贵州火龙果主产区典型重金属的分布特征及风险评价

柴冠群，敖 明，杨 珊，左栋青，范成五*

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.罗甸县农村工作局，贵州 罗甸 550100；3.关岭县农业局，贵州 关岭 561300)

【研究意义】近年来，随着经济和社会的发展，农业用地急剧减少，为加强土地的使用效率，提高作物产量，生产上大量投入化肥、有机肥、农药和农膜等农资产品，尤其是含重金属的农资产品的常年投入，导致土壤中重金属不断累积，甚至威胁农业生态环境和农产品质量安全，影响现代农业经济的可持续发展[1-2]。同时，随着人们生活水平的提高，人们更加关注果品的质量问题，对果品的质量安全要求不断提高，越来越重视绿色食品和无公害果品土壤环境质量的监测与评价[3]。贵州作为国家火龙果主产地之一，目前发展面积约6667 hm2[4]，而贵州是一个碳酸盐岩广泛分布的地理区域，土壤重金属本底含量较高。果园土壤环境是果树生长的基础，土壤重金属含量是绿色食品产地环境监测中的一项重要指标[5]，重金属累积到一定程度不仅会威胁果园土壤环境，进而影响果树的生长发育和果品品质，且还会通过食物链进入人体，威胁人体健康。【前人研究进展】目前，关于贵州土壤重金属相关方面的研究多集中在矿区周边农田土壤[6-7]、茶园土壤[8-9]等重金属累积特征及评价。【本研究切入点】鲜见关于果园土壤重金属相关方面的研究报道，尤其是火龙果园地。【拟解决问题】为此，选择关岭、罗甸、望谟、贞丰和镇宁县5个火龙果主产区，结合《NY/T 391-2013 绿色食品产地环境质量标准》和贵州省土壤重金属含量背景值，研究各产区典型重金属As、Hg、Pb、Cd和Cr的含量特征，并对其污染状况进行评价，以期为贵州省火龙果产业可持续发展和果园生态系统环境质量改善提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 样品 土壤样品121个，火龙果样品50个，均采自关岭、罗甸、望谟、贞丰和镇宁县具有代表性的果园，不同地点采样情况见表1。

1.1.2 仪器与试剂 电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES：Prodigy型)，利曼仪器有限公司；原子荧光分光光度计(AFS-230E)，北京海光仪器公司。采用GSS-1和GSB-5标准物质进行质量控制，试验用水均为去离子超纯水。

1.2 方法

1.2.1 样品采集 根据贵州省火龙果主产区的分

布状况，于2017年7月对关岭、罗甸、望谟、贞丰和镇宁县具有代表性的果园，选择远离公路区域，用GPS定位，划定10 m×10 m的采样区，在4个顶点和中心处取表层土壤(0～20 cm)混合样1 kg，带回实验室经风干、磨碎后过100目筛，密封、干燥保存，并取中心处火龙果样品带回实验室，用自来水清洗1次，用去离子水冲洗3次，吸水纸吸干表面水分，果肉部分用木勺挖出，取适量用于测定其重金属含量。

1.2.2 项目测定 土壤和火龙果样品消煮：称取过100目筛土壤样品0.5 g于聚四氟乙烯坩埚中，加入混合酸(HF-HClO4-HNO3)进行消解。称取3.000 g火龙果样品于三角瓶中，加入HNO330 mL浸泡过夜后，在电热炉上低温消解，随后加入2 mL HClO4继续消煮完全[10]。

土壤和火龙果重金属元素(As、Hg、Pb、Cd和Cr)的测定：Pb、Cd和Cr采用电感耦合等离子发射光谱仪测定，As和Hg采用原子荧光分光光度计测定。所有试验用品均经稀酸和王水浸泡，减少器皿对重金属的吸附，试验用水均为去离子超纯水。每批样品各有3个空白样品和标准物质(GSS-1和GSB-5)与样品同步进行分析。

1.3 评价标准

研究以贵州省土壤重金属背景值作为判断土壤重金属是否存在累积的标准，贵州省土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr的背景值分别为20、0.11、35.2、0.659和95.9 mg/kg[11]；以《NY/T 391-2013 绿色食品产地环境质量标准》(以下简称“标准”)作为评价土壤是否污染以及是否需要进行修复的依据，As、Hg、Pb、Cd和Cr的标准值分别为25.00、0.25、50.00、0.30和120.00 mg/kg。

1.4 土壤污染评价方法

采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数相结合方法[12]对贵州主要火龙果产地土壤5种重金属进行污染评价。单因子污染指数(Pi)和内罗梅综合污染指数(PN)计算公式如下：

(1)

(2)

表1 样品采集信息

表2 土壤重金属单因子污染指数(Pi)与综合污染指数(PN)分级

式中，Pi表示第i个重金属元素的单因子污染指数，Ci表示第i个重金属元素的实际测量值(mg/kg)，Si表示第i个重金属元素的参比值(mg/kg)；PN表示内罗梅综合污染指数，Pimax表示5种重金属中单因子污染指数最大值，Piavg表示5种重金属的单因子污染指数平均值。土壤重金属单因子污染指数和综合污染指数分级标准见表2。

