河南粮食主产区土壤重金属潜在生态风险评价

史聆聆　李小敏　马建锋　李　萌

(中国环境科学研究院，北京　100012)

河南粮食主产区土壤重金属潜在生态风险评价

史聆聆李小敏马建锋李萌

(中国环境科学研究院，北京100012)

【摘要】为掌握河南省粮食主产区土壤重金属污染状况，对周口市太康县、商丘永城市、南阳唐河县96个农田土壤重金属采样监测数据，采用单因子指数、内梅罗综合评价和潜在生态风险评价3种方法进行评价。结果表明：①三地土壤中Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni8项指标均达到《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准，单因子污染指数Ni最高(均值最大为0.61)、Pb最低(均值最大为0.10)；②内梅罗污染指数最大值为0.64，土壤清洁，处于安全水平；③考虑各指标的毒性不同，8项指标的单项潜在生态风险指数Cd最大(均值最大为10)、Pb和Zn较小(Pb均值最大为0.5、Zn均值最大为0.3)，单项指标和综合评价均处于低风险等级；④3种评价方法的评价结果基本一致，河南省粮食主产区农田总体质量较好。

【关键词】粮食主产区；土壤；重金属；潜在生态风险评价

中图分类号：X825

文献标识码：码：A

文章编号：号：1673-288X(2015)05-0149-05

Abstract：In order to master the pollution of heavy metals in the main grain producing areas of Henan Province，three methods(single factor index，Nemero combined evaluation，and the potential ecological risk assessment) were used to evaluate the farmland soil heavy metals including Cd，Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn，Ni pollution condition in Zhoukou city Taikang county，Shangqiu city Yongcheng county and Nanyang city Tanghe county. The results showed：1)Soil heavy metals in three places achieved the second classof GB15618—1996 Environment Quality Standard for Soils，and the single factor pollution index of metal Ni was the highest(the maximum average value was 0.61) and Pb was the lowest(the maximum average value was 0.10) in three places. 2)The maximum of Nemero pollution index was 0.64，the soil were all clean，safe. 3) Considering different heavy metal toxicity，the maximum of potential ecological risk index was Cd(10)，the lowest was Pb(0.5) and Zn(0.3)，the single index and comprehensive assessment were in low risk level. 4) The quality of Henan farmland soil was all right，there had no difference among three methods of evaluation basically.

Keywords：main grain producing areas；soil；heavy metal；potential ecological risk assessment

作者简介：包丽艳，研究员，吉林省环科院环境规划所所长，研究方向为环境规划与科研

近年来，农田土壤重金属污染严重威胁农产品的产地环境，成为影响食品质量安全与农业生态环境的突出问题[1-5]，从2009年至今已有多起重大、特大重金属污染事件，这些事件涉及甘肃、陕西、安徽、河南、湖南、福建、广东等省。2013年环保部的调查显示，华南地区部分城市有50%的耕地土壤遭受镉、砷、汞等有毒重金属和石油类有机物污染；长江三角洲地区有的城市连片的农田受多种重金属污染，致使10%的土壤基本丧失生产力。据测算，当前每年受重金属污染的粮是高达1200万吨，相当于4000万人一年的口粮[6]。土壤重金属污染得到了政府部门和相关学者的重视，国家先后发布了污染场地调查、环境监测、风险评估、土壤修复等技术导则，学者大多利用各种方法对重污染企业重金属污染开展研究。

目前对重金属的评价，国内外学者从不同角度提出了许多评价方法，德国、英国、美国、瑞典等国的科学家从沉积学角度提出了多种重金属的污染评价方法[7-10]，如内梅罗指数法，综合评价模型如模糊综合评价法、层次分析法等，基于统计理论的克里金插值方法、基于土壤景观模型的方法等[11-17]。瑞典著名地球化学家Hakanson(1980)提出了潜在生态指数法，该方法结合了环境化学、生物毒理学方面内容，以定量的方法计算重金属潜在危害指数并划分危害等级，是目前此类研究中应用较为广泛的一种评价方法[18-22]。高鹏等[23-30]在研究土壤重金属污染评价中，也使用了潜在生态风险评价法，但在众多环境污染评价中，往往是针对单个农田、菜地、城市、重污染企业、道路周边的土壤进行评价，缺少对粮食主产区大范围污染状况的评价。河南是我国传统意义上的粮食主产区，主要提供小麦、水稻、棉花等农产品，其中小麦产量约占全国1/4左右，在我国中部地区具有一定的代表性。笔者以河南省商丘市、周口市和南阳市粮食主产区土壤重金属污染数据为基础，分别利用单因子评价指数、内梅罗综合评价指数和潜在生态风险指数法进行对比分析，并评估其潜在生态风险，对于粮食主产区土壤重金属的污染治理、作物种植的重金属污染规避、保障国家粮食安全等具有重要的指导价值。

