湘潭县农田土壤重金属污染及生态风险评价

刘瑞雪，乔冬云，王 萍，安 毅，霍莉莉*

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.吉林省农业环境保护与农村能源管理总站，长春 130021；3.贵州省农业资源环境管理站，贵阳 550001）

土壤资源是人类赖以生存的重要基础，其质量直接影响到人类健康、农产品品质和土壤环境[1]。受工业“三废”、城市生活、农用化学品投入等多种因素影响，导致土壤重金属含量增加，其污染已经成为全球性问题[2-3]。土壤重金属污染具有富集性、持久性和隐蔽性特征，并通过食物链危害人体健康，其生态风险危害不可小觑。2016年国家出台《土壤污染防治行动计划》，即“土十条”，土十条明确要求摸清农产品产地污染底数，掌握土壤环境质量状况，并在此基础上进行土壤污染风险管控，做到对农产品产地分级分区分类科学管理。鉴于此，2018年8月生态环境部发布了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），新标准直接针对农用地土壤污染风险管控给出风险筛选值和管制值及其使用描述，相比以往评价标准具有其先进性和现实意义。

目前，国内外学者对土壤重金属污染评价的研究主要集中在污染程度评价、风险评估、重金属污染对人体健康的影响、重金属污染空间分布特征及污染源解析方面[4-5]。例如，邹素敏等[6]运用单因子污染指数法和综合污染指数法对不同品种蔬菜重金属进行了污染评价；Hossain等[7]采用地累积指数法和多元统计法分析马来西亚Gebeng工业城的土壤重金属空间分布及来源；Santos-Francés等[8]采用地累积指数，改进的内梅罗指数和潜在的生态风险指数对秘鲁两个地区的污染程度及风险进行评价；金晓丹等[9]运用Lars Hakason潜在生态风险指数评价法对广西某铅锌矿区的土壤重金属进行健康风险评估。随着国家精准农业的开展，土壤特性空间变异地统计学和地理信息（GIS）的研究方法与手段得到进一步发展，主要表现为GIS与地统计学的有效结合，揭示重金属空间分布特征和规律性[10]，为土壤重金属污染的综合评价和治理提供科学支持。例如，Benhaddya等[11]利用GIS技术研究了阿尔及利亚表层土壤重金属污染空间分布特征；Zhou等[12]结合GIS，多元分析中国东部某废弃工业区土壤中重金属的来源。

风险评估是研究污染物质生态危害的重要手段，常用的研究方法包括阈值比较法、概率风险评估法、风险评估编码法和潜在生态危害指数法。阈值比较法使用方便，但忽视了污染物在环境中的变异及耐受能力差异；概率风险评估法考虑了生物的耐受性和污染物浓度的变异，但不能明确区分哪类物种具有较大风险；风险评估编码法是利用形态分析研究风险，根据重金属的可交换态和碳酸盐结合态总量的比值确定风险大小；潜在生态危害指数法是Lars Hakanson于1980年应用沉积学原理评价重金属生态危害的方法，不仅反映某一环境中不同污染物的影响，也反映了多种污染物的综合影响，并定量地划分潜在危害程度，是国际上应用较广泛的评价方法。

湖南省是我国产粮大省，稻谷产量常年稳居全国第一[13]。2013年5月湖南“镉大米”事件引发人们对农产品安全和土壤重金属污染的关注。湘潭县地处湘江下游，是重要的有色金属产区，也是重要的水稻产区。以往对该区农田重金属污染的整体状况研究较少，大多针对某个元素或局部小区域，且采用的评价标准和方法均是依据已废止的《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）。本研究针对我国目前产地风险管控问题，选用GB 15618—2018对湘潭县农田土壤中Hg、Cd、Pb、Cu、As、Cr、Zn、Ni八种重金属的整体污染特征及分布状况进行了研究，并采用潜在生态危害指数法评价潜在生态风险，旨在探明该地区重金属污染整体状况、分布及其风险，为该地区农产品产地污染防治、风险管控及产地安全管理提供科学依据，对该地区的农产品产地和农产品质量安全以及农业可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湘潭县位于北纬27°20′～28°05′、东经112°25′～113°03′，属亚热带季风湿润气候，年平均气温16.7～18.3℃。1月最冷，月平均气温在5℃左右。7月最热，月平均气温在30℃左右，极端高温达41.2℃，冬夏温差24～25℃。区内土壤类型主要为红壤、潮土和黏土。农作物一般为一年两熟，主要农作物为水稻。该区金属矿分布广泛，是湖南重要的矿业和重工业基地。

1.2 样品采集与处理

样品采集于2016年10月。按随机布点方法进行采样，采样时远离公路、田埂、肥堆等区域，用木铲取0～20 cm的耕层土壤，并用GPS精准定位，共采集了125个土壤样品。将采集后的样品置于室内自然风干，掰碎，并剔除大石块、植物根系等杂质，分别用四分法取适量土样研磨过100、20目尼龙筛后装密封袋备用。

