重要组成部分，也是人类赖以生存的场所，更是人类发展的自然资源和农业生产的物质基础。随着我国社会经济的迅速发展，特别是城镇化、工业化的快速发展和农用化学物质农药、化肥、地膜等的大量施用，土壤污染日益加剧，不仅土壤污染物种类繁多（包括重金属污染、有机物污染、生物污染及放射性污染等），而且各类污染物复合并存，土壤污染形势十分严峻[1] 。环境保护部和国土资源部于2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤污染总的点位超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染率分别为11.2%、2.3%、1.5%、1.1%[2]。重金属是土壤环境中一类极具危害的污染物，当前我国受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面积约2 000万hm2，约占总耕地面积的1/5[3]，每年因重金属污染而损失的粮食约1 000万t，经济损失至少达200 亿元[4-6]。由于土壤中的重金属具有隐蔽性、难降解、移动性差和易被富集等特点，故土壤重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆等特点，这对土壤、地下水、微生物、植物等生态系统构成了严重威胁，是农业可持续发展和环境质量改善面临的重要问题，重金属超标不仅影响植物的生长发育，而且会间接影响人体和其他动物的健康[7]。随着我国《土壤环境质量标准（GB 15618—1995）》[8] （以下简称国标）、《农田土壤环境质量监测技术规范（NY/T 395—2000）》和《土壤污染防治行动计划》的颁布实施，土壤重金属污染越来越引起重视。依据重金属总量，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价土壤重金属污染程度，被广泛用于土壤重金属污染评价中[9-12]。笔者选取武威平原区为研究区域，通过测定土壤中铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、镍（Ni）、铜（Cu）、汞（Hg）、砷（As）这7种重金属总量，在研究重金属元素总量分布特征的基础上，基于单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对农田土壤中的重金属进行评价，旨在综合全面地反映出土壤中重金属综合污染程度，为提升农田耕地质量以及重金属污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省中部、河西走廊东端，乌鞘岭以西，祁连山北麓，36°29′～39°27′N，101°49′～104°16′E，地处黄土、青藏、蒙新三大高原交汇地带，海拔1 020～4 874 m，平均海拔为2 083 m，属典型的大陆性干旱气候，年降水量60～610 mm ，主要降雨量在7—9月（占全年60%），蒸发量1 400～3 040 mm ，干旱指数5～12，温差较大（-26.2～35.7 ℃），年平均气温7.8 ℃，日照时数2 200～3 030 h，无霜期85～165 d。区内种植类型主要有玉米、春小麦等粮食作物，以及其他经济作物如葵花、棉花、洋葱等。

1.2 土壤样品采集与处理

供试土样采自武威中部走廊平原区和北部荒漠区的武威市凉州区和民勤县的农田耕层土壤（图1），除民勤县个别样点为风积风沙土外，其余各样点均为冲积灌漠灰钙土。采样于秋收后（2017年11月）进行，采样同时，对样点的环境状况进行记录，如水源类型、工矿分布、作物类型、化肥与农药施用、土地利用强度及年限等，并用GPS定位仪记录各采样点的经纬度和海拔。

根据《土壤环境监测技术规范》的相关要求，在研究区内取耕层（0～20 cm）土样，每个样点用梅花布点法设置5个采集点，等量取土混合后四分法留样约2 kg。将采集的土样剔除草根、玻璃、石块等异物，晾摊在实验室通风避光处自然风干，按照四分法取样约500 g置于木盘中，用木棒碾碎，过2 mm尼龙筛，弃去沙子、石块等，用于有效态重金属量测定。将过2 mm筛的土样研磨后过1.00 mm和0. 149 mm的尼龙筛，装瓶贴签，分别用于pH、电导率、有机质、重金属总量的分析。

1.3 样品分析

主要测定土壤pH、电导率（EC）、有机质（OM）、水溶性盐、铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、镍（Ni）、铜（Cu）、汞（Hg）、砷（As）等指标。

1.3.1

土壤理化性质测定[13]。OM：采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法;pH水土比2.5∶1的土壤悬浊液振荡后通过电位法用pH仪进行测定;EC：使用电导法用电导率仪进行测定，水土比5∶1;全氮：采用在加速剂参与下浓硫酸消煮，凯氏定氮仪测定。

