江汉-洞庭平原农业土壤重金属综合评价

喻 鹏，马 腾，唐仲华，甘义群，邓青军

（1.中国地质大学环境学院，湖北武汉430074；2.武汉市政工程设计研究院，湖北武汉430074）

江汉-洞庭平原农业土壤重金属综合评价

喻 鹏1，马 腾1，唐仲华1，甘义群1，邓青军2

（1.中国地质大学环境学院，湖北武汉430074；2.武汉市政工程设计研究院，湖北武汉430074）

针对江汉-洞庭平原农业土壤受重金属（Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg，As）污染的状况进行系统调查后，根据取样测试结果对土壤无机污染物含量进行特征分析.参照研究区土壤地球化学背景评价标准，采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区农业土壤重金属污染状况进行综合评价.结果表明：研究区7种单要素污染程度大小依次为Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr，相比较而言，Hg污染为主要污染元素，研究区大部分区域Hg超标，且同污染物外源性关系密切.整体而言，江汉-洞庭平原综合污染指数较往年统计值有走高趋势，农业土壤环境质量达轻度污染级别.

江汉-洞庭平原；农业土壤；重金属；综合评价；污染分级

江汉-洞庭平原区是我国重要的商品粮基地和农业生产区，多年来工农业污染物的大规模排放及平原区农药化肥的泛滥造成了土壤环境质量日趋下降［1］.基于平原区土壤污染现状，许多学者就该区土壤重金属污染规律乃至污染修复技术等方面开展了研究工作［2-3］.周涛等［4］对长沙城市土壤地质环境进行了质量评价.于婧等［5］、田应兵等［6］对江汉平原农田及城郊的土壤重金属进行了综合评价，为研究区土壤治理及环保提供了量化的依据.其中单独针对江汉平原及大平原区局部点带土壤重金属评价较多，以整个江汉-洞庭土壤环境为目标的研究工作权重略低.

笔者以江汉-洞庭平原为基背景，采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对其土壤重金属累积状况进行分析，同时进一步综合评价其分布的基本态势及变化趋势，旨在为该区土壤环境污染的监测与防治提供一定参考［4-8］.

1 研究区概况

江汉-洞庭平原由江汉平原和洞庭平原组成，江汉平原南部与洞庭平原北部相连为一体，合称两湖平原.研究区介于北纬28°30′～31°10′、东经111° 40′～114°16′间，总面积约5.0×104km2.江汉平原西起枝江，东迄武汉，北至钟祥，南望洞庭湖滨，面积约3.2×104km2.洞庭平原地跨湘、鄂两省，是以洞庭湖为轴心阔至湖南北及荆江南的河湖冲积平原区，面积约1.8×104km2.

2 材料与方法

2.1 采样原则与处理

江汉-洞庭平原地势由边缘向中心呈阶梯式下降、倾斜，并由西向东缓倾，根据原区冬寒夏热、春雨秋旱、雨量充沛的气候特点以及城市的快速扩张和农田大量流失的土地利用变化特点，以控制整个研究区为目标，以具有代表性、准确性、合理性和科学性为原则［9-11］，采集的土地种类主要有水稻田、裸地、菜地、棉花地、苗圃基地以及林地等，根据地形采用蛇形采样，采集深度为0～20 cm.每20 km2采集5个样品混合成一个土样，取样质量不小于500 g，共采集109个土壤样品，采样点位置如图1所示.采用自然风干方式干燥样品，然后将风干样品用木棍压碎，拣去石砾、残根等杂物，以四分法留下土样200 g，用陶瓷研钵进行研磨，过20目尼龙筛，再充分混匀待测.

图1 江汉-洞庭平原土壤采样点示意图

2.2 测定项目与方法

根据国家《土壤环境质量标准》（GB15618—2008）和研究区土壤特点，由华中农业大学土壤实验室进行分析.将所取土壤样品进行无机污染物元素分析：汞（硝酸-硫酸-五氧化二钒消解后，原子荧光测定［12］）；全锌、全铜（盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解后，原子吸收测定［13］）；镉、铅、铬（盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解后，石墨炉原子吸收测定［14-15］）；砷（硝酸-盐酸-高氯酸消解后，原子荧光测定［16］）.

2.3 评价模型与标准

由于《土壤环境质量标准》（GB15618—2008）与研究区土壤环境质量现状存有一定差距，为更合理地展现平原区土壤重金属的变化特征，依据实际情况，综合采用第4系洞庭湖组湖沼相沉积区土壤地球化学参数作为背景评价标准［17］（见表1），同时采用单因子污染指数法和内梅罗污染综合指数法［18-20］来评价土壤污染状况.