1.3 样品分析

使用酸度计测定pH值。用重铬酸钾容量法测量有机质，容量法测量阳离子交换量[14]，土壤重金属测试时，准确称取0.1～0.25 g土壤样品至微波消解罐中，加入6 mL 65%的HNO3（优级纯，Merck）、1 mL 30%的H2O2（优级纯，国药）和1 mL 40%的 HF（优级纯，国药），放入微波消解仪进行消解，消解液过滤待测。用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Agilent）同时测定As、Hg、Zn、Pb、Cu、Cr、Cd和Ni，具体方法参照参考文献[15]。

1.4 污染评价标准

依据GB 15618—2018给出的标准值和评价方法对土壤重金属单项和综合污染风险进行评价。由于标准中有些农用地土壤重金属的管制值未给出，所以本文中只讨论标准中给出管制值的五种重金属的单项和综合污染风险。土壤重金属单项和综合污染风险评价分级标准见表1和表2。

表1 土壤重金属单项污染风险评价分级标准Table 1 Classification criteria for single-site pollution risk assessment of heavy metals in soil

表2 土壤重金属综合污染风险评价分级标准Table 2 Classification criteria for soil heavy metal comprehensive pollution risk assessment

1.5 潜在生态风险评价

潜在生态危害指数法[16]不仅考虑土壤重金属含量，而且综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素，因此在环境风险评价中得到了广泛应用[17]。计算公式为：

式中：Ci表层为第i种重金属的实际测量含量，mg·kg-1；Cin为第i种重金属的参比值，mg·kg-1，本研究选用湖南省土壤平均背景值；Tir为第i种重金属的毒性响应系数，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb的毒性响应系数分别为 2、5、5、1、10、30、40、5[16，18]；Eir为第i种重金属的单项潜在风险系数，RI为综合潜在风险系数，重金属潜在生态风险程度评价指标与分级关系见表3[17]。

表3 重金属潜在生态风险程度评价指标与分级关系Table 3 Evaluation index and classification relationship of potential ecological risk degree of heavy metals

1.6 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 20.0对数据进行描述性统计分析；重金属污染空间分布特征采用ArcGIS 10.3中地统计模块进行地统计分析并制图。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属污染评价

2.1.1 土壤重金属含量统计

由表4可知，研究区内125个样本点中，土壤pH值的范围为4.40～7.80，平均值为5.57，整体属酸性土壤；有机质和阳离子交换量的范围分别为24.8～71.1 g·kg-1和8.05～19.88 cmol·kg-1，平均值分别为44.44 g·kg-1和12.8 cmol·kg-1。125个样本点的Cd和Hg累积指数均大于1，且其最小值分别是背景值的1.53倍和1.04倍；Pb、As、Cr、Cu、Zn和Ni累积指数大于1的样本点占全部样本的比例分别为99.2%、46.4%、40.0%、28.8%、16.8%和12.0%[18-19]，该区农田土壤中Cd和Hg累积程度较高。Cr、As、Hg、Pb、Ni、Cu、Zn 7种元素含量的平均值均低于土壤污染风险筛选值，Cd含量的平均值高于土壤污染风险筛选值，但低于管制值。这与Lei等[20]和Wang等[21]的研究结果一致：该区土壤Cd污染较严重。除此之外，与国内其他相关研究[22-23]对比，该区的土壤Cd也是高于其他地区，因此，在该区从事生产活动时，应重视由土壤Cd污染带来的生态风险。

表4 农田土壤重金属含量统计（n=125）Table 4 Statistics on soil heavy metal content in farmland（n=125）

变异系数常用来反映农田重金属含量的变化[24]，变异系数在10%～30%之间属于中等变异，＞30%属于强变异[22]。由表4可知，Ni、Pb属于中等变异水平，Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg属于强变异水平，并且有很大的含量范围，说明该区土壤重金属含量分布不均匀，这种现象大多是由人类活动引起的，比如污灌、施肥等农业生产活动[25-27]。其中Hg最为显著。

2.1.2 土壤重金属含量分布

利用克里金插值法对样本点进行插值，得到8种土壤重金属含量的空间分布特征和规律。由图1可知，Cr、Ni、Cu有相似的空间分布，Cr和Ni含量高的区域均出现在南部，Cu含量高的地方除了大部分出现在南部，还有一小部分出现在北部。这表明Cr、Ni、Cu的来源有相同的地方。据调查，在Cr、Ni、Cu含量高的地区周围有化工厂、矿区和养殖场，养殖场是Cu的重要来源[28-29]，Cr、Ni、Cu高值区的形成也与厂矿在该区域的分布有关。