1.3.2 土壤重金属总量测定[14-15]。准确称取0.1～0.3 g（精确至0. 2 mg）经风干、研磨至粒径小于0.149 mm（100目）的土壤样品，用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，消解液中Cd、Pb、Ni采用电感耦合等离子体质谱法测定，Cr、Cu采用电感耦合等离子体发射光谱法测定;重金属Hg、As用王水水浴法消解，As采用氢化物发生-原子荧光光谱法测定，Hg采用蒸气发生-冷原子荧光光谱法测定。

1.4 评价标准与方法

1.4.1 评价标准。

在重金属评价的研究中，研究区土壤背景值或者国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（ GB15618—2018）》的污染风险筛选值均可以作为评价标准。另外，不同类型的土壤中某種元素的背景值可能存在很大差异，因此应该选择同一地区同一或者相近类型的土壤中元素的平均含量作为评价标准[16]。在该研究中，土地被利用为耕地，因此对土地的质量要求较高。该研究分别选择研究区所在地的甘肃省土壤背景值[17]和国标土壤污染风险筛选值作为评价标准（表1）。

1.4.2 评价方法。

该研究采用内梅罗综合污染指数法对武威平原区农田土壤重金属进行评价，内梅罗综合污染指数可以综合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，并可以计算得到各单个污染物的污染指数，适合对土壤重金属这类联合污染进行综合评价。

1.4.2.1 单因子污染指数。

单因子污染指数（the single factor pollution index，Pi）是目前国内普遍采用的一种重金属污染评价的方法，其计算公式为：

式中，Pi表示土壤重金属元素i的单因子污染指数;Ci表示元素i的实测值（mg/kg）;Si表示为元素i计算时的评价标准值，文中Si分别选取国标风险筛选值和甘肃省土壤背景值（mg/kg）。当Pi≤1时，表示未污染;当13时，表示重度污染[16]。

47卷19期常瑛等基于内梅罗综合污染指数的农田耕层土壤重金属污染评价

1.4.2.2 内梅罗综合污染指数。内梅罗综合污染指数（comprehensive pollution index）是由单因子污染指数法发展而来的，是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一，是一种兼顾平均值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，可以综合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度[18]，具体的计算公式为：

2 结果与分析

2.1 土壤常规指标评价

研究区域土壤类型为灰钙土，pH 7.90～8.93，均大于7.50，平均为8.39，变异程度为弱变异强度（变异系数<10%）[20];有机质7.36～30.57 g/kg，平均为16.54 g/kg;电导率128.50～1 237.00 μs/cm，平均为276.22 μs/cm（表3）。各样点土壤有机质、电导率及水溶性盐变异程度较大，属中等变异强度（10%<变异系数<100%）[20]。

2.2 重金属元素总量特征

武威平原区农田耕层土壤重金属含量具体的统计性描述结果见表4，并将各样点土壤重金属含量与土壤背景值和国际风险筛选值进行对比分析（图2）。由表4和图2可知，在研究区域0～20 cm 土层中，7种重

金属的测定值分别为Cr 33.63～80.59 mg/kg;Ni 16.67～4621 mg/kg;Cu 11.79～33.34 mg/kg;Cd 0.11～0.47 mg/kg;Pb 15.08～37.40 mg/kg; As 6.73～17.78 mg/kg;Hg 0.014～0.137 mg/kg。Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的平均值分别为6317、30.64、23.56、0.19、22.56、11.34和 0.040 mg/kg，变异系数均小于100%，属中等变异程度[20]，从大到小依次为Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr。

参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）》，经对比国标风险筛选值，该区农田土壤Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg 这7种重金属的含量均未超过国标风险筛选值，超标率均为0%;以甘肃省土壤背景值为基准，该区耕层土壤重金属的超标率大小依次为Cd>Hg>Pb=Cr>Cu>As>Ni，分别为100.00%、92.54%、56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。可见，武威平原区农田耕层土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni含量虽然没有超过国家农用土壤污染风险管控标准，但与甘肃省土壤背景值相比，重金属量有所提高，存在一定程度的累积污染趋势。其中Cd和Hg的污染最严重，Cd含量全部超过背景值，仅有7.46%的Hg含量低于背景值。

由图2可知，武威平原区重金属分布具有一定的地域性，50号样点的各重金属含量除Hg外是所有样点中最低的;凉州区的重金属含量高于民勤县;各重金属含量与样点间呈现出“倒双W”型，表现出各重金属的变化趋势一致，具有同步性。这也说明重金属对土壤污染除人为因素外，可能与成土母质（土壤质地）和成土过程是土壤重金属含量高低的主要影响因素有关。

