湖北省天门市富硒耕地土壤重金属污染风险评价

易 甜，李宝琦，彭立军，姚晶晶

（1.湖北省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，武汉 430064；2.农产品营养品质与安全湖北省重点实验室，武汉 430064；3.湖北省地质调查院，武汉 430034）

硒（Se）元素在地球上的分布稀少且分散，其在地壳中的丰度仅为0.05~0.09 μg/g。硒在工业上用途广泛，是人体和动物所必需的微量元素，对重金属毒性有拮抗作用［1，2］。膳食中硒摄入不足，将严重影响人体健康，缺硒会引起许多疾病，如克山病与消化道癌症等。人类主要通过食品摄入硒，而植物性食品中的硒大部分来自土壤，土壤中硒浓度的高低直接影响食品中硒的含量［3］。中国是缺硒大国，全国约有72%的地区处于缺硒、低硒状态，仅有少部分地区为硒含量较高或高硒区域。湖北省恩施州和陕西省紫阳县是2 个大面积的天然富硒区。国内又陆续发现了多个富硒地带，如江西省龙南地区、重庆市江津县、贵州省开阳县，贵州开阳县表层土壤硒含量均值为0.6 mg/kg［4，5］。研究表明，硒能改善动物机体的免疫力，提高人体抗癌能力，抑制镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、银（Ag）等重金属毒性［6，7］。寻找富硒土壤，合理利用土地资源，开发富硒农产品，可为城镇居民，尤其是缺硒地区的居民提供补硒途径，增强居民饮食营养，提高身体健康水平。

富硒土壤的环境质量受到多种因素影响，既有自然因素也有人为因素。但由于土壤中的Se 通常与As、Hg、Cd、铅（Pb）、铬（Cr）等重金属处于同一系统中，这些重金属含量高于土壤安全标准，不仅危害到Se 的生物有效性，还可能对农产品的安全造成不利影响［8，9］。合理地利用富硒土壤资源，防止土壤环境的污染和破坏，是坚持环境保护可持续发展战略的基本要求。随着经贸全球化的迅速发展，农产品贸易日趋成熟，农产品质量安全问题尤为重要，耕地土壤环境是农产品的生产源头和重要环境要素。重金属作为土壤一个基本的生态安全指标，是评判区域性生态环境的必要参数［10，11］。分析耕地土壤重金属的基本状态是判断该地区农产品质量安全最有效的手段。

湖北省天门市耕地土壤富硒调查及重金属污染现状的研究和评价较少。以天门市农作物主产区耕作层土壤为研究对象，分析、评价土壤中硒的含量及分布，通过评价土壤重金属As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染状况，明确周边耕地土壤的重金属富集及伴生情况，分析天门市富硒耕地土壤的污染程度，以期为该市含硒耕地土壤资源的合理开发和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天门市位于湖北省中南部，江汉平原北部，总面积2 622 km2，东经112°33′45″—113°26′15″，北纬30°22′30″—30°52′30″。市境北缘与大洪山余脉的低丘相连，西、南面有汉水环绕，依山带水。整个地势自西北向东南倾斜，形成低丘、岗状平原和河湖平原3种地貎。府河、汉北河横贯腹地，皂市改道河、东河、西河等20 多条河流纵横交错，有张家湖、华严湖等多个湖泊。东与汉川市、应城市接壤，北与京山县、钟祥市毗邻，南面和西面隔汉江与仙桃市、潜江市、荆门市相望。

1.2 样品采集与测定

1.2.1 样品采集 采样点布设于农田、园地、林地、草地及山地丘陵土层较厚地带，采样时避开新近搬运的堆积土、垃圾堆和局部污染明显的地区；老城区在历史较长的公园、林地及其他空旷地带采样；新城区（或开发区）在尚未开发利用的农用地中采样。采集湖北省天门市农作物主产区耕作层土壤（0~20 cm）样品641 个。土壤样品在风干室风干磨碎，并过100目标准尼龙筛，装棕色瓶备用［12，13］。

