果蔗地土壤重金属含量特征及风险评价

王天顺+杨玉霞+廖洁+范业赓+牙禹+朱俊杰+莫磊兴

摘要：以广西壮族自治区果蔗地表层土壤（0～20 cm）作为调查对象，分析了土壤中重金属Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的含量。以《土壤环境质量标准》二级标准为参照标准，采用单因子污染指数法、综合污染指数法、地积累指数法和潜在生态危害指数法对研究区域土壤中重金属污染特征及其生态风险进行评价。结果表明，研究区域土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量分别为0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28 mg/kg，综合污染指数为2.03，属于中污染。地积累指数评价结果表明，Cd的地积累指数为1.02，属于中等污染，Hg的地累積指数为0.30，处于轻-中等污染；潜在生态危害综合指数评价结果显示，研究区域土壤中重金属污染处于中等生态风险程度，其中Cd的潜在生态危害指数最高，达到强生态危害程度。因此，增强果蔗地土壤安全性生产管理、严控土壤污染源与推行标准农业生产是十分必要的。

关键词：土壤；重金属；污染特征；污染评价；果蔗地

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）07-1262-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.015

Content Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Chewing Cane Soils

WANG Tian-shun， YANG Yu-xia， LIAO Jie， FAN Ye-geng， YA Yu， ZHU Jun-jie， MO Lei-xing

（Research Institute of Agro-products Quality Safety and Testing Technology， Guangxi Academy of Agriculture Sciences/Quality Supervision and Testing Center for Sugarcane， China Ministry of Agriculture， Nanning 530007， China）

Abstract： The contents of soil heavy metals，such as Cd，Pb，Cr，Cu，Zn，As and Hg，in surface soil（0～20 cm） from the main chewing cane production farmland in Guangxi Zhuang Autonomous Region，were investigated. Pollution characteristics of heavy metals in soils were observed on the basis of environmental quality secondary standard values of single factor pollution index method and comprehensive pollution index method. Potential ecological risk assessment was evaluated by using the geoaccumulation index（Igeo） and potential ecological risk index（RI）. The results indicated that the average concentrations of Cd，Pb，Cr，Cu，Zn，As and Hg were 0.81，30.4，54.5，29.8，107.4，16.69 and 0.28 mg/kg，respectively. According to the comprehensive pollution index，the pollution degree was middle degree with PN was 2.03. According to the geoaccumulation index，the pollution degree of Cd was middle degree with Igeo was 1.02，and Hg ranged from light to middle degree with Igeo was 0.30. The potential ecological risk index indicated that the heavy metals in the soils from research area were at the moderate ecological hazard level. The rate of contribution for Cd was the highest to potential ecological risk index. Thus，effective farmland soil management is necessary to ensure security production， control soil pollution sources，and implement standard agricultural production.

Key words： soils； heavy metals； contaminant characteristics； risk assessment； chewing cane soil

土壤是人类赖以生存的自然资源，也是人类生态环境的重要组成部分。重金属在自然环境中广泛存在，因其持久性、积累性等特性及其对生态环境存在的潜在风险，受到国内外学者的高度关注[1，2]，土壤重金属污染已经成为当前人类面临的重要环境问题，也是目前环境科学领域的研究热点之一[3-6]。土壤重金属污染来源包括矿山采选冶炼、大气沉降、污水灌溉、固体废弃物堆存与处置、交通运输等[7，8]。当土壤中重金属达到一定的累积程度时，会通过食物链传递到动物和人体内，给生态环境及人体健康造成很大危害[9，10]。

近年来，果蔗生产中大量使用农药、磷肥、污水，使得果蔗地土壤-植物系统中重金属污染更为复杂与多样化。土壤是植物生长的载体，其清洁程度直接影响着食物中有毒有害物质的浓度，目前对果蔬、粮食产地[11，12]中重金属的污染评价己有不少报道，但针对果蔗地土壤重金属污染的系统研究鲜有报道。为了解广西壮族自治区横县果蔗种植区土壤质量状况，本研究以果蔗地土壤为对象，利用单因子污染指数法、综合污染指数法、地积累指数法和潜在生态风险指数法对土壤重金属的污染特征及生态风险进行评价，同时探讨了各重金属元素之间的相关性和聚类状况，以期为广西壮族自治区果蔗地土壤重金属的污染防治和治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

