云南省个旧市农产品产地土壤重金属污染与生态风险评价

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(1.云南省农业科学院 生物技术与种质资源研究所/云南省农业生物技术重点实验室/农业部西南作物基因资源与种质创制重点实验室,云南 昆明 650231；2.云南省农业科学院 经济作物研究所,云南 昆明 650231)

0 引 言

个旧市位于云南省南部，是云南省重要农业生产区，其大屯坝是云南省重要商品粮生产基地。个旧市同时也是我国锡矿主要生产基地，其矿床共伴生铅、砷、锌、钨、钼等多种金属。矿业活动造成大量重金属污染物进入周边农田土壤[1-3]，农产品重金属超标较为普遍[4-5]，居民食用本地农作物引起重金属健康风险较高[6-7]。许多学者对个旧市矿区及影响区土壤重金属污染程度和对环境的影响进行了大量研究[8-10]，但缺乏对个旧市农产品产地土壤污染情况和农产品产地的生态风险评价。本研究拟通过对个旧市主要农产品产地耕层土壤进行采样检测分析，运用单因素污染指数、內梅罗污染指数及潜在生态危害指数法，分析个旧市农产品产地土壤重金属污染情况并对个旧市农产品产地重金属污染程度及生态风险进行评价，为个旧市农产品产地土壤污染防治和保障农产品安全提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样点设置

云南省个旧市呈现北坝南山的分布特点，划分为锡城镇、沙甸镇、鸡街镇、大屯镇、老厂镇、卡房镇、贾沙乡、保和乡和蔓耗镇9个行政区。个旧市耕地共1.63×104hm2，农产品产地主要分布在坝区的鸡街镇、大屯镇、沙甸镇及山区的贾沙乡、保和乡和卡房镇。而锡城镇靠近市区，在城市扩建中已无连片耕地，老厂镇分布众多小型尾矿库[11]，蔓耗镇位置偏远，且林地多耕地少。因此，将取样点设置在鸡街镇、大屯镇、沙甸镇、卡房镇、贾沙乡和保和乡。为保证样品的可靠性，样点设置均选择在大面积种植的农业生产村寨，排除尾矿库等非传统农业生产区。共采集了 50 个村寨561份耕层土壤样品，采样村寨分布见图 1 所示。

1.2 样品采集、分析与数据处理

取样依据《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY/T 395-2000)的要求，用梅花形布点法取混样，混样含5～10个分样，每个村寨至少取3个以上混样。

土壤样品通过四分法保留1 kg，过100 目尼龙网筛，准确称取0.1 g土壤样品经消化处理后进行砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)和锌(Zn)含量测定。Cd、Pb采用石墨炉原子吸收光谱法(GB/T17141-1997)，As 采用氢化物-原子荧光光谱法(GB/T 22105.2-2008)，Cr、Zn采用火焰原子吸收光谱法(GB/T17137- 1997)。检测过程中加入国家标准土壤参比物质(GSS- 1及GSS- 6)进行质量控制。土壤pH采用2.5∶1 水土比，玻璃电极法测定。

数据采用EXCEL和SPSS 21.0软件分析处理。

1.3 评价标准和方法

参照国家土壤风险筛选值(GB15618-2018)(表1)，依据土壤pH值及类型(水田和旱地)，运用单项污染指数、内梅罗综合污染指数[12]对个旧市农产品产地耕层土壤质量进行评价；以云南省土壤质量背景值作为参比值(表1)，运用潜在生态危害指数法(表2)[13-15]对个旧农产品产地生态环境进行评价。

(1)单项污染指数法

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为单项污染物的污染指数；Ci为污染物实测浓度；Si为污染物评价标准或参考值。当Pi≤1时，表示未污染；当13时，表示重度污染。

(2)内梅罗综合污染指数法

(2)

式中：Pimax为土壤污染物中污染指数最大值；Piave为土壤各污染指数的平均值。当P综<0.7时，表示安全；当0.73时，表示重度污染。

(3)潜在生态危害指数法

(3)

表1土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准
Table 1 Soil environmental quality risk control standard for soil contamination of agricultural land

项目Item土壤类型Soil typepHAs/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)Zn/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)土壤风险筛选值 Soil risk screening values水田Paddy soil旱地Arid soil≤5.5300.3250200805.5～6.5300.42502001006.5～7.5250.6300250140>7.5200.8350300240≤5.5400.3150200705.5～6.5400.3150200906.5～7.5300.3200250120>7.5250.6250300170土壤风险管制值Soil risk control standard≤5.52001.5800-4005.5～6.51502.0850-5006.5～7.51203.01 000-700>7.51004.01 300-1 000云南省土壤质量背景Background value in Yunnan Province18.40.2265.240.689.7重金属元素毒性系数Toxicity coefficient of heavy metal1030215

备注：-代表未规定。

Note:- means no stated.

