彭水县耕地土壤重金属污染特征调查及风险评价_王银华.pdf

南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.2022随着土壤污染防治行动计划的分阶段实施及国家粮食安全战略的提出，土壤污染及粮食安全备受关注1-2。全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤污染状况不容乐观，其中重金属等无机污染物是主要的污染因子3。从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方，长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。其中，耕地土壤点位超标率为19.4%，主要污染物为Cd等重金属元素4。耕地土壤重金属超标不仅会影响农产品品质，造成粮食减产，而且会通过食物链进入人体，在人体内不断累积，造成人体脏器功能损害，对身体健康造成影响，是人民通往美好生活道路上的主要障碍之一5-7。已有研究表明，重庆市东南地区由于地质原因，土壤重金属本地含量高，部分地区土壤重金属超标问题显著8。本文选择彭水县为研究区域，通过采集耕地土壤样品，评价重金属污染状况，并对重金属来源和有效性进行研究，提出相应的建议，以期对地区重金属污染防控提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况彭水县位于重庆东南部，地处乌江下游，北纬28572951、东经1074810836。东西宽78km，南北长96.40 km，水陆边界线总长414.90 km，总面积3 905.22 km2。属中亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，光照偏少。多年平均气温 17.50，常年平均降水量 1 104.20 mm。有耕地 10.70 万 hm2，草山、草地0.81万hm2，林业用地19.53万hm2，主要种植作物为玉米、红薯和水稻。1.2样品采集与测试在彭水县主要农耕区采集 020 cm 的表层样品120个。根据耕地地块形状，在梯田区采用“S”形采集分样点，在地势相对平缓的地区，采用“X”形或棋盘形采集分样点，采集46个子样点混合成一个样品。土壤样品在自然条件下阴干，样品晾干后用尼龙筛截取2 mm（10目）粒级送至实验室分析。采用X射收稿日期：2022-06-22作者简介：王银华（1989），男，重庆人，本科，主要研究方向为耕地污染防治。E-mail：。王银华，任远锋，何建平.彭水县耕地土壤重金属污染特征调查及风险评价J.南方农业，2022，16（23）：65-69.彭水县耕地土壤重金属污染特征调查及风险评价王银华，任远锋，何建平（彭水县农业农村委员会，重庆彭水 409600）摘要通过测定彭水县耕地土壤样品中重金属的总量和Cd有效态占比，对重金属污染特征进行评价，并分析了土壤重金属的来源和影响土壤Cd有效态的影响因素，基于分析结果，提出相应的风险管控建议。结果显示，研究区土壤Cd含量介于筛选值和管制值之间的比例为30.25%，超过管制值的比例为2.05%；土壤污染状况以中度污染为主，点位所占比例为39.44%，潜在生态风险以轻微和中等风险为主，点位所占比例分别为77.46%和21.12%，主要污染因子为Cd元素。土壤Cr、Hg和Cd可能受到自然因素的影响，土壤As、Pb、Cd和Hg可能受到农业活动等人为因素的影响。土壤Cd生物有效态所占比例较高，可能和土壤酸化有关。土壤Cd有效态占比与土壤pH值有显著相关性，碱性条件下Cd有效态所占比例较低。因此，建议减少施用以牲畜粪便为主的农家肥，增施土壤碱性调理剂调节土壤pH，降低耕地重金属污染风险。关键词耕地土壤；重金属污染；风险评价；重庆市彭水县中图分类号：S153文献标志码：ADOI：10.19415/ki.1673-890 x.2022.23.01565南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.2022线荧光光谱法分析土壤Cr和Pb的含量；采用原子荧光光谱法分析土壤As和Hg的含量；采用等离子体发射光谱法分析土壤Cd含量；采用pH计电极法测试土壤pH值；采用DGT提取法分析土壤Cd有效态占比。2结果与分析2.1土壤重金属含量统计120个耕地土壤样品中重金属的含量，并参照土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB 15618-2018）对土壤重金属超标情况进行评价。由表1可见，土壤Cd、Hg、Pb、As和Cr的平均含量分别为0.72、0.59、0.28、0.37和0.22 mgkg-1，土壤Cd轻度超标率（含量介于筛选值和管制值之间）为30.25%，重度超标率（超过管制值）为2.05%，耕地土壤Cd超标问题显著。土壤Cd、Hg含量的变异系数分别为0.72、0.59，属于极强变异，说明含量在空间上分布不均匀，受到人为扰动的可能性较大9。表1彭水县耕地土壤重金属含量及超标情况元素CdHgPbAsCr最小值/mgkg-10.050.0415.602.1338.60最大值/mgkg-13.331.1795.8032.22133.10平均值/mgkg-10.480.1735.3514.5371.19变异系数0.720.590.280.370.22轻度超标率/%30.250.16000重度超标率/%2.050000对研究区土壤pH进行统计分析，结果显示，强酸性（pH5.5）、酸性（pH值在5.56.5）、中性（pH值在 6.57.5）和碱性（pH7.5）所占比例分别为18.33%、27%、32.83%和21.84%，土壤存在一定程度的酸化情况。2.2土壤重金属来源对土壤重金属含量进行相关性分析发现，各重金属含量间均存在显著相关关系（p0.01）（见表 2），说明土壤重金属可能具有同源性。为了进一步探究土壤重金属来源，对土壤重金属进行主成分分析，结果见表3。对Kaiser标准化后的因子进行Varimax正交旋转，得到了两个特征值大于1的主成分，方差贡献率分别为45.21%及39.26%，累计贡献率为84.47%，可解释土壤重金属元素的大部分信息。