土壤样品全部采自广西壮族自治区果蔗地0～20 cm表层土壤。于2014年11月选取36个采样点，每个样点600～1 300 m2内采用W形布点采集5个子样，现场剔除植物根系、碎石等杂物后充分混合组成一个混合样品，用四分法缩分至约4.0 kg，装入聚乙烯塑料袋，贴好标签，带回实验室备用。把采集的土壤置于宽敞、干净、透气的室内，均匀摊开，自然风干，去除石块、植物根系及其他的杂物后用玛瑙研钵研磨后过2 mm尼龙筛，再用玛瑙研钵继续研磨后过100目筛。

称取0.200 0 g经风干处理的土样于聚四氟乙烯罐中。加5 mL HNO3、3 mL HCl、1 mL H2O2和1 mL HF，密封消解罐后放入微波消解炉。消解程序分3步，步骤1为160 ℃、90%功率消解10 min；步骤2为200 ℃、90%功率消解25 min；步骤3为100 ℃、40%功率消解5 min。消解完室温放置后，转移消解罐中的溶液于聚四氟乙烯烧杯中，加热蒸发去除氮氧化物。剩余液体做如下处理：①转移至100 mL容量瓶，用1%硝酸稀释至刻度线，混合均匀后用石墨炉原子吸收仪（MKⅡ MQZ，美国Thermo）测定溶液中Cd、Pb的含量、用火焰原子吸收仪（AA240，美国Varian）测定Cr、Cu、Zn的含量；②转移至50 mL容量瓶，加入5 mL 50 g/L硫脲和50 g/L抗坏血酸溶液作掩蔽剂，用5%盐酸稀释至刻度线，混合均匀，室温下静置30 min后用原子荧光光谱仪（AFS-230E，北京海光仪器公司）测定As和Hg的含量。

试验所用试剂均为优级纯试剂，用水均为超纯水。

1.2 土壤重金属污染评价

土壤评价标准采用GB 5618-1995《土壤环境质量标准》[13]中的二级标准和广西土壤背景值[14]，采用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数法、地积累指数法以及潜在生态危害指数法分别对土壤重金属污染状况进行评价。采用Excel 2007和DPS软件对数据进行统计分析。

1.2.1 单因子污染指数法 单因子污染指数法是用来评价单个污染因子对土壤的污染程度，污染指数愈小，说明该因子对环境介质污染程度愈轻[15，16]。其计算公式如下：

Pi=Ci/Si

式中，Pi为土壤中重金属的污染指数，具体反映某污染物超标倍数和程度；Ci为土壤中重金属含量的实测值（mg/kg）；Si为土壤中重金属的标准限定值（mg/kg）。当Pi≤1时，表示样品未受污染；当Pi>1 时，表示样品已被污染。Pi的值越大，说明样品受污染越严重。Pi评价标准见表1。

1.2.2 综合污染指数法 综合污染指数法[17，18]，即内梅罗污染指数，是将目标单个污染指数按一定方法综合起来考虑对环境介质的影响程度，采用兼顾单元素污染指数平均值和最大值的一种评价方法。其计算公式如下：

PN=■

式中，Piave为土壤中各重金属污染指数的平均值；Pimax为土壤中单项重金属的最大污染指数；PN为采样点的综合污染指数，其评价标准见表1。该方法突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，能反映出各种污染物对土壤环境的作用，将研究区域土壤环境质量作为一个整体与外区域或历史资料进行比较。

1.2.3 地积累指数法 地积累指数（Igeo）是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Müller[19]提出的一种研究沉积物中重金属污染的定量指标，在欧洲被广泛采用。该方法在考虑自然地质过程造成背景值影响的同时，充分考虑了人为活动对重金属污染的影响，因此该指数不仅可以反映沉积物中重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的贡献[20，21]。其计算公式为：

