巴中市农田土壤重金属分布及生态风险评价*

石 磊

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710015； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710015； 3.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室，西安 710015； 4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075)

0 引言

工业快速发展和城镇化进程的加快加重了区域土壤重金属污染程度。污染物通过食物链和大气沉降间接积累于人体，已经成为人类健康安全敏感问题[1-4]。调查与评价区域土壤重金属污染程度是开展污染地块土壤修复、合理规划土地利用方式、科学调整区域产业结构的首要前提和必需工作。

目前针对土壤重金属的风险研究，多利用潜在风险指数法、地累积法、综合污染指数法等重金属污染评价法与环境容量法等评价土壤重金属含量的污染状况[5-6]。文章以四川省秦巴山区巴中市农田土壤的重金属镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)为研究对象，测定这3种重金属的污染程度，利用内梅罗指数和潜在生态风险指数来评价该研究区农田土壤3种主要重金属的污染水平，从而划分污染等级[7-8]，为农田土壤污染防治和农业产业结构调整提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巴中市位于四川盆地东北部、大巴山系米仓山南麓，介于东经106°20′～107°49′，北纬31°15′～32°45′之间，是秦巴山片区中心城市之一。研究区以中低山地貌为主，同时伴有流水侵蚀、沉积、扇形地貌和重力堆积、残积地貌等，成土母岩以红色泥岩和砂质泥岩为主，土壤类型为四川典型紫色土和水稻土。该区属亚热带季风气候区，年均气温16.9℃，年均降雨量1 150mm，平均光照时数1 462.1h。

图1 巴中市土壤采样点分布

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与预处理

采样时间为2013年6月1日至2013年8月1日。采样方法按照中国地质调查局《多目标地球化学调查规范(1： 25万)》(DD2005-1)的要求，以采样中心为圆心、选择20m为采样半径放射状采样(避开施肥点、肥料残块等)，对每土地利用类型下相同土壤类型采样集4～5重复样为一组样，每重复样为20cm以上表层土的混合样，每采样点均利用GPS定位(图1)。去除每组样品中杂草、砾石等杂物，将按四分法缩分后将每组样品等量混合成1件样品，每组混合样重量不低于1.5kg。共采集土壤样品344个，其中，巴州区48个、南江县81个、通江县122、平昌县91个。将样品风干后，用木槌敲打使土壤恢复至自然粒级，然后用20目尼龙筛过筛，用四分法选取重量不低于300g的样品(需测试有效态的样品筛分后重量不低于600g)，将处理好样品装入聚乙烯塑料瓶。

1.2.2 样品分析

样品测试元素为镉、铅和锌，由成都综合岩矿测试中心分析完成。其中，锌采用原子荧光法分析，镉采用无焰原子吸收法分析，铅采用等离子体光量计法分析。

1.3 土壤重金属评价标准

按照农业部《农田土壤环境质量监测技术规范NYT 395-2012》进行统计分析和评价。土壤重金属污染评价采用单项污染指数法和综合污染指数法。

(1)单项污染指数法

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中，Pi为土壤环境中污染物i的单项污染指数；Ci为土壤环境中污染物i的实测值；Si为污染物i的背景值，背景值采用四川盆地丘陵区背景值作为评价参考值：Cd(0.28)、Pb(25.10)、Zn(70.80)[9-10]。

(2)综合污染指数法(Nemerow 指数法)[11-12]

(2)

式(2)中，P综为综合污染指数(综合反映各污染物对土壤的不同作用)，P综≤0.7污染等级为安全(清洁)， 0.73.0污染等级为重污染[13]； (Pimax)2为土壤污染物中最大的单项污染指数平方； (Piave)2为土壤所有单项污染物的平均值平方。

(3)潜在风险指数(Hakanson 指数法)[14]

(3)

2 结果与分析

2.1 农田土壤重金属含量趋势

由巴中市4个区农田土壤3种重金属含量分析结果可以看出(表1)，巴中市全区农田土壤中，锌的含量高于背景值，尤以南江县最为明显，采集的83个土壤样本中有67个锌含量高于背景值，超标样本的平均含量为92.55，超过背景值30.7%； 局部农田土壤镉含量超标(高达1.6 mg/kg)，超出背景值471.4%，尤以通江县最为明显，超标的50个样品中镉平均含量为0.39mg/kg，超出背景值37.5%； 采集土壤样本中铅不超标。

从巴中市4个区县农田土壤两种重金属超标程度来看，镉超标水平为：通江县>巴州区>平昌县>南江县； 锌超标水平为：南江县>巴州区>通江县>平昌县。

表1 巴中市土壤重金属含量

mg/kg

2.2 农田土壤重金属污染水平

(1)3种重金属污染水平

采用内梅罗指数法评价巴中市农田土壤3种重金属污染水平(图2)。全区平均综合污染指数为1.095 1(3级)，基本接近尚清洁状态(警戒线)； 综合平均污染指数也都为3级(但均接近1)，基本都处于尚清洁级别。就单项污染指数来看，锌污染水平在警戒线之上，但属尚清洁程度； 镉和铅元素的单项污染指数为2级，属尚清洁水平。对4个区农田土壤3种重金属含量比较可以看出，巴州区和平昌县锌元素的单项污染指数大多都接近于警戒线，镉和铅元素的单项污染指数属于2级，属尚清洁水平； 南江县农田土壤3种重金属属均属尚清洁状态； 通江县的镉和锌元素属3级(轻度污染)，但其污染指数均靠近警戒线； 铅的单项污染指数属于2级，属尚清洁状态。总体而言，巴中市土壤基本处于尚清洁的状态，但部分地区已超过警戒线。

