福建省某地区一般农区土壤重金属污染分布特征及生态风险评价

原瑞芬

（莆田市农业环保能源站 福建莆田351100）

土壤是农业生产的基本条件，土壤环境质量直接关系到百姓的菜篮子、米袋子安全。近年来，土壤重金属污染正进入一个集中多发期，导致有些地区农产品重金属含量超标，甚至有的农田因过度污染而丧失生产力，进一步加剧了我国人多地少、粮食产量不足的矛盾。特别是工矿企业周边污染农区、污水灌区、大中城市郊区等3类重金属污染高风险区域，受污染面积呈现逐年递增的趋势，平时各地对其均有定点重点监测，污染状况较为清楚，但除此之外的农产品产地重金属污染状况及污染面积尚不明确。

本研究选取除工矿企业周边污染农区、污水灌区、大中城市郊区之外的农产品产地，即一般农区的土壤作为研究对象，主要了解土壤中Cd、Pb、Cr、Hg、As等5种重金属污染状况并进行生态风险评价，弥补该区域主要农作物产区土壤重金属污染研究方面的不足，为今后土壤生态环境污染防治和土壤污染修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省沿海中部，地势由西北向东南倾斜，背山面海，西北部山峦叠嶂，中部丘陵起伏，东南部平原广阔。全市土地总面积6 178 535.8亩，其中耕地1 176 053.2亩，园地453 643.4亩，其他用地4 548 839.2亩。土壤以红壤、水稻土、砖红壤等为主。

1.2 样品的采集与制备

样品采集依据《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T 395-2012），结合研究区土地利用方式、土壤分布状况、作物种植情况、污染源等因素，确定布点。其中耕地每1 500亩布设一个点，园地每3 000亩布设一个点。项目区共布设采样点548个，其中耕地385个、园地163个。

采用多点采集分样而后混合形成混合土样的方法采样。先在野外经GPS准确定位，找到预先设计好的采样点中心的经纬度，在中心点位附近确定自然田块作为采样单元（该地块面积应较大、平坦、土质较均匀，对此片农田网格有一定代表性），采用梅花布点法，于每个样点设置5个采集点，在各个采集点等量取土，每个采集点取0～30 cm（耕地0～20 cm或实际厚度，园地0～30 cm）表层土壤，混合均匀后按四分法取1 kg混合土壤样品。采集的土壤样品风干后，拣出石块等杂物，研磨过20目尼龙筛后装瓶备用。

1.3 样品的测定与分析方法

1.3.1 样品测定方法 样品检测指标主要是对农产品质量安全影响大、持续时间长的As、Hg、Pb、Cd、Cr等5种重金属污染物进行分析测定，同时检测土壤pH和阳离子交换量。Pb、Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法，As、Hg采用原子荧光光谱法，Cr采用原子吸收分光光度法。在样品测定中加入了平等双样、标准质控样、校准曲线的校准、添加密码样、盲样考核、外部比对等方式进行全程质量控制。

1.3.2 样品的分析方法 采用SPSS和Excel等基本统计分析法对数据进行统计特征值分析。

1.4 污染评价方法

参照《国家土壤风险筛选值》（GB 15618-2018）（表1），依据土壤pH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对研究区耕层土壤质量进行评价；以福建省土壤质量背景值作为参比值，运用潜在生态危害指数法对研究区农产品产地生态环境进行评价。

表1 土壤环境质量标准值及背景值（单位：mg/kg）

1.4.1 单项污染指数法 采用单项污染指数法对土壤重金属污染状况进行评价。计算公式：

式中，Pi为单项污染指数；Ci为土壤污染物实测浓度；Si为污染物的评价标准值或参考值。Pi≤1，表示无污染；15，表示重度污染。

1.4.2 内梅罗综合污染指数法 采用内梅罗综合污染指数法对土壤重属污染状况进行评价。计算公式：

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0.7＜P综≤1，表示警戒级；当1＜P综≤2，表示轻污染；当2＜P综≤3，表示中度污染；当P综＞3，表示重度污染。

1.4.3 潜在生态危害指数法 采用潜在生态危害指数法对土壤重金属污染状况进行评价。计算公式：

式中，Cir为重金属的富集系数（Cir=Cik/Cin）；Cik为重金属i的实测数据；Cin为计算所需的参比值，笔者采用福建省土壤质量背景值作为参比值；Eir为重金属i的潜在生态危害系数，Tir为重金属i的毒性系数，RI为多种重金属潜在生态危害指数。土壤重金属潜在生态风险等级划分标准见表2。

表2 土壤重金属潜在生态风险等级划分标准

2 结果与分析

2.1 研究区土壤pH范围

据监测结果，一般农区土壤pH介于3.00～8.90之间，均值为5.64，略高于全市土壤的平均pH，变异系数为16.01%，其中耕地土壤pH介于4.03～8.90之间，均值为5.85，变异系数为14.85%，园地土壤pH介于3.00～7.43之间，均值为5.15，变异系数为1.12%。一般农区土壤酸性、中性和碱性分别占全部土样比例的85.22%、10.58%、4.20%。可见一般农区土壤总体上偏酸性，土地利用方式的不同，对土壤pH产生了一定的影响。园地土壤pH（5.15）显著低于耕地土壤pH（5.85），这与坡地红壤赤红壤原本的pH较低有关，也与茶树和果树种植，特别是茶树种植过程对土壤的酸化有关。

