沿海某省农村耕地土壤重金属含量调查
韩伟立, 谢丽华, 范丽东, 钟丽华, 严琳, 沈梅     
南方医科大学公共卫生与热带医学学院卫生检测中心
摘要: 目的 调查沿海某省农耕土壤重金属含量并进行污染及生态风险评估。方法 采用电感耦合等离子体-质谱法对沿海某省东部、北部、西部及中部地区380份农村耕地土壤样本中的Cd、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn和As 7种重金属元素含量进行测定。以《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995) 为依据, 采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染状况进行评价。采用Hakanson潜在生态风险指数法对土壤中重金属生态风险进行评估。结果 该省农耕土壤中Cd的平均含量均较高。单项污染指数法评价结果显示:北部地区农耕土壤(PCd=2.862) Cd污染等级高于其它3个区, 中部(PCd=1.896)、东部(PCd=1.634) 及西部(PCd=1.056) 达到轻度污染等级。其余6种重金属在4个区域的农耕土壤中均处在安全级别范围内。经内梅罗综合污染指数法评价:北部农耕土壤重金属污染较重, 中部地区和东部地区重金属污染等级为轻度污染, 西部地区农耕土壤重金属含量达到污染警戒级; 全省农耕土壤重金属综合污染指数为1.31, 总体受到轻度污染。Hakanson潜在生态风险指数评价结果显示:东部、西部和中部农耕土壤存在重金属生态风险危害, 西部地区处于一般风险水平。结论 该省农耕土壤总体受到轻度重金属污染, 应当加强管理和防范工作。
关键词: 耕地土壤     重金属     调查分析     生态风险评估    
Investigation of Heavy Metals Pollution of Farmland Soil in a Coastal Province
Han Weili, Xie Lihua, Fan Lidong, Zhong Lihua, Yan Lin, Shen Mei     
Abstract: Objectives To detect the heavy metal contents of farmland soil in a coastal province, evaluate the pollution hazard, and assess their ecological risk. Methods The contents of Cd, Pb, Cr, Ni, Cu, Zn and As in 380 farmland samples from 19 counties located in the east, north, west and middle area of the coastal province were determined by ICP-MS. According to "Environment Quality Standards for Soil" (GB 15618-1995), the evaluation was carried out by single pollution index and Nemerow index. And ecological risk was evaluated by Hakanson potential ecological risk index method. Results For the samples of farmland soil of the coastal province, the average contents of Cd were higher in reference to the criteria of GB 15618-1995 Safety Grade 2. Using single pollution index method, the pollution degree of Cd in north area was higher than the other 3 parts of area (P=2.862). Middle (PCd=1.896), east (PCd=1.634) and west (PCd=1.056) areas were at the light pollution level of Cd. The farmland soil of middle, north, east and west areas were within the range of safety grade in terms of other six heavy metals. Valued by Nemerow index, middle and east areas were at light polluted levels, north area was moderate and west area was at the alert level of heavy metal pollution. As estimated by Nemerow index, the overall comprehensive pollution index was 1.31, which indicated the farmland of the coastal province was slightly polluted by heavy metals. The heavy metals in the east, north and middle areas were at the corresponding risk level by Hakanson potential ecological risk index method.The farmland soil from west areas was at the moderate level of potential ecological risk. Conclusions The coastal province has been in light pollution by heavy metals, the administration should be strengthened to prevent the pollution.
Key words: farmland     heavy metal     investigation and analysis     ecological risk assessment    

近年来,由于工业“三废”和城镇生活垃圾无序排放,城镇周围农耕土壤环境逐步恶化,重金属含量不断激增。我国农耕土壤遭受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2 000万公顷,污染粮食多达1 200万t,经济损失至少200亿元[1]

沿海某省土壤重金属含量变化一直是众人关注的热点。土壤重金属含量的调研主要集中在蔬菜产地,水库底泥,矿区以及一些主要城市等[2-6],但全省范围内农耕土壤中重金属的调研和潜在生态风险评估还未见报道。本课题对沿海某省农村耕地土壤中的7种重金属含量、污染程度及潜在生态风险进行调查,为该地区土壤污染预警和防治提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 样本采集与预处理

