基于土壤和农产品综合质量指数法的区域农田土壤环境质量评价

杨 赵，和丽萍

(1.云南环境工程设计研究中心，云南 昆明 650034；2.云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034)

0 引言

科学的土壤重金属污染评价方法能较好地评价土壤中重金属污染的程度或空间分布、相应的生态效应等，是保障粮食安全和生态健康的基础。目前土壤重金属污染评价的方法众多，其中以指数法最为常见，如内梅罗综合污染指数法、富集因子法、地累积指数法和潜在生态危害指数法；也有以指数法为基础的模糊数学模型、灰色聚类法等模型指数法；还有基于地理信息系统(GIS)的地统计学评价法以及人体健康风险评价等综合方法[1]。这些评价方法均基于累积于土壤的重金属总量与土壤环境质量标准或者背景值的比值来表征土壤重金属的风险。但是累积于土壤的重金属总量进行风险评价，仅可一般了解重金属的污染程度，难以区分土壤中重金属的自然来源和人为来源，难以反映土壤重金属的化学活性和生物可利用性，不能有效地评价重金属的迁移特性和可能的潜在危害[2]，导致在实践中出现重金属总量超标而农产品不超标，农产品超标而土壤重金属总量不超标的“例外”。在实践中基于土壤重金属累积风险表征的风险评价的弊端越来越凸显，特别是土壤重金属高背景值区域，这种评价结果与事实相悖的情况更为普遍。为更为科学合理地评价农田土壤重金属的风险，王玉军等提出土壤和农产品综合质量指数法[3]。该方法将农田土壤和农产品中重金属的含量有效结合，综合考量了元素价态效应、土壤环境质量标准、土壤元素背景值、特定土壤负载容量和农产品污染物限量标准等，可应用于评价农田中重金属的单独和复合污染。本文基于土壤和农产品综合质量指数法，以已有的539对土壤-农作物数据为对象对云南省农田土壤重金属污染状况进行评价。

1 基础数据与评价方法

1.1 基础数据

本次评价数据由云南省生态环境科学研究院于2017—2019年间按照《HJT 166-2004土壤环境监测技术规范》[4]《NYT 398-2000农、畜、水产品污染监测技术规范》[5]要求采样后送有资质的第三方检测机构测定土壤pH值、镉、砷含量和农作物镉、砷含量。共获得土壤-农作物数据539对，其中土壤-玉米数据378对、土壤-水稻数据161对。点位分布见图1。

图1 采样点位分布图

1.2 评价方法

采用王玉军等[3]提出的土壤和农产品综合质量指数法进行评价，计算公式如下：

IICQ=IICQS+IICQAP

式中：IICQ—综合质量影响指数；IICQS—土壤综合质量影响指数；IICQAP—农产品综合质量影响指数；X、Y—分别为土壤测量值超过标准值和背景值的数目；Z—农产品中超过污染物限量标准的元素数目；k—背景校正因子，它是与农产品污染物限量国家标准和元素背景值的比值有关的参数，本次计算k值取5[3]。

RIE、DDDB、DDSB、QIAP分别为土壤相对影响当量、土壤元素测定浓度偏离背景值程度、土壤标准偏离背景值程度、农产品品质指数，其具体计算方法参照王玉军等[3]研究成果。土壤环境质量等级划分参照表1。

表1 基于综合质量指数的土壤环境质量等级划分

1.3 相关参数的确定

(1)镉元素氧化数为2，砷元素氧化数为5[3]。

(2)土壤中镉、砷标准值按照《GB 15618-2018土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[6]中的筛选值选取，详见表2。计算过程中根据对应点位的土壤pH值和农用地类别选取对应的标准值。

表2 农用地土壤镉、砷筛选值 (mg/kg)

(3)土壤中镉、砷背景值按照《云南土壤环境背景值研究报告》取值，详见表3。实际计算中根据采样点位所在区域选择对应的背景值。

表3 云南省土壤镉、砷背景值 (mg/kg)

(4)作物镉、砷限值按照《GB 2762-2017食品安全国家标准 食品中污染物限量》[7]取值，其中稻谷的评价指标为无机砷，而文献中的测定方法大多为总砷，故本次评价采用稻谷总砷限值0.5mg/kg，详见表4。

表4 作物镉、砷限值 (mg/kg)

2 结果分析

2.1 土壤基本特征

所采539个土壤样品pH值范围、均值、标准差分别为 4.5～8.49、7.07和1.0。539个土壤样品中强酸性点位占11.3%、酸性点位占15.9%、中性点位占27.1%、碱性点位占45.7%。其中稻田土壤样品161个，pH值范围、均值、标准差分别为 4.51～8.31、6.67和1.08；玉米地土壤样品378个，pH值范围、均值、标准差分别为 4.5～8.4、7.21和0.91。玉米地土壤pH分布范围更广，且极显著高于稻田土壤pH(p<0.01)。

土壤镉含量范围、均值、标准差分别为 0.03～261、2.48和13.23mg/kg，其中稻田土壤样品镉含量范围、均值、标准差分别为 0.05～261、3.828和22.867；玉米地土壤样品镉含量范围、均值、标准差分别为0.029～54.085、1.943和5.524。玉米地土壤镉平均含量与水稻田镉平均含量差异不显著(p>0.05)。参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[6]，统计所有土壤样品镉的检测结果：超过筛选值的土壤样品点位数为210个，超过管制值的土壤样品点位数为60个。检测最大含量为261mg/kg，对应点位土壤pH为7.43，超管制值86倍，其中稻田土壤样品超过筛选值及管制值的比例为31.1%；玉米地土壤样品超过筛选值及管制值的比例为57.7%。

