江西抚州烟区土壤重金属风险评估与外源分析

万应发，冯小虎，刘海伟，石 屹，赵 涛，熊孝年，张勇江，张文梅，谭洪来，杨启冰

（1.江西省烟草公司抚州市公司，江西 抚州 344000；2.农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

江西抚州烟区土壤重金属风险评估与外源分析

万应发1，冯小虎1，刘海伟2*，石 屹2，赵 涛1，熊孝年1，张勇江1，张文梅1，谭洪来1，杨启冰1

（1.江西省烟草公司抚州市公司，江西 抚州 344000；2.农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

为定量评价抚州烟区土壤重金属污染风险和外源因素，采用野外采样和室内检测，对土壤、肥料和灌溉水重金属状况进行了分析。结果表明，抚州植烟土壤重金属污染总体风险较低；烟用肥料和灌溉水重金属均低于相关限量标准，但复合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有机肥中的Cd和Hg占土壤外源重金属总量的比例均超过17%，是抚州烟草生产中需主要关注和控制的重金属元素，其中有机肥是控制的重点；烟草生产季Cd外源总量占对应耕层土壤Cd含量的比例高于As、Cr、Hg和Pb，达到0.81%。所以Cd是抚州烟区土壤重金属控制的重中之重，外源控制以肥料为主。

植烟土壤；肥料；灌溉水；重金属；抚州

当前重金属污染已经成为阻碍农业生产发展最突出的问题之一，高毒性、持久性、生物富集性是重金属污染对环境造成危害的主要原因。土壤重金属来源包括自然因素和人为因素。重金属作为土壤矿物成分，成土母质和成土过程对其含量的影响较大，土壤元素背景值能较好反映这种自然因素的影响。而工农业生产等则是土壤重金属的人为外源因素，主要有灌溉、施肥和应用农药等直接人为活动和深受人为活动间接影响的大气沉降等［1］。烟草是我国种植面积最广的经济作物之一，摸清烟区重金属的外源情况及各源头所占比重，对于采取适当措施控制，从而进一步降低农作物重金属含量具有积极意义，但目前对我国烟区重金属外源方面的分析研究较少［2-3］。因此，本研究在2012—2013年调查采集了江西省抚州市植烟土壤、烟用肥料和烟田灌溉水体样品，检测了其中砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）和铅（Pb）的含量，评估土壤重金属污染风险，并计算分析不同重金属外源因素所占比重，对当地烟田土壤重金属控制具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 调查范围

抚州市（115°35′～117°18′E，26°29′～28°30′N），位于江西省东部，总面积1.88×104 km2，实有耕地面积2.64×105 hm2。境内东、南、西三面环山，中部丘陵与河谷盆地相间，地势南高北低，渐次向鄱阳湖平原地区倾斜。地貌以丘陵为主，占总面积的50%；山地次之，占30%；岗地和河谷平原占10%。土壤类型主要有红壤、水稻土、紫色土、黄壤和粗骨土等，其中红壤和水稻土分别约占76%和18%。气候属南方湿润多雨季风气候区，全市年平均气温16.9～18.2℃，年平均降水量1600～1900 mm，年平均日照为1582～1928 h［4］。按照中国烟草种植区划，抚州烟区分属于皖南赣北丘陵烤烟适宜区［5］。此次调查范围包括抚州市主要6个植烟县：黎川、资溪、宜黄、广昌、乐安和崇仁。

1.2 调查方法

1.2.1 土壤样品 土壤样品采集采用典型烟田采样法［2］。典型烟田的确定采用“以烟定田”的思路：①首先依据抚州市土壤普查资料，按地形地貌、成土母质、土壤条件的空间差异，结合烟叶公司的种植区划，以乡镇为单元，确定最能反映当地烟叶香型风格的典型植烟片区；②在每个植烟片区，依据烟站技术人员和烟农的经验，加上野外农艺性状调查，确定烟叶长势和烟叶质量均具有代表性的田块，同时参考各县烟草种植面积和烟叶产量的空间分布情况，最终在市境内6个县共确定了73个典型采样点，其中黎川、资溪、宜黄、广昌、乐安和崇仁样点数分别为15、18、12、10、9和9个。同一田块耕作层（0～20 cm）随机多点采样，组成混合农化土样，经分拣杂物、自然风干、研磨后过100目筛备用。

