武汉市江夏区农田土壤重金属含量及其生态风险评价

张贵友 王素萍 杜雷

摘要：以武汉市江夏区农田土壤为研究对象，共采集149个土壤样品，分析其中8种重金属（Pb、Cd、Cr、Hg、As、Ni、Cu和Zn）的含量，以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）为评价基准值，采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价该地区土壤农田重金属污染状况。结果表明，江夏区农田土壤半数以上处于清洁水平，存在的污染主要为Cd污染，40.27%的农田土壤处于Cd污染状态，1%左右的农田土壤分别处于As、Ni、Zn污染状态，未发现农田土壤受到Cr、Cu、Hg和Pb的污染。

关键词：农田土壤; 重金属; 污染评价; 武汉市江夏区

中图分类号：X53         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）17-0054-04

Abstract： A total of 149 soil samples were collected from farmland soils in Jiangxia district， Wuhan city. The contents of 8 heavy metals （Pb， Cd， Cr， Hg， As， Ni， Cu and Zn） were analyzed. The single factor pollution index and Nemerow synthetical pollution index were used to evaluate the heavy metals in farmland soils in this area based on the soil environmental quality risk management and control standard. The results showed that more than half of the farmland soils in Jiangxia distract were clean. The main pollution was Cd pollution， 40.27% of farmland soils were in the state of Cd pollution， about 1% of farmland soils were in the state of As， Ni and Zn pollution respectively， and no farmland soils were found to be contaminated by Cr， Cu， Hg and Pb.

Key words： farmland soils; heavy metal; pollution assessment; Jiangxia district; Wuhan city

重金属是指一些生物毒性较为显著的微量元素，是土壤中一类具有潜在危害性的污染物，由于其在土壤中具有易富集和迁移的特性，不仅影响作物的生长发育，而且还会通过食物链进入动物体内，最终进入人体，在人体内积累，导致一系列的慢性病、畸形甚至癌症的发生[1-5]。关于重金属污染的研究主要是针对铅、镉、铬、汞、砷和镍这6种元素，此外作为生物生长发育必需元素的铜、锌在高浓度的情况下也会对动植物和人类造成一定的危害，因此将铜、锌元素也归为重金属研究的范畴[6，7]。

当前土壤重金属污染问题已成为国内外的研究热点。土壤重金属含量水平不仅影响着土壤的可持续利用，而且对粮食安全也有着直接的影响[8，9]。随着中国城市化进程不断加快，工业化程度不断提高，越来越多的污染物被排放到环境中，土壤作为重要的载体承受着越来越多的排放压力，加上普遍存在的农药和化肥等农用化学品的过量施用，导致了重金属元素在土壤中的大量富集[10]，进而影响到人们的健康[11]。

近年来，已有学者对北京、天津、上海、长沙、杭州、重庆、广州、海口等地的菜地土壤重金属污染状况进行了一系列的调查研究，发现中国部分城市的菜地土壤已经受到了不同程度的重金属污染[12-20]，北京市怀柔区和大兴区土壤镉污染较为突出[13];天津市近半数地区土壤属于重金属轻度污染以上水平，开始影响到当地居民的健康[14];上海市崇明岛土壤重金属污染风险水平属于轻度预警状态[15];长沙市郊蔬菜基地70.0%的土壤受到镉污染，58.6%的土壤受到重金属的综合污染[16];杭州市农业土壤总体处于安全水平，个别地区土壤重金属含量超过土壤二级标准[17];重庆市蔬菜基地土壤状况总体较好，镉和汞存在不同程度超标[18];广州市菜地土壤重金属污染以镉为主，砷、汞次之，存在点源污染[19];海口市蔬菜基地土壤镉含量超过土壤二级标准，叶菜类蔬菜重金属污染指数高于果菜类[20]。目前对于武汉市的土壤重金属研究主要集中于湖泊沉积物、工业区土壤及主城区土壤[21-25]，鲜有针对城郊农田土壤重金属的研究[26-28]。

本试验以武汉市江夏区为研究区域，对该区域农田土壤重金属污染状况进行调查和分析，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价该区域农田土壤重金属的潜在生态风险，为该区域农田土壤重金属污染的防控和农业生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江夏区位于武汉市南部，面积2 018.3 km2，北与洪山区相连，南与咸宁市咸安区、嘉鱼县接壤，东临鄂州市、大冶市，西与蔡甸区、汉南区隔江相望，东西最大横距54.2 km，南北最大纵距63.2 km。江夏区属亚热带季风气候，温暖湿润、四季鲜明、热量丰富、降水充沛、光照充足、雨热同季。

1.2 样品采集

参照《土壤环境监测技术规范》进行网格法布局，同时兼顧区域内行政村农田种植面积，采集    0～20 cm的耕作层土壤。采用多点混合采样法，即在样点周围50 m范围内采集5个土壤样品，充分混合后采用四分法留取1 kg左右，共采集土壤样品149份。用聚乙烯塑料袋包装带回实验室风干，剔除其中的植物残根、石块及杂物，用玛瑙研钵研磨并过100目筛，装袋密封后备用。