土壤砷含量范围、均值、标准差分别为 1.16～3231.25、48.88和159.64mg/kg，其中稻田土壤样品砷含量范围、均值、标准差分别为 1.16～73.4、11.93和9.63；玉米地土壤样品砷含量范围、均值、标准差分别为1.38～3231.25、64.88和189.76。玉米地土壤砷平均含量极显著高于水稻田砷平均含量(p<0.01)。参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[6]，统计所有土壤样品砷的检测结果：超过筛选值的土壤样品点位数为210个，超过管制值的土壤样品点位数为60个。检测最大含量为3231.25mg/kg，对应点位土壤pH为8.03，超管制值31.3倍，其中稻田土壤样品超过筛选值及管制值的比例为9.3%；玉米地土壤样品超过筛选值及管制值的比例为39.4%。

2.2 农作物镉、砷含量特征

从所采集的农作物样品中镉、砷含量来看，农作物镉含量范围、均值、标准差分别为0.001～1.113、0.025和0.080mg/kg。其中水稻镉含量范围、均值、标准差分别为0.001～0.956、0.042和0.109mg/kg；玉米镉含量范围、均值、标准差分别为0.001～1.113、0.018和0.064mg/kg。所采集的农作物样品中水稻镉含量极显著高于玉米镉含量(p<0.01)。所采集的水稻、玉米样品中镉超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[7]标准限值的比例分别为4.35%、1.85%。

农作物砷含量范围、均值、标准差分别为0.002～1.939、0.108和0.153mg/kg。其中水稻砷含量范围、均值、标准差分别为0.004～1.939、0.172和0.191mg/kg；玉米砷含量范围、均值、标准差分别为0.002～0.961、0.082和0.126mg/kg。所采集的农作物样品中水稻砷含量显著高于玉米砷含量(p<0.01)。所采集的水稻、玉米样品中砷超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[7]标准限值的比例分别为1.24%、2.12%。

表5 不同农作物地块土壤镉、砷含量特征

表6 农作物镉、砷含量及富集系数统计表

2.3 不同作物镉、砷富集系数特征

富集系数是指植物中污染物含量与土壤中污染物含量的比值，它可以大致反映植物在相同土壤污染物含量条件下对污染物的吸收能力，富集系数越小，则表明其吸收的能力越差，抗土壤污染的能力则较强。经计算，水稻对镉、砷的富集系数均极显著高于玉米对镉、砷的富集系数(p<0.01)。

2.4 土壤环境质量综合评价

按照上述方法计算得到采样点位的土壤综合质量影响指数、农产品综合质量影响指数和综合质量影响指数，按照表1的方法对采样点位土壤环境质量等级划分。结果表明539个点位中清洁点位占41.4%、轻微污染点位占26.0%、轻度污染点位占13.9%、中度污染点位占8.0%、重度污染点位占10.8%。分析结果表明水稻田土壤环境质量显著优于玉米地土壤环境质量(p<0.05)，水稻田的综合质量指数也显著优于玉米地(p<0.05)。

表7 不同作物镉、砷富集系数

表8 综合质量影响指数计算结果

3 讨论

本次调查结果表明以种植玉米为主要代表的旱地土壤pH、土壤砷含量都显著高于稻田土壤，稻田土壤环境质量显著优于旱地。与国内学者在广西[8]、贵州剑河县[9]、三峡库区[10]的调查结果一致，但黄维恒等[11]在沘江流域的调查结果表明耕地土壤总体表现为水田重金属污染略高于旱地。这种差异可能是由于沘江流域受铅锌矿冶污染，矿区土壤重金属有效态含量高，易随地表径流进入水田累积，而非矿区土壤重金属有效态含量低，其土壤重金属含量高多为地质背景因素引起。

另一方面本次调查结果表明稻田土壤镉、砷含量和超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》筛选值及管制值的比例均低于玉米地为代表的旱地，但由于水稻对镉、砷的富集能力强于玉米，故水稻镉、砷含量均显著高于玉米镉、砷含量。这也进一步说明采用基于累积于土壤的重金属总量与土壤环境质量标准或者背景值的比值来表征土壤重金属风险的评价方法的局限性。本次评价采用了土壤和农产品综合质量指数法，结果表明539个点位中清洁点位占41.4%、轻微污染点位占26.0%、轻度污染点位占13.9%、中度污染点位占8.0%、重度污染点位占10.8%。评价为清洁土壤的地块作物均达标，评价为中度及重度污染土壤对应点位农作物不超标的比例为11.5%。而采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》进行评价结果中，土壤超过筛选值及管制值对应点位农作物未超标的比例为13.9%。以农产品超标情况为判定依据，采用土壤和农产品综合质量指数法进行土壤环境质量评价的误判率低于依据土壤环境质量标准的误判率。但两种方法相比，土壤和农产品综合质量指数法没有明显提高评价的准确率，究其原因主要是农产品综合质量影响指数的权重偏低所致。

4 结论

本次调查结果表明稻田土壤镉、砷含量和超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》筛选值及管制值的比例均低于玉米地为代表的旱地，但由于水稻对镉、砷的富集能力强于玉米，故水稻镉、砷含量均显著高于玉米镉、砷含量。土壤和农产品综合质量指数法评价结果表明539个点位中清洁点位占41.4%、轻微污染点位占26.0%、轻度污染点位占13.9%、中度污染点位占8.0%、重度污染点位占10.8%。