1.2.2 肥料样品 抚州烟区一般施肥量为9 kg/667 m2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1～1.2∶2.5～3。肥料样品采集方法参照国家推荐标准GB/T 6679—2003 固体化工产品采样通则，同一厂家同一肥料品种不重复。合计采集烟用肥料15个样品，肥料生产厂家分别来自江西、湖北、广东、四川、福建等地，其中烟草专用复合肥、钙镁磷肥、硫酸钾、硝酸钾和有机肥各3个，各肥料一般施用量分别为70、25、15、7.5和50 kg/667 m2。

1.2.3 灌溉水样品 灌溉水采样方法参照农业行业推荐标准NY/T 396—2000 农用水源环境质量监测技术规范。共采集灌溉水样品30个。抚州烟田灌溉水量平均为10 t/667 m2。

1.3 检测方法

土壤样品称量0.1 g左右（精确到0.0001 g），加入5 mL浓HNO3、2 mL H2O2和2 mL HF，微波法消解。肥料样品称量0.2 g左右（精确到0.0001 g），加入5 mL浓HNO3、2 mL H2O2，微波法消解。消解液经稀释后使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，型号X Series 2，美国Thermo公司）测定As、Cd、Cr、Hg和Pb。灌溉水样品2000 rpm离心5 min后上清液直接检测。HNO3为电子纯，H2O2和HF为优级纯。

1.4 数据分析

采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数相结合评价土壤重金属的污染状况。单因子指数用于对单一重金属的污染程度进行评价，其计算公式为：

式中，Pi为重金属i的单项污染指数；Ci为重金属i的测定值；Si为重金属i的评价标准，本研究采用农业行业推荐标准NY/T 852—2004 烟草产地环境技术条件标准。根据单因子指数值判断某种重金属的污染程度，指数值越大，污染也越严重。

内梅罗综合污染指数是在单项污染指数法评价的基础上，采用各个单元素污染指数平均值和最大值通过计算后的综合指数进行评价，其计算公式为：

式中，Pmax为所有单项污染指数的最大值；¯P为所有单项污染指数的平均值，P为综合污染指数，数值越大，表示污染越严重。

根据环境行业推荐标准HJ/T 166—2004 土壤环境监测技术规范，划定污染指数的如下分级标准：当P≤0.7时，污染程度为Ⅰ级，处于清洁水平（安全）；当0.7＜P≤1.0时，污染程度为Ⅱ级，尚清洁（警戒线）；当1.0＜P≤2.0时，污染程度为Ⅲ级，轻度污染；当2.0＜P≤3.0时，污染程度为Ⅳ级，中度污染；当P＞3.0时，污染程度为Ⅴ级，重度污染。

应用IBM SPSS 19.0进行数据分析，方差分析采用Ducan法（p＜0.05），应用Microsoft Excel 2010绘图。

2 结 果

2.1 土壤重金属含量状况

抚州市植烟土壤重金属含量见表1。对比农业行业标准NY/T 852—2004 烟草产地环境技术条件，仅Cd和Hg各有2个样品超标，超标率为2.7%；其他3种重金属的含量分别为其限量标准的As 0.08%～31.23%，Cr 2.75%～33.26%，Pb 3.55%～30.87%。5种重金属的变异系数说明土壤As和Hg的含量波动范围稍大于Cd、Cr和Pb。抚州市烟田土壤Cd和Hg是需注意控制的元素。

表1 抚州植烟土壤重金属含量Table 1 Contents of heavy metals in tobacco-growing soils of Fuzhou

