土壤重金属污染现状调查与评价：以贵州惠水涟江高效农业园区为例

息朝庄，吴林锋，张鹏飞，杨茗钛，范云飞，黄丹艳

(1. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000；2. 贵州省有色金属和核工业地质勘查局 核资源地质调查院，贵阳 550005)

土壤是环境要素的重要组成部分，它既是农业生产和人类赖以生存的基础，又是人类粮食和生态环境安全的保障[1]，其承受着环境中约90%的污染物[2].重金属是最主要的危害生态安全的土壤环境污染物之一，是典型的持久性有毒污染物[3]，它在土壤中具有累积性、严重污染性等特点[4].土壤中重金属的含量通常被用作评价土壤污染的指标[5-7].涟江高效农业园区位于涟江大坝，隶属于贵州省惠水县，是惠水县乃至贵州全省最重要的商品粮基地及农业综合开发区[8].土壤环境易受交通运输、农业耕作、垃圾堆放等人为活动的影响.这些人为活动均可造成大量的重金属释放，从而造成园区土壤重金属污染，破坏园区的生态系统平衡.

在贵州省惠水县1∶50 000 耕地土壤地球化学调查与评价项目实施的基础上，本文通过对涟江高效农业园区的土壤重金属含量和pH 值进行分析，运用单因子污染指数、内梅罗污染指数、富集因子法、潜在生态污染指数法等统计方法，对该园区进行了全面的调查评价，以期为该区土壤生态环境管理提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

惠水县涟江现代高效农业示范园区位于惠水县101 省道沿线的涟江大坝，该大坝是贵州省唯一面积超过66.7 km2的坝区，历来有“贵州高原第一坝”的美称.该园区包括濛江街道、涟江街道和好花红镇3 个乡镇，18 个行政村，其总面积为139.8 km2.园区耕地总面积为43.6 km2，其中水田35.0 km2、旱地6.9 km2、果园1.7 km2.

研究区属亚热带湿润季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季如春，气候宜人.境内年平均气温16.1 ℃，最高气温38.8 ℃，最低气温-6.2 ℃，无霜期250～300 d，年均降水量1 213.4 mm，年平均日照时间1 318 h.该区雨量充沛，雨热同期，干冷同季，适合各种农作物生长.

1.2 材料与方法

1.2.1 取样和加工方法

预先按照采样地块形状确定子样的具体位置，如采样地块约为正方形或长方形时，分别采用“X”形和“S”形布设子样点.子样点布设在同一地块内，且距采样地块实际点位距离为20～50 m.采集耕作层土壤样品室，深度为0～20 cm，每个样品由4～6 个子样等量混合组成.

样品的晾晒与加工场地均需确保无污染.取样后应及时清理、登记，并将其悬挂在自制样品架上，自然风干；将风干后的样品平铺在制样板上，用木棍进行碾压，同时将杂物清除；压碎的土样均通过2 mm 的孔径筛过筛，所得土壤样品称重后混匀.

研究区出露地层主要有：白垩系上统茅台组(K2m)，其岩性为灰带砖红色块状砾岩和含砾砂岩、泥质石英砂岩和粉砂岩、泥岩；三叠系中统边阳组(T2b)，其岩性为灰绿、青灰色薄-中厚层泥灰岩及页岩夹砂岩；罗楼组(T1l)，其岩性为浅灰、灰白色厚层块状泥晶灰岩；二叠系中统茅口组(P2m)，其岩性为浅灰、深灰色中厚至块状生物屑灰岩及燧石灰岩夹硅质岩；栖霞组(P2q)，其岩性为浅灰、深灰色灰岩夹燧石灰岩；石炭系上统大埔组(C1-2d)，其岩性为厚层状灰岩.

1.2.2 测定项目与方法

测试项目为土壤pH值和8个重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn)含量，均由云南省地质矿产勘查开发局中心实验室分析.土壤pH 值选用电位法(ISE)测定；Cd、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的含量由电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定，As 和Hg 的含量由原子荧光光谱法(AFS)测定.

1.2.3 评价标准

涟江大坝土壤评价标准按照《农用地土壤环境质量标准》[9](GB 15618—2018)执行.

1.3 评价方法

1.3.1 单因子污染指数与内梅罗污染综合指数法

单因子污染指数法和内梅罗污染综合指数法已被广泛应用于土壤重金属评价[10].其中，单因子污染指数公式为

其中，Pi为重金属i的污染物指数；Ci为重金属i的污染物测定值；Si为重金属i的污染物风险筛选值.