Igeo=log2[Cn/（1.5×Bn）]

式中，Cn为样品中元素n在沉积物中的实测值；Bn为沉积物中该元素的地球化學背景值，本研究采用广西壮族自治区土壤环境背景值作为参照标准；1.5为修正指数，用于校正区域背景值差异。地积累指数划分为7级，Igeo≤0，为1级，无污染；05，为7级，极重污染。

1.2.4 潜在生态危害指数法 重金属元素是具有潜在危害的重要污染物，与其他污染物的不同之处在于它们对环境危害的持久性、生物地球化学的可循环性及潜在的生态危害。潜在生态危害系数法是瑞典科学家Hakanson[22]提出的一种沉积物中重金属的评价方法，为了使区域质量评价更具有代表性和可比性，该方法从重金属的生物毒性角度出发，反映了多种污染物的综合影响[23，24]。土壤中多种重金属元素潜在生态危害指数是各单一重金属元素的潜在生态危害指数之和。其计算公式如下：

RI=■Eri

Eri=Tri×Csi/Cni

式中，Csi为表层土壤重金属元素i的分析测量值；Cni为土壤重金属元素i的参比值，本研究采用广西壮族自治区土壤环境背景值作为参照标准；Tri为重金属元素毒性系数[25]，各重金属的毒性系数分别为Cd=30，Pb=Cu=5，Cr=2，Zn=1，As=10，Hg=40[26]。Eri为单个重金属的潜在生态危害指数；RI为多种重金属综合潜在生态危害指数。重金属污染的生态危害指数分级标准见表2。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤重金属含量特征

研究区36个土壤样品的重金属元素的含量范围、均值、标准差等特征参数见表3。需要说明的是，有32个土壤样品土壤呈酸性，4个土壤样品土壤呈弱碱性。研究区土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量分别为0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28 mg/kg，除了Cr和As外，其他5种重金属平均含量均超过广西土壤背景值，分别为土壤背景值的3.03、1.27、1.07、1.42、1.84倍。

7种重金属的标准差除Cd和Hg外，其他均较大；Cr、Zn的标准差在15以上，Pb的标准差为9.37，As的标准差为5.97，Cu的标准差为5.20。说明重金属的分布不均匀，甚至有的重金属分布极不均匀。土壤中7种重金属的变异系数从大到小的顺序依次为Hg、Cd、Cr、As、Zn、Pb、Cu，其中，Hg、Cd变异系数分别为48.3%、46.1%，说明Hg和Cd受人为活动干预强烈，其次为Cr、As、Zn，Cu的变异系数最小，表明在整个研究区域Cu含量相对比较均一。

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数与综合污染指数评价 研究区土壤重金属单因子污染指数见表4。结果表明，研究区土壤中重金属Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg单因子污染指数的平均值分别为2.73、0.61、0.36、0.55、0.53、0.44和0.88。按照土壤环境质量二级评价分级标准，土壤样品中重金属元素Cr、Cu、Zn、As单因子污染指数均小于1，属于安全等级。重金属元素Cd、Pb和Hg单因子污染指数达到轻污染水平的样本占样本总数的19.4%、2.8%和30.6%；Cd和Hg单因子污染指数达到中污染水平的样本分别占样本总数的11.1%和2.7%；Cd单因子污染指数达到重污染水平的样本占样本总数的58.3%。

采用综合污染指数法对采样点土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg 7种重金属元素污染状况进行综合评价，由各单因子污染指数计算可知，采样点的综合污染指数值为2.03，污染等级属于中污染。

2.2.2 地积累指数法评价 地积累指数法是从地球化学的角度出发来评价土壤中重金属的污染。它除了考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，它所采用的背景值一般为未受人类活动影响的沉积岩中的地球化学背景值，因此该方法更多的强调了土壤中重金属污染的历史累积作用。由表5可知，果蔗地土壤中Cd的污染程度相对比较严重，污染等级为3级，污染程度达中等污染；其次是Hg，污染等级为2级，其污染程度达轻-中等污染；Pb、Cr、Cu、Zn和As均属于无污染。7种重金属的污染程度顺序依次为Cd>Hg>Zn>Pb>Cu>As>Cr。