表1 江汉-洞庭平原土壤地化背景评价标准

单因子污染指数的计算公式为

式中：pi为i污染物指数；ci为i污染物实测值；si为 i污染物评价标准.

内梅罗污染综合指数法计算公式为

2.4 土壤质量分级标准

综合污染指数全面综合反映了污染物对土壤污染的不同程度，同时充分考虑了高含物质对土壤环境质量的影响.采用该指数模拟Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg，As等7种重金属元素对土壤的污染程度，使得土质的等级评定更客观.兼顾考虑单项污染指数，以表示某一有害物质的影响，值越高元素对综合污染指数的贡献率和影响就越大.结合平原区实际和相关标准，将土壤污染等级进行划分，见表2.

表2 土壤污染分级标准

3 结果与分析

3.1 土壤无机污染物累积分布

对土样测试结果进行分析，统计结果见表3，对照表1，除Cr，Cu，Mn元素外其他元素均在一定程度上超过标准值.Cd平均质量比为0.15 mg·kg-1，变化幅度0.05～0.33 mg·kg-1，超标率为3％，超标主要在岳阳等地呈点状分布；Pb平均质量比为20.86 mg·kg-1，变化幅度为8.35～55.19 mg· kg-1，超标率为16％，超标点集中于在长沙、岳阳等地；Zn平均质量比为84.06 mg·kg-1，变化幅度19.11～126.87 mg·kg-1，超标率21％，超标点主要分布在岳阳、荆州、仙桃等地；As平均质量比为10.23 mg·kg-1，变化幅度3.64～23.96 mg·kg-1，超标率23.7％，超标点主要分布洞庭湖周边及仙桃等地；Hg平均质量比为0.12 mg·kg-1，变化幅度0.01～0.37 mg·kg-1，超标率达58％，在平原大部分地区均超过背景值.

表3 江汉-洞庭平原土壤重金属数据基本统计特征

3.2 土壤重金属污染综合评价

研究区各监测点重金属含量及污染评价指数如表4所示，结果显示Cd单因子指数变化范围为0.19～1.22，平均值为0.54；Cr单因子指数变化范围为0.06～0.51，平均值为0.14；Cu单因子指数变化范围为0.28～0.72，平均值为0.45；Pb单因子指数变化范围为0.30～1.98，平均值为0.75；Zn单因子指数变化范围为0.53～1.30，平均值为0.86；As单因子指数变化范围为0.42～1.98，平均值0.84；Hg单因子指数变化范围为0.18～5.11，平均值为1.63.研究区平均单因子污染指数大小顺序为Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr.

表4 监测点重金属含量及污染指数

续表

从综合污染指数看，各监测点综合污染指数关系见图2，结合表4可知，监测点2，10，13污染指数为3～4，属重度污染级别；监测点1，3，4，5污染指数为2～3，属中度污染级别；监测点6，7，8，9，11，12，14，15，16，29，32的污染指数均为1～2，处于轻度污染级别，上述各监测点均需采取相应措施进行保护；监测点26，27，35综合污染指数均小于0.7，处于安全级别；其余监测点综合污染指数则为0.7～1.0，处于警戒线级别.结合每类重金属平均污染指数及内梅罗算式，估算综合污染总指数为1.27，显示平原区整体属轻度污染级别.

从土壤重金属累积状况上看，平原区表层土壤Cd高积区主要分布在荆州洪湖-岳阳-仙桃-湘江长沙段周边，主要因岳阳段内锌矿的工业污染和远距迁移形成（见图3）.图4中表层土壤Cr高积区主要分布于洞庭湖中央湖积平原、孝感应城等地，与第4系洞庭湖组湖沼相沉积地质环境及应城周边分布的化工厂有直接联系；图5中表层土壤Cu高积区主要分布在江汉平原中部地区-益阳-湘江沿岸，面积分布较广，这和土壤Cu的原始积累及工农业污染有关；图6中表层土壤Pb高积区主要分布于长沙望城-岳阳-益阳桃江等地，主要受长株潭及周边城市大规模城建中工业生产影响；图7中表层土壤Zn高积区分布于平原区中部-长沙湘江沿岸等地，由于分布范围广，究其原因可能与原生地质环境有关；表层土壤As高积区主要分布在长沙、仙桃沙湖镇等地并呈点状分布，当地原生地质环境影响权重也偏大（见图8）；表层土壤Hg总体呈南高北低的趋势，高积区主要分布于常德市南-茅草街-岳阳湘阴-屈原农场等地，土壤中长期积累同当地化工、冶金等外源性工业废弃物造成的污染叠加有关，这在其偏高的变异系数值上同样得到验证（见图9）.

