蔬菜产地土壤重金属污染评价及源解析

常 兰，周洪祥，蒋天玉，文雪梅，任若愚

(1.成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614007;2.核工业西南物理研究院，成都 610041)

1 前 言

我国农业环境污染问题随着社会经济的发展日趋严重,重金属污染物通过各种途径在土壤中逐渐积累，并会迁移至植物体富集吸收，再进入食物链对人体健康和安全造成威胁[1]。蔬菜在我国居民膳食的消费中占比重较大，所以蔬菜产地的土壤环境质量是保障蔬菜质量安全的前提和必要条件[2-3]。不断优化蔬菜产地土壤重金属污染评价体系，准确评价蔬菜产地土壤重金属污染状况，才能够为土壤污染防治、土壤使用提供有价值的参考，对降低蔬菜被污染的风险，保障蔬菜质量安全具有重要意义。

2 蔬菜和蔬菜产区土壤重金属污染状况

随着工业发展和农业生产方式的变化，重金属逐渐成为农业土壤中的主要污染物，对农业环境造成严重危害。潜在污染区域存在蔬菜重金属含量超标的现象，而常规区域的蔬菜重金属污染状况也不容乐观。天津市近年监测结果显示，超过土壤环境质量二级标准的农田面积达0.401万 hm2,东丽区菜田土壤中镉元素平均含量水平为0.857mg/kg,比菜田土壤背景值高8倍[4]。杨胜香等调查了湘西矿区部分蔬菜重金属含量，发现Pb、Zn、Cd的含量超限量值，分别为限量标准的2～10.75、0.9～2.5、2.2～19.8倍[5]；王旭等通过对广东省蔬菜重金属污染分布特征和含量状况的研究，发现Pb、Cd、As的超标率较高[6]。刘尧兰等研究发现环鄱阳湖区2/3叶类蔬菜样品重金属含量超标率在50%以上，其中芹菜受污染程度为最大，主要的污染重金属元素是Cr和Pb[7]。欧阳喜辉等发现蔬菜品种不同对重金属的吸收富集存在很大差异，叶菜类对Cd的吸收能力的吸收远大于果菜类，叶菜类中以油菜吸收能力最强[8]。杨晖等报道了不同种类蔬菜对重金属的富集能力高低，具体表现为：叶菜类>花菜类>根茎类>茄果类>禾谷类[9]。综上所述，目前我国很多城市市郊土壤安全和蔬菜健康普遍受到重金属的污染，个别地区还出现重金属的严重污染。

3 蔬菜产区土壤重金属污染评价方法

土壤重金属污染评价方法较多，主要有单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地质累积指数法、潜在生态危害指数法、污染负荷指数法等[10-11]。

3.1 单项污染指数法

单项污染指数法以土壤元素背景值(GB 15618-1995)作为评价标准，用来评价单个污染元素对土壤的污染程度，污染指数大小说明其对环境的污染程度的轻重。

单因子污染指数法评价目标明确、操作简单结果直观，可以体现土壤中每一种污染物的超标情况，但是单项污染指数法的各评价参数之间互不联系，只能反映单个元素特定区域的污染情况，不能全面反映土壤的环境要素污染状况[12]。单项污染指数法是其他环境质量指数和综合评价的基础。

3.2 内梅罗综合污染指数法

土壤同时被多种重金属元素污染或者评价区域的土壤质量作为一个整体和外区域土壤质量比较时，内梅罗综合污染指数法将单个目标污染因子按一定的方法综合起来考虑，引入平均值和最大值，突出了重点污染元素的影响作用，可以评价区域内重金属总体污染状况，综合污染指数大小说明了污染的程度[13]。

该方法兼顾单因子污染指数平均值和最大值，可以更加客观地评价区域的重金属污染状况，突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，能反映多种污染物对土壤环境的作用。但未考虑污染物对作物毒害的差别，难以反映污染的质变特征[14]。

3.3 地质积指数法

地质累积指数法是德国科学家Muller在1979年提出的利用某一种重金属含量与地球化学背景值的比较来确定土壤重金属污染水平的定量指标，表达式为:

其中：Ci：实测浓度(mg/kg)；Bi：地球化学背景值(mg/kg)；1.5为修正指数，是修正造岩运动可能引起的背景值变动[15]。Igeo值越大，说明污染程度越重。

地质累积指数法既体现了自然地质过程造成背景值影响，也体现了人为活动对重金属分布的自然变化特征以及人为活动对环境的贡献，目前在评价土壤重金属污染领域被广泛应用，但其只能评价单因子的污染程度，不能评价区域综合污染水平和多因子污染水平[16]。

3.4 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法把重金属的生态效应、环境效应和毒理学效应联系起来，侧重于重金属污染和生态危害的关系，消除了区域差异影响，体现了生物有效性和相对贡献及地理空间差异。此方法综合反映了对生态环境影响的潜力，定量划分重金属对生态环境的潜在危害程度，有效预测土壤环境污染，但这种方法加权带有主观性。

3.5 污染负荷指数法

污染负荷指数法(PLI)能够对土壤重金属污染程度进行分级，不是评价单一元素污染，而是对单一点和区域进行污染程度评价。单一污染点和区域的污染程度公式分别为：

其中，Cfm为某一金属元素的实测值/背景值；P为单一点污染负荷指数；Parea为区域污染负荷指数。P和Parea值越大，此点或区域的污染程度越严重。

污染负荷指数法能够直观地反映各重金属元素对污染的贡献大小以及重金属在时空的变化趋势，应用广泛，但未考虑不同污染源所引起的背景差别和重金属的化学活性及生物可利用性。