表2 重金属污染潜在生态危害指标与分级关系Table 2 Heavy metal classification standard of potential ecological risk

2 结果与分析

2.1 云南省个旧市农产品产地耕地类型及pH值范围

采样村寨均为耕种多年的农业生产区，根据耕地类型及灌溉条件分为水稻田、水浇地、梯田、干旱坝区(旱地)和山坡地。其中有灌溉条件的28个村寨，按水田(含水稻田、水浇地和梯田)标准进行评价；无灌溉条件的22个村寨，按旱地(干旱坝区和山坡地)标准进行评价。对采样村寨土壤进行统计及pH值测定(表3)，结果表明，个旧市农产品产地耕层土壤pH值在4.50～7.92，均值为6.45，水田和旱地的pH平均值为6.52和6.36。大屯镇、鸡街镇以水田为主，pH 平均值为6.71和6.85；卡房镇、贾沙乡、保和乡和沙甸镇以旱地为主，pH 平均值分别为6.29、5.94、6.10和6.25。

2.2 云南省个旧市农产品产地污染特征

个旧市农产品产地耕层土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn平均值分别为129 mg·kg-1、1.60 mg·kg-1、104 mg·kg-1、212 mg·kg-1和249 mg·kg-1，均显著高于云南省土壤重金属背景值(表1)，耕层土壤存在重金属积累现象(表3)。与国家土壤风险筛选值(GB15618-2018)(表1)比较，农产品产地耕层土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn的超标位点分别为80%、88%、2%、68%和18%。个旧市农产品产地耕层土壤整体表现为As、Cd和Pb超标，部分村寨还存在Cr、Zn超标现象。其中大屯镇、鸡街镇和卡房镇表现为As、Cd和Pb超标，沙甸镇表现为As、Cd、Pb和Zn超标，贾沙乡和保和乡仅部分村寨As或Cd超标。

表3 不同采样区内土壤重金属的浓度Table 3 Soil heavy metal concentrations from different sampling areas in Gejiu City

2.3 云南省个旧市农产品产地土壤重金属污染评价

个旧市农产品产地耕层土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn的单因子污染指数(表4)为4.31、6.73、0.44、0.79和1.05，污染程度依次是：Cd>As>Zn>Pb>Cr，其中Pb、Cr整体未超出国家标准。农产品产地污染程度为：沙甸>大屯>鸡街>卡房>保和>贾沙。其中沙甸为As、Cd、Zn重度污染，Pb中度污染；鸡街和卡房为As、Cd重度污染，Pb中度污染；大屯为As、Cd重度污染，Pb轻度污染；保和为Cd轻度污染。个旧市农产品产地耕层土壤整体表现为重度污染，主要污染物为As、Cd重度污染，Pb中度污染，内梅罗综合污染指数为6.1。

个旧市农产品产地耕层土壤污染位点占总采样点的86%(图1)，重度污染、中度污染和轻度污染分别占56%、18%和12%。污染最严重的村寨Pi综高达72.1，PiCd、PiAs和PiPb最高分别达到99.3、19.8和16.1，已不适合进行农产品生产。个旧市农产品产地土壤重金属污染程度主要集中在北部坝区及卡房矿区周边农业生产区。鸡街镇、大屯镇、卡房镇及沙甸镇主要表现为重度污染；保和乡、贾沙乡的村寨为警戒及安全水平。

表4 个旧市不同地区土壤污染状况评价Table 4 Soil pollutions assessment for different sampling areas in Gejiu City