根据农业活动分布的地理位置特点,将该省划分为东部、西部、北部及中部4个区域。在4个区域中共采集土壤样品380份(5~20 cm深处采样)。每个样品皆是在1 m2范围内按照梅花5点法取样,土样经四分法留取1 kg,经自然风干、玛瑙研钵粉碎、过100目尼龙筛,供分析用。

1.2 样本测定

用分析天平精密称取200.0 mg的土壤样品,加入硝酸4 mL、氢氟酸2 mL和双氧水1mL于MARS微波消解仪中进行消解,消解完毕后经电热板110℃赶酸(8 h),以去离子水定容至50 mL,备用待测。土壤中Cd、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn和As 7种元素含量均由电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定[7-8],所用试剂均为优级纯。以标准曲线线性范围内低、中、高三个浓度样本为质量控制样本,在测量样本过程中插入质量控制样本对其浓度进行复检,已达到质量控制的目的。土壤pH值采用电位法测定[9]

1.3 土壤重金属污染评价方法及分级标准

应用Excel 2003、SPSS 10.0软件对土壤中重金属元素含量进行统计分析。以《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)[10]为依据,采用目前常用的单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法[11]对土壤重金属污染状况进行评价(表 1)。

表 1 土壤环境质量评价标准(mg/kg)
评价标准 Cd Pb Ni Cu As Zn Cr
一级标准 0.2 35 40 35 15 100 90
pH<6.5 0.3 250 40 50 40 200 150
二级标准 pH6.5~7.5 0.3 300 50 50 30 250 200
pH>7.5 0.6 350 60 100 25 300 250
三级标准 pH>6.5 1 200 400 40 500 400

1.3.1 单项污染指数法

单项污染指数法[12]是以土壤元素背景值为评价标准,来评价重金属元素的累积污染程度的方法。该方法强调反映各个污染物的污染程度,表达式为:

$ {\mathit{P}_\mathit{i}}{\rm{ = }}{\mathit{C}_\mathit{i}}{\rm{/}}{\mathit{S}_\mathit{i}}, $

式中Pi:土壤中污染物i的环境污染指数;Ci:污染物i的实测浓度(mg/kg),Sii种重金属的《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)[10]中二级标准的临界值。单项污染指数分为4级:1≤Pi无污染;1<Pi≤2为轻度污染;2<Pi≤3为中度污染;Pi>3为重度污染。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法兼顾单项污染指数的平均值和极大值,突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响,能反映出各种污染物对土壤环境的作用,其表达式为:

$ {\mathit{P}_\mathit{n}}{\rm{ = }}\sqrt {\frac{{\mathit{P}_{\;\mathit{i}\;\mathit{average}}^2 + \mathit{P}_{\;\mathit{i}\;{\rm{max}}}^2}}{2}} $

内梅罗综合污染指数(Pn)分为5级:Pn≤0.7安全;0.7<Pn≤1警戒级;1<Pn≤2轻度污染;2<Pn≤3为中度污染;Pn>3为重度污染。

1.4 潜在生态风险评价

采用Hakanson潜在生态风险评估法[13]对重金属的毒理危害进行评估,该方法是以重金属性质及其环境行为特点为依据,将土壤重金属含量、生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,进行分级评价的方法。该方法早期主要运用于水域底泥及滩涂的沉积重金属污染风险评估[15],随着风险评价研究的发展,逐步被运用到农用土壤的重金属环境风险评估中[16]。潜在生态风险评价表达式为:

$ {\mathit{R}_\mathit{I}}{\rm{ = }}\sum\limits_{\mathit{i}{\rm{ = 1}}}^\mathit{n} {\mathit{E}_\mathit{r}^\mathit{i}} {\rm{ = }}\sum\limits_{\mathit{i}{\rm{ = 1}}}^\mathit{n} {T_\mathit{r}^\mathit{i} \bullet C_\mathit{f}^\mathit{i}} = \sum\limits_{\mathit{i}{\rm{ = 1}}}^\mathit{n} {T_\mathit{r}^\mathit{i} \bullet C_{{\rm{表层}}}^\mathit{i}/C_{\rm{n}}^\mathit{i}} $