第一主成分载荷较高的元素为Pb和As，第二主成分载荷较高的是Cr，土壤Cd和Hg在两个主成分上的载荷相差较小，来源可能同时受到两方面的影响。一般来说，土壤Cr主要受到成土母质的影响，人为活动对土壤Cr的输入通量较小；据报道，土壤Cr、Hg和Cd可能受到自然因素的影响10。由于本次土壤采样点主要位于耕地土壤中，且平时使用的禽类、畜类饲料中会添加部分As元素用以促进牲畜对营养元素的吸收，而研究区使用牲畜粪便作为基肥的情况较为普遍11，因此，As、Pb、Cd和Hg可能受到人为活动的影响。表2 土壤重金属含量相关性分析元素CrPbCdAsHgCr10.207*0.374*0.156*0.231*Pb10.166*0.450*0.247*Cd10.195*0.340*As10.367*Hg1注：*表示在 0.01 级别（双尾），相关性显著。表3土壤重金属主成分分析元素CrPbCdAsHgF10.0720.7990.4900.8460.500F20.7810.0770.6200.0940.4792.3重金属污染评价内梅罗综合污染指数法是基于单因子指数法而衍生出的综合性污染评价方法，既考虑了单因子污染指数的平均值和最大值，又能够反映各污染物对土壤的影响，具有突出最大污染物对土壤环境质量影响的优点12。Pi=CiSi（1）P=P2iavg+P2imax2（2）式中，Pi为单因子污染指数；Ci为重金属i的实测含量，Si为土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准）（试行）（GB 15618-2018）给出的污染风险筛选值。Pi的分级标准为：Pi1，无污染（安全）；1Pi2，轻微污染（警戒线）；2Pi3，轻度污染；3Pi5，中度污染；Pi5，重度污染。P为内梅罗综66南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.2022合污染指数；Piavg为单因子污染指数的平均值；Pimax为单因子污染指数的最大值，P 的分级标准为：P0.7，无污染；0.7P1.0，尚未污染（警戒线）；1.0P2.0，轻度污染；2.0P3.0，中度污染；P3.0，重度污染。利用式（1）和式（2）对研究区土壤重金属污染情况进行评价，结果见图1。土壤Cd的单因子污染指数介于 0.4312.20，平均值为 2.04，无污染（安全）、轻微污染（警戒线）、轻度污染、中度污染和重度污染点 位 所 占 比 例 分 别 为 19.72%、43.66%、14.08%、19.71%和 2.83%，以轻微污染（警戒线）为主，其余重金属的单因子指数均小于1，处于无污染（安全）水平。研究区内梅罗指数介于 0.378.83，平均值为1.52，无污染、尚未污染（警戒线）、轻度污染、中度污染和重度污染点位所占比例分别为14.08%、21.12%、39.44%、19.71%和5.65%，以轻度污染为主。PCdPHgPAsPPbPCrP图1研究区土壤单因子及内梅罗指数评价结果瑞典学者 Hakanson于 1980 年首次提出潜在生态危害指数法，能综合反映重金属对生态环境影响潜力指标，其计算公式如下13：Eir=TirCiCin（3）RI=imEir（4）（3）（4）式中，Eri为重金属i的潜在生态风险指数；Ci为土壤中重金属i的实测值；Cni为重金属i的风险筛选值；Tri为重金属 i 的毒性系数，重金属 Cd、Hg、Pb、As及Cr的毒性系数分别为30、40、5、10和214。m为参与计算的重金属个数；RI为土壤中重金属的潜在生态风险指数；Hakanson提出的RI分级标准是基于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和多氯联苯的毒性系数总和(133)计算得到的，RI的第一级限值为150，由于本研究只考虑了5种重金属，因此，对RI的分级限值进行了调整15，Cd、Hg、Pb、As及Cr的毒性系数总和为87，因此RI对应的第一级限值调整为100，具体分级标准见表4。表4重金属潜在生态风险指数分级标准EriEri4040Eri8080Eri160160Eri320Eri320生态风险等级轻微中等强很强极强RIRI100100RI200200RI400RI400生态风险等级轻微中等强很强研究区土壤重金属潜在生态风险评价结果见图2。土壤Cd的潜在生态风险指数介于12.75366.00，平均值为61.23，轻微、中等、强、很强和极强风险等级点位所占比例分别为 36.62%、38.02%、23.94%、0%和1.42%，以轻微和中等风险为主，其余重金属的潜在生态风险指数均小于40。研究区土壤重金属潜在生态风险指数介于 23.11374.21，平均值为73.37，轻微、中等、强和很强风险点位所占比例分别为77.46%、21.12%、0%和1.42%，以轻微和中等风险为主。ECdrEHgrEAsrEPbrECrrRI图2研究区土壤重金属潜在生态风险评价结果2.4土壤重金属有效态及其影响因素土壤中重金属的总量仅能反映地区土壤重金属背景和潜在风险，尚不能直接表征土壤重金属的污染程67南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.2022度。一般将能被农产品直接吸收的重金属形态称为生物有效态，是评价地区土壤重金属污染程度的主要指标。上节已述，土壤 Cd 是研究区主要的污染因子，因此，对土壤Cd的有效态含量进行评价。土壤有效Cd 的含量范围为 0.030.91 mgkg-1，平均含量为0.26 mgkg-1，其中低风险等级的（“有效态含量/全量”20%）点位占比28.16%，中风险等级的（20%“有效态含量/全量”40%）点位占比39.43%，高风险等级的（“有效态含量/全量”40%）点位占比32.41%。说明研究区土壤 Cd的有效性高，存在较强的生态风险。分析土壤Cd有效态含量占比与土壤pH值的相关性，由图3可以看出，土壤Cd有效态占比与土壤pH值呈显著负相关关系，在酸性条件下，有效态占比更高，因此研究区土壤整体偏酸性可能是Cd有效态含量较高