1.2.2 重金属含量测定 样品经硝酸-高氯酸混合酸加热消化后，在盐酸介质中，将样品中的六价硒还原成四价硒，用硼氢化钠（NaBH4）或硼氢化钾（KBH4）作还原剂，将四价硒在盐酸介质中还原成硒化氢（SeH2），由载气（氩气）带入原子化器中进行原子化，在硒特制空心阴极灯照射下，基态硒原子被激发至高能态，在去活化回到基态时，发射出特征波长的荧光，其荧光强度和硒含量成正比［14］。

用原子荧光光度计法测定As 和Hg［15］。用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定Pb、Cd 和Cr［12］。在样品进行消化、测定过程中，均有2~3 个空白样品、平行样品和标准物质（GSS-2、GSS-15）同步分析，控制分析结果。

1.3 硒含量调查与分析

硒含量调查与分析以现场调查与统计相结合的方式，对天门市农作物主产区耕作层土壤富硒程度和分布进行研究。土壤中硒的含量达到0.4 mg/kg以上可以判断为富硒耕地土壤。

1.4 耕地土壤重金属评价方法

在统计学的基础上，采用单因子指数法和潜在危害指数法，对天门市耕地土壤重金属污染程度和潜在生态危害进行评价。

1.4.1 统计学方法 依据《中华人民共和国土壤环境质量标准》（GB 15618—2018）对土壤重金属污染情况进行统计分析［16］。根据国家土壤环境质量标准对土壤环境质量分类，Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。Ⅱ类土壤环境质量执行二级标准，二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。

1.4.2 单因子污染指数法 单因子污染指数法常用于评价土壤被某一重金属的污染程度［17，18］，其计算公式为：

式（1）中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测浓度；Si为污染物i的评价标准值。具体分级标准见表1。

表1 土壤环境质量单因子污染指数分级标准

1.4.3 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法，根据重金属性质及环境中迁移转化沉积等行为特点，从沉积学的角度，对土壤或沉积物中的重金属做出评价［10，19］。其计算公式如下。

式（2）中，Eir为单项潜在生态危害系数，T ri为重金属i的毒性系数，Pi为单因子污染指数。Eir反映了该种重金属的毒性水平及水体对其污染的敏感性。

通过对单一重金属的潜在生态危害系数加权，得到该区域耕地中多种重金属综合潜在生态危害指数RI，其计算公式如下。

式（3）中，RI为综合潜在生态危害系数。重金属的生物毒性系数、参比值和评价标准见表2 和表3［9］。

表2 重金属的参比值Si和生物毒性系数Tri

表3 生态危害系数、指数与危害程度分级

1.5 数据处理

数据采用Microsoft Office Excel 2017、SPSS 20.0和Matlab 7.0 分析软件进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 硒含量分布状况

对天门市耕地土壤硒含量进行分析。结果表明，该地区土壤pH 为4.86~8.91，土壤略偏碱性；硒含量为0.05~0.65 mg/kg，平均值为0.33 mg/kg。在所有土壤样品中，有145 个样品达到土壤富硒的标准，占总数量的22.6%；有480 个样品硒含量集中在0.2~0.4 mg/kg，16 个土壤样品硒含量低于0.2 mg/kg。天门市硒含量分布图见图1。由图1 可知，该地区硒含量分布较为均匀，含量适中，适合发展富硒产业。

图1 天门市硒含量分布

2.2 耕地重金属含量

利用分析软件对研究区耕地重金属含量进行描述性分析，各项统计指标见表4。由表4 可知，该区土壤重金属As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的含量分别为4.40~26.10 mg/kg、0.09~1.91 mg/kg、48.80~127.30 mg/kg、0.00~0.46 mg/kg 和10.50~39.90 mg/kg。该区土壤重金属As、Cr、Hg 和Pb 含量平均值均未超过湖北省土壤背景值，说明重金属在该地区的积累效应不明显。与国家土壤质量标准相比，天门市耕地土壤重金属As、Cd、Cr、Hg 和Pb 含量均低于国家二级标准，说明该区域耕地土壤并未受到较大污染。变异系数最大的重金属是Hg，与其他4 种重金属相比，Hg 分布最不均匀，受到严重的人为干扰。

表4 耕地重金属含量的描述性统计分析

2.3 单因子污染指数法

根据单因子污染指数法分析天门市各种重金属污染程度，计算结果见表5。将土壤环境质量标准GB 15618—2018 中的二级标准限值设定为评价标准，研究区耕地重金属As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染指数平均值分别为0.57、0.53、0.27、0.38 和0.12，均小于0.70，说明污染情况较轻，与统计结果一致。