内梅罗污染综合指数计算公式为

其中，NPI表示内梅罗污染综合指数；Pia表示重金属i污染的平均值；Pim表示重金属i污染的最大值.单因子污染指数和内梅罗污染指数的分级标准[11]见表1.

表1 单因子污染和内梅罗污染指数分级标准

1.3.2 富集因子法

富集因子法可被用来辨识大气、土壤、湖泊沉积物等环境系统中富集的重金属的人为扰动情况[7].其计算公式为

其中，Ef为土壤中重金属i的富集因子；Cs为重金属i含量的实测值；Cn为参比元素的含量，本文选择Co 作为参比元素；(Cs/Cn)样品为样品与参比元素含量的比值；(Cs/Cn)地壳为地壳中重金属与参比元素含量的比值，选取地壳中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的含量取值分别为0.2、0.08、1.8、13、100、55、75 和70 mg·kg-1，参比元素Co 含量为25 mg·kg-1[12].富集因子污染程度分级[7]见表2.

表2 富集因子污染程度分级

1.3.3 潜在生态污染指数法

潜在生态污染指数法是由Hakanson 于1980年依据沉淀学原理形成的一套用于评价重金属污染与生态危害的方法[7].其计算公式为

其中，Er表示土壤中重金属i的潜在生态危害系数；Tr表示土壤中重金属i的毒性响应系数；Cf表示重金属i的相对参比污染系数；Cs表示重金属i含量的实测值；Cn表示重金属i含量的标准值.本文选择Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的Tr取值分别为30、40、10、5、2、5、5 和1 mg·kg-1[7]；贵州省土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的背景值分别为0.66、0.11、20、35、96、32、39 和100 mg·kg-1[12].生态污染指数和综合污染指数分级标准见表3.

表3 生态污染指数(Er)和综合污染指数(RI)分级标准

2 结果与分析

2.1 涟江高效农业园区土壤重金属含量特征

2.1.1 园区土壤污染物水平

涟江高效农业园区和不同土地利用类型的土壤重金属含量水平见表4.由表4 中337 个样品的分析结果可以看出，与贵州省土壤重金属含量的背景值相比，研究区无As 污染，有轻微Cu 污染，有部分Cd、Hg、Pb、Cr、Ni 和Zn 污染；土壤pH 值范围为4.96～8.78，其平均值为6.73，其中pH＜7.0 的样本数为222 个，占比66%，这表明园区土壤多数为酸性土.

2.1.2 园区不同土地利用类型污染物水平

涟江高效农业园区不同土地利用类型的土壤重金属含量统计结果见图1.

图1 研究区不同土地利用类型重金属含量

由表4 和图1 可看出，不同土地利用类型中土壤重金属Cd、As、Pb、Cr、Cu 含量平均值为旱地＞水田＞果园；Hg 含量平均值为水田＞旱地＞果园；Ni、Zn 含量平均值为旱地＞果园＞水田.

表4 涟江高效农业园区不同土地利用类型重金属含量 mg·kg-1

2.2 涟江高效农业园区土壤环境质量评价

2.2.1 土壤重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数

根据式(1)～式(2)计算，可以获得不同土地利用类型和全区的Pi和NPI，结果见表5.

由表1 和表5 综合分析可知，园区土壤重金属Pi中Cd 为3 级，属轻度污染；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 为1 级，属安全清洁区；NPI为3 级，属轻度污染.这表明园区土壤Cd 为轻度污染，即土壤和农作物有轻度污染.

表5 土壤重金属单因子污染和内梅罗污染指数及其分级

水田Pi中Cd 为2 级，达到警戒线，属尚清洁区；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 为1 级，属安全清洁区；NPI为1 级，属安全区.这表明水田研究区Cd 属警戒区.

旱地和果园Pi中Cd 为3 级，属轻度污染；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 为1 级，属安全清洁区；NPI为3 级，属轻度污染.这表明该区域Cd 属轻度污染，即土壤和农作物有轻度污染.

2.2.2 富集因子指数

根据式(3)计算所得的土壤重金属富集因子指数见表6.

表6 土壤重金属富集因子

由表6 可看出，园区土壤重金属Cd、As 和Pb 属显著富集，Hg、Cr 和Zn 属中度富集，Cu属轻微富集，Ni 属尚未富集；水田土壤重金属Cd、Hg、As 和Pb 属显著富集，Cr 和Zn 属中度富集，Cu 属轻微富集，Ni 属尚未富集；旱地土壤重金属Cd、As 和Pb 属显著富集，Hg、Cr 和Zn 属中度富集，Cu 属轻微富集，Ni 属尚未富集；果园土壤重金属Cd、As 和Pb 属显著富集，Hg、Cr 和Zn 属中度富集，Cu 和Ni 属轻微富集.由此认为：Ni 主要源于自然；Cd、As、Pb、Hg、Cr、Zn 和Cu 则受到不同程度人为源的影响.

