渝北区农村土壤重金属污染及生态风险评价

李小红，刘正实，徐龙君

(1.重庆工商大学 国家智能制造服务国际科技合作基地，重庆 400067;2.重庆市渝北区生态环境监测站，重庆 401120;3.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044)

土壤是农业生产和人类活动赖以生存的物质基础，也是食品安全与生态环境安全的重要保障.全球变化及人类活动的干扰会改变重金属元素在环境中的行为，使其通过各种途径进入土壤，进而会使农作物产量和质量下降，并危害人类健康；也会导致大气和水环境恶化，最终威胁人类生存环境.开展农村土壤环境质量监测和风险评估是农产品质量安全风险管控的基础，也是落实生态文明建设和土壤污染治理修复的基本体现.为此，广东省出台了《耕地土壤重金属污染风险管控与修复 风险评价》(DB44/T 2263.2-2020)[1]地方标准，规定了耕地土壤重金属污染风险评价的基本原则、工作程序、资料收集与分析、点位风险评价、治理单元风险评价和评价报告编制的要求.

徐清等[2]发现，包头市表层土壤污染工业区以Pb，Zn，Cd，Hg，As为主，农村土壤以Hg的点源污染为主；刘瑞雪等[3]利用潜在生态危险指数法分析认为湘潭县农田土壤重金属处于高生态风险状态;安婧等[4]研究了东北典型污灌区——沈抚灌区农田土壤和农作物中Cd，Pb，Cu，Zn的污染现状、时空分布特征、潜在健康风险；周勤利等[5]采用内梅罗综合污染指数和Håkanson潜在生态风险指数法对宁夏贺兰县农田土壤重金属生态风险评价，结果表明，土壤环境质量整体良好，但Cd和Ni累积严重；张素荣等[6]开展了雄安新区西南部表层土壤金属污染和生态风险评价，土壤整体的重金属潜在危害程度为中等风险，其中Cd对潜在生态风险指数RI的贡献最大，且Cd的活性最强，迁移能力强，易被植物吸收.中国幅员辽阔，各地区土壤地质环境的差异及利用方式的差异，导致土壤环境质量及污染程度不同.目前，对西南地区尤其是重庆地区土壤重金属污染及生态风险评价的研究报道较少，为此，笔者以渝北区农村土地质量监测数据为基础，分析其土壤重金属元素空间变异特征，探讨金属污染特征和生态风险，以期为土地利用管理、土壤污染风险管控和修复、农产品质量安全风险和居民健康风险提供一定的科学依据.

1 样品采集与分析

渝北区位于重庆主城北大门，地势西北高东南低，属亚热带季风润湿气候区，常年平均气温 17.3 ℃，年平均降雨量1 099. 8 mm，年平均日照1 341.1 h.幅员面积1 452 km2，土地面积为586 km2，占总幅员面积的40.36%，其中农业耕地403 km2.研究区地质属沉积岩广泛发育区，地质形态为华蓥山帚状褶皱束和宣汉—重庆平行褶皱束，褶皱带呈北北东向展布，狭长而不对称，褶皱紧密，向斜宽，背斜窄，断裂少.研究区内用地类型分为耕地、林地、水域、园地、城镇及工矿用地、交通用地和其他用地类型，主要为耕地(园地).研究区土壤以水稻土、紫色土和黄壤土为主，pH在5.0～8.5之间.

1.1 监测点位和样品信息

表1给出了监测点位和样品的相关信息.样品采集于2019年7月，监测点位(图1)覆盖渝北区的3个乡镇和1个街道，包括：统景镇(合理村、黄印村、御临村和中和村)、茨竹镇(放牛坪村)、木耳镇(学堂村)和双凤桥街道(兴旺村)，其中茨竹镇已纳入川渝高竹新区建设范围，点位类型包括菜地、果园、居民区、农田、企业周边、水源地.按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166-2004)[7]，在1 m2监测区域按照5点法，采集0～20 cm表层土壤，等量均匀(四分法)混合后为1个样品，采样量为1 kg，风干，磨细后过筛、备用.

表1 监测点位和样品信息

图1 研究区及采样点位置示意

1.2 样品测试与质量控制

测试项目有Cd、Hg、As、Pb、Zn、Cr、Ni、Cu、土壤pH、干物质含量等指标.土样经盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解后，原子吸收法测定Cd，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu；土样经王水消解后，原子荧光法测定Hg，As.土壤中各重金属元素的分析测试方法和检出限见表2.样品分析测试质量控制与质量保证工作以相应的分析测试方法为基础.

表2 表层土壤重金属元素分析方法和检出限

测试中采用国土资源部中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所提供的标准样品监控分析测试的准确度，采用留样复测监控分析测试的精密度[8].精密度和准确度合格率均为100%，各重金属的回收率均为100%±10%，样品分析测试质量和各重金属元素指标检出限满足生态地球化学评价样品分析技术规范要求，分析数据准确可靠.

1.3 数据处理

研究中地球化学参数统计利用Excel 2016和SPSS 20软件完成，各参数小数点保留位数是综合考虑分析方法检出限与实验室实际仪器检出限可靠位数而定，按原始数据统计各项地球化学参数.

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属元素污染统计特征

表3为渝北区农村表层土壤重金属元素含量特征.