个旧市5种不同类型耕地土壤重金属污染存在差异性，重金属污染程度表现为水浇地>水稻田>旱地>坡地>梯田(表5)。其中水浇地、水稻田和旱地为重度污染，坡地为中度污染，梯田为轻度污染。水浇地和旱地土壤重金属含量均显著高于梯田和山坡地，水稻田Cd含量显著高于梯田(P<0.05)。其中水浇地As、Cr及Pb污染均最高，水稻田Cd污染最高，旱地Zn污染最高。梯田土壤的重金属含量明显低于水稻田和水浇地，仅部分村寨存在Cd污染，土壤相对洁净。这主要是水浇地、水稻田和旱地土壤的采样点主要集中在鸡街镇、大屯镇及卡房镇等坝区，而坡地和梯田的采样点大部分位于山区，不同类型耕地土壤的重金属含量主要取决于与坝区污染源的距离。这与乔鹏炜[16]的研究结果大屯旱地污染高于水田有所不同。

表5不同类型农田土壤重金属污染状况评价
Table 5 Soil heavy metal pollutions assessment for different cultivated lands

重金属Heavy metal/(mg·kg-1)旱地Arid-land坡地Sloping land水浇地Irrigated land水稻田Paddy land梯田Terrace landPi旱地Arid-land坡地Sloping land水浇地Irrigated land水稻田Paddy land梯田Terrace landAs241 b52.8 a264 b94.6 ab17.1 aAs6.741.447.323.420.57Cd2.09 b0.87 a2.48 b2.88 b0.52 aCd6.362.816.858.131.39Cr94.7 ab97.9 ab112 b91.3 ab43.9 aCr0.570.620.660.360.18Zn548 b106 a320 ab156.8 a86.0 aZn2.530.501.500.700.43Pb258 ab125 a469 b164 a107 aPb2.661.334.831.381.26Pi综6.352.376.946.701.15污染程度重度中度重度重度轻度

注: 同行数据后不同小写字母表示处理间差异在0.05水平上显著水平。

Note: Data in the same row indicate significant differences between treatments at 0.05 level.

注：底图来源于云南省测绘地理信息局(www.ynbsm.gov.cn)。Note:Background map oringinates from Yunnan Bureau of Surveying,Mapping and Geoinformation.www.ynbsm.gov.cn.图1 个旧市农产品产地样点设置和重金属污染分布Fig.1 Distribution of soil sampling areas and their heavy metal pollutions in Gejiu City

2.4 云南省个旧市农产品产地生态风险评价

对个旧市农产品产地进行潜在生态风险分析(表6)，结果表明个旧市农产品产地潜在生态风险指数为319，表现为重度生态风险。从污染元素看，Cd为重度生态风险，As为中度生态风险、Cr、Pb和Zn为低度生态风险。从农业生产区域看，沙甸镇为重度生态风险，鸡街镇、卡房镇和大屯镇为中度生态风险，贾沙乡、保和乡为低度生态风险。鸡街镇、大屯镇为坝区平原，更是云南省商品粮重要生产基地，是蔬菜的主要生产基地，Cd、As易在水稻、蔬菜中积累富集，且均具有较高的毒性系数，因此个旧市农产品的生产安全应引起相关部门的高度重视。

3 结 语

(1)受矿业活动的影响，个旧市农产品产地土壤重金属含量有增加的趋势。本研究分析了个旧市农产品产地耕层土壤中5种重金属元素含量，其平均含量均高于云南省重金属背景值。个旧市农产品产地As、Cd和Pb含量超出国家土壤风险筛选值，局部村寨Cr、Zn也超出国家土壤风险筛选值。土壤As、Cd、Cr、Pb和Zn的超标率分别为80%、88%、2%、68%和18%。

(2)个旧市农产品产地土壤综合污染指数达到5.21，属于重度污染。As、Cd和Pb是主要污染物，污染指数分别为3.87、5.84和2.07。污染严重村寨主要分布在沙甸镇、鸡街镇、大屯镇和卡房镇等矿业发达区域，且水田污染程度高于旱地。

表6 个旧市农产品产地土壤的生态风险评价Table 6 Soil ecological risk assessment in agricultural production areas of Gejiu City

(3)50个采样村寨中56%为重度污染，18%为中度污染，12%为轻度污染；耕种类型重金属含量高低依次为水浇地>水稻田>旱地>坡地>梯田。

(4)个旧市耕地土壤(鸡街镇、大屯镇、卡房镇、贾沙乡和保和乡)的取样调查结果表明：个旧市农产品产地已属于重度风险生态，其中Cd 为重度生态风险，As为中度生态风险。