1.5 数据处理

采用Excel 2010对数据进行处理，SPSS 22.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 主产区土壤及火龙果果实的重金属含量

2.1.1 区域土壤 从表3看出，贵州省火龙果主产区土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr的平均含量分别为14.00、0.10、25.20、0.31和74.03 mg/kg。其中，土壤As、Hg、Pb和Cr平均含量均未超过标准限定值，仅土壤Cd含量略高于标准限定值；但个别样点土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量超过标准限定值，其超标率分别为9.09 %、4.96 %、2.48 %、20.66 %和4.96 %。与背景值相比，土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr的含量均低于背景值，经单样本T检验分析，As、Pb、Cd和Cr含量与背景值呈极显著差异(P<0.01)，Hg含量与背景值差异不显著。

2.1.2 不同产地土壤 从表4可知，与标准限定值相比，关岭县土壤Cd含量超标，贞丰县土壤As超标，罗甸、望谟和镇宁土壤重金属均未超标。经与背景值显著性分析，关岭县土壤As、Hg显著低于背景值含量(P<0.05)，Pb、Cd和Cr含量与背景值差异不显著，Cd含量约是背景值的1.7倍；罗甸县土壤As、Pb、Cd和Cr含量显著低于背景值含量(P<0.01)，Hg含量高于土壤背景值，但是差异不显著；望谟县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量均显著低于土壤背景值(P<0.01)；贞丰县土壤Pb、Cd和Cr含量显著低于土壤背景值(P<0.05)，As和Hg含量高于土壤背景值，但是差异不显著；镇宁县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量均显著低于土壤背景值(P<0.01)。不同产地比较，贞丰县土壤As和Hg含量最高，分别为29.77和0.189 mg/kg，分别是背景值的1.5倍与1.7倍；关岭县土壤Pb、Cd和Cr含量最高，分别为34.236、1.122和93.11 mg/kg，分别是背景值的0.97、1.7与0.97倍。

表3 研究区域土壤重金属的(平均)含量

注：区域土壤重金属含量是指关岭、罗甸、望谟、贞丰和镇宁县整个研究区域的平均含量，**表示与背景值差异极显著(P<0.01)。

Notes: The content of regional soil heavy metals is the average content of total survey area from Guanling, Luodian, Zhenfeng and Zhenning counties. ** indicates the significance of difference atP<0.01 level.

表4 主产区不同产地土壤重金属的含量及其与背景值差异的显著性

注：*表示与背景值差异显著(P<0.05)，**表示与背景值差异极显著(P<0.01)。

Notes: * and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.P<0.05:The significance，P<0.01:The extremely significance.

表5 主产区不同产地火龙果果实重金属的含量

2.1.3 不同产地火龙果果实 从表5可知，贵州省火龙果主产区不同产地火龙果果实重金属含量均极低。其中，贞丰县火龙果果实As和Hg含量均最高，分别为0.0374和0.0023 mg/kg，关岭县火龙果果实Pb、Cd和Cr含量最高，分别为0.0059、0.0111和0.0408 mg/kg，与各区域土壤中重金属含量的变化趋势一致。

2.2 相关性分析

通过对研究区土壤、火龙果各重金属含量进行相关性分析，可了解各重金属之间的相似性，能在一定程度上说明重金属的来源是否一致，重金属间相关性显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)，说明重金属间一般具有同源关系或复合关系。

从表6可知，5种重金属中多种重金属之间具有显著或极显著相关性，说明贵州省火龙果主产地土壤同时受多种重金属污染的可能性较大，即土壤污染存在复合污染特性。经相关性分析，土壤As含量与Pb含量呈显著相关(P<0.05)，与Cr极显著相关(P<0.01)；土壤Cd含量与Pb、Cr含量均呈极显著相关(P<0.01)，土壤Cr含量与Hg含量呈显著相关(P<0.05)。因此，贵州省火龙果主产区可能存在As与Pb、As与Cr、Hg与Cr、Pb与Cr、Cd与Cr、Cd与Pb复合污染的情况；火龙果与土壤Pb和Cd含量呈显著正相关，说明，随着土壤Pb含量和Cd含量的增加，果实中Pb含量和Cd含量也增加，但火龙果与土壤中As、Hg和Cr含量相关性不显著。

表6 研究区域土壤与火龙果重金属含量间的Pearson相关性矩阵

注：*表示相关性显著(P<0.05)，**表示相关性极显著0.01(P<0.01)，S代表土壤，H代表火龙果。

Notes: * and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively. S and H mean soil and pitaya separately.