2.2.3 潜在生态危害评价 潜在生态危害指数法是从沉积学角度出发，它不仅考虑了土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，因此其评价结果主要反映了人类活动对土壤的潜在生态危害。由表6可知，从单个重金属的潜在生态危害系数来评价，果蔗地土壤的主要潜在生态危害重金属为Cd和Hg，Cd污染达到强生态危害程度，Hg污染达到中等生态危害程度，其他5种重金属均为轻微生态危害程度，其潜在生态危害顺序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Zn>Cr。综合潜在生态危害指数达到187.27，处于中等生态危害程度。

2.3 研究区土壤重金属含量相关分析

研究区土壤中重金属之间的相关性可以推测重金属的来源是否相同，若它们之间存在相关性，则它们的来源可能相同，否则来源可能不同[16]。利用DPS软件对各重金属进行相关性分析，在0.05和0.01 显著性水平下，所有变量间相关系数如表7所示。As与Cd、Cr、Cu、Zn之间存在极显著正相关，表明As和Cd、Cr、Cu、Zn之间紧密相关；Zn与Cr、Cu之间存在极显著正相关；Cu与Cr之间存在极显著正相关，Cu与Pb之间存在极显著负相关；Cd与Cr之间存在极显著正相关。相关性结果可以说明研究区域土壤重金属As与Cd、Cr、Cu、Zn同源性很高，与果蔗栽培管理过程中污水的灌溉、污泥的施用及重金属农药的施用有关，Hg与其他重金属元素之间没有明显的相关性，说明研究区域Hg含量受人为活动的影响强烈，有外源污染進入。

2.4 研究区土壤重金属聚类分析结果

利用DPS软件对研究区各重金属进行聚类分析，结果如图1所示。由图1可知，7种重金属共分为5组，第一组为Pb和Cu；第二组为As；第三组为Cr；第四组为Cd和Hg，它们的潜在生态危害指数分列前2位；第五组为Zn。Pb和Cu、Cd和Hg是距离较近且潜在生态危害指数值接近，分别被聚为一类。

3 结论

研究区域土壤重金属Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量水平分别为0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28 mg/kg。利用《土壤环境质量标准》二级标准进行评价，结果显示Cd污染最严重，单因子污染指数最高为4.93；Hg污染次之。

重金属地积累指数评价结果表明，果蔗地土壤中Cd的污染程度相对比较严重，污染等级为3级，污染程度达中等污染；其次是Hg，污染等级为2级；潜在生态危害综合指数评价结果显示，果蔗地土壤中重金属污染处于中等生态危害程度，其土壤的主要潜在生态危害重金属为Cd和Hg，Cd污染达到强生态危害程度，Hg污染达到中等生态危害程度。

土壤中7种重金属的相关性分析表明，研究区域土壤重金属As与Cd、Cr、Cu、Zn具有同源性，与果蔗栽培管理过程中污水的灌溉、污泥的施用及重金属农药的施用有关；聚类分析表明，Pb和Cu、Cd和Hg距离较近且污染指数值接近，分别被聚为一类。

广西壮族自治区果蔗地土壤重金属污染来自多种污染源，笔者认为土壤重金属累积的原因主要是各种含重金属农用物资的投入、污水灌溉及污泥施用等。对被污染土壤应采取一些农业、生物及施用一些改良剂等措施进行综合修复、治理，以确保生态环境及果蔗产品的安全。

参考文献：

[1] NIU L L，YANG F X，XU C，et al. Status of metal accumulation in farmland soils across China：From distribution to risk assessment[J].Environmental Pollution，2013，176：55-62.

[2] MAPANDA F，MANGWAYANA E N，NYAMANGARA J，et al. Uptake of heavy metals by vegetables irrigated using wastewater and the subsequent risks in Harare，Zimbabwe[J].Physics Chemistry of the Earth，2007，32（15-18）：1399-1405.

