河北曹妃甸农田土壤重金属污染及潜在生态风险评价

王 岩，王 楠，王素华，张树明，甄志华，周洁玮，周 禹

1.河北省唐山市农作物种子管理检验站，河北 唐山 063000 2.华北理工大学附属医院，河北 唐山 063000 3.河北省唐山市土壤肥料站，河北 唐山 063000

河北曹妃甸农田土壤重金属污染及潜在生态风险评价

王 岩1，王 楠2，王素华3，张树明3，甄志华1，周洁玮1，周 禹1

1.河北省唐山市农作物种子管理检验站，河北 唐山 063000 2.华北理工大学附属医院，河北 唐山 063000 3.河北省唐山市土壤肥料站，河北 唐山 063000

以河北曹妃甸项目区农田土壤为研究对象，分析测定土壤基本性质和Zn、Cu、Pb、Cd含量，并依据有关标准和模型对土壤环境质量和潜在生态风险进行评价。结果表明：农田土壤总体偏碱性，属壤质和黏壤质水稻土，有机质含量低；土壤中Cu的污染指数最大，Zn、Pb次之，Cd虽没超过国家标准但已出现污染累积现象。在单因子评价中，有76%的土样中Cd元素呈中等或强潜在生态风险，其余元素均无潜在生态风险；在多因子评价中，有95%的土样属于无生态危害或一般生态危害，只有5%是强生态危害。项目区农田土壤质量虽总体良好，但个别区域存在严重生态危害问题，尤其是Cd元素的潜在生态风险十分突出。在今后的土地整理和污染修复工程中，应注意保护清洁农田，防止污染交叉转移，促进农业可持续发展。

重金属；农田土壤；潜在生态风险

近年来，随着工农业生产的迅速发展及城市化进程加快，工业“三废”的排放、有毒垃圾及农药化肥的不合理使用，使得土壤重金属污染变得越来越严重。重金属是土壤环境中的重要污染物，具有积累性、隐蔽性、不可逆性和长期性的特点，它会影响和改变土壤的生态功能，并通过食物链途径直接或间接地对生物产生危害，从而导致严重的生态问题[1-3]。人体食用受重金属污染的食物后，轻则发生恶心、呕吐、器官受损，重则引发癌症，危及生命。如Cd污染可造成贫血、高血压、骨痛病等。目前我国受重金属污染的耕地面积约2×107hm2，每年的经济损失至少200亿元[3-4]。因此，研究土壤重金属污染特征，评价其潜在生态危害是十分必要的。

随着2015年“京津冀协同发展”这一重大国家战略的提出，“京津冀农业产业一体化”细则也随之落实。位于东部沿海的曹妃甸因盛产优质稻米，而成为京津冀重要的农产品供应基地。但曹妃甸也是冀东最大的造纸、机械制造和饲料加工基地，其工业的迅速发展对农业生产，尤其是对农田土壤环境的影响越来越大[5-6]。本文通过深入研究项目区农田土壤性质及重金属分布特征，依据有关国家标准和系统模型，对其土壤环境质量和潜在生态风险进行评价，为今后土地整理技术的实施和土壤重金属污染的修复提供可靠依据。

1 实验部分

1.1 研究区概况

研究区地处曹妃甸八场西北部尚庄子村，该区属河流冲积平原，海拔高度变幅2.1～3.2 m，地跨东经118°37′10″～118°38′23″，北纬39°46′41″～39°45′35″。境内河网水渠纵横交错，陆域地形开阔平坦，交通便利。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，受海洋性和大陆性气候的双重影响，年平均气温10.9 ℃，年均降水量608.1 mm，主要灾害为土壤盐渍化。研究区涉及土地面积209.3 hm2，其中耕地面积166.7 hm2，以种植水稻为主，并发展蔬菜、水果等经济作物，农业人口3 125人，人均农业收入5 500元。

1.2 布点采样

在污染源调查与评价的基础上，以该项目区的土地利用图、土地规划图、土壤图、遥感图、水系分布图等相关数据资料为基础，采用“3S”技术进行数据处理与空间分析，建立项目区基本农田空间数据库，并生成采样单元，设置采样点，绘制采样布点图(图1)，在作物收获后，采集38个点位的耕层土壤(0～20 cm)，并对样品进行预处理[7-10]。

图1 土壤采样布点示意图

1.3 样品分析方法

土壤铜锌镉铅全量：王水高氯酸消化，原子吸收分光光度法测定(GB/T 17141—1997)；pH采用电位法；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；土壤黏粒含量采用比重计法[11-12]。

1.4 土壤重金属潜在生态风险评价方法

1.4.1 污染程度分析方法

用Muller地累积指数定量评价项目区土壤中Zn、Cu、Cd、Pb的污染程度[13-14]，计算公式：

(1)

1.4.2 潜在生态风险分析方法

采用被国际上广泛应用的Hakanson潜在生态风险指数法，该方法不仅考虑土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，形成具有可比的、等价属性指数分级法进行评价[15-16]。计算公式：

(2)

(3)

(4)

表1 潜在生态风险评价指标与分级关系

注：“空”表示在综合潜在生态风险评价中无“中等”级别。

1.5 数据处理

采用Excel和SPSS统计软件进行数据处理，采用CAD和ArcGIS软件制图和空间分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质

土壤基本理化性质的统计结果如图2所示。研究区土壤属于淹育型水稻土，从黏粒含量上看，有大多数土样属壤质或黏壤质，有15.79%是砂壤质的滨海风沙土；土壤pH分布均匀，除少数弱碱性土外，大部分均为碱性土；土壤有机质含量变化不大，均高于低水平线，其中84.21%的土样有机质含量处于中低水平内。