2.2.3 土壤重金属生态风险和潜在风险指数

根据式(4)～式(5)计算得出不同土地利用类型土壤中重金属生态风险系数和潜在风险指数，结果见表7.

表7 土壤重金属生态风险系数和潜在风险指数

由表7 可以看出，水田、旱地和园区土壤中Hg 的生态风险系数最大，属于中等污染级别；而Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的生态风险系数较小，属轻微污染；园区、水田、旱地和果园RI均＜150.由于RI可反映总的污染造成的生态风险，因此可认为8 种重金属对研究区环境的生态污染程度均较轻微.

3 讨论

3.1 土壤重金属含量统计特征

水田土壤中270 个样品的重金属含量除As外，其他重金属均有超标现象，其中Cd、Hg 和Cu 超标较为严重；旱地54 个土壤样品中除As外，其他重金属含量均有超标现象，其中Cr、Hg和Cu 超标较为严重；果园13 个土壤样品的重金属含量除Cd、As、Pb 和Cr 外，其他重金属均有超标现象，其中Hg 和Cu 超标较为严重.

园区337 个土壤样品中的重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的含量超标率分别为15.4%、54.9%、0、5.3%、16.9%、42.4%、11.3%和6.8%；其含量最大值分别为贵州省土壤重金属背景值的1.95、5.09、0.91、2.62、1.47、2.59、1.64和1.45 倍.这表明除As 外，其他重金属含量均有超标现象，其中Cd、Hg 和Cu 超标较为严重.

3.2 土壤重金属污染来源

园区、水田、旱地和果园土壤中重金属Cd、Hg 和Cu 含量超标；单因子污染指数和内梅罗污染指数表明Cd 属轻度污染；Cd、Hg 和Pb 显著富集，人为扰动明显；Hg 的生态风险最大.相关关系分析表明，水田土壤中的Cu、Cr 和Zn，旱地土壤中的Cu、Cr、Ni 和Zn，以及果园土壤中的Pb、Cu、As、Hg、Ni 和Zn 均呈显著正相关，这表明它们可能具有相似的污染源.

土壤重金属超标常常是由于地质背景与人为活动共同影响的结果[13].据有关学者研究，贵州省黔南都匀市已探明Cd 资源储量为大规模的富镉锌矿[14]；经现场取样调查，涟江高效农业园区存在多个采石场，其产生的工业三废[15]同样可以导致Cd 和Hg 等重金属的累积，并且当地村民生活和取暖多使用燃煤[16]，这也导致了Hg 的累积；还有研究表明，水田、旱地、果园土壤中重金属的来源受到了汽车尾气、动物粪便、肥料和农药的长期施用等人为活动的影响[17].

4 结论

1)从整个园区337 个土壤样品的分析结果可以看出，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn含量均值分别为0.47、0.12、8.49、25.44、80.87、31.54、26.30 和65.17 mg·kg-1，其中Hg 含量均值高于贵州省土壤中Hg 的背景值，Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 含量均值均低于相应贵州省土壤重金属含量背景值；部分重金属的含量最大值超过了其土壤背景值，这表明它们也存在轻微污染.土壤pH 值范围为4.96～8.78，其平均值为6.73，其中pH＜7.0 的样本数为222 个，占比66%，这表明园区以酸性土为主.

2)从Pi和NPI计算结果来看，园区、旱地和果园土壤中重金属Cd 属轻度污染；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 属安全清洁区；NPI为3 级，属轻度污染.这表明研究区Cd 属轻度污染，即土壤和农作物有轻度污染.水田Pi中Cd 属尚清洁区；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 属安全清洁区；NPI属安全区.这表明研究区Cd 属警戒区.

3)富集因子法分析结果表明，Ni 主要源于自然；Cd、As、Pb、Hg、Cr、Zn 和Cu 受到不同程度人为源的影响.水田、旱地和园区的Hg 的生态风险属于中等污染；Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的生态风险属轻微污染；园区、水田、旱地和果园RI均＜150，这表明8 种重金属对研究区环境的生态污染程度轻微.

4)园区内重金属Cd 和Hg 等污染，其来源可能受地质背景、工业三废、燃煤、长期施肥等人为活动综合影响.