2.2 土壤重金属地区间差异

植烟土壤采集于抚州市辖下6个县，各县土壤重金属含量对比见图1。广昌植烟土壤的As含量显著高于黎川、资溪和宜黄；广昌的Cr仅与乐安差异不显著，而显著高于其他4县区；黎川与宜黄的Cr也仅与崇仁差异不显著，而显著低于其他3县区；Pb含量分成两组，黎川、资溪、崇仁与宜黄、广昌、乐安，同组之间差异不显著，前组显著高于后组；黎川和广昌的Cd显著高于资溪、宜黄和乐安，资溪的Cd也显著低于崇仁；黎川的Hg显著高于其他5县，资溪的Hg显著低于黎川、崇仁、宜黄和广昌。所以，各地需要重点关注的重金属元素不同，如广昌的As、Cd和Cr，黎川的Cd、Hg和Pb，崇仁的Pb等。

2.3 土壤重金属污染风险评估

通过计算土壤样点5种重金属的单因子污染指数和综合污染指数，对抚州烟区土壤重金属按污染程度进行分类，评估重金属污染的风险程度（表2）。单因子污染指数表明，抚州烟区土壤As、Cr和Pb均处于清洁水平，Cd和Hg样点97%以上处于清洁和尚清洁水平，仅少量样品处于污染水平。综合污染指数也表明，抚州烟区土壤90%以上处于清洁水平，仅2.7%处于污染水平，说明抚州烟区土壤重金属风险较低，也同样表明Cd和Hg是重点关注和控制的重金属元素。

2.4 肥料重金属状况

图1 抚州各县区土壤重金属含量比较Fig.1 Average contents of heavy metals in tobacco-planted soils in different counties of Fuzhou

表2 基于污染指数的抚州植烟土壤重金属风险评估 %Table 2 Risk assessment of heavy metals in tobaccogrowing soils of Fuzhou with pollution indices

抚州市烟用肥料重金属含量见表3。对比国家标准GB/T23349—2009 肥料中砷、镉、铅、铬、汞生态指标，肥料中5种重金属均不超标，As含量最大值为其限量标准的8.21%，Cd 22.19%，Cr 15.20%，Hg 32.43%，Pb 8.99%。所以，抚州烟用肥料重金属风险较低。

表4对比了5种不同类型肥料中重金属含量的差异，发现肥料中的Cd和Pb没有显著性差异，专用复合肥中的As、有机肥中的Hg和磷肥中的Cr分别显著高于其他肥料，是需要重点关注的元素。

2.5 灌溉水重金属状况

抚州市烟田灌溉水中重金属含量见表5。同样对比农业行业标准NY/T 852—2004 烟草产地环境技术条件，灌溉水中As含量最大值为其限量标准的23.16%，Cd 1.23%，Cr 3.77%，Hg 70.73%，Pb 1.31%。其中Cd和Hg变异系数小于As、Cr和Pb。所以，抚州烟田灌溉水中重金属风险也较低。

2.6 土壤重金属外源分析

抚州烟草生产季植烟土壤重金属外源进入总量和各外源比例见表6和图2，其中烟草耕层土壤以150 t/667m2计算，肥料与灌溉水进入量按单位面积烟草生产季肥料施用量和灌溉量进行计算（施肥量和灌溉量见2.2），农田大气重金属沉降数据来自文献并以半年进入量计算［6］。由总量计算可知，每个烟草生产季As、Cr、Hg和Pb外源总量分别占对应耕层土壤重金属含量的比例均小于0.5%，而Cd的比例达到0.81%，所以Cd是抚州烟区土壤重金属控制的重点。从各外源比重分析，重金属外源以大气沉降为最多，包括粉尘烟气的干沉降和降水的湿沉降，占As、Cr和Pb外源总量的68%以上，其中Pb已达到90.8%。调查中的灌溉水带入的重金属均占外源总量的2%以下，只要控制水源的污染，灌溉水的影响可以忽略不计。肥料是植烟土壤外源重金属的另一重要因素，其中复合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有机肥中的Cd和Hg均超过外源总量的17%，复合肥中的Cd、有机肥中的As、Cr和Pb也均超过了外源总量5%，均是此后烟田重金属外源控制的重点。

