垫江县农用地土壤潜在重金属毒性污染评价及源解析

卢吉文，杨忠礼，姚玉玺

(重庆市垫江县生态环境监测站，重庆 408300)

0 引言

土壤是经济社会可持续发展的物质基础，事关老百姓舌尖安全、广大人民群众的切身利益和关系美丽中国建设，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。2014年环境保护部和国土资源部的《全国土壤污染调查公报》显示，我国土壤环境污染类型分为：无机型、有机型和复合型，其中以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小。土壤中重金属是潜在的有毒元素(Potentially toxic elements，PTEs)，被认为是最危险和最具破坏性的污染物质之一。

研究区域垫江县，位于重庆市域中部，东邻丰都县、忠县，南连涪陵区、长寿区，西倚四川省大竹县、邻水县，北与梁平区接壤，地势北高南低，属亚热带湿润季风气候，素有“川东小平原”美称，辖区内种植蔬菜、垫江晚柚和牡丹等经济作物。垫江县土壤重金属污染状况调查鲜有研究，仅见周霞等[1]对垫江县牡丹主产区土壤重金属含量进行分析和评价。

为掌握垫江县土壤中污染状况，本文以垫江县44个农田点位为研究对象，测定土壤中的7种重金属(Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni)的含量，采用多元统计分析和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的风险筛选值对垫江县农用地土壤进行评价[2]，为垫江县农业区域土壤污染防治提供理论参考，也可以为生态环境主管部门对垫江县的土壤保护和管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

选择垫江县艾佳蔬菜种植基地、众诚蔬菜种植基地和高峰柑橘园3个大型种植基地作为研究对象，按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166-2004)[3]，采用蛇形布点法，采集表层(0～20 cm)土壤1～2 kg，利用GPS定位，并记录经纬度坐标，共采集44个土壤样品。土壤样品冷冻干燥后，用木棍拣去石块、植物根系残体和碎屑，采用四分法取样进行磨碎处理，过100目(0.149 mm)尼龙土壤筛，备用。

1.2 样品分析测试方法

土壤pH使用去除二氧化碳新制备的蒸馏水为浸提剂，水土质量比为2.5∶1，采用上海仪电DHSJ-4F型pH计测定[4]。土壤样品用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，取上清液待测，于30 d内用安捷伦AA280DUO原子吸收分光光度法测定Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb等重金属元素含量[5-6]。在通风橱中，加入6 mL盐酸，再慢慢加入2 mL硝酸，混匀样品与消解液充分接触，待反应结束后置于微波消解仪中消解，使用北京海光AFS-9560原子荧光分光光度仪测定土壤中As含量[7]。土壤样品测试全过程，严格按照相关标准要求进行测试，采用地球物理地球化学勘察所的国家标准物质为ASA-5a和GSS-4，相对误差在允许范围内，加标回收率在90%～110%。

1.3 评价标准和方法

垫江县艾佳蔬菜种植基地、众诚蔬菜种植基地和高峰柑橘园土地类型为农用地，因此采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的评价标准进行评价。当土壤中重金属浓度含量等于或者低于GB15618-2018中规定的风险筛选值时，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可以忽略不计。当土壤重金属浓度含量介于GB15618-2018中的风险筛选值与风险管控值之间时，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当加强土壤环境质量监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施。当土壤重金属浓度含量高于GB15618-2018中规定的风险管控值时，食用农产品不符合质量安全标准且农用地土壤污染风险高，原则上应当采取严格管控措施[2]。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0统计软件对土壤样品的44组数据进行统计分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量描述性统计

