云南省木署村高山蔬菜基地土壤重金属污染风险评价研究

段南福，李晓华，田原润，郭先华，2*

（1.云南农业大学 资源与环境学院，昆明 650201；2.中国科学院 南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008）

目前，土壤污染问题的研究逐渐成为社会关注的焦点[1]。重金属在土壤中积累、在作物体内富集，通过食物链最终进入人体，带来严重的健康风险。蔬菜是人们日常生活中不可缺少的副食品，其质量的优劣对人体健康造成直接威胁[2]。民众对清洁、无污染蔬菜的要求越来越高，而蔬菜中的重金属污染受土壤重金属含量影响[3-6]。因此，对蔬菜地土壤重金属环境质量进行评价，确定其污染水平和潜在风险，具有重要意义[7]。

我国蔬菜基地土壤受重金属污染的元素主要包括Cd，Hg，Pb，As，Cr，Cu等[8]。南京郊区蔬菜基地土壤重金属的抽样检测结果中，处于安全等级的土壤样品仅占40%，已受到污染的土壤占30%[9-10]。农业部对24个市（城）郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区320个重点污染区的监测结果中，土壤重金属含量超标的大田农作物种植面积为4.85×105hm2，约占调查总面积的16%，其中Pb，Cd，Hg，Cu及其复合污染最为突出[11]。多数城市郊区菜地的重金属污染现状严峻，其中污染最为普遍的是Cd，污染面积近1×107hm2，其次是Pb，Zn，Cu，Hg等[12]。

评价土壤重金属污染程度和现状，有利于农业生产布局，维护人类健康[13]。本文选取云南省姚安县木署村蔬菜基地为研究对象，对土壤环境质量进行调查，分析土壤重金属污染风险，评价蔬菜基地的重金属潜在生态风险，以保障当地蔬菜质量与食品安全，降低人体健康风险[14]。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区前场镇木署村位于云南省楚雄州姚安县东部，地处长江上游金沙江流域，为高寒山区，素有“彝州高山小菜园”之称。该镇国土面积305.16 km2，最高海拔2 757 m，最低海拔1 840 m，年平均气温13.5℃。当地主要种植大豆、小麦和水稻。研究区行政区划分及采样点位置如图1所示。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 样品采集

通过对木署村走访调查，根据典型性和代表性原则，在研究样地均匀采样，按“S”形分布。每个采样点设置10 m×10 m的样方，每个样方内随机选取5个点采样，采集0～20 cm深度土样，再将五个点土样均匀混合，采用四分法按对角线取1.0 kg装袋得到混合土样，共51个土样。编号顺序从右到左为1-51号土样，采样点分布详见图1所示。

1.3 样品测试

1.3.1 土壤样品的制备

将采集的土样剔除石块、杂草等异物，在室内自然风干，用玻璃研钵磨碎后过0.25 mm及0.149 mm的尼龙筛，封存于塑料袋中待测。

1.3.2 指标测定

依据区域性、简易性、标准性、经济性和主要性的原则，选取Pb，Cd，Ni，Cu，Zn，Cr六个指标作为该样区土壤环境质量评价指标。土壤理化性质根据鲍士旦编制的《土壤农化分析》[15]测定。采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消煮-火焰原子吸收光度法，测定土样中Cu，Zn，Cr，Ni含量；采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消煮-石墨炉原子吸收光度法，测定土样Pb，Cd含量。

1.4 评价方法和标准

本次研究采用的评价方法是单因子污染指数法、综合污染指数法和潜在生态危害指数法。通过SPSS11.5和Excel软件进行指标分析，ArcGIS10.4的地统计模块进行Kringing插值后进行空间分析。

1.4.1 单因子污染指数法

评价研究区域的重金属污染，采用单因子污染指数法，公式如下：

式中：Pip为土壤中污染物i的单项污染指数（表1）；Ci为调查点位土壤中污染物i的实测浓度；Sip为污染物i的国家评价标准参考值。

表1 土壤单因子污梁指数法评价标准Table 1 Assement standards of soil single factor index pollution

1.4.2 综合污染指数法

综合污染指数法是一种通过单因子污染指数得出综合污染指数的方法，能够较全面地评判重金属的污染程度。其中，内梅罗指数法（Nemerow index）是评价土壤重金属污染时运用最为广泛的综合指数法，其计算公式为：

式中：P综合是内罗梅指数；i为单项污染指数平均值；Pimax为最大单项污染指数。根据内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5个等级，见表2。

表2 土壤重金属综合污染指数分级标准Table 2 The grading standard for integrated pollution index of soil heavy metal pollution

1.4.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson提出的，也称为Hakanson指数，是Hakanson根据重金属的性质和环境特点，从沉积学角度提出来的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法。该指数考虑了土壤重金属含量，将重金属的生态、毒理、环境效应有机地结合起来，采用量化指标、等价属性指数评价重金属的风险性。计算公式如下：

式中：RI为多种金属元素污染的潜在生态风险指数；Eir为单一金属潜在生态风险因子；Tir为某一重金属的毒性响应系数，根据Hakanson制定的标准化重金属毒性系数获得的，反映了重金属在水相、固相和生物相之间的响应关系，重金属毒性水平次序为Cd，Pb，Cu，Cr，Zn，Ni，其毒性响应参数分别为20，5，5，2，1，1；Ci为样品实测浓度；Cis为沉积物和土壤背景参考值或土壤环境质量标准的评价参考值。潜在生态风险指数可以定量评价单一元素的风险等级，也可以评价多个元素的综合风险等级，可以分为5个级别，见表3。