1材料与方法

1.1　样品采集与处理

样品采集区域分别为河南省商丘市永城市、周口市太康县、南阳市唐河县的耕地，布点网格约为1km×1km，使用GPS卫星定位仪进行定位布点。共采得96个样品，其中永城市苏陈庄36个、太康县东扶村35个、唐河县咎岗乡25个，采样点附近均无工矿企业。

采样深度20cm，具体到每个点，一般划定1m×1m的网格范围，在其四周4个点和中心点分别取样，组成一个约1kg干重的土壤混合样品，然后用无菌的聚乙烯袋将采集的样品装好，并贴上标注有采样序号和日期的标签，运回实验室经风干、粗磨、细磨、过100目筛制备后分析测试。其中，风干是在风干室将土样放置于风干盘中，摊成2～3cm的薄层，适时压碎、翻动，拣出碎石、沙砾、植物残体等。粗磨是在磨样室将风干的样品倒在有机玻璃板上，用木锤敲打，用木滚、木棒、有机玻璃棒再次压碎，拣出杂质，混匀，并用四分法取压碎样，过孔径0.25mm(20目)尼龙筛。过筛后的样品全部置无色聚乙烯薄膜上，并充分搅拌混匀。细磨是研磨到全部过孔径0.15mm(100 目)筛。

1.2　分析方法

待测8种重金属为：Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni。其中，w(Cd)、w(Pb)采用GB/T 17141—1997《石墨炉原子吸收分光光度法》测定；w(Hg)采用GB/T22105.1—2008《原子荧光法》测定；w(As)采用GB/T22105.12—2008《原子荧光法》测定；w(Cu)、w(Zn)采用GB/T17138—1997《火焰原子吸收分光光度法》测定；w(Cr)采用HJ491—2009《火焰原子吸收分光光度法》测定；w(Ni)采用GB/T17139—1997《火焰原子吸收分光光度法》测定。

1.3　评价标准

环保部目前正在制订《农用地土壤环境质量标准》，并于2015年1月开始征求意见，但目前正式稿尚未发布，本文仍按原《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中旱地、二级标准进行评价。

2评价方法

2.1　单因子评价指数Pi

Pi=Ci/Si

式中，Pi为各种重金属的单因子指数，Si为《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中各种金属的评价标准值。

2.2　内梅罗综合评价指数

式中：PN为内梅罗综合评价指数，Pi平均为各种重金属单项污染指数的平均值，Pi最大为各种重金属单项污染指数的最大值。

内梅罗综合污染指数反应了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响。内梅罗综合污染指数土壤污染评价标准见表1所示。

表1　土壤内梅罗综合污染指数评价标准

2.3　潜在生态风险指数

该法主要衡量土壤中重金属对环境存在的生态风险。Hacanson[31]认为土壤中重金属对环境存在潜在的生态风险可用如下公式表示：

表2　土壤潜在生态风险分级

3结果与讨论

3.1　结果

3.1.1单因子污染指数评价

河南粮食主产区土壤中各重金属元素的单因子污染物指数计算结果见表3。

由监测结果可知，太康县东扶村境内耕地土壤重金属污染单因子指数范围为0.03～0.54，各重金属平均值污染指数范围为0.05～0.42，重金属污染单因子指数由高到低依次排序为：Ni>As>Zn>Cr>Cd>Cu>Pb>Hg。唐河县咎岗乡附近土壤重金属污染单因子指数范围为0.08～0.85，各重金属平均值污染指数范围为0.10～0.61，重金属污染单因子指数由高到低依次排序为：Ni>Cr>Cu>Cd>Zn>As>Hg>Pb。永城市苏陈庄附近土壤重金属污染单因子指数范围为0.02～0.57，各重金属平均值污染指数范围为0.03～0.40，重金属污染单因子指数由高到低依次排序为：Ni>As>Cr>Cd>Cu>Zn>Pb>Hg。综上，金属Ni的单因子污染指数在三地均为最高，As、Cr次之，Pb和Hg均为最低，但是所有重金属浓度均不超二级标准。

