秀山县农业区域土壤重金属分布特征及生态风险研究

王爱雯 申娅 杨建波 郎利珠 吴岑岑 江水萍

摘要[目的]研究秀山县农业区域土壤重金属分布特征及生态风险。[方法]以秀山县农业区域土壤为研究对象，采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地质积累指数法和潜在生态危害指数法对土壤中重金属进行特征分析及生态风险评价。[结果]研究区域土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb 5种重金属的平均含量均符合《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准要求，除Cr外，其余4种均高于重庆市土壤背景值。土壤中重金属元素的污染程度从大到小依次为As、Cd、Hg、Cr、Pb，平均单项生态风险因子由强到弱依次为Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中Hg处于很强生态风险，另外4种重金属均处于较低生态风险水平。[结论]该研究可为秀山县生态环境保护提供科学参考。

关键词秀山县；重金属；地质积累指数法；潜在生态危害指数法

中图分类号X53文献标识码A文章编号0517-6611（2017）17-0053-04

Abstract[Objective]To study the distribution characteristics and ecological risk of heavy metals in agricultural soils of Xiushan County. [Method]Taking the agricultural soil in Xiushan County as the research object， the characteristics of heavy metals in the soil and ecological risk assessment were carried by the single factor pollution index method， nemero comprehensive pollution index method， geological accumulation index method and potential ecological hazard index method. [Result]The results showed that the average content of As， Cd， Cr， Hg， Pb were in accordance with the soil environment quality standard the secondary standard（GB15618—1995）in research area soil heavy metals. In addition， the average content of Cr was lower than the soil background values in Chongqing， the rest of the four kinds of heavy metal was higher than its background values. The pollution degree of heavy metals in soil ranged from big to small were As， Cd， Hg， Cr， Pb， the average individual ecological risk factors from strong to weak order were Hg， Cd， As， Pb， Cr， among them Hg was a high ecological risk， the other four kinds of heavy metal were at a lower ecological risk level. [Conclusion]The study can provide scientific reference for ecological environment protection in Xiushan County.

Key wordsXiushan County；Heavy metals；The geological accumulation index method；The index method of potential ecological harm

作者簡介王愛雯（1983—），男，重庆人，工程师，从事环境管理和监测研究。

收稿日期2017-04-14

进入21世纪以来，人们对生态环境质量愈加关注，土壤环境质量成为关注的焦点之一。近年来，我国对土壤环境质量也越来越重视，尤其是“土十条”的颁布，把土壤污染防治提升为当前生态环境保护的重要工作。由于重金属特有的生物富集性，能在生物链中转移、传递，若长期暴露，会对人体健康产生严重危害，这已引起国内外学者的广泛关注[1-3]。土壤中的Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金属（类金属）通过食物链进入人体，严重影响人体健康，甚至是危害整个生态系统[4]。作为人体营养元素的重金属，长期暴露或过量对人体有害[5]。

秀山县位于重庆市生态保护发展区域，生态环境质量良好。但近年来，随着现代工业和农业的快速发展，土壤环境质量也呈现不同程度的问题。笔者以秀山县农业区域土壤为研究对象，检测土壤中重金属元素的含量水平，利用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地质积累指数法和潜在生态危害指数法，对土壤重金属进行特征分析和潜生态风险评价，以期为秀山县生态环境保护提供科学依据。

1材料与方法

1.1样品采集

按土壤利用性质，分类采集秀山县农业发展区域土壤样品（包括饮用水水源地、农田、菜地、居民生活区和其他等类别）。参照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）[6]，使用双对角线法设置采样点，共采集10个混合样品（其中1～5号为城市郊区土壤样品，6～10号为重点生态保护区土壤样品）。采样时，先去除地表砾石及动植物残体，使用硬质塑料铲垂直挖取40 cm×40 cm土壤剖面，分层取样后混合为1个代表样品，取约1 kg样品装入样品袋，带回实验室，剔除土壤中作物根系和石砾等杂物，置于实验室内自然风干。土壤风干后，用木棒粗磨，过2 mm孔径尼龙筛后，采用四分法取均匀土样在玛瑙研钵中研磨，过100目尼龙筛后，取混匀样品装入塑料瓶中密闭保存，备用。

1.2样品消解与测试

精确称量0.5 g土壤样品，经盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸体系消解后，采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定Cd、Pb、Cr含量，用原子荧光光度法测定Hg和As含量。土壤pH采用1.0∶2.5的土水质量比，用pH计测定。

1.3评价标准与评价方法

1.3.1评价标准。

选择毒性较强的As、Cd、Cr、Hg、Pb 5类重金属作为评价因子[7-8]，采用重庆市土壤背景值[9]和《土壤环境质量标准》（GB 15168—1995）二级标准作为评价标准[10]。