2.3 土壤重金属污染评价

2.3.1 土壤重金属单因子污染指数评价。

以甘肃省土壤背景值为评价标准时，Cd、Hg的单因子污染指数较高，分别为2.24和2.34，即平均含量分别是甘肃省土壤背景值的2.24倍和2.34倍。超标率大小依次为Cd>Hg>Cr=Pb>Cu>As>Ni，重金属Cd污染最严重，污染率达100%，其中轻度污染（1<Pi≤2）、中度污染（2<Pi≤3）和重度污染（Pi>3）占比分别达40.3%、47.8%和11.9%;重金属Hg污染率达92.5%，轻度污染、中度污染和重度污染占比分别达47.8%、20.9%和23.9%，仅有7.5%的区域Hg未污染（Pi<1）;重金属Cr、Ni、Cu、Pb、As这5种重金属元素在该地区没有中度污染和重度污染，轻度污染占比分别为56.7%、40.3%、53.7%、56.7%和52.2%，未污染占比分别为43.3%、59.7%、46.3%、43.3%和47.8%。

总体来说，运用土壤重金属单因子污染指数评价时，石羊河流域武威平原区Cd污染较为严重，Hg次之，其他Cr、Ni、Cu、Pb、As 5种重金属污染轻微。

2.3.2 土壤重金屬污染综合评价。

采用内梅罗综合污染指数对研究区重金属污染程度进行评价，从表6可以看出，不同样点间，以国标风险筛选值为评价标准时，武威平原区农田耕层土壤的内梅罗综合污染指数评价值介于0.21～0.60，平均值为0.36，所有样点均处于安全无污染的Ⅰ级水平，不存在污染风险。但以甘肃省土壤背景值为评价标准时，武威平原区农田耕层土壤的内梅罗综合污染指数评价值介于103～5.91，平均值为2.16，在67个样点中，Ⅲ级轻度污染、Ⅳ级中度污染和Ⅴ级重度污染样点数分别为38、19和10个，分别占56.7%、28.4%和14.9%。

3 讨论与结论

土壤重金属总量能够给出重金属的富集信息，是确定土壤重金属污染水平和环境容量的基础[21]。该研究表明重金属分布具有一定的地域性，凉州区重金属含量高于民勤县。该研究表明，武威平原区农田耕层土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni的含量虽然没有超过国标土壤污染风险筛选值，但与甘肃省土壤背景值相比，重金屬量有所增加，Cd、Hg污染最严重，平均Cd含量达0.19 mg/kg，是甘肃省土壤背景值的224倍，超标率达100.0%，其中轻度污染、中度污染和重度污染占比分别达40.3%、47.8%和11.9%;平均Hg含量达004 mg/kg，是甘肃省土壤背景值的2.34倍，超标率达92.54%，其中轻度污染、中度污染和重度污染占比分别达47.8%、20.9%和23.9%;重金属Pb、Cr、Cu、As、Ni的超标率分别为56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。说明人类活动已使该区域出现了明显的重金属Cd、Hg积累，而其他重金属污染轻微。这与曾希柏等[22]对武威的研究结果相似，但与罗永清等[23]对兰州的研究结果有一定的差异，这可能和成土母质有很大关系。

内梅罗综合污染指数法是一种既兼顾平均值，又突出最大值的计权型多因子环境质量指数，可以综合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度。武威平原区农田耕层土壤Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg 7种重金属，参比国标风险筛选值时，其内梅罗综合污染指数为0.36，所有样点均处于安全无污染的Ⅰ级水平。但以甘肃省土壤背景值为评价标准时，内梅罗综合污染指数为2.16，轻度污染（Ⅲ级）、中度污染（Ⅳ级）和重度污染（Ⅴ级）分别占56.7%、28.4%和14.9%;Hg和Cd的内梅罗综合污染指数分别达5.94和4.12，为重度污染（Ⅴ级），其余的Cr、Ni、Cu、Pb、As为轻度污染（Ⅲ级）。

变异系数可以反映总样本中各采样点位的平均变异程度，变异系数越大，说明重金属元素的空间分布差异越大。可能是受人为活动干扰，特别是受施肥、喷药以及工业污水等因素的影响 [22，24]，研究区土壤重金属的总量和内梅罗综合污染指数的变异系数大于10%，但均小于100%，属中等变异程度。

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