表5 天门市耕地土壤重金属含量污染指数及超标样本数

As 和Pb 的污染指数最大值分别为1.42 和1.22，超标样数分别为5 和4 个，说明部分地区耕地已经达到轻度污染级别，需提高警惕。Cr 的污染指数最大值为0.54，小于0.70，表明Cr 属于清洁等级。Cd 和Hg 污染指数最大值分别为2.01 和3.21，超标样数分别为12 和7 个，已达到重度污染级别，从数量和广度上都远超过其他重金属，对污染严重区域耕地进行综合治理，避免污染日趋严重。

2.4 潜在生态危害指数法

根据单因子污染指数法结果，针对重金属超标的28 个样本点进行重金属潜在生态危害评价。天门市耕地中5 种金属的潜在生态危害指数（Eir）和潜在生态危害综合指数（RI）见表6。由表6 可知，重金属As、Cr 和Pb 危害程度相对较低（Eir< 40）；重金属Cd 有2 个样本点属中等生态危害（40 ≤Eir< 80）；重金属Hg 有4 个样本点属中等生态危害（40 ≤Eir<80），1 个采样点出现了很强的生态危害信号（160 ≤<320）。

表6 天门市耕地重金属生态危害评价指数

潜在生态危害综合指数RI结果表明，在研究区重金属超标的28 个采样点中，23 个属于轻微生态危害（RI<150）；1个属于中等生态危害（150 ≤RI<300）。

该研究区耕地重金属污染最严重的是Cd，其次是Hg。

3 硒资源开发建议

富硒土地作为独特的地质资源，开发利用好天门市的富硒土地资源对于天门市实现由资源优势地位向经济优势地位的转化，打造地方特色农业，提高农民收入等都具有重要的现实意义。富硒耕地的直接开发利用相对比较简单，将本地资源状况和实际自然环境相结合，根据市场需求和农业种植结构调整要求，通过比较经济效益，选择既易富硒又具有国内外市场前景且经济效益更高的农产品种类，直接在已知的富硒耕地上种植和栽培富硒农作物。但由于富硒土壤在成因上比较独特，农作物中的硒不仅与土壤的总硒含量有关，还与腐植酸态硒浓度密切相关。因此，建议在土地利用过程中，以天然种植为主，确立以发展富硒蔬菜和富硒水稻种植为基础，以全力提升品质为目标。

鉴于该地区传统以种植水稻和蔬菜为主，要依据富硒土壤的分布特点和自然特性，合理地、有针对性地打造富硒农产品，建议在棚外以种植水稻和蔬菜为主，首选毛豆、长豇豆、豆角、蚕豆、雪菜、青菜、大白菜、卷心菜、菠菜、生菜、苋菜、薹菜、芹菜、香菜、葱、蒜、花菜、茼蒿、空心菜、西蓝花、丝瓜、白萝卜、胡萝卜、玉米等，以此打造“菜篮子”工程，让富硒蔬菜成为湖北人补硒的美味佳肴。同时建议棚栽区应种植栽培富硒程度相对而言较难的作物，如黄瓜、小南瓜、番茄、甘蓝、瓠子、茄子、辣椒、青椒、甜椒、西瓜、冬瓜、甜瓜、葡萄等。

4 小结

天门市耕地土壤调查数据显示，耕地土壤呈碱化趋势，耕地土壤硒最高浓度为0.65 mg/kg，平均值为0.33 mg/kg。土壤样品中的硒含量主要集中在0.2~0.4 mg/kg，土壤硒含量总体达到足硒水平，局部达到富硒水平，整体分布均匀。天门市可以大力发展富硒产品种植。该地区局部区域的耕地土壤中存在部分重金属元素轻微污染的情况，总体情况较为安全。与国家土壤质量标准相比，重金属As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的含量均低于国家二级标准，其单因子污染指数平均值都小于0.7，研究区耕地整体并未受到较大污染，保护较为完善。在明确富硒土壤分布范围的基础上，选择易富硒又具有国内外市场前景且经济效益更高的农作物品种，因地制宜，规划种植栽培区域，以打造规模化、产业化、高效益的富硒农作物生产基地。