图2 监测点综合污染指数对比

图3 Cd含量累积示意

图4 Cr含量累积示意

图5 Cu含量累积示意

图6 Pb含量累积示意

图7 Zn含量累积示意

图8 As含量累积示意

图9 Hg含量累积示意

依照农业土壤环境质量评价结果，划分出平原区污染级别，见图10.安全土地主要分布于中部大部分农田保护区；警戒级别土地主要分布在平原区周边丘陵、岗地；轻度污染土地主要分布在城市周边农田或部分河湖两岸平原农业用地，中度污染土地主要分布在应城、仙桃、荆州及常德、益阳大型工业园区周边农业用地；重度污染土地则主要以点状散布在应城周边，湘江沿岸部分林地及常德、岳阳等农业用地带.

图10 江汉-洞庭平原农业土壤污染分区

4 结 论

在土壤样品无机污染物测试结果的基础上运用单因子指数法及内梅罗综合污染指数法评价了江汉-洞庭平原重金属污染程度，结果显示其农业土壤污染程度大小顺序依次为Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr，其中大部分区域Hg超标.平原区整体综合污染指数1.27，较往年统计值有走高趋势，农业土壤环境遭轻度污染，总体状况不乐观.同时若干点带农业土壤监测工作基础薄弱直接影响对重金属分布变化趋势的了解，建议在采取相应措施防止其进一步污染的同时，在基本农田保护区布设一定密度的综合监测网，对农业土壤环境的监测和治理中加强对工农业废弃物达标排放程度的监控及重金属元素的污染防治研究，以便更合理地利用其农业土地资源.

（

）

［1］董元华，张桃林.基于农产品质量安全的土壤资源管理与可持续利用［J］.土壤，2003，35（3）：182-186. Dong Yuanhua，Zhang Taolin.Soil resource management and sustainable utilization based on quality safety of agricultural products［J］.Soils，2003，35（3）：182-186.（in Chinese）

［2］沈德中.污染环境的生物修复［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［3］王圣伟，刘 刚，冯 娟，等.农业用地土壤重金属综合评价方法［J］.江苏大学学报：自然科学版，2014，35（4）：408-415. Wang Shengwei，Liu Gang，Feng Juan，et al.Comprehensive evaluation of heavy metal for agricultural environmental soil land［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2014，35（4）：408-415.（in Chinese）

［4］周 涛，息朝庄，戴塔根，等.湖南长沙城市土壤地质环境综合评价［J］.广东微量元素科学，2008，15（6）：32-38. Zhou Tao，Xi Chaozhuang，Dai Tagen，et al.Comprehensive assessment of urban geological environment in Changsha city［J］.Guangdong Trace Elements Science，2008，15（6）：32-38.（in Chinese）

［5］于 婧，聂 艳，周 勇.江汉平原农田土壤环境质量与生态风险分析［J］.湖北农业科学，2008，47（9）：1030-1034. Yu Jing，Nie Yan，Zhou Yong.Analysis of ecological risk and soil environmental quality of farmland in Jianghan plain［J］.Hubei Agricultural Sciences，2008，47（9）：1030-1034.（in Chinese）

［6］田应兵，陈 锋，雷明江，等.江汉平原城郊菜地土壤重金属的环境质量评价［J］.环境科学与技术，2005，28（4）：79-80. Tian Yingbing，Chen Feng，LeiMingjiang，etal.Environment quality evaluation on heavy metals of vegetable plantation soil in suburbs of several cities in Jianghan plain［J］.Environmental Science and Technology，2005，28（4）：79-80.（in Chinese）

［7］黄春雷，宋明义，蔡子华，等.基于环境背景值的重金属污染地块划定—以浙东沿海某典型固体废物拆解区污染土壤为例［J］.生态与农村环境学报，2010，26（6）：605-609. Huang Chunlei，Song Mingyi，Cai Zihua，et al.Demarcation of heavy metal contaminated land soil based on the environmental background value：a case study of contaminated soil in typical solid waste dismantling area along the coast of east Zhejiang［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2010，26（6）：605-609.（in Chinese）

［8］Ham lett JM，Miller D A，Day R L，et al.Statewide GIS-based ranking of watersheds for agricultural pollution prevention［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1992，47（5）：399-404.