式中,RI:多种重金属潜在生态危害指数;Eri:单个重金属的潜在生态风险系数;Tri:各重金属的毒性响应系数,参考Hakanson的工作成果,设定7种重金属Cd,As,Pb,Cu,Cr,Ni和Zn的生物毒性响应系数分别为30,10,5,5,2,2和1;Cfi:某一重金属的污染系数;C表层i:重金属浓度实测值(mg/kg);Cni:计算所需要的参比值,以该省土壤元素背景值为依据[16](表 2)。砷、镉、铜、铅、镍、锌和铬的背景值分别为8.9、0.056、20.4、36.0、14.4、47.3和50.5 mg/kg。

表 2 潜在生态风险评价标准
单因子潜在生态风险系数(Eri) 多因子潜在生态风险指数(RI) 潜在生态风险程度
Eri<40 RI<150 无风险
40≤Eri<80 150≤RI<300 一般风险
80≤Eri<160 300≤RI<600 中等风险
160≤Eri<320 RI≥600 高风险
Eri≥320 极高风险

2 结果 2.1 不同地区农耕土壤重金属含量

判别土壤重金属环境等级与pH值有密切关系,对380份土壤样本的pH值测试结果显示沿海某省农村耕地土壤大部分显酸性,平均pH值为6.52,其中pH<6.5的占36.84%,pH在6.5~7.5间的占60.53%,pH>7.5占2.63%。

经测定,沿海某省农耕土壤中7种重金属的含量呈:Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>As>Cd的趋势。而依据《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)[10],该省4区农耕土壤中Cd的平均含量都超过了二级标准临界值,其呈现北部地区>中部地区>东部地区>西部地区的趋势。此外北部地区和中部地区样本中As的平均含量、东部地区和北部地区Pb的平均含量以及东部地区Zn的平均含量超过了一级标准。7种重金属在4区具体分布特点如下:

(1) As含量呈现北部地区>中部地区>西部地区>东部地区的趋势,其中西部、北部和中部地区农耕土壤中As含量的变异系数分别达到123.6%、120.1%和98.96%,且测量结果显示北区、中区及西区分别有12、12和4份样品As的含量超过二级标准,提示这3个地区可能存在As的点污染源;

(2) Pb含量呈现东区>北区>中区>西区的趋势,值得注意的是西区农耕土壤中Pb的平均含量虽然在一级标准安全范围内,但其含量变幅较大,在0~165.2 mg/kg之间,变异系数达145.1%,提示该区域Pb的污染来源较为复杂;

(3) Zn含量趋势是东区>中区>北区>西区。其余3种重金属Cr、Ni、Cu在4个区域的平均含量在一级标准范围内。但是西区有22份样品Ni的含量超过了二级标准,该区Ni的含量范围为0~126.6 mg/kg,变异系数为118.5%,提示该区可能存在Ni金属的点污染源。

2.2 土壤重金属污染评价

采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对沿海某省不同地区及总体重金属污染程度进行评价。

根据公式及评价标准,沿海某省不同区域7种重金属单项污染程度见表 3,4个区域农村耕地土壤中Cd的污染指数均达了污染等级(Pi>1)。其中,中部、东部及西部地区受到Cd的轻度污染,而Cd在北区农耕土壤中的污染等级已经达到中度污染水平。其余6种重金属的单项污染指数均在洁净范围内。值得注意的是北部地区As以及中部地区Cu的单项污染指数分别达到0.68和0.61的相对较高数值,提示以上两个区域应该对这两种重金属严加控制,防范其进入污染等级。

表 3 沿海某省不同地区土壤重金属污染评价
地区 单项污染指数 综合污染指数
Cd Pb Cr Ni Cu Zn As
东区 1.63 0.17 0.14 0.19 0.56 0.41 0.22 1.16
西区 1.07 0.05 0.26 0.59 0.57 0.16 0.29 0.76
北区 2.87 0.14 0.22 0.32 0.56 0.23 0.68 2.03
中区 1.90 0.07 0.15 0.26 0.61 0.24 0.53 1.34