图2 土壤基本性质统计图

2.2 土壤中重金属含量及其分布特征

依据图1，对土样中重金属含量进行统计分析(表2)，结果表明，土壤中重金属含量均值从大到小依次为Zn>Pb>Cu>Cd，元素全量波动范围从大到小依次为Cd>Zn>Cu>Pb。由此可知，Cd元素虽含量最少，但其数值离散程度大，分布不均匀。所有土样的4种元素含量均超过了冀东沿海区域背景值[17]，说明该区域土壤已存在污染积累问题，其中Zn、Cu、Cd的积累较为严重。按照《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ 332—2006)[18]，计算污染样本超标率为Cu(48.95%)>Pb(28.95%)>Zn(18.42%)>Cd(0%)，Cd元素虽积累严重却未超过国家标准，可能存在潜在生态风险。

表2 土壤样品重金属全量统计结果

2.3 土壤重金属潜在生态风险评价

2.3.1 污染程度评价

选择冀东沿海区域土壤中Zn、Cu、Pb、Cd的背景值分别作为土壤背景值，采用Muller的7级地累积指数(Igeo)来定量评价项目区土壤重金属污染程度，评价结果(表3)表明，所有供试土样中Zn、Cu和Pb的Igeo均介于0～1之间，属于轻度污染；绝大部分样品中Cd的Igeo均介于0～1之间，也属于轻度污染，但有2个样品的Cd污染较大，属于中度污染。

2.3.2 潜在生态风险评价

表3 项目区农田土壤Muller地累积指数评价结果

表4 项目区农田土壤潜在生态风险评价结果

依据分级标准(表1)和项目区农田土壤的多金属综合潜在生态风险评价结果(表4)，RI均值为114.49，表明土壤总体呈一般生态危害，但RI跨度范围较大，其中有53%的样品属于无生态危害，42%属于一般生态危害，5%属于强生态危害。

3 结论

曹妃甸项目区农田土壤总体偏碱性，属壤质和黏壤质水稻土，有机质含量低；土壤中Zn、Cu、Pb、Cd 4种元素的含量均超过了冀东背景值，表明研究区土壤已存在重金属积累问题，而且部分样品中Zn、Cu、Pb含量超过食用农产品产地环境质量评价标准，其中Cu最多， Pb、 Zn次之，Muller地累积指数评价结果表明，Zn、Cu、Pb元素均处于轻度污染；Cd元素虽未超标，但地累积指数评价结果表明，有部分Cd元素呈中度污染，应引起充分重视。

项目区农田土壤单因子Hakanson潜在生态风险评价结果表明，有76%土壤样品中Cd元素的潜在生态风险呈中等或强级，其余元素均无潜在生态风险；土壤多因子潜在生态风险评价结果表明， 95%的土壤样品属于无生态危害或一般生态危害，只有5%是强生态危害。综合上述评价结果，项目区农田土壤质量虽总体良好，但应注意个别区域的严重生态危害问题，尤其是Cd元素的潜在生态风险十分突出。

鉴于项目区为水稻主产区，土壤中的Cd元素会对稻米质量产生直接威胁。因此，在实施土壤污染治理工程前，应充分进行土壤环境质量综合评价，因地制宜地选用污染修复技术，重点保护无生态危害地块免受外来污染，利用原位修复技术治理一般生态危害地块，最后结合土地整理技术，采用异位隔离法处理强生态危害地块，防止污染转移扩散，从而达到在提高土地利用率的同时，改善土壤环境质量的双重目的，促进我国农业的持续发展。

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The Evaluation of Heavy Metals Pollution and Potential Ecological Risk of Farmland in Caofeidian,Hebei

WANG Yan1, WANG Nan2, WANG Suhua3, ZHANG Shuming3, ZHEN Zhihua1, ZHOU Jiewei1, ZHOU Yu1

1.Crop Seed Management and Inspection Station of Tangshan City, Tangshan 063000, China 2.Affiliated Hospital of North China University of Science and Technology,Tangshan 063000, China 3.Soil and Fertilizer Station of Tangshan City, Tangshan 063000, China

As the farmland soil in Caofeidian project area for study object, it had been measured the fundamental nature of the soil and the contents of Zn, Cu, Pb, Cd in soil. And in accordance with relevant standards and models, it had been evaluated the quality and potential ecological risk of soil. The results showed that: the soil was slightly alkaline, loamy or clay loamy paddy soil, low organic matter content; the pollution index of Cu was the largest, Zn、Pb followed, Cd did not pollute according to national standards, but the cumulative phenomenon had occurred. Potential ecological risk level was moderate or strong for Cd element which had accounted for 76% of all soil samples in single-factor evaluation, and the remaining elements were risk-free. However, potential ecological risk level was free or general ecological harm which had accounted for 95% of all soil samples in multi-factor evaluation, whereas only 5% was strong ecological harm. So it showed that the quality of soil was overall good in project area,but individual areas appeared serious ecological hazard problem, especially the potential ecological risk of Cd was very prominent. Therefore, it should be considered that protection the clean farmland and prevention of new pollution in the projects of land consolidation and pollution remediation in the future, to promote the sustainable development of agriculture.

heavy metals; farmland soil; potential ecological risk

2015-10-27;

2015-12-28

河北省唐山市科技支撑计划重大项目“基于土地整理工程的农田污染综合防治技术研究”(14120202a)

王 岩(1986-)，男，河北唐山人，硕士，农艺师。

甄志华

X820.4；X53

A

1002-6002(2016)04- 0058- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.11