表3　土壤重金属单因子污染指数

3.1.2内梅罗综合污染指数评价

河南粮食主产区土壤中各重金属元素的单因子污染物指数计算结果见表4。

表4　土壤重金属内梅罗综合污染指数

由表4可以看出，所有监测点位的内梅罗综合污染指数最大值为0.64，最大值和平均值均小于0.70，说明该地的土壤较清洁，重金属污染属于安全水平。

3.1.3土壤潜在生态风险评价

河南粮食主产区土壤中各重金属元素的潜在生态风险指数计算结果见表5。

由表5可知，太康县东扶村境内耕地土壤8种重金属的单项潜在生态风险系数均在9.5以下，处于低风险等级；总体潜在生态风险指数为16，土壤总体也处于低风险等级。各重金属元素对土壤潜在生态风险贡献大小顺序为：Cd>As>Ni>Hg>Cu>Cr>Pb=Zn。唐河县咎岗乡附近土壤8种重金属的单项潜在生态风险系数均在16.0以下，处于低风险等级；总体潜在生态风险指数为24，土壤总体也处于低风险等级。各重金属元素对土壤潜在生态风险贡献大小顺序为：Cd>Hg>Ni>Cu>As>Cr>Pb>Zn。永城市苏陈庄附近土壤8种重金属的单项潜在生态风险系数均在12.5以下，处于低风险等级；总体潜在生态风险指数为15，土壤总体也处于低风险等级。各重金属元素对土壤潜在生态风险贡献大小顺序为：Cd>As>Ni>Hg>Cu>Cr>Pb>Zn。综上，三个地方金属Cd的单项潜在生态风险系数均为最大，Pb和Zn的系数最小，但总体为清洁水平，8种重金属的单项潜在生态风险和总体潜在生态风险均为低风险等级。

表5　土壤重金属单项潜在生态风险系数与潜在生态风险指数

3.2　讨论

郑燕平[34]在2003～2006年，对河南省境内的102例农田表层土壤进行取样，分析其中的Cr、Zn、Cu、Pb、Ni、As等8种重金属元素的含量，结果表明当时河南农田土壤中除Cr偶有超出我国GB15618—1995《土壤环境质量标准》二级标准外，其他项目均不超标，重金属污染由高到低排序为Cr>Zn>Ni>Cd>Hg>Cu>Pb>As。此次采样分析数据与郑燕平10年前的监测总体结果基本一致，但重金属污染高低排序有所不同，究其原因，10年前Cr含量较高的土壤主要是粗骨土和石质土天然本底值较高，此次Ni的单因子污染指数较高可能是因为土壤背景值较高所致，Cd的生态风险指数较高是因为潜在生态风险评价考虑了Cd的毒性所致，从侧面反映了该结果的可靠性。

2014年4月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，长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，而这些地区正是我国主要的粮食产区。与这些地区相比，河南粮食主产区的土壤重金属污染情况相对较好。

重金属含量较高主要有几个原因：一是土壤中镉等重金属本底值高，我国有色金属矿产资源丰富，镉等重金属元素的基础含量高。二是我国有色金属传统的开采迄今已有上百年的开采历史，长期的矿山开采、金属冶炼和含重金属的工业废水、废渣排放造成了土壤污染。三是由于气候变化、环境污染导致酸雨增加，土壤酸化，在酸性增强的条件下，土壤中的镉等重金属活性也随之增强，更易被水稻等作物吸收。四是施用含有重金属的化肥、畜禽粪便(饲料中添加重金属)都可能引起土壤重金属含量的增加。王晶[35]等人的研究表明，工况企业和高速公路沿线的耕地土壤重金属明显较高，河南作为产粮大省，本次调查结果虽然未出现重金属超标情况，但仍要注意土壤重金属污染防范。