1.3.2评价方法。

1.3.2.1单项污染指数法。

单项污染指数法以土壤重金属元素的执行标准为评价标准，能够直观地反映土壤中各项污染指标的情况，评价土壤受污染因子的污染程度。公式如下[11]：

式（1）中，Pi为土壤中污染物i的单项污染指数；Ci为调查点位土壤中污染物i的实测浓度（mg/kg）；Si为污染物i的评价标准值（mg/kg）。

1.3.2.2内梅罗综合污染指数法。

内梅罗（Nemerow）综合污染指数法以土壤污染指数最大值与土壤污染指数平均值为参数，对土壤污染状况进行综合评估。公式如下[8]：

式（2）中，P綜为土壤内梅罗综合污染指数；Pi，max为土壤污染指数最大值；Pi，ave为土壤污染指数平均值。根据P综大小，综合判定土壤重金属污染程度（表1）。

1.3.2.3地质积累指数法。

近年来，国内外常用地质积累指数法对土壤重金属污染状况进行评价。地质积累指数法是在评价中增加人为因素、环境地球化学背景值与自然成岩作用对背景值的影响，通过重金属污染级别，反映沉积物中重金属富集程度。公式如下[12]：

式（3）中，Igeo为地质积累指数；Ci为元素i在沉积物中的实测值（mg/kg）；BEi为元素i的化学背景值（mg/kg）；BEi为元素i的重庆市土壤元素背景值[7]；K值为1.5。Forstner等[13]将地质积累指数分为7个级别（表2）。

1.3.2.4潜在生态危害指数法。

潜在生态危害指数法（Hakanson）可以定量评估潜在的生态风险和危害程度，将土壤重金属含量、重金属生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采取具有可比性、等价属性指数分级法进行评价。公式如下：

式（4）中，RI为重金属的潜在生态风险指数；Eir是元素i潜在的生态风险系数；Tir是元素i的毒性系数；Cir是元素i的污染参数；Cin是重庆市土壤元素背景值[7]；ci是土壤中重金属的测试浓度。Hakanson根据“元素丰度原则”和“元素稀释度”，对毒性响应系数进行规范处理后定值为Hg=40，Cd=30，As=10，Pb=Cu=5，Cr=Ni=2，Zn=1。潜在生态风险系数（Eir）与潜在生态风险指数（RI）分别分为5个等级和4个等级[14]（表3、4）。

2结果与分析

2.1重金属含量统计及特征

由表5可知，研究区域土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb 5种重金属的平均含量分别为1960、022、27.80、0.29、22.40 mg/kg，各因子平均含量均低于《土壤环境质量标准》二级标准限值要求，说明研究区土壤环境质量状况总体良好。但与重庆市土壤背景值相比较，除Cr低于重庆市土壤背景值外，其余4种重金属均高于其背景值。按采样点样品的单个重金属超标率统计，全部采样点仅有Cr达标，Cd、Pb超标率均为40%，As、Hg的超标率均为100%，其中Hg与背景值的比值远超过其他5种，是背景值的784倍。5种重金属变异系数为22.0%～61.2%，其中Cd的变异系数最高，表明研究区域土壤已经受到人为活动的影响[15]，同时反映出Cd受人为因素影响较为明显；Pb的变异系数最小，可能是受自然因素的影响[16]。

2.2重金属污染评价

单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法和地质积累指数法评价结果见表6。

单项污染评价结果表明，研究区域土壤中5种重金属元素的污染程度从大到小依次为As、Cd、Hg、Cr、Pb。不同采样点土壤重金属的污染程度表现为Cd、Hg、Cr、Pb单项污染指数均小于1，说明这4种重金属均未对研究区土壤产生污染；2、7、10号采样点As的单项污染指数分别为1.33、1.02、1.01，说明该区域土壤受轻微污染，与其他4种重金属比较，As污染指数总体偏高，说明各采样点的As可能有相似的来源或污染途径。用土壤污染分担率分析，As、Cd、Cr、Hg和Pb分担率从大到小依次为As（50.9%）、Cd（22.0%）、Hg（17.0%）、Cr（5.9%）、Pb（38%），說明As、Cd、Hg是土壤主要重金属污染物。As的最大值超标倍数最大，个别采样点位As超标不容忽视。农业区域中重点生态保护区（采样点6～10）与城市郊区（采样点1～5）比较发现，城市郊区土壤样品中As、Cd、Cr、Hg和Pb的污染指数普遍高于重点生态保护区，这可能与城市郊区的人为活动有关。

内梅罗综合污染评价结果表明，研究区域土壤平均污染指数为0.650，各采样点污染指数均未超过1，土壤污染程度安全，土壤污染水平清洁。2、5、7、10号采样点，土壤污染处于警戒线内，其中2、5、10号采样点与As元素超标，5号采样点与As、Cd元素浓度接近标准限值有关。

地质积累评价结果表明，研究区域土壤中Cd、Cr、Pb的地质积累指数均小于0，表明土壤未受Cd、Cr、Pb的污染，污染等级为0，但As、Hg地质积累指数在0～1，表明土壤受As、Hg污染，污染程度为轻污染，污染等级为轻度。比较发现，在地质积累指数法统计中，除Cd、Cr、Pb外，各采样点土壤Hg的地质积累指数均大于As，这与评价时采用的重庆地区土壤背景值密切相关，同时也说明研究区域土壤受Hg的污染程度明显大于As，这与土壤重金属含量统计及特征的结果基本一致。