表3 潜在生态风险指数的分级Table 3 Classification of potential ecological risk index

1.4.4 评价标准

依据国家《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332-2006）、《温室蔬菜产地环境质量评价标准》（HJ/T 333-2006）进行土壤重金属污染风险评价。这两项标准都规定了食用农产品产地土壤环境质量评价中各污染物的限值，研究区51个样品pH范围4.2～6.7，平均值为5.3，只有一个样点pH达到6.7，因此该地区土壤适用于上述两项国家标准中的pH＜6.5土壤环境质量评价限值范畴，具体限值如表4所示。

表4 土壤环境质量评价指标限值Table4 Limitvalueofsoilenvironmentalqualityevaluationindex

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量的分析

研究区6种金属的平均值均低于《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T332-2006）和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》（HJ/T333-2006）的规定值，均没有超标，见表5。

表5 研究区域重金属含量（n=51）Table 5 The concentration of heavy metal in the soil of the study area（n=51）

2.2 土壤重金属污染程度分析评价

2.2.1 单项污染指数

研究区内6种金属元素的单项污染指数平均值大小为Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Cd＞Pb，6种金属元素的单项污染指数均小于1，从这6种重金属污染指数来看，该研究区域很清洁，无污染（见表6）。部分土壤样品重金属含量超标，超标率依次为Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，所有样品Cd含量超标率最小为2.00%，Zn超标率最高为23.53%，Pb与Cr超标率分别为19.61%和13.73%。

表6 研究区域重金属单项污染指数（n=51）Table 6 Single factor index of heavy metals in the soil of the study area（n=51）

2.2.2 综合污染指数

经计算，研究区内6种重金属内梅罗综合污染指数平均为0.86，按上述国家标准，该值污染等级为警戒线，污染水平为尚清洁。51个采样点土壤重金属内梅罗综合污染指数中只有1个是轻污染，其余50个采样点均为清洁，表明研究区域未受到大规模、深层次的重金属污染。

2.2.3 潜在生态风险指数

研究区域潜在生态风险指数均很低，单个重金属潜在生态风险指数见表7。Pb，Cr，Cu，Zn、Cd，Ni平均值分别为 0.76，1.83，4.32，0.82，13.91，1.01。根据6种重金属元素潜在毒性响应系数，Pb，Cr，Cu，Zn，Cd，Ni的潜在生态风险指数平均值22.65。说明研究区域重金属潜在生态风险程度极低。

表7 研究区土壤重金属潜在生态危害系数和危害指数（n=51）Table7 The potential ecological risk factor and index of heavy metals in the soil of the study area（n=51）

2.3 重金属污染潜在生态风险分布图

重金属污染潜在生态风险评价结果Er和RI均小于40，该地区重金属污染风险属于轻微。根据图2重金属空间分布图可见：样点编号为9，10，11，12污染风险较高，可能因为该区是已建成的蔬菜基地，使用农药的频率高，耕植频率较高造成重金属的累积。因此，在以后的农业活动中要遵循绿色发展原则，尽量减少农药的使用。样点号19，20，21，36，37，38这片区域潜在危害指数也达到了32，该地区离居民区较近，生活污水排放和人为活动影响可能是造成该地区潜在生态风险较高的主要因素。

图2 研究区土壤重金属RI空间分布图Fig.2 Spatial distribution maps of heavy RI in the soil of the study area

3 讨论

云南省木署村处于云南省偏远山区，研究区域内6项重金属污染指标均符合食用农产品产地的标准，造成土壤中Cr，Cu，Zn含量增加的原因可能是当地土壤背景值过高，也可能是长期使用农药、化肥，导致土壤中重金属元素积累[16]，此次未分析当地土壤背景值，下一步工作会具体分析重金属来源。

单项污染指数污染大小为Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Cd＞Pb，6种金属元素的单项污染指数均小于1，表明该研究区域比较清洁，基本无污染。土壤各重金属元素超标率依次为 Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，除了Cd无超标情况，其他金属单因子污染指数平均值都较小，但超标率很高，说明了这几种金属具有污染范围广但污染程度较轻的特点。综合污染指数能够较全面地评判重金属的污染程度，内梅罗综合污染指数平均为0.86，51个土壤采样点内梅罗综合污染指数中只有1个是轻污染，污染率为2.00%，表明研究区域重金属污染程度较轻，可以建设蔬菜基地。任华丽等[17]以云南省元阳县哈尼梯田为研究对象，研究了梯田湿地核心区水稻土的重金属分布与潜在生态风险，结果表明Cr是背景值的2倍，Pb和Zn平均含量低于背景值，这与本文的研究结果有相似之处。从潜在生态风险来看，研究的6种重金属均低于轻微的生态危害系数，重要的贡献因子为Pb和Zn，其次是Cr和Cu，Cd的贡献最小。评价中仅考虑了Pb，Cd，Cu，Zn，Cr及Ni等6种重金属因子，由于采样密度和采样范围的限制，结果具有一定的相对性和局限性。从潜在生态风险空间分布图可以看出研究区总体重金属污染风险较小，属于风险轻微级，在遵循绿色发展，减轻农药使用的前提下，该地区建立无公害蔬菜基地具有一定的理论依据和科学数据支撑。

4 结论

研究区酸性土壤中重金属平均含量Cd为0.21mg/kg，Pb为22.15 mg/kg，Cu为35.09 mg/kg，Cr为137.08 mg/kg。参考国家《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332-2006）和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》（HJ/T 333-2006），进行土壤重金属生态风险评价，结果表明：研究区内Cd等6项土壤重金属元素含量均低于食用农产品产地环境质量评价标准的限值；研究区综合污染指数平均为0.86，污染等级为警戒限级，污染水平为尚清洁级别；重金属潜在生态危害指数为22.65，潜在生态危害程度属于轻微级别。

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