图2 巴中市土壤重金属单项、综合污染指数注：n为样本数量

全市344个监测样品中综合污染指数大于1的有213个，其中巴州区32个，南江县64个，通江县65个，平昌县49个。其中，中污染占1.2%，重污染0.29%，大部分农田土壤处于清洁和尚清洁状态。巴州区和平昌县没有出现中污染和重污染； 南江县83个监测点只有2个属于中污染，占2.4%，没有出现重污染； 通江县总共监测122个点，出现中污染2个，占1.6%，重污染1个，占0.82%； 共监测91个，出现轻污染的有49个，占53.8%，总体而言，巴中市土壤大部分处于清洁和尚清洁状态(警戒线)，但也存在个别样本处于重污染级别，这可能是由于采样点位于工厂或排污管道附近。

(2)不同土壤类型重金属含量

根据土壤污染物分担率(土壤中的某一污染指数占各项污染指数之和的比例)分析结果显示，全市农田土壤3种重金属分担率的排序为：锌(35.4%)>镉(32.5%)>铅(32.1%)。巴州区的排序为：锌(35.8%)>镉(32.3%)>铅(31.9%)； 南江县的排序为：锌(38.2%)>铅(31.9%)>镉(29.9%)； 通江县的排序为：镉(34.4%)>锌(34.1%)>铅(31.5%)。平昌县的排序为：锌(34.1%)>铅(33.3%)>镉(32.6%)。综合表明整个巴中市的土壤污染物分担率比较接近，但锌的污染情况要比镉稍微严重一些。

2.3 农田土壤生态风险评价

Hakanson潜在生态危害指数包括单个污染的风险程度(表2)和整体的潜在生态风险(表3)。比较3种重金属危害指数可以看出，各个元素危害风险程度为：镉>铅>锌，但均处于低风险级别，对全区土壤重金属潜在生态污染危害贡献较低。其中，由于镉元素的毒性系数较大，潜在危害的可能也较大，有5个处于中度风险级别，占总数的1.45%； 2个处于较重风险级别，占0.58%； 1个处于重风险级，占0.29%。可见，相对其他两种元素，镉潜在生态风险相对要突出一些。

表2 巴中市重金属的潜在生态危害指数统计

单个污染生态风险程度最小值最大值平均值样点频数分布Eri<40低40≤Eri<80中80≤Eri<160较重160≤Eri<320重Eri≥320严重镉9217142953375210铅19112663440000锌0325143440000

表3 巴中市潜在生态危害指数频数

潜在生态风险等级RI<150150≤RI<300300≤RI<600RI≥600程度低度中度重度严重样点数343100比例(%)97102900

根据计算结果，RI为每个样点的3种重金属污染的协同生态风险： 344个土壤样点的潜在生态危害指数最小值15.94，最大值达到177.74，平均值35.38，按风险等级划分属于低度风险级别。区域潜在生态危害指数分级和样点数如表5，低度、中毒、重度和严重4个风险等级。其中只有1个样点为中度风险级别，其余343个都为低度风险级别，占总数的97.1%。说明巴中市土壤潜在风险的危险级别较低，只有1个样点处于中度风险级别，由此可见巴中土壤潜在风险基本处于安全状态，但也不能放松对巴中市土壤污染的监督和防治。

3 结论与讨论

(1)根据巴中市土壤中3种重金属含量，铅和镉的平均含量大多数都低于背景值，但是部分样点之间含量差异较大。虽然大部分样点的锌元素的含量都高于背景值，但其平均含量只超过背景值6.78%。由此可见，巴中市农田土壤总体情况较好。

(2)基于内梅罗指数评价，巴中市综合污染指数虽在警戒线之上，但极为靠近警戒线，基本处于尚清洁状态。各区、县的总体情况与全市的基本情况相同，基本都处于尚清洁的状态，部分样点的内梅罗指数达到重污染或中污染级别，这可能与采样点的位置有关，位于工厂或者是排污管道附近。例如通江县58～60号样点，镉的含量分别为1.6μg/g、0.80μg/g、10.78μg/g，铅的含量分别为26.9μg/g、28.1μg/g、22.4μg/g，锌的含量分别为67.7μg/g、90.4μg/g、64.7μg/g，各元素含量均较高，内梅罗指数均在中污染级别之上。但整体来看，巴中市处于较为安全的状况。

(3)根据巴中市土壤中主要污染因子分担率来看，即锌(35.4%)>镉(32.5%)>铅(32.1%)，各污染物分担率比较相近，但锌的污染情况要比镉和铅稍微严重一些。

(4)根据潜在生态风险指数法，巴中市土壤中铅和锌元素属于低级别风险，镉由于毒性系数较大，有5个处于中风险级别， 2个处于较重风险级别，1个处于重风险级别，因此镉元素的潜在生态危害相对要突出一些，所以有关部门需要对镉加强监管。总体而言依据潜在生态风险指数，巴中市土壤处于低风险级别。

(5)由于样点之间元素含量差异较大，由此说明各地污染程度不一致，所以在治理土壤污染方面要因地制宜，采取合适的方法。特别是个别地区污染相较其他地区严重的应重点治理。一方面，要对其工业污染源进行控制，防止其污染范围扩大化，出现新的污染点。另一方面，对已经污染地区进行有针对性的治理，特别防止治理时出现新的污染，较宜运用生物治理的方式比较妥当。部分样点的元素较高，现具体原因尚不清楚，需要对取样点周围情况进行重新调研和评估，才能得到较为精确的结果。

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