北部地区内梅罗综合污染指数Pn为2.03,该值介于2~3之间,提示该区农耕土壤已经受到重金属的中度污染;中部及东部地区的综合污染指数分别为1.34和1.16,提示这两个地区受到轻度重金属污染;而西部地区农耕土壤重金属环境已经进入到警戒范围内,内梅罗综合污染指数为0.76(介于0.7~1之间),应当引起重视。沿海某省4区农耕土壤重金属污染内梅罗指数为1.31,提示全省农耕土壤已经受到轻度重金属污染。

2.3 土壤重金属潜在生态风险评估

根据Hakanson潜在生态风险指数法计算沿海某省农耕土壤重金属单因子生态风险系数,其结果如表 4所示。农耕土壤中7种重金属的生态风险系数(Eri)从大到小的顺序为Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn,平均值分别为300、14.5、7.0、4.5、2.4、1.5、1.4。其中Cd的平均潜在生态风险系数达到300,介于160~320之间,表明Cd对农耕土壤生态风险危害的贡献已达到高等水平,而其它6种金属的潜在生态风险系数均在40以下,不具有潜在生态风险危害。但值得注意的是,北区及中区As的生态风险系数(Eri)达到23.06和17.78相对较高的水平。

表 4 沿海某省不同地区土壤重金属污染评价
地区 单因子潜在生态风险系数 多因子潜在生态风险指数
Cd Pb Cr Ni Cu Zn As
东区 262.50 6.93 1.12 1.31 6.88 2.17 7.39 288.31
西区 171.43 2.29 2.02 4.12 7.02 0.87 9.87 197.60
北区 460.71 5.74 1.71 2.22 6.81 1.24 23.06 501.49
中区 305.36 3.12 1.17 1.77 7.45 1.27 17.78 337.92

通过计算多因子潜在生态风险指数,其评价结果显示东区、北区和中区农耕土壤RI均大于300临界值,已经处于中等重金属生态风险危害水平。西部地区RI为197.6,介于150~300之间,处于一般风险水平。以上结果提示,该省农耕土壤重金属环境质量形势严峻。

3 讨论

北部地区农村耕地土壤重金属污染形势较为严峻,其中Cd、As和Pd的含量都较该省其他区域高,这可能与该地区矿产企业分布较多有关。文献报道显示北部地区大型的铅锌矿、钨矿及钢铁厂、冶炼厂较多[17]。付善明等[4]研究表明北区大宝山矿区矿产开发活动对横石河流域环境产生严重影响,沿岸土壤中Pb、Zn、Cd、Cu等均不同程度超标,其中Cd污染最为严重,这与得出的数据相符。值得注意的是全省农耕土壤中普遍Cd含量较高,这一现象除了与产业分布有关外,多元复合肥、畜禽粪便和化肥的大量使用也是主要原因之一。我国磷肥消费量居世界首位,约占世界磷肥消费量的25%,我国生产磷肥的磷矿中Cd平均含量为0.98 mg/kg,长时间施入过多磷肥的土壤Cd含量比一般土壤高数十倍、甚至上百倍[18]。另外,饲料添加剂在畜禽养殖中的广泛应用,往往导致畜禽粪便中重金属Cd、As等含量较高。刘荣乐等[19]研究表明我国鸡粪和猪粪Cd超标率达66%和51.7%,堆肥Cd超标率达83.3%。另外我国化肥的利用率普遍较低,约有70%流失到土壤、水、空气中,长期使用畜禽粪便、化学肥料很有可能是导致土壤中重金属累积的重要原因。本文采用Hakanson潜在生态风险指数法对重金属的潜在危害进行了评估,其结果具有一定参考性。但是全面生态风险评估,还应当从全省农耕土壤作物、生物以及人体等进行综合的评价。

致谢:

感谢南方医科大学公卫学院学生课外科研项目GWXS 20110215资助。

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中国疾病预防控制中心主办。
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韩伟立, 谢丽华, 范丽东, 钟丽华, 严琳, 沈梅
Han Weili, Xie Lihua, Fan Lidong, Zhong Lihua, Yan Lin, Shen Mei
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Investigation of Heavy Metals Pollution of Farmland Soil in a Coastal Province
环境卫生学杂志, 2013, 3(3): 191-194, 199
Journal of Environmental Hygiene, 2013, 3(3): 191-194, 199

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