4结论

(1)对河南粮食主产区商丘市永城市、周口市太康县、南阳市唐河县耕地土壤重金属污染评价结果显示，三地土壤均满足《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准，土壤重金属污染均处于清洁的、安全的、低风险等级。按照单因子污染指数评价，金属Ni的单因子污染指数在三地均为最高，As、Cr次之，Pb和Hg均为最低，Ni的指数高可能是由本底值较高所致；按照潜在生态风险指数评价，Cd的单项潜在生态风险指数均为最大，Pb和Zn的系数最小，Cd的指数偏高主要是因为其毒性较大所致。

(2)3种评价方法在总体结果上基本没有差异，与10年前河南省农田土壤监测结果基本一致。与全国其他粮食主产区相比，土壤重金属污染情况相对较好。但在单个重金属排序上略有不同，这主要是因为潜在生态风险评价考虑了各重金属的毒性差异，使评价结果更为科学。

(3)河南作为全国的粮食主产区，高质量农田耕地是保障粮食生产安全的基础，要全面实施农业化学品施用环境风险管理和土壤重金属污染源头控制，建立起保障耕地质量保护的有效防线。探索制定生态合理的绿色施肥制度，根据作物的容肥规律、土壤供肥性能与肥料效应，合理施用有机肥和无机肥等。

(4)由于本次调查采样时间和点位有限，使评价结果具有一定的局限性，今后可扩大采样范围、增加采样点位、在一段时间内跟踪调查等，持续关注粮食主产区土壤重金属浓度变化，对保障粮食安全具有重要意义。

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The Soil Heavy Metal Potential Ecological Risk Assessment of Main

Grain Producing Areas in Henan Province

SHI LinglingLI XiaominMA JianfengLI Meng

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing，100012)

《环境与可持续发展》简介

环境保护部主管和环境保护部环境与经济政策研究中心主办的《环境与可持续发展》(原《环境科学动态》，CCSCI来源期刊，全国中文核心期刊)于1976年创刊，现已加入“中国学术期刊(光盘版)全文收录期刊”、“中国期刊全文数据库(CJFD)全文收录期刊”、“万方数据-数字化期刊群全文收录期刊”、“中国学术期刊综合评价数据库(CAJCED)统计源期刊”、“中文科技期刊数据库(全文版)收录期刊”。

2011年6月第三期本刊改版并定位为“国家级政策指导性学术期刊”，依据从环境保护的视角报道可持续发展理论与实践办刊宗旨，创新设置“理论战略探索”、“政策专题研究”、“法律法规研讨”、“典型案例解析”、“研究动态瞭望”、“研究成果报道”、“生态文明之窗”等栏目。本刊底蕴深厚尤其自2011年改版以来一直发挥集中选题的宣传优势，提前发布选题，开展征稿组稿，期刊学术质量显著提高。据知网《中国学术期刊影响因子年报(自然科学与工程技术(2014版)》，我刊学术影响因子显著大幅度提高。由2011年0.831和2012年1.030，提高到2013年逼近2.000大关，为1.971，名列环境保护部主管期刊第一名。在全国收录环境科学类66种期刊中排位第6名，其中2012年位列全国第18名，2011年第29名，2010年第33名。

2015年本刊紧紧围绕中共中央国务院《关于加快推进生态文明建设的意见》要求，以全面建成小康社会、全面深化改革、全面依法治国、全面从严治党的战略布局为统领，重点以深化生态文明体制改革和加快建立生态文明制度体系，建设美丽中国为议题，策划选题。2015年拟重点选题：生态文明制度体系、大气环境质量管理、机动车污染防治、水污染防治、土壤污染与修复、环境外交、环境与健康、农村环境保护、环境风险防范与应急管理、固体废弃物环境管理、环境产业、污染减排重点以及环境与贫困等。请各界人士能予以关注并不吝赐稿，同时欢迎相关单位及课题组协办专栏或者专刊。

引用文献格式：包丽艳等.浅谈建设美丽吉林的总体目标和主要标志[J].环境与可持续发展，2015，40(5)：154-156.