［9］翟 琨.恩施地区玉米土壤环境质量评价［J］.土壤通报，2010，41（1）：105-107. Zhai Kun.Assessment of soil environment quality of maize production regions in Enshi［J］.Chinese Journal of Soil Science，2010，41（1）：105-107.（in Chinese）

［10］刘章勇，刘百韬，谢 磊，等.江汉平原涝渍地域农业生态环境特征与评价指标体系［J］.长江流域资源与环境，2003，12（1）：83-87. Liu Zhangyong，Liu Baitao，Xie Lei，etal.The features and appraise index system of agricultural ecological environment of the waterlogging land in Jianghan plain［J］. Resources and Environment in the Yangtze Basin，2003，12（1）：83-87.（in Chinese）

［11］周小萍，陈百明，刘永胜.农业资源利用模式体系构建的理论探讨—以江汉-洞庭平原为例［J］.长江流域资源与环境，2004，13（5）：465-470. Zhou Xiaoping，Chen Baiming，Liu Yongsheng.Utilization pattern of agricultural resourcewith discussion on its application in China：taking the plain of Hunan Province and Hubei Province as a case［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2004，13（5）：465-470.（in Chinese）

［12］国家环境保护总局.GB/T17136—1997土壤质量-总汞的测定：冷原子吸收分光光度法［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［13］国家环境保护总局.GB/T17138—1997土壤质量-铜、锌的测定：火焰原子吸收分光光度法［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［14］国家环境保护总局.GB/T17137—1997土壤质量-总铬的测定：火焰原子吸收分光光度法［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［15］国家环境保护总局.GB/T17141—1997土壤质量-铅、镉的测定：石墨炉原子吸收分光光度法［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［16］鲁如坤.土壤农业化学分析方法［M］.北京：中国农业科技出版社，1999.

［17］骆检兰，苏正伟，陈渡平，等.湖南省洞庭湖区生态地球化学调查系列成果报告［R］.湖南省地质调查院，2006.

［18］Nemerow N L.Scientific Stream Pollution Analysis［M］. Washington：Scripta Book Co，1974.

［19］杜 艳，常 江，徐 笠.土壤环境质量评价方法研究进展［J］.土壤通报，2010，41（3）：749-755. Du Yan，Chang Jiang，Xu Li.Progress on assessing methods of soil environmental quality［J］.Chinese Journal of Soil Science，2010，41（3）：749-755.（in Chinese）

［20］刘崇红.几种土壤质量评价方法的比较［J］.干旱环境监测，1996，10（1）：26-29. Liu Chonghong.Comparison in several evaluation methods of soil quality［J］.Arid Environmental Monitoring，1996，10（1）：26-29.（in Chinese）

（责任编辑 祝贞学）

Com prehensive evaluation of heavy metal for agricultural environmental soil of Jianghan-Dongting p lain

Yu Peng1，Ma Teng1，Tang Zhonghua1，Gan Yiqun1，Deng Qingjun2
（1.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China；2.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute，Wuhan，Hubei430074，China）

Based on the systemic investigation of pollution status by heavy metals of Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg and As to agricultural soil environment of Jianghan-Dongting plain，the characteristics of inorganic pollutant contents were analyzed.Based on the soil geochemistry background values，singlefactor index method and Nemerow comprehensive pollution index method were used in comprehensive assessment of agricultural environmental soil heavymetal pollution condition in research area.The results show that the pollution of Hg is themost seriouswhich is closely related to exogenous pollutants，and the pollution decreasing extent of other factors is Hg，Zn，As，Pb，Cd，Cu，Cr.The comprehensive assessment illuminates that the comprehensive pollution index has higher tendency compared to previous statistics，and the agricultural soil environmental quality of study area is slightly polluted.

Jianghan-Dongting plain；agricultural environmental soil；heavymetal；comprehensive assessment；pollution classification

X825

A

1671-7775（2015）05-0550-07

喻 鹏，马 腾，唐仲华，等.江汉-洞庭平原农业土壤重金属综合评价［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（5）：550-556.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.05.010

2014-11-28

中国地调局示范项目（1212011120084）

喻 鹏（1987—），男，安徽安庆人，博士研究生（groundwatermodel@163.com），主要从事地下水渗流及其数值模拟相关的研究.

马 腾（1972—），男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士生导师（mateng45@sina.com），主要从事地下水污染与防治研究.