表3 抚州烟用肥料重金属含量Table 3 Contents of heavy metals in tobacco fertilizers ofFuzhou

表4 抚州不同种类烟用肥料重金属含量比较Table 4 Average contents of heavy metals in different tobacco fertilizers of Fuzhou

表5 抚州烟田灌溉水重金属含量Table 5 Contents of heavy metals in tobacco irrigation water of Fuzhou

表6 抚州烟田耕层土壤烟草生产季重金属外源总量及其所占比例Table 6 Input of heavy metals into the soil in the tobaccoplanting season of Fuzhou

3 讨 论

图2 抚州烟草生长季植烟土壤重金属外源进入状况Fig. 2 Proportion of heavy metal input into soil in the tobacco-planting season of Fuzhou

土壤母质和成土过程是土壤重金属的主要内源因素。江西矿产丰富，仅抚州市地下就有铜、铀、瓷土、金、钨、煤、稀土、萤石、石墨等20多种，已探明储量的矿床230处［4］，而重金属易跟矿产伴生。江西省As、Cd、Cr、Hg和Pb的土壤背景值分别为14.90、0.11、45.90、0.08和32.30 mg/kg，其中As、Cd、Hg、Pb高于全国平均水平［7］，存在潜在的环境风险。魏益华等［8］报道抚州部分烟区土壤中Cd和Hg含量超过了相应标准值，Cd和Hg为主要风险因子，这与本文的分析相一致。因此抚州植烟土壤重金属有潜在的环境风险，需要控制重金属的外源进入，特别是Cd和Hg。土壤重金属来源主要为肥料、农药残留、大气、降水和灌溉。农药的使用会加重As、Pb等重金属污染，但目前含重金属类农药在烟草生产中已被限制使用，因此本研究并未将农药施用对植烟土壤和烟叶重金属的外源影响考虑在内。近年来大气沉降对土壤、植物中重金属积累的影响已受到人们的关注，已有研究证实大气沉降对植物中重金属积累的影响包括间接或直接的影响，即通过污染土壤影响土壤上生长植物的重金属积累和通过植物地上部分吸收进入植物体［9］。本研究中大气沉降重金属数据采用文献中我国农田多年沉降的平均值，虽然地域之间由于工农业布局等因素或略有差异，但确定的是大气沉降已成为土壤或环境中重金属主要来源之一。除污水灌溉以外，普通农田灌溉水，如河水、湖水、水库水、地下水等中重金属含量一般均低于限量标准，由于灌溉仅是对自然降水的补充，所以本文也证明灌溉水中重金属仅占外源总量的较小部分，定期监测即可，不必采取控制措施。肥料是土壤外源重金属的另一重要因素，虽然一般农家肥重金属的含量较低，但许多集中式大规模畜禽养殖场由于使用的饲料等中存在重金属，产出的粪肥重金属甚至超标［10］，磷肥也含有不可忽视的重金属［11］。肥料中重金属也是土壤各种外源途径中较为可控的因素。通过重金属不同外源进入量比例的计算发现，复合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有机肥中的Cd和Hg均是抚州烟草生产中需主要关注和控制的重金属元素，其中有机肥是控制的重点。

4 结 论

（1）抚州植烟土壤重金属污染总体风险较低，As、Cr和Pb处于清洁水平，Cd和Hg是主要风险因子。（2）烟用肥料重金属均低于国家限量标准，但复合肥中的As和Cr、磷肥中的Cr、有机肥中的Cd和Hg占有土壤外源重金属总量较高的比例，是抚州烟草生产中需主要关注和控制的重金属元素，其中有机肥是控制的重点。（3）灌溉水中的重金属含量均远低于行业标准，其占外源总量的比例也较小，不是控制的重点。（4）烟草生产季Cd外源总量占对应耕层土壤Cd含量的比例高于As、Cr、Hg和Pb，所以Cd是抚州烟区土壤重金属控制的重中之重。

［1］ 刘海伟，石屹，梁洪波. 烟草和卷烟中重金属迁移分配的研究进展［J］. 中国农业导报，2013，15（2）：153-158.

