张掖绿洲农田土壤重金属污染潜在风险评价

杨仲玮，朱晓霞，尤全刚

(1.张掖市环境监测站，甘肃 张掖　734000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州　730000)

张掖绿洲农田土壤重金属污染潜在风险评价

杨仲玮1，朱晓霞1，尤全刚2

(1.张掖市环境监测站，甘肃 张掖734000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州730000)

摘要：以张掖市境内典型绿洲农业区内的部分农田为研究对象，分析了土壤中Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Ni和Cr 8种重金属元素的含量特征，并采用地质累积指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属污染状况和潜在生态风险进行了评价.结果显示，研究区域农田土壤中8种重金属元素的平均含量均低于我国土壤环境质量标准二级标准.地质累积指数法评价结果表明，该区域内Cd的地质累积指数在0～1之间，属于无污染-中度污染，其余7种元素地质累积指数均小于0，污染程度为无污染.潜在生态风险指数法的评价结果表明，研究区域的农田土壤重金属污染的潜在生态风险为轻度生态风险，但是Cd元素的生态风险系数达到中度生态风险，应该引起充分关注.

关键词：农田土壤；重金属；生态风险评价；张掖绿洲

第一作者：杨仲玮(1984- )，男，工程师，硕士，主要研究方向为环境监测与环境质量综合评价．E-mail：yangzw1115@126.com

Evaluation on potential risks of heavy metal pollution

in farmland soil in Zhangye Oasis

YANG Zhong-wei1，ZHU Xiao-xia1，YOU Quan-gang2

(1.Zhangye Environmental Monitoring Station,Zhangye 734000,China;2.Cold and Arid Regions Environmental

and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

Abstract：Taking farmland soil in typical oasis agricultural area in Zhangye City as the research object,this paper used geo-accumulation index and potential ecological risk index to analyze the content characteristics of eight heavy metal elements,Cr,Ni,Pb,As,Hg,Cd,Cu and Zn,in farmland soil,and evaluate their pollution in soil and potential ecological risks.Monitoring results showed that average contents of the eight heavy metal elements in soil of the study area were all lower than that in the secondary standard in China soil environmental quality standard.Evaluation results based on the geo-accumulation index indicated that geo-accumulation index of Cd in the study area was ranging from 0 to 1,namely non-pollution to medium pollution,and those of other elements were all below 0,namely no pollution at all.Evaluation results based on the potential ecological risk index indicated that soil heavy metal pollution could cause slight ecological risks in the study area,but ecological risk coefficient of Cd reached the medium degree,to which adequate attention should be paid.

Key words：farmland soil;heavy metals;ecological risk assessment；Zhangye Oasis

随着我国农业和农村经济的快速发展，农村土壤环境问题也变得日益突出，耕地土壤正在承受越来越多的污染，致使各地的农产品质量安全事件屡现[1-3].环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，我国耕地土壤环境质量堪忧，耕地土壤点位污染物超标率达到19.4%[4].据有关方面调查，虽然我国2013年的粮食总产达60 193.5万t，同比增长2.1%，已连续10 a取得丰收，但是农药高残留、重金属超标等问题频频出现，农村土壤污染问题已然成为影响人类身体健康和农产品质量安全的重要因素[5-10].因此摸清农村土壤重金属污染状况，加强土壤污染防治是构建生态安全体系，实现农产品质量安全的重要保障，对农业现代化建设具有重要的现实意义[11].

1材料与方法

1.1研究区概况

张掖市是一个典型的农业城市，位于甘肃省西部，河西走廊中段，处于我国西北地区第2大内陆河黑河流域中游地区，是我国重要的商品粮、蔬菜和制种基地，同时也是西北地区的天然生态屏障.张掖市农业自然条件良好，农业基础设施齐备，具有我国北方农业生产的典型特征.凭借得天独厚的生态资源和农业优势，张掖市近年来先后被列入西部生态文明示范区、第一批国家现代农业示范区和高效设施农业建设区，以及全省唯一的国家现代农业示范区.本研究所选择的西街村等区域，均处于河西走廊平原区，属温带大陆性气候，境内地势平坦、土地肥沃、水源丰富、日照充足、气候温和，农业自然条件优越，是典型的半干旱绿洲农业区和大型灌溉农业区.

1.2样品采集与分析方法

在研究区内选取9个自然村，采样区域位置见图1.按照《农田土壤环境质量监测技术规范》的相关要求随机选择75个样点进行采样，采用对角线布点法采集0～20 cm的表层土壤，去除土壤中的砾石和根系等杂物后，混合均匀，采用四分法取1 kg装入样品袋，带回实验室进行分析.

土壤样品自然风干后碾碎，先过20目尼龙筛，再过100目尼龙筛，经王水(1+1)消解后测定Hg、As元素含量；经HCl-HNO3-HClO4-HF消解后测定土壤Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni含量.Cu、Zn、Cr、Ni元素的含量用火焰原子吸收分光光度法测定，Pb、Cd元素的含量用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg、As元素的含量用原子荧光法测定.

图1　采样点位置分布图

1.3土壤污染评价方法

在土壤环境质量评价中，常采用地质累积指数法对区域土壤重金属污染程度进行评价.该指数不仅能够反映土壤中元素分布的自然变化特征，还可以判别人类活动对土壤的影响[12-15].该方法的计算公式为：

式中：Igeo为地质累积指数；Ci为元素i在土壤中的实测含量值，mg/kg；BEi为土壤中的地球化学背景值，mg/kg；1.5为修正指数，是考虑到由于成岩作用可能会引起背景值的变动，通常用来表征沉积特征、岩石地质等其他影响.