垫江县44个土壤监测点位的pH和重金属含量监测结果表见表1。由表1可知，垫江县农用地除Pb和Cd外，其余5种重金属(Zn、Cr、Cu、Ni和As)土壤中浓度的平均值与重庆市土壤背景值无明显变化。但土壤中Pb和Cd的含量分别超出背景值52.6%、107.5%，说明土壤中Pb和Cd在垫江县的农用地中有一定程度的富集。变异系数一般用来衡量土壤受人类活动影响的大小[8-9]。7种重金属的变异系数分别为0.18、0.16、0.27、0.20、0.15、0.24和0.26。Pb和Cr的变异系数≤0.16，说明受人类活动的影响较小。其中Zn、Cd、Cu、Ni和As等金属的变异系数>0.16，说明已经受到人类活动的影响。其中Cd和Cu受人类活动影响最大。7种金属的偏度排序为Ni> Cr>Cd>Cu>Pb=Zn>As，呈正态分布双尾特征。

表1 垫江县农业土壤重金属分析结果(单位：mg/kg)Tab.1 Analysis results of heavy metals in agricultural soil of Dianjiang County

2.2 土壤重金属相关性分析

对研究区域表层土壤中8种检出项目进行相关分析，分析结果见表2，pH与各重金属呈负相关，7种重金属呈正相关。Cu与Pb相关系数为0.941，Cr与Cu相关系数为0.929，呈极显著相关，说明3种元素有着相同的背景来源，一般认为2种元素受成土母质等自然背景影响较大。Zu与Cu相关系数为0.883，Zn与Pb相关系数为0.841，Zn与Ni相关系数为0.822，Zn与Cr相关系数为0.816，呈极显著相关，一般认为Zn、Pb、Ni和Cr是受人类活动的影响。As与Zn、Cd与Zn相关系数分别为0.315、0.491均呈显著相关，说明Zn可能受人类与自然活动的双重影响。各重金属间相关性分析表明，各重金属间均呈正相关，说明这些重金属的来源可能相同，监测点位均为蔬菜和水果种子基地，表明土壤中这些金属含量主要受到人类活动的影响较大。

表2 垫江县土壤重金属元素相关关系矩阵Tab.2 Correlation matrix of soil heavy metal elements in Dianjiang County

2.3 主成分分析

主成分分析可以区别土壤中重金属污染物来源是来自土壤背景的成土母质还是人类活动[10]。对种植基地表层土壤重金属来源进行主成分分析，其中主成分1(PC1)、主成分2(PC2)累计方差贡献率达到83.44%，通过2个主成分分析能反应7种重金属来源的大部分信息。由表3可知，PC1的方差贡献率为67.36%，Zn、Cr、Cu、Ni和Pb对PC1的载荷值分别为0.325、0.202、0.201、0.226和0.201，这些元素除Pb以外，平均值和重庆市背景值无明显差异，因此Zn、Cr、Cu和Ni主要还是来自成土母质，Pb与人类活动有关，比如农药肥料残留及大气中的尾气自然沉降有关。PC2的方差贡献率为16.8%。As和Cd对PC2的载荷值分别为0.452和0.200，As和Cd平均值比重庆市背景值高，因此As和Cd与人类活动有关。

表3 垫江县土壤重金属元素因子载荷Tab.3 Factors matrix of soil heavy metal elements in Dianjiang County

2.4 垫江县土壤环境现状评价

根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)评价标准进行评价，垫江县农用地中土壤重金属含量(Zn、Cr、Cu、Ni、Pb、As和Cd)均低于风险筛选值，艾佳蔬菜种植基地和高峰柑橘园部分监测点位中Cd含量大于风险筛选值，远低于风险管控值。艾佳蔬菜种植基地和高峰柑橘园，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，应加强土壤环境监测和农产品协同监测，保证食用农产品安全。

3 结论

垫江县农用地表层土壤中As、Pb和Cd均大于重庆市土壤背景值，存在一定程度的重金属富集趋势。通过多元统计分析，7种重金属的主要来源识别2个主成分，PC1可归为受成土母质影响的自然因素，PC2代表来自工农业污染和自然因素协同作用的结果。垫江县种植基地农村土壤环境质量监测的重金属满足《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中各风险筛选值要求，整体处于低风险区域。但对于部分区域中Cd高于筛选值，要做好土壤环境监测和农产品协同监测，保证食用农产品安全。