［2］ 武小净，李德成，庄云，等. 山东省典型烟区烟叶重金属的外源调查［J］. 土壤，2013，45（3）：513-516.［3］ 武小净，李德成，胡锋，等. 福建典型烟区土壤、灌溉水和肥料中重金属含量调查［J］. 土壤，2013，45（2）：246-249.

［4］ 抚州市地方志办公室. 自然环境［EB/OL］. 2013. http∶//www.jxfz.gov.cn/ljfz/sqgl/201304/t20130412_19 19072.htm.

［5］ 王彦亭，谢剑平，李志宏. 中国烟草种植区划［M］. 北京：科学出版社，2010.

［6］ Luo Lei， Ma Yibing， Zhang Shuzhen， et al. An inventory of trace element inputs to agricultural soils in China ［J］. Journal of Environmental Management， 2009， 90∶ 2524-2530.

［7］ 中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值［M］. 北京：中国环境科学出版社，1990.

［8］ 魏益华，陈云霞，周瑶敏，等. 江西抚州烟区土壤及烟叶重金属污染状况评价［J］. 中国烟草科学，2014，5（1）：19-25.

［9］ 王阳，李宝刚，章明奎. 大气沉降对茶叶重金属积累的影响［J］. 科技导报，2011，29（21）：55-59.

［10］ 刘荣乐，李书田，王秀斌，等. 我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况与分析［J］. 农业环境科学学报，2005，24（2）：392-397.

［11］ 马榕. 重视磷肥中重金属镉的危害［J］. 磷肥与复肥，2002，17（6）：5-6.

Risk Assessment and Input Source Analysis of Heavy Metals in the Soil of Tobacco-planting Regions of Fuzhou， Jiangxi Province

WAN Yingfa1， FENG Xiaohu1， LIU Haiwei2*， SHI Yi2， ZHAO Tao1， XIONG Xiaonian1，ZHANG Yongjiang1， ZHANG Wenmei1， TAN Honglai1， YANG Qibing1
（1. Fuzhou Branch of Jiangxi Tobacco Company， Fuzhou 344000， China； 2. Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing，Ministry of Agriculture， Tobacco Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266101， China）

The samples of soil， fertilizer and irrigation water were collected in tobacco field in Fuzhou， Jiangxi Province， and the contents of As， Cd， Cr， Hg and Pb in these samples were determined in laboratory. The input sources of heavy metals in the soil were also calculated and analyzed. The results showed that heavy metal contents in the fertilizers and irrigation water were both below the limit standards. The contents of As and Cr in compound fertilizers， Cr in phosphate fertilizers， Cd and Hg in organic fertilizers made up more than 17% of total input sources of the according heavy metals in the soil. These metals in those fertilizers are therefore the key of source control， especially in organic fertilizers. The Cd inputted into soil in the tobacco-planting season was 0.81% of total Cd in topsoil， which was higher than those of As， Cr， Hg and Pb. Therefore， Cd should be given primary importance among priorities in controlling of heavy metals in tobacco-planted soils of Fuzhou.

tobacco planted soil； fertilizer； irrigation water； heavy metal； Fuzhou

S572.06

1007-5119（2015）06-0043-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2015.06.008

中国烟草总公司江西省公司科学研究与技术开发计划项目（201101005）；国家烟草专卖局特色优质烟叶开发重大专项“低危害烟叶开发”（TS-06-20110037）

万应发（1966-），男，农艺师，主要从事烟叶质量管理及土壤修复方面工作。E-mail：854776061@qq.com。*通信作者，E-mail：

heaveyliu@163.com

2015-04-16

2015-09-06