表3 表层土壤重金属元素含量特征

由表3可见，土壤主要以偏碱性为主，重金属Cd，Hg，As，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu元素含量的平均值分别为0.257，0.055，3.27，16.9，128.6，68.7，35.9，31.7 mg·kg-1.渝北区农村表层土壤中重金属Cd，Zn，Cr，Ni，Cu平均值高于全国[9]和重庆[10]表层土壤平均水平，Cd，Zn，Cr，Cu中位值高于全国[9]和重庆[10]表层土壤平均水平.依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)[11]，渝北区农村表层土壤Cd，Hg，As，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu平均含量均小于农用地土壤污染风险筛选值，为安全无污染风险等级[8].

土壤科学中变异系数(Cv)的大小被用于表示土壤重金属元素的均匀性和变异程度[8]，结果表明：渝北区农村表层土壤重金属Cr属于中等变异元素，Cd，Hg，As，Pb，Zn，Ni，Cu属于高度变异元素，其中Hg变异系数最大，不均匀性最高.

地累积指数(geoaccumulation index, 以Igeo表示)被学者们广泛用于土壤污染评价[12]，渝北区农村表层土壤重金属元素地累积指数等级分布情况见表4.

表4 表层土壤重金属元素地累积指数等级分布情况

由表4可知，渝北区农村表层土壤重金属污染等级均在未污染—中度至重度污染之间；表层土壤重金属Igeo中位值降序依次为Cd(0.17)>Cu(-0.09)>Hg(-0.15)>Cr(-0.23)>Zn(-0.28)>Ni(-0.71)>Pb(-0.93)>As(-1.99)，Igeo平均值降序依次为Cd(0.14)>Zn(-0.06)>Cr(-0.34)>Cu(-0.60)>Ni(-0.68)>Hg(-1.40)>As(-2.00)>Pb(-2.15)；表层土壤污染最严重的是Hg，其次是Zn和Cu；Hg元素未污染、未污染至中度污染、中度污染和中度至重度污染的样品比例依次为76.06%，18.31%，4.22%，1.41%；Zn元素未污染、未污染至中度污染和中度污染的样品比例依次为77.46%，16.90%，5.64%；Cu元素未污染、未污染至中度污染和中度污染的样品比例依次为76.06%，21.13%，2.81%，存在多种重金属的复合污染，生态风险较高[12].

2.2 土壤重金属元素空间分布特征

为研究渝北区农村表层土壤重金属元素含量水平及空间分布特征，利用监测数据，绘制出土壤重金属元素地球化学图(图2).

图2 表层土壤重金属元素地球化学分布

结合图1和图2可知，Ni，Cr，Cd，Zn含量空间分布有很大的相似性，含量高值区主要在放牛坪村和中和村，其位于渝北区东南和西北地区.As，Hg，Cu 含量高值区主要在黄印村、兴旺村和合理村，其位于渝北区西南和东北地区.

2.3 土壤重金属来源

元素之间的相关性可以判别是否具有同源性，采用SPSS分析重金属元素间的相关性， 得到Pearson相关系数列于表5.

表5 表层土壤重金属含量相关性分析

由表5可知，Cd与Zn、Hg与As、As与Pb、As与Cu、Pb与Cu、Zn与Ni、Ni与Cu之间均为显著正相关，表明可能有相同的来源.从土地类型看，菜地、果园、农田中重金属Cu，Pb，Zn含量较高，这与大量使用有机肥、农药和塑料薄膜等有关，企业周边重金属As和Cd含量较高，这与工业生产中污水排放和污水灌溉有关[13-15].居民区周边重金属Hg含量较高，Hg在土壤中的积累通常与人类活动引起的大气沉积有关[16].土壤中Cr和Ni的含量通常取决于它们在成土母质中的含量，与成岩成分有关，属于自然来源[17].

2.4 土壤重金属环境生态风险评价

图3 表层土壤重金属(Hg和Cd)生态风险系数及重金属综合生态风险指数空间分布和重金属贡献比例

渝北区农村土壤重金属潜在生态风险指数统计结果显示(图3)，轻微生态危害(PERI<150)占样数的70.42%，中等生态危害(150≤PERI<300)占样数的28.17%，强生态危害(300≤PERI<600)占样数的1.41%，无很强生态危害样品.土壤重金属对PERI贡献指数降序依次为Hg>Cd>Ni>Cu>As>Cr>Pb>Zn，贡献率分别为52.66%，34.78%，2.99%，2.89%，2.72%，1.94%，1.13%，0.89%.

综合生态风险指数空间分布进一步显示，轻微生态危害(PERI<150)主要分布在黄印村、合理村和御临村；中等生态危害(150≤PERI<300)分布面积较广，除学堂村和御临村外均有分布；强生态危害(300≤PERI<600)分布面积较小.

3 结束语

(1) 研究区土壤重金属Cd，Zn，Cr，Cu含量的平均值和中位值均超过全国和重庆土壤背景值，Cd，Hg，As，Pb，Zn，Cr，Ni，Cu的平均含量均小于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)[11]规定的筛选值，为安全无污染风险等级.地累积指数结果表明，表层土壤污染最严重的是Hg，其次是Zn和Cu；中度污染及以上的样品分别占5.63%，5.64%，2.81%，存在多种重金属的复合污染，生态风险较高.

(2) 研究区土壤重金属对PERI贡献指数降序依次为Hg(52.66%)>Cd(34.78%)>Ni(2.99%)>Cu(2.89%)>As(2.72%)>Cr(1.94%)>Pb(1.13%)>Zn(0.89%)，Hg和Cd是最重要的风险元素.

(3) 研究区土壤重金属分布不平衡，一定程度上取决于土地类型，其重金属来源于自然、工业生产的污水排放和污水灌溉、大气中重金属沉降、农药、化肥和农用化学品.