長三角典型農業區耕地土壤重金屬污染與潛在生態風險評價

鞏萬合+王志強+闞建鸞

摘要：以81個耕地質量長期定位監測點為基礎，對長三角典型農業區——江蘇省南通市耕地土壤重金屬含量進行檢測分析，并采用污染指數法與潛在生態風險指數法進行評價。結果表明，南通市全市耕地土壤As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分別為10.46、0.14、24.51、0.18、49.21 mg/kg，均未超出無公害農產品產地土壤環境質量標準；各重金屬元素單因子污染指數均小于1.0，內梅羅綜合污染指數小于0.7，潛在生態風險指數小于150，說明南通市耕地土壤環境質量處于安全和低潛在生態風險水平，適合種植無公害農產品。

關鍵詞：土壤重金屬；污染指數；潛在生態風險指數；監測點；耕地類型；南通市

中圖分類號：X833；X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）23-4493-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.018

Abstract： Based on the long-term monitoring sites of 81 cultivated land qualities， the heavy metal content of cultivated soil in Nantong city，the typical agricultural area of Yangtze River Delta，was tested and evaluated by using the pollution index method and the potential ecological risk index method. The results showed that the average contents of As，Hg，Pb，Cd and Cr in cultivated soil were 10.46 mg/kg，0.14 mg/kg，24.51 mg/kg，0.18 mg/kg and 49.21 mg/kg，respectively，did not exceed the environmental quality standard of soil origins of agricultural products. Single factor pollution index of heavy metals was all less than 1.0，Nemero comprehensive pollution index was less than 0.7，and the potential ecological risk index was less than 150， indicating that farmland soil environmental quality of Nantong city was in a safe and low potential ecological risk level，suitable for planting pollution-free agricultural products.

Key words： soil heavy metal； pollution index； potential ecological risk index； monitoring site； types of cultivated land； Nantong city

土壤重金屬污染是指由于人類活動，致使土壤中的重金屬含量明顯高于其自然背景含量，并造成生態破壞和環境質量惡化的現象[1]。作為世界性環境問題之一，它對人類社會可持續發展構成嚴重威脅[2-4]。土壤重金屬污染物不僅影響農作物生長，而且可通過土壤-植物-人體食物鏈富集危害人類健康[5，6]。據測算，當前中國每年受重金屬污染的糧食高達1 200萬t，相當于4 000萬人一年的口糧[7]。面對嚴峻的形勢，國務院2016年印發了《土壤污染防治行動計劃》，要求全面開展土壤污染狀況詳查，建設土壤環境質量監測網絡，嚴控新增土壤污染，切實加大耕地保護力度。

作為長江三角洲的典型農業區，江蘇省南通市種植業發達，是國家商品糧生產基地、全國“雙低”油菜生產基地、江蘇省優質中粳稻生產基地。為了更好地掌握全市耕地質量狀況，指導耕地質量建設，2006年以來，全市先后建成了81個耕地質量長期定位監測點，其設置兼顧種植面積、作物布局、耕作制度等因素，遠離城鎮建設用地規劃預留區。本研究以81個監測點土壤作為研究對象，測定其As、Hg、Pb、Cd、Cr等元素含量，并對其污染狀況與潛在生態風險進行評價，以了解全市耕地土壤重金屬污染特征，為無公害農產品生產基地建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南通市位于江蘇省東南部，長江三角洲北翼，北緯31°41′-32°43′、東經120°12′-121°55′，東瀕黃海，南臨長江，與上海市、蘇州市隔江相望，北接鹽城，西靠泰州。地處長江下游沖積平原，三面環水，屬北亞熱帶和暖溫帶季風氣候，季風影響明顯，氣候溫和，光照充足，雨水充沛，四季分明，春秋兩季比較短，雨熱同季，無霜期長，年降水量1 000 mm左右。主要土壤類型為潮土、水稻土和鹽土。耕作制度一年兩熟，主要種植小麥、水稻、油菜、玉米、棉花、豆類等作物。全市土地面積10 549 km2，現轄海安、如東、如皋、啟東、海門5縣（市），通州、崇川、港閘3區，及南通經濟技術開發區、通州灣示范區。2016年南通常住人口730萬人，實現地區生產總值6 768億元。

1.2 土壤樣品采集與處理

于2015年10月，分別采集81個監測點常規施肥區0～20 cm土壤，S形取樣，每個樣品由20個樣點土壤混合而成，四分法保留至1 kg。帶回室內自然風干，除去土樣中動植物殘體等異物，研磨，過100目尼龍篩，裝袋編號備測。

1.3 土壤樣品分析方法

土壤pH的測定參照《土壤pH的測定》（NY/T 1377-2007），As、Hg的測定參照《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》（GB/T 22105-2008），Pb、Cd的測定參照《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141-1997），Cr的測定參照《土壤總鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491-2009）。

1.4 統計分析

數據采用 SPSS 19.0軟件進行統計分析。

1.5 評價標準

根據土壤pH，參照中華人民共和國農業部《無公害農產品 種植業產地環境條件》（NY/T 5010-2016）二級標準及南通市土壤元素背景值[8]（表1）。

1.6 評價方法

1.6.1 污染指數法 單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法是目前國內外普遍采用的污染評價方法[9-12]，前者可以比較直觀地反映環境中各項污染指標的污染程度，而后者則可以全面反映采樣點各重金屬綜合污染水平。單因子污染指數計算公式：

Pi=■

式中，Pi為土壤中i污染物的污染指數，Ci為i污染物的實測值，Si為i污染物的評價標準值。根據Pi的大小，判定土壤中i污染物的污染程度。當Pi≤1時，表示無污染；當13時，表示重度污染。