2.2 研究区土壤重金属含量的空间分布特征

研究区土壤重金属含量结果见表3。一般农区土壤5种重金属含量均值依次为铅（47.95 mg/kg）>铬（29.49 mg/kg）>砷（6.836 mg/kg）>汞（0.124 mg/kg）>镉（0.118 mg/kg），Cd、Pb、As、Hg均值均高于背景值，仅Cr的均值低于背景值；超标率为Cd（63.14%）>Hg（48.91%）>Pb（46.90%）>As（40.88%）>Cr（14.60%），结果表明5种重金属元素在表层土壤中均存在不同程度的累积，其中Cd元素污染最为严重。各元素变异系数分别为汞 （119.70%）、铬 （106.70%）、镉（101.60%）、砷（82.98%）、铅（76.97%），其中As、Pb属于中等变异性，而Cd、Cr、Hg变异系数均大于100%，属强变异性，表明一般农区土壤中Cd、Cr、Hg含量在空间分布上高度不均匀，局部存在点源污染或地球化学背景异常区。

表3 一般农区（耕地、园地）土壤重金属含量

一般农区中耕地与园地土壤相比较，耕地土壤中除Cd外，Cr、Pb、As、Hg的含量均值均低于背景值，而园地土壤除Cr外，Cd、Pb、As、Hg的含量均值均高于背景值。耕地土壤中除As外，Cd、Cr、Pb、Hg超标率均高于园地。耕地土壤中Hg的变异系数（118.30）为强变异性，园地土壤中Cd的变异系数（169.0）为强变异性，其他均为中等变异性。

2.3 单项污染指数法评价

项目区单项污染指数法评价结果见表4。一般农区5种重金属元素中有52个采样单元超过国家土壤环境质量标准中的二级指标，占总采样数的9.49%，点位超标率Hg＞Cd＞As＞Cr＝Pb，表明一般农区土壤污染以Hg为主，轻微污染、中轻度污染及重度污染比例分别为3.47%、0.73%、0.18%，其次是Cd，轻微污染、中轻度污染比例分别为2.19%、1.28%，表明一般农区土壤中Hg和Cd累积富集最多，污染较为严重。其中一般农区中的耕地土壤污染所有采样单元土壤全Pb均未超过国家土壤环境质量标准中的二级指标，其余4种元素土壤污染比例Hg（5.71%）＞Cd（3.38%）＞As（0.52%）＝Cr（0.52%），表明耕地土壤以Hg污染为主；园地中所有采样单元土壤全Cr均未超过国家土壤环境质量标准中的二级指标，其他4种元素土壤污染比例Cd（3.68%）＞As（1.84%）＞Hg（1.23%）＞Pb（1.22%），表明园地土壤以Cd污染为主。

表4 一般农区（耕地、园地）土壤重金属元素单因子污染指数评价结果

2.4 内梅罗综合指数法评价

项目区内梅罗综合指数法评价结果见表5。一般农区548个采样单元土壤内梅罗综合指数介于0.090～6.089之间，均值0.476，有25个采样单元的土壤重金属综合指数大于1，超标率4.56%，轻度污染、中度污染及重度污染比例分别为1.09%、0.18%、0.18%；其中耕地与园地相比，综合污染指数均值园地（0.043）＞耕地（0.389），超标率耕地（4.94%）＞园地（3.68%），达到警戒级分布耕地 （3.38%）＞园地（2.45%），轻度污染耕地（1.30%）＞园地（0.61%），耕地重度污染为0.26%，无中度污染区；园地中度污染为0.61%，无重度污染区。

表5 一般农区（耕地、园地）土壤重金属元素内梅罗综合指数评价结果

2.5 潜在生态危害指数法评价

从表6可以看出，一般农区及农区内的耕地土壤中Cd潜在生态危害系数分别为53.30、42.57，均大于40，处于中等危害，其他元素潜在生态危害系数均小于40，处于轻微生态危害水平；一般农区中园地5种元素潜在生态危害系数均小于40，处于轻微生态危害水平。潜在生态危害指数一般农区（107.38）＞耕地（70.46）＞园地（65.90），均处在轻微危害水平。

3 结论

目前福建省土壤重金属污染调查研究及修复工作尚在起步阶段，但针对农区农产品产地土壤重金属污染、评价方面的系统研究还未见报道。由于土地利用方式不同，所实施的灌溉、施肥、喷药等农业管理方法有异，不仅带进土壤的污染物的种类数量不同，也造成污染物在土壤中溶解迁移、沉淀富集情况的明显差异。本研究采用单因子及内梅罗污染指数法对福建省一般农区（耕地、园地）土壤重金属元素潜在生态危害做出评价。单因子污染指数评价法显示该农区土壤中Hg和Cd累积富集最多，污染较为严重，其中农区内耕地土壤以Hg污染为主，园地以Cd污染为主；内梅罗污染指数法综合评价发现综合污染指数均值园地＞耕地，潜在生态危害指数一般农区＞耕地＞园地，均处在轻微危害水平，但Cd在一般农区及农区内的耕地土壤中均处于中等危害水平，对研究区域生态风险贡献最大。建议当地部门应加强产地环境监测和土壤与农产品的协同监测，调整种植结构，严格控制Cd元素的人类活动引入，避免Cd元素累积对土壤生态环境的破坏，确保农产品质量安全。同时应建立动态监测预警体系，及时掌握潜在风险及污染变化趋势，为政府决策提供科学依据。

表6 一般农区（耕地、园地）土壤重金属元素潜在生态危害指数评价结果