按受污染程度强弱，地质累积指数法可分为7个级别，0～6级表示污染程度由无污染到极强污染.

表1　地质累积指数与污染程度分级

1.4土壤重金属潜在生态风险评价方法

采用潜在生态风险指数法评价土壤重金属污染的潜在生态风险，潜在生态风险指数法是国际上对土壤、沉积物重金属研究方法之一[16-20]，该方法不仅将土壤重金属的含量考虑在内，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，定量地划分出重金属的潜在风险程度，其公式为：

重金属单因子生态风险系数和总的潜在生态风险指数分级标准见表2[22].

2结果与讨论

2.1农田土壤重金属的含量特征

研究区域农田土壤重金属含量的分析结果见表

3，其土壤中Cr、Ni、Pb、As、Hg、Cd、Cu和Zn经单样本的正态分布检验发现，8种重金属元素的含量均符合正态分布，因此用算术平均值来描述8种重金属含量的大小.

表3　农田土壤重金属含量统计值

*:pH>7.5

由表3可知，评价区域的农田土壤Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cr的平均含量低于我国《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)一级标准，而Cd和Ni的平均含量略高于一级标准，但低于二级标准.8种重金属元素的变异系数由大到小的顺序是Hg>Cd>As>Cu>Zn>Ni>Pb>Cr，但都在很小的范围内变化，这就表明评价区域的农田土壤重金属污染受外界影响比较一致，反映出几种元素在该区域的来源可能具有同源性.

2.2农田土壤重金属污染评价

评价区域内农田土壤环境重金属含量及地质累积指数公式计算出来的地质累积指数(Igeo)和分级结果见表4.

评价区域内农田土壤Hg的地质累积指数变化范围为-1.818～-1.610，污染级别为0级.As的地质累积指数变化范围为-1.178～-0.776，污染级别为0级.Cu的地质累积指数为-0.501～-0.183，污染级别为0级.Pb的地质累积指数为-0.428～-0.305，污染级别为0级.Zn的地质累积指数为-1.109～-0.966，污染级别为0级.Cd的地质累积指数为0.243～0.531，污染级别为1级，即为无污染-中度污染.Ni的地质累积指数为-0.682～-0.562，污染级别以0级.Cr的地质累积指数为-0.552～-0.465，污染级别以0级.

表4　评价区域农田土壤重金属地质累积指数分级结果

8种重金属元素中，除Cd的地质累积指数在0～1之间，属于无污染-中度污染，其余Hg、As等元素地质累积指数均小于0，污染程度为无污染.但是与张掖地区土壤背景值相比，研究区域的农田土壤中Cu、Pb、Cd、Cr 4种重金属元素的含量均超过背景值，其平均值分别超过背景值1.16倍、1.17倍、2.02倍和1.05倍，说明农田土壤中重金属有一定的累积趋势.

2.3农田土壤重金属潜在生态风险评价

根据Hakanson的潜在生态风险指数法计算出研究区域的农田土壤重金属生态风险系数和生态风险指数，结果见表5.

表5　评价区域农田土壤重金属的潜在生态风险指数

从表5可以看出，以张掖土壤背景值作为参比，评价区域内各采样点农田土壤8种重金属的单项潜在生态风险系数范围分别为：Cr 2.05～2.17，Ni 4.73～5.07，Pb 5.58～6.07，As 6.63～8.76，Hg 17.02～19.66，Cd 53.25～65.00，Cu 5.30～6.61，Zn 0.70～0.77.由8种重金属的潜在生态风险系数的均值来看，其潜在生态危害趋势依次为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，其中Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As、Hg 7种元素的潜在生态风险系数在所有样点都小于40，均属于轻微生态风险，Cd元素的潜在生态风险系数为60.75，介于40与80之间，达到中等生态风险.各样点的生态风险指数RI均小于150，属于轻微生态风险.因此，评价区域内的农田土壤重金属呈现轻微生态风险，以Cd的生态风险为主，需要引起重视.

3结论

1)评价区域内农田土壤中Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cr的平均含量低于我国土壤环境质量标准(GB156181995)一级标准，而Cd和Ni的平均含量略高于一级标准，但低于二级标准.

2)用地质累积指数法评价表明：8种重金属元素中，除Cd的地质累积指数在0～1之间，属于无污染-中度污染，其余Hg、As等元素地质累积指数均小于0，污染程度为无污染.但是与背景值相比，研究区域的农田土壤中Cu、Pb、Cd、Cr 4种重金属元素的含量均超过背景值，其平均值分别超过背景值1.16倍、1.17倍、2.02倍和1.05倍，说明土壤中重金属有一定的累积趋势.

3)研究区域内各样点的潜在生态风险指数RI均小于150，属于轻微生态风险.但是由单一重金属潜在生态风险系数Er来看，Cd元素的潜在生态风险系数达到60.75，达到中等生态风险，应该引起充分关注.

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(责任编辑胡文忠)

收稿日期：2014-07-12；修回日期：2014-11-05

基金项目：甘肃省科技计划资助项目(1304FKCG075).

中图分类号：X 53

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)03-0138-05