2.3 土壤污染评价

从表7可知，关岭县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr的单因子污染指数(Pi)分别为0.172～1.328、0.104～0.524、0.351～0.820、0.278～4.850和0.460～0.965，综合污染指数(PN)为0.421～4.514，部分样点As含量轻度污染，样点占比约13.3 %，部分样点Cd含量重度污染，样点占比约26.6 %，部分样点Pb、Cr含量为尚清洁，虽不影响作物的正常生长发育，但污染已处于安全警戒状态，样点占比分别为33.3 %和46.7 %，综合污染程度为清洁污染以上的样点占比约46.7 %；罗甸县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量的单因子污染指数分别为0.105～0.947、0.148～1.324、0.183～0.671、0.193～1.863和0.388～0.953，综合污染指数范围为0.442～1.473，部分样点Hg、Cd含量轻度污染，分别占4 %和12 %，部分样点As、Cr含量为尚清洁状态，分别占4 %和20 %，综合污染程度为轻度污染以上的样点约占8 %；望谟县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量的单因子污染指数分别为0.101～2.442、0.104～0.400、0.249～0.780、0.133～0.594和0.369～0.693，综合污染指数为0.317～1.814，部分样点As含量中度污染，As含量轻度污染以上样点约占6.4 %，部分样点Pb含量为尚清洁，占3.3 %，综合污染程度为轻度污染水平的样点约占6.4 %；贞丰县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量的单因子污染指数分别为0.169～2.271、0.148～1.472、0.387～0.675、0.100～1.901和0.461～1.126，综合污染指数为0.441～1.715，部分样点As含量中度污染，约占15 %，部分样点Hg、Cd和Cr含量轻度污染，Hg、Cd和Cr含量轻度污染样点分别占15 %、15 %和40 %，综合污染程度为轻度污染的样点占45 %；镇宁县土壤As、Hg、Pb、Cd和Cr含量的单因子污染指数分别为0.200～0.548、0.099～0.232、0.333～0.657、0.167～0.960和0.390～0.638，综合污染指数为0.352～0.769，镇宁县5种重金属污染程度整体表现为清洁状况。总体上看，关岭县火龙果园土壤重金属污染程度最为严重，镇宁县土壤状况最好，全部为清洁。

表7 主产区不同产地土壤重金属的污染指数

注：变异系数的单位为 %。

Notes: The unit of variable coefficient is %.

3 讨 论

研究结果表明，贵州省火龙果主产区As、Pb、Cd和Cr含量均极显著(P<0.01)低于贵州土壤背景值含量，这是因为随着常年农作物的种植，部分土壤As、Pb和Cr含量可能随农作物富集作用被移出土壤，也有可能是山区土壤受地表径流的影响，土壤重金属随雨水迁移，降低了山地火龙果土壤重金属的含量[13]。不同产地土壤重金属含量与贵州土壤重金属含量背景值比较，贞丰县As和Hg含量较高，关岭县Cd含量较高。贞丰县为贵州省典型的煤矿区[14]，土壤As和Hg含量经常与煤矿伴生存在，可能是贞丰县As和Hg含量较高的主要原因，高杨等[15]对宿州市朱仙庄煤矿区农田污染风险评价发现，土壤As含量明显高于背景值含量，且煤矿周边农田土壤重金属含量明显高于外围农田。耿丹[16]对织金县煤矿区土壤与农作物重金属污染风险评价发现，矿区Hg含量对土壤重金属污染的贡献最大。关岭县火龙果基地周边无工矿企业，多为碳酸盐发育土壤。郑国东[17]研究表明，碳酸盐发育土壤Pb、Cd和Cr含量较高，尤其Cd含量较高。Cd含量也有可能来源于农事活动。刘子龙等[18]对石河子葡萄园区土壤重金属调查发现，由于化肥农药及使用含Cd叶面肥，造成土壤Cd的累积。汤民等[19]研究表明，使用含Cd磷肥也是造成土壤重金属累积的一个原因。关岭县火龙果重金属Cd含量最高，火龙果与土壤Cd含量呈显著正相关，说明随着土壤Cd含量的增加，火龙果Cd含量显著增加。汤民等[19]研究表明，施用氮肥，尤其是铵态氮肥是加速土壤酸化的一个重要原因[20]，土壤pH降低会造成土壤中被固定的重金属被活化，有利于被植物吸收。

4 结 论

以绿色食品产地环境技术标准为评价标准，贵州省火龙果主产区不同产地土壤部分样点存在轻度污染风险，以关岭县土壤重金属污染程度最严重(PN=1.598)，综合污染程度为清洁污染以上的样点约占46.7 %；镇宁县土壤状况最好，全部清洁。各产区火龙果与土壤重金属含量表现一致，关岭县Pb、Cd和Cr含量最高，贞丰县As和Hg含量最高，火龙果果实重金属含量受土壤重金属含量影响，虽然部分土壤存在重金属污染，但是火龙果果实重金属含量极低，不会对人体健康造成危害，火龙果果实重金属含量随土壤重金属含量的增加而增加。为确保火龙果园长期安全生产，应注意控制和消除果园土壤重金属积累，防止污染加重，尤其是关岭县火龙果产地土壤Cd含量应引起重点关注。