上述各种评价方法各有各的适用范围、评价目的，在评价时为达到更好的评价效果要合理选择土壤中重金属潜在危害的评价方法。柴庆伟等采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对乌鲁木齐地区蔬菜产地土壤的重金属含量进行了研究，结果表明乌鲁木齐地区蔬菜产地土壤重金属污染物的平均含量低于标准，适宜于作为无公害农产品的种植基地，但在一定程度上受到了重金属污染物的影响[22]。胡世玮等对杨凌地区的19个蔬菜产地的土壤重金属污染情况采用潜在危害指数法、地质累积指数法等进行了评价，发现本区域污染总体评价为中等程度污染，Pb和Hg是采样点土壤重金属污染风险的主要来源因子[23]。

4 蔬菜产地土壤重金属源解析

蔬菜产区重金属污染主要源于污水灌溉、农业投入品(化肥、畜禽粪便和农药)携带、大气沉降等，例如Cd、Cu和Zn污染一般由于施肥过度所致，Hg、Pb主要源于各类杀虫剂、除草剂等农药残留，源解析方法主要采用多元统计分析、空间识别和化学形态分析[24]。

4.1 基于多元统计分析的源解析

多元统计分析通常用来辨别土壤污染源，也是土壤重金属源解析常用的定性分析方法，主要包括相关性分析、聚类分析(CA)等分析手段，能够在多个变量相关联的情况下分析统计规律，从而识别重金属的来源途径。相关性分析通过检验重金属成对数据间的相似性来研究含量相关性，从而推断重金属的来源是否接近或一致,聚类分析对土壤重金属间环境质量进行有效分析，将重金属分成不同的组，分析不同组的重金属来源[25]。

4.2 基于空间识别的重金属源解析

空间分布法适用于分析研究区重金属污染分布差异性，通过土壤重金属的时空差异性定性推断重金属来源[26]。Arcgis地统计模型通过克里格插值方法对实测数据进行线性、无偏、最小估计方差的估计，考虑了土壤重金属空间分布特征及变异规律，实现分布的可视化表达。空间分布法适用于分析土壤重金属污染分布的时空差异性，但在污染差异小的情况下无法有效识别重金属来源。

4.3 基于化学形态的源解析

不同赋存形态的重金属在环境中有不同的活性，对迁移活动性起到了重要影响。土壤重金属形态分级方法按《生态地球化学评价样品分析技术要求》，分为7种形态：水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐植酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机质结合态和残渣态，也可将7种形态统分为可利用态、潜在可利用态和不可利用态[27]。通过重金属元素化学形态分析对土壤重金属进行源解析的方法属于一种定量分析方法。通过对土壤重金属不同的形态分配比例差异进行分析，各形态分配比例差异较大的原因一般与自然因素及人为因素相关:酸可溶态重金属差异较大主要因为与人类活动和土壤pH值相关；可还原态重金属主要与人为活动相关；可氧化态重金属一般主要受人类活动、植被发育以及风化过程中有机质含量变化影响[28]。采用化学形态分配比例差异方法对土壤重金属进行源解析，适用于简单识别自然来源和人为来源，但对具体识别来源途径有一定的局限性。上述方法各有利弊，一般同时使用两种及以上方法，互相补充和验证。

张景茹等对广东省顺德地区的土壤-蔬菜系统的重金属含量和化学形态进行了研究，并采用了Spearman相关性分析法评估了重金属含量在蔬菜与土壤中的相关性，应用聚类分析方法评估了土壤中重金属各形态含量和蔬菜重金属含量的相关性，发现土壤中重金属含量均值大于背景值2倍，但蔬菜重金属含量一般都低于最新食品卫生标准，结果表明，蔬菜中重金属含量与土壤中重金属可利用态含量显著相关，其次是潜在利用态，而重金属总量和不可利用态和蔬菜中重金属含量没有显著相关性[27]。

姜丽娜等用GIS技术研究了浙江省湖州市长兴县蔬菜产地土壤重金属污染状况，发现Hg、Cd污染呈明显的区域空间分布特征，并与乡镇工业区分布一致，得到工业污染是引起蔬菜产地土壤重金属超标的重要原因[29]。

刘苹等对山东省露地蔬菜产地的土壤进行了重金属含量抽样调查，对3个主要蔬菜产地重金属含量进行相关性分析，发现各重金属之间多呈现正相关关系，其中Cd和Zn、Cu和Zn、Pb和Cr之间的相关性达到了极显著水平[30]。

5 小 结

我国蔬菜产区土壤的重金属污染状况各地程度不同，学者对其进行了大量的研究。在蔬菜产地重金属污染的研究中，主要存在以下几个方面的问题：

5.1 目前我国还没有土壤重金属污染评价的统一分级标准，一般采用《土壤环境质量标准》的土壤重金属限值。此标准对保障食品安全起到了积极作用，但本标准对全国土壤仅从自然保护区、农田和林地土壤3种利用类型进行了分类，没有针对不同土壤类型和作物种类，难以客观准确评价蔬菜产地的安全性。

5.2 重金属有效态指标的可靠性取决于有效量测定的可靠性，有效态含量指标研究非常重要，而目前尚无重金属有效态提取和测定的标准方法。