乌拉特灌域北部农田土壤重金属污染特征及生态风险分析

田志强，韩翠莲，霍轶珍

（河套学院土木工程系/内蒙古自治区河套灌区灌溉排水工程技术研究中心，内蒙古巴彦淖尔 015000）

土壤是保障我国农业可持续发展至关重要的自然资源，也是生态和环境保护的重要对象。但是，随着经济社会的发展，土壤污染日益突出，特别是土壤重金属污染已成为世界各国面临的主要环境问题之一[1]。欧洲农田土壤受重金属污染面积达数百公顷，日本农田土壤受重金属污染面积达7万hm2以上。根据2014《全国土壤污染状况调查公报》[2]显示，我国土壤总的点位超标率为16.10%，无机污染物超标点位占比82.80%，其中19.40%耕地土壤点位超标，高于其他土地利用类型，且耕地土壤的主要污染物为重金属，说明我国土壤环境总体并不乐观。

我国对土壤重金属污染的研究大部分集中于城市及其郊区、矿区和工业区，农田土壤重金属污染方面的研究相对较少[3]。但随着工业化进程的不断加快，土壤污染范围已经开始从城市向农村扩大，农田土壤重金属污染状况、污染机理及其修复越来越受到学术界和政府的关注[4]。因此，研究农田土壤重金属污染对评估农田土壤环境质量、农产品的产量与质量安全以及人类健康都具有重要意义。目前，与农田土壤重金属污染相关的土壤环境质量评价国内多以《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）或当地的土壤背景值为参考，自2018年8月1日起，《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[5]已代替GB 15618—1995正式实施，但以GB 15618—2018为评价标准发表的论文并不多。

河套灌区作为我国和内蒙古自治区重要的商品粮、油生产基地，农田土壤环境质量尤为重要。本文以河套灌区乌拉特灌域北部农田土壤为研究对象，采用最新发布的GB 15618—2018，对重金属含量和污染特征进行分析，评价潜在生态风险，对管控研究区土壤污染风险、保障粮食安全和人体健康、防御和治理环境污染具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于内蒙古河套灌区乌拉特灌域的北部。乌拉特灌域西起总干四闸，东至包头郊区，南临黄河，北接义长灌域，东西长约110km，南北宽约40km，规划灌域面积11万hm2，引黄灌溉面积8万hm2，年均引水量4.3 亿m3。灌域地形北高南低、西高东低，海拔在1 010～1 030 m。灌域属典型的温带大陆性气候，年平均降水量约为270 mm，年平均蒸发量约为2 380 mm，年平均气温7.9℃，年平均风速6.64 m/s，年日照时数3 187 h。灌域以农业为主，主要种植甜菜、油料、蔬菜瓜果、粮食作物等，灌域土壤盐碱化严重，耕地类型包括水浇地和旱地[6-7]。

1.2 土壤样品的采集与分析

1.2.1 样品采集 采用系统随机布点法，按照5km×5km 网格划分，于2016年5月中旬采集研究区表层土壤（0～20 cm）共33个混合样品，如个别点遇到无法采样的可稍做移动就近选择可以采样之处（图1）。先用铁锹铲出一个20 cm以上的耕作层断面，再用竹片将断面刮平并在平行断面下铲取垂直20 cm的土样，并剔除草根、石砾等可见杂物，用四分法去掉多余土样，保留1 kg 左右，装入聚乙烯自封袋带回实验室自然风干，过150 μm 尼龙筛后进行土壤相关指标的测定。

图1 乌拉特灌域北部土壤采样点分布

1.2.2 样品重金属分析方法 Hg、As 采用原子荧光光度法测定，Pb、Cd 采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Cr 采用火焰原子吸收分光光度法测定[5，8]。

1.3 评价标准与评价方法

1.3.1 评价标准 依据中华人民共和国生态环境部颁布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[5]进行评价。GB 15618—2018 规定了农用地土壤污染风险筛选值和管制值两类标准值，具体标准值依照土壤pH值大小取值。研究区土壤pH值＞7.5，结合《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）[9]，故采用如下标准值（表1）。

表1 研究区土壤污染风险管控标准mg/kg

1.3.2 土壤污染风险筛查与管控类型划分 GB15618—2018将农用地土壤污染风险划分为低、可能、高3个级别，农用地安全利用划分为优先保护类、安全利用类、严格管控类[10]。重金属含量全部等于或者低于风险筛选值时，土壤污染风险低，属优先保护类；重金属含量任意一个介于风险筛选值和管制值之间时，可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，属安全利用类；重金属含量任意一个高于风险管制值时，土壤污染风险高，属严格管控类。