Zn、Cd、Pb的空间分布也是相似的，高含量区域主要出现在东部，Cd的分布规律呈现出从西南到东北逐渐增大的趋势；东部地区是污染源分布最多的区域，有养殖场、皮革厂、采矿业、化工厂和食品加工厂。养殖场中动物粪便的排放是Zn的重要来源[28-29]，矿业的开采、化工厂污水的排放、养殖场动物粪便的排放和食品加工厂生产加工、储藏运输的过程都能产生大量的Cd、Pb。除此之外，农业活动中磷肥的不当施用也是Cd的重要来源[30]。

As和Hg两种元素含量高的区域分布比较广泛，其中As在东部地区有小部分区域含量比较高，Hg的高含量区域主要在中部地区。产生这一现象的原因除了与周围的厂矿有关外，也可能与污灌有关[31]。

2.1.3 土壤重金属单项污染风险评价

由表5可知，125个样本中，超过90%的样本Cr、As、Hg、Pb污染风险处于1级水平，即其含量小于等于风险筛选值，表明这四种重金属对农产品质量安全、农作物或生态环境的风险低，一般情况下可以忽略；有不到10%的样本处于2级水平，即其含量大于风险筛选值，小于风险管制值，可能存在农产品不符合质量安全标准等土壤风险，原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施进行风险管控。Cr、As、Hg、Cd和Pb 5种重金属没有超过风险管制值的样本，污染程度均未达到3级，但90.4%的样本Cd污染风险处于2级水平。Cd含量明显高于其他重金属，这可能是受到工矿企业的影响，从而出现Cd污染现象[23]。

图1 研究区土壤重金属含量空间分布Figure 1 Spatial distribution of soil heavy metal content in the study area

2.1.4 土壤重金属综合污染风险评价

由表6可知，在综合污染风险评价中，处于1、2、3级水平的样本比例分别为8.0%、92.0%、0，说明该区大部分农田存在土壤污染风险，根据上文土壤重金属单项污染风险评价结果，该区农田土壤重金属污染风险主要是因为Cd的污染程度比较高，在综合评价中起主导作用。依据综合污染风险评价结果，该区原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施进行风险管控，以达到农产品安全生产的目的。

续图1研究区土壤重金属含量空间分布Continued figure 1 Spatial distribution of soil heavy metal content in the study area

表5 土壤重金属单项污染风险评价Table 5 Soil heavy metal single pollution risk assessment

表6 土壤重金属综合污染风险评价（n=125）Table 6 Soil heavy metal comprehensive pollution risk assessment（n=125）

2.2 土壤重金属潜在生态风险评价

土壤重金属可通过食物链进入人体，间接威胁人类健康，因此对农田土壤重金属潜在风险进行评价至关重要[32-33]。如表7所示，该区土壤中 Cr、Ni、Cu、Zn、As和Pb 6种元素的潜在生态风险系数Eir的平均值和最大值均小于40，属于轻微生态风险，Hg处于中度生态风险，Cd的潜在生态风险最高，处于很强的水平；在研究的125个样本中，Cd处于很强风险水平和强风险水平的样本最多，所占比例分别为46%和40%，Hg处于中度风险水平的样本最多、其次是强风险水平，样本所占比例分别为70%和26%。说明研究区域农田土壤重金属中，Cd和Hg的污染最为严重，特别是Cd元素，应当采取一定的措施进行修复。综合潜在风险指数RI显示，整体上处于中度生态风险水平和强生态水平的样本数最多，分别占56%和40%，综合潜在风险指数的平均值为314.9，属于强生态风险，结合上文分析结果表明，该区的综合潜在风险程度主要受Cd污染的影响。

3 结论

（1）湘潭县农田土壤中Cd含量的平均值高于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的土壤污染风险筛选值，其他7种重金属 Cr、As、Hg、Pb、Ni、Cu、Zn含量的平均值低于筛选值，Cd污染严重，且Cd高含量区域主要分布在东部地区；Cd和Hg的最小值分别是背景值的1.53倍和1.04倍，累积程度较高。

（2）在研究的125个样本中，超过90%的样本Cr、As、Hg、Pb单项污染风险处于1级水平，90.4%的样本Cd含量处于2级水平。Cr、As、Hg、Pb和Cd含量均未超过风险管制值。在综合污染风险评价中，处于1、2、3级水平的样本比例分别为8.0%、92.0%、0，该区大部分农田存在土壤污染风险，这种现象主要是由该区农田土壤中Cd的污染程度比较高造成的。

（3）该区农田土壤重金属的综合潜在生态风险系数（RI）的均值为314.9，属于强生态风险水平，其中Cd的生态风险在很大程度上决定了综合潜在生态风险的程度，因此，该区应严格控制Cd污染来源，着重加强土壤Cd污染治理。

表7 土壤重金属潜在生态风险因子及潜在风险指数Table 7 Potential ecological risk factors and potential risk index of soil heavy metals