2.3潜在的生态风险评价

由表7可知，研究区域土壤中5种重金属平均单项生态风险因子的风险程度由强到弱依次为Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中As、Pb、Cr处在轻微生态风险，Cd处在中度生态风险，Hg处在很强生态风险，需引起重视。从各个采样点分析，研究区域土壤中5种重金属的潜在生态风险指数在217.3～610.7，10个采样点中，有3个采样点处于中等生态风险，6个采样点处于强生态风险，1个采样点处于很强生态风险，整个研究区域污染程度属于强生态风险。从单项生态风险因子的贡献率看，Hg的比例高达79.1%，说明Hg是研究区域土壤质量的首要风险因子，这与地质累积指数法评价结果一致。城市郊区（采样点1～5）土壤潜在生态风险高于重点生态保护区（采样点1～6），整个研究区土壤平均潜在生态风险均值为396.4，处于强生态危害等级，需采取防治措施，确保土壤环境安全。

3结论

（1）研究區域土壤中5种重金属As、Cd、Cr、Hg、Pb的平均含量分别为19.60、0.22、27.80、0.29、22.40 mg/kg，符合《土壤环境质量标准》（GB 15168—1995）二级标准要求，除Cr外，其余4种均高于重庆市土壤背景值。

（2）单项污染评价结果表明，研究区域土壤中5种重金属元素的污染程度从大到小依次为As、Cd、Hg、Cr、Pb。内梅罗综合污染评价结果表明，研究区域土壤平均污染指数为0650，为清洁水平。

（3）地质积累评价结果表明，研究区土壤受As、Hg污染，污染程度为轻污染。参考重庆地区土壤背景值，研究区域土壤受Hg的污染程度大于As。

（4）潜在的生态风险评价结果表明，研究区域土壤中5种重金属的平均单项生态风险因子由强到弱为Hg、Cd、As、Pb、Cr，其中Hg处于很强生态风险，另外4种均处于较低生态风险水平。城市郊区土壤潜在生态风险高于重点生态保护区，整个研究区土壤平均潜在生态风险为396.4，属于强生态危害等级，需采取防止措施，确保土壤环境安全。

参考文献

[1] 王月容，卢琦，周金星，等.洞庭湖退田还湖区不同土地利用方式下土壤重金属分布特征[J].华中农业大学学报，2011，30（6）：734-739.

[2] 陈守莉，孙波.污染水稻土中有效态重金属的空间分布及影响因子[J].土壤，2008，40（1）：66-72.

[3] LOMBARDI L，SEBASTIANI L.Copper toxicity in Prunus cerasifera：Growth and antioxidant enzymes reponses of in vitro grown plants[J].Plant science，2005，168（3）：797-802.

[4] BAI J M，LIU X P.Heavy metal pollution in surface soils of Pearl River Delta，China[J].Environmental monitoring and assessment，2014，186（12）：8051-8061.

[5] 何振立，周启星，谢正苗.污染及有益元素的土壤化学平衡[M].北京：中国环境科学出版社，1998：244-276.

[6] 国家环境保护总局.土壤环境监测技术规范：HJ/T 166—2004[S].北京：中国环境出版社，2004.

[7] 郑国璋.农业土壤重金属污染研究的理论和实践[M].北京：中国环境科学出版社，2007.

[8] 中國农业科学院农业质量标准与检测技术研究所.农产品质量安全风险评估：原理、方法与应用[M].北京：中国标准出版社，2007.

[9] 李真熠，赵超凡，杨志敏，等.重庆市土壤重金属污染的功能分异评价[J].农业环境与发展，2013，30（4）：35-40.

[10] 国家环境保护局.土壤环境质量标准：GB15618—1995[S].北京：中国标准出版社，1995.

[11] 杨畅，马宏伟，田立新，等.葫芦岛市典型区土壤重金属污染特征及评价[J].中国环境管理干部学院学报，2010，20（2）：71-73.

[12] 彭景，李泽琴，侯家渝.地积累指数法及生态危害指数评价法在土壤重金属污染中的应用及探讨[J].广东微量元素科学，2007，14（8）：13-17.

[13] FORSTNER U，AHLFW，CALMANO W，et al.Sediment criteria development contributions from environmental geochemistry to water quality management [M]//HELING D，ROTHE P，FORSTNER U，et al.Sediments and environmental geochemistry：selected aspects and case histories.Heidelberg，Berlin：SpringerVerlag，1990：311-338.

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

[15] 王波，刘晓青，冯昌伟.芜湖市部分市售蔬菜重金属含量及其健康风险研究[J].中国农学通报，2011，27（31）：143-146.

[16] LI F Y，FAN Z P，XIAO P F，et al.Contamination，chemical speciation and vertical distribution of heavy metals in soils of an old and large industrial zone in Northeast China[J].Environmental geology，2009，57（8）：1815-1823.