1.3.3 潜在生态风险指数法 潜在生态风险评价法是瑞典学者HAKANSON[11]于1980年建立的一种评价重金属污染及生态危害的方法，该方法既可以评价单一重金属元素风险程度，又可以评价多种重金属元素的综合风险程度[12]，计算公式如下[13]：

式中，RIj为j 样点多种重金属综合潜在生态风险指数；Eji、Cji、cji分别为j 样点重金属i的单项潜在生态风险指数、污染指数、含量；cri为重金属i的参比值，本研究以GB 15618—2018 中土壤污染风险筛选值为参比值；Ti为重金属i的毒性系数，Cd、Hg、As、Pb、Cr的毒性系数分别为30，40，10，5，2[14]。重金属潜在生态风险分级标准见表2。

表2 重金属潜在生态风险分级标准

1.4 数据处理

试验数据先用Excel 2010软件进行整理，再用SPSS 19.0软件进行数理统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属的描述性统计

由表3可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr 含量分别为0.003～0.595，0.010 8～0.115 0，1.43～3.91，3.03～40.70，1.70～116.00mg/kg，平均含量分别为0.168，0.031 9，2.33，13.70，48.10mg/kg。对比表1可知，各点位所有重金属含量均低于农用地土壤污染风险管控风险筛选值，说明研究区农田土壤污染风险低，可忽略这5种重金属对农产品质量安全、农作物生长和土壤生态环境的不利影响，研究区农田土壤应加大力度优先保护。参照河套地区土壤背景值[15]，只有Cd的平均含量高于其土壤背景值，超出1.4 倍，Hg、As、Pb、Cr的平均含量均未超过河套地区土壤背景值；从各元素的最大含量值与其背景值对比看，Cd、Pb、Cr 含量的最大值高于背景值，说明这3种元素存在点位超标现 象，Cd、Pb、Cr的点位超背景值比例分别为54.50%，15.20%，21.40%；由于背景值是指一定时期、一定区域未受现代工业明显污染和破坏的土壤固有的元素含量[16]，表明研究区农田土壤环境已受到人类活动影响。

变异系数（CV）是表征样品空间变异程度的一个指标，能在一定程度上反映样品受人为影响的程度。当CV＜10%时，为弱变异性；当CV在10%～100%时，为中等变异性；当CV＞100%时，为强变异性[17]。土壤重金属描述性统计（表3）表明，Cd、Hg、As、Pb、Cr的变异系数分别为98%，76%，26%，63%，74%，均属于中等变异，受人为影响大小顺序为Cd＞Hg＞Cr＞Pb＞As，其中Cd 受人为活动影响最强烈。

2.2 潜在生态风险指数评价

由表4可知，研究区农田土壤5种重金属单项潜在生态风险指数平均值分别为Cd（8.39）、As（0.93）、Pb（0.40）、Cr（0.38）、Hg（0.28），其中Cd的潜在生态风险指数相对于其他4种重金属较大。从各元素单项潜在生态风险指数最大值可知，32个样点的5种重金属的潜在生态风险指数均小于40，属于轻微风险水平。

表3 土壤重金属各项指标统计结果

研究区农田土壤重金属综合潜在生态风险变化范围在1.03～33.04，平均值为10.39，潜在生态风险属于轻微水平，说明研究区农田土壤受重金属污染不大。

表4 农田土壤潜在生态风险评价结果

3 结论与讨论

河套灌区乌拉特灌域北部农田土壤Hg、As、Pb、Cr 平均含量低于地区背景值，但Cd、Pb、Cr 在一些点位存在富集效应，其中Cd 由于受人为影响较大导致富集效应突出。依据GB 15618—2018，研究区农田土壤污染风险筛查结果为低，农用地安全利用为优先保护类。潜在生态风险指数评价结果进一步表明，研究区农田土壤污染风险较低，为轻微生态风险水平。

以上结论与我国农田重金属污染特点一致，而Cd 超标率相对较高的原因可能与地区土壤背景值偏严有关，河套地区土壤Cd 背景值为0.116mg/kg。与本地区相比，美国农田土壤Cd 背景值为0.270mg/kg[18]，英国土壤Cd 背景值为0.700mg/kg[19]，荷兰为0.500mg/kg[20]，瑞典为0.240mg/kg[21]。

不同程度重金属污染土壤应根据评价的风险等级不同而采取不同安全利用与修复技术。针对轻微生态风险水平的农田土壤，根据当前我国农田重金属污染修复的实践，河套灌区乌拉特灌域北部区农田土壤安全利用技术应从低吸收作物品种的筛选与田间应用、水肥管理调控及农艺措施等安全利用技术或不同技术组合等多方面考虑。