1.3 样品测定

土壤样品采用微波消解法（硝酸-氢氟酸-双氧水）进行预处理，即称取0.2 g土壤样品于50 mL具盖聚四氟乙烯消解管中，依次加入6 mL硝酸、2 mL氢氟酸和1 mL双氧水，放入微波消解仪（SINEO  JUPITER-8）消解，用ICP-OES（Thermo iCAP 6300）测定消解液中的As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn和Ni的含量，用原子荧光光度计（普析通用PF31）测定Hg的含量。分析方法准确度和精准度采用国家土壤标准物质GSS-5和平行样品进行控制，数据用Excel和SPSS 19.0软件处理。

1.4 重金属污染评价

采用国家《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）农用地土壤污染风险筛选值为评价基准，应用单因子污染指数评价法和内梅罗综合污染指数法对农田土壤重金属污染程度进行评价，评价标准见表1。

1.4.1 单因子污染指数法 单因子污染指数是土壤环境质量评价的常见指标，公式为Pi=Ci/Si，Pi为土壤中污染物i的单项污染指数;Ci为污染物i的实测值;Si为污染物i的评价标准。Pi>1表示土壤受到污染，Pi≤1 表示土壤未受污染，Pi值越大，表明土壤受污染程度越严重;其中，13表示土壤受重度污染。

1.4.2 内梅罗综合污染指数法 内梅罗综合污染指数法是目前常用的另一种土壤环境质量评价方法，在进行环境质量评价以及土壤污染程度的比较上具有较强实用性，使得不同污染物间或不同地域间环境质量的比较成为可能。其公式为[P综=（P2+P2imax）/2]，P综为土壤污染综合指数;P为各污染物污染指数的算术平均值;Pimax为各污染物中最大污染指数。P综≤0.7表示安全;0.73表示重度污染。

2 结果与分析

2.1 江夏区农田土壤重金属含量

江夏区149个采样点土壤中各重金属含量如表2所示。不同样点土壤重金属含量变化范围较大，As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn的含量范围分别为1.38～50.27 mg/kg、0.00～4.94 mg/kg、3.69～171.21 mg/kg、8.26～53.27 mg/kg、0.00～0.35 mg/kg、10.28～72.46 mg/kg、0.00～75.22 mg/kg和26.60～293.73 mg/kg，变异系数分别为47.24%、173.60%、46.16%、35.55%、60.59%、44.23%、54.57%和48.83%，可见Cd的变异系数最高，表明Cd在江夏区的分布差异较高。将不同样点农田土壤中各重金属含量与湖北省土壤背景值对比发现，土壤As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu和Zn含量高于湖北省土壤背景值的样点数分别占46.31%、56.38%、30.20%、30.87%、74.50%、15.44%、36.24%和23.49%，表明各重金属在江夏区农田土壤中均有一定程度的积累，且Cd、Hg在土壤中的积累范围较广。

2.2 江夏区农田土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数法评价结果 以农用地土壤污染风险筛选值为评价基准，对采样点土壤环境质量进行评价，结果见表3。江夏区农田土壤中Cr、Cu、Hg、Pb均处于清洁水平，As、Cd、Ni、Zn均有不同程度的污染，其中Cd污染程度最严重，有40.27%的样点存在Cd污染，有4.03%的样点达到中度污染水平，有4.70%的样点达到了重度污染水平，其余3种元素As、Ni和Zn仅在1%左右的样点发现存在轻度污染状况。总体表明，Cd的污染在江夏区的普遍性和严重性较高，其他重金属元素的污染较轻。

2.2.2 内梅罗综合污染指数法评价结果 以农用地土壤污染风险筛选值为评价基准值，采用内梅罗综合污染指数法对样点土壤进行评价，结果见表4。江夏区大部分地区的土壤处于警戒限及以下，达79.19%，有16.11%的样点处于轻度污染水平，4.70%的样点处于重度污染水平。评价结果表明江夏区大部分土壤处于安全水平，对农业生产影响较小，通过对小范围污染指数较高的土壤进行改良，减少高重金属含量肥料的使用来降低土壤中重金属含量，可以显著降低江夏区的土壤重金属污染水平。

3 结论

将重金属含量测定结果与湖北省土壤背景值进行比较，并以农用地土壤污染风险筛选值作为基准值进行重金属污染评价，结果表明江夏区农田土壤中均发现了一定量的重金属元素，有半数以上的农田土壤样点中Cd和Hg的含量超过湖北省土壤背景值，其中Cr、Cu、Hg和Pb含量较低，处于未受该4种重金属元素污染水平，但是As、Cd、Ni和Zn的含量在部分样点达到了污染水平，以Cd的含量最高，且该元素污染在江夏区农田土壤中分布最广，有40.27%的农田土壤处于Cd污染状态，其中31.54%的土壤处于Cd轻度污染水平，有4.03%和4.70%的土壤分别处于Cd中度污染和重度污染水平，而且Cd含量在不同样点含量的变异系数较高，也说明了其分布的不均匀性较高，可能存在一定的外源污染。另外，有1%左右的农田土壤分别处于As、Ni、Zn污染状态。内梅罗综合污染指数法评价结果表明，处于重金属轻度污染水平和重度污染水平的农田土壤分别占16.11%和4.70%，Cd污染为主要贡献因子。

有研究表明，磷肥原料中含有Cd等重金屬元素，且磷肥生产中容易出现重金属污染情况[29]，因此江夏区农田土壤中Cd的高含量和高分布性可能与农户长期过量施用磷肥有关[30]。不使用污水灌溉和控制磷肥的过量施用可有效控制当地农田土壤的重金属累积，可通过土壤改良降低其他重金属元素的含量，改善当地土壤状况。

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