內梅羅綜合污染指數計算公式：

P綜=■

式中，P綜為j監測點土壤污染物的綜合污染指數，Pjmax為j監測點土壤所有污染物單項污染指數的最大值，Pjave為j監測點土壤所有污染物單項污染指數的平均值。綜合污染指數分級標準見表2。

1.6.2 Hakanson潛在生態風險指數法 該方法是瑞典學者Hakanson 根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提出的一種對土壤中重金屬污染進行評價的方法[13，14]。其計算公式：

Cfi=■，

Eri=Tri·Cfi，

RI=■Eri

式中，Cfi為重金屬i的富集系數；Csi為重金屬i的實測含量；Cni為重金屬i計算所需的參比值，本研究采用南通市土壤環境背景值作參比；Eri為土壤中重金屬元素i的潛在生態風險指數；Tri為重金屬元素i的毒性系數，反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度。根據Hakanson[15]與徐爭啟等[16]研究，確定重金屬毒性系數分別為Cr=2，Pb=5，As=10，Cd=30，Hg=40。RI為土壤中多種重金屬的綜合生態風險指數。土壤中重金屬濃度越大，重金屬污染物種類越多，重金屬的毒性水平越高，潛在生態風險指數值越大，表明其潛在生態風險越高。

2 結果與分析

2.1 南通市耕地土壤重金屬含量分析

由表4可知，全市耕地土壤pH 6.09～8.74，均值為7.77，總體偏堿性，不同點位的pH變異系數較??；重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分別為10.46、0.14、24.51、0.18、49.21 mg/kg，As、Cd元素變異系數較高。與無公害農產品產地土壤環境標準（表1）相比，5種重金屬的含量均在標準限值允許范圍內；與南通市土壤元素背景值相比，As平均含量稍高于背景值，其他重金屬元素平均含量均低于背景值，不過，仍有部分監測點重金屬含量高于背景值，具體表現為As、Hg、Pb、Cd、Cr超過南通市土壤元素背景值點數分別為33、10、32、19、12，超標點率分別為40.74%、12.34%、39.51%、23.46%、14.81%。武攀峰等[17]2006年對南通市農田土壤重金屬污染研究表明，As、Hg、Pb、Cr平均含量分別為7.80、0.089、35.1、61.5 mg/kg；王進等[18]2007年研究結果表明，As、Hg、Pb、Cd、Cr平均含量分別為7.81、0.088、35.54、0.032、33.28 mg/kg，本研究與其相比，發現近十余年來，除Pb外，其他4種重金屬元素含量均有明顯提高，表明這4種重金屬在耕地土壤中出現明顯富集。

2.2 土壤重金屬各元素間相關性分析

從表5可以看出，南通市耕地土壤中Pb含量與Cd、Cr、Hg含量，及Cr含量與As含量存在極顯著正相關性，說明研究區土壤中這5種重金屬可能具有相同的污染來源或存在一定程度的復合污染。

2.3 南通市耕地土壤重金屬污染與潛在生態風險評價

2.3.1 污染指數法 以《無公害農產品 種植業產地環境條件》（NY/T 5010-2016）土壤環境二級標準作為評價標準，計算監測點重金屬單因子污染指數與內梅羅綜合污染指數并進行分析。由表6可以看出，各重金屬Pi均小于1，說明土壤處于清潔水平。

南通市耕地土壤重金屬內梅羅綜合污染指數平均為0.45，小于0.7，表明土壤整體處于安全等級，屬清潔水平。但從每個監測點來看，內梅羅綜合污染指數范圍為0.14～0.74，有5個點（其中旱地2個，水田1個，菜地2個）內梅羅綜合污染指數在0.7～1.0，說明這些監測點土壤重金屬污染達到警戒限，處于尚清潔水平。

2.3.2 潛在生態風險指數法 應用Hakanson潛在生態風險指數法進行評價，結果（表7）表明，As、Hg、Pb、Cd、Cr的潛在生態風險系數均值都小于40，屬于低風險等級；但是Hg在部分監測點的單因子生態風險指數介于40～80，達到中等潛在生態風險。無論旱地、水田，還是菜地，各重金屬元素對土壤潛在生態風險貢獻率大小順序均為Hg>Cd>As>Pb>Cr。各監測點多種重金屬綜合潛在生態風險指數范圍在41.88～115.83，表明南通市耕地土壤重金屬污染處于低潛在生態風險水平。

3 結論

南通市耕地土壤重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr含量均在《無公害農產品 種植業產地環境條件》（NY/T 5010-2016）二級標準限值范圍內，除As平均含量稍高于南通市土壤環境背景值外，其他重金屬平均含量都低于背景值。與2006年測定結果相比，As、Hg、Cd、Cr平均含量均有明顯上升。Pb含量與Cd、Cr、Hg含量，及Cr含量與As含量存在極顯著正相關性，表明其可能具有相同的污染來源或存在一定程度的復合污染。

利用污染指數法與潛在生態風險指數法對南通市耕地土壤重金屬進行評價，單因子污染指數小于1.0，內梅羅綜合污染指數平均值小于0.7，潛在生態風險指數小于150，表明耕地土壤環境質量處于安全和低潛在生態風險水平。個別監測點內梅羅綜合污染指數在0.7～1.0，達到警戒限，需要引起重視，并采取相應防范措施。

本研究中的耕地質量監測點均遠離城鎮、公路和工業園區，不存在污水灌溉，因此所測土壤重金屬含量有一定局限性，建議在開展土壤環境質量監測時考慮上述因素對土壤污染的影響。

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