[3] 胡国成，张丽娟，齐剑英，等.贵州万山汞矿周边土壤重金属污染特征及风险评价[J].生态环境学报，2015，24（5）：879-885.

[4] 麻冰涓，王海邻，李小超，等.豫北典型农田作物中重金属污染状况及健康风险评价[J].生态环境学报，2014，23（8）：1351-1358.

[5] 张洪伟，张国珍，张克江，等.黄河兰州段黄灌区蔬菜大棚土壤重金属含量分析及污染评价[J].土壤通报，2012，43（6）：1497-1501.

[6] 韩 平，王纪华，冯晓元，等.北京顺义区土壤重金属污染生态风险评估研究[J].农业环境科学学报，2015，34（1）：103-109.

[7] 陈 涛，常庆瑞，刘 京，等.长期污灌农田土壤重金属污染及潜在环境风险评价[J].农业环境科学学报，2012，31（11）：2152-2159.

[8] 郭 伟，赵仁鑫，张 君，等.内蒙古包头铁矿区土壤重金属污染特征及其评价[J].环境科学，2011，35（10）：3099-3105.

[9] HE B，YUN Z J，SHI J B，et al. Research progress of heavy metal pollution in China： Sources，analytical methods，status，and toxicity [J].Chinese Science Bulletin，2013，58（2）：134-140.

[10] KHAN K，LU Y L，KHAN H，et al. Heavy metals in agricultural soils and crops and their health risks in swat district， northern Pakistan [J].Food and Chemical Toxicology，2013，58：449-458.

[11] KHAN S，CAO Q，ZHENG Y M，et al. Health risks of heavy metals in contaminated soils and food crops irrigated with wastewater in Beijing，China[J].Environmental Pollution，2008， 152（3）：686-692.

[12] 秦普豐，刘 丽，侯 红，等.工业城市不同功能区土壤和蔬菜中重金属污染及其健康风险评价[J].生态环境学报，2010，19（7）：1668-1674.

[13] GB 15618-1995，土壤环境质量标准[S].

[14] 广西环境保护科学研究所.土壤背景值研究方法及广西土壤背景值[M].南宁：广西科学技术出版社，1992.

[15] 胡 明.大荔县农田土壤重金属分布特征与污染评价[J].干旱区资源与环境，2014，28（1）：79-84.

[16] 程 芳，程金平，桑恒春，等.大金山岛土壤重金属污染评价及相关性分析[J].环境科学，2013，34（3）：1062-1066.

[17] 张鹏岩，秦明周，陈 龙，等.黄河下游滩区开封段土壤重金属分布特征及其潜在风险评价[J].环境科学，2013，34（9）：3654-3662.

[18] YUAN G L，SUN T H，HAN P，et al. Source identification and ecological risk assessment of heavy metals in topsoil using environmental geochemical mapping： Typical urban renewal area in Beijing，China[J].Journal of Geochemical Exploration， 2014，136（1）：40-47.

[19] M？譈LLER G. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geological Journals，1969，2：109-118.

[20] 范拴喜，甘卓亭，李美娟，等.土壤重金属污染评价方法进展[J].中国农学通报，2010，26（17）：310-315.

[21] 孔慧敏，左 锐，滕彦国，等.基于地球化学基线的土壤重金属污染风险评价[J].地球与环境，2013，41（5）：547-552.

[22] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control：A sedimentological approach[J].Water Research，1980， 14（8）：975-1001.

[23] 朱兰保，盛 蒂，戚晓明，等.蚌埠龙子湖底泥重金属污染及生态风险评估[J].安全与环境学报，2013，13（5）：107-110.

[24] 王大洲，胡 艳，李 鱼.某陆地石油开采区土壤重金属潜在生态风险评价[J].环境化学，2013，32（9）：1723-1729.

[25] 李 飞，王晓钰，汤富强.新乡市近郊农田土壤重金属污染的生态风险评价[J].河南师范大学学报（自然科学版），2011，39（5）：84-87.

[26] 徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].环境科学与技术，2008，31（2）：112-115.