基于內梅羅綜合污染指數的農田耕層土壤重金屬污染評價

常瑛 李彥榮 施志國

摘要 為重金屬污染防治提供科學依據，以石羊河流域武威平原區農田耕層土壤為研究對象，采集和測定了67個樣點中重金屬Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的含量，在農田土壤重金屬元素總量分布特征分析的基礎上，分別以國標土壤污染風險篩選值和甘肅省土壤背景值為參評標準，采用單因子污染指數法和內梅羅綜合指數法對重金屬污染程度進行評價。結果表明，石羊河流域武威平原區農田耕層土壤中重金屬Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni的含量，參比國標土壤污染風險篩選值，單因子污染指數均小于1，超標率為0，內梅羅綜合污染指數為0.36，所有樣點均處于安全無污染水平。參比甘肅省土壤背景值，內梅羅綜合污染指數為2.16，輕度污染、中度污染和重度污染分別占56.7%、28.4%和14.9%;Cd、Hg污染最嚴重，平均含量分別達0.19、0.04 mg/kg，分別是甘肅省土壤背景值的2.24倍和2.34倍，超標率分別達100.0%和92.54%，內梅羅綜合污染指數分別達4.12和5.94，為重度污染;其余的Pb、Cr、Cu、As、Ni為輕度污染，超標率分別為56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。

關鍵詞 武威平原區;農田;重金屬;污染;評價;內梅羅綜合污染指數法

中圖分類號 X53文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0063-05doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.020

Abstract To provide scientific basis for prevention and control of heavy metal pollution， taking farmland plough soil in Wuwei plain of Shiyang River as the research object， the contents of heavy metals such as Cr， Ni， Cu， Cd， Pb， As and Hg in 67 samples were collected and determined.Based on analysis of distribution characteristics of heavy metals in farmland soils，risk screening values for soil contamination of agricultural land and soil background value of Gansu Province were used as the reference standards，the pollution degree of heavy metals was evaluated by single factor pollution index method and Nemerow comprehensive index method. The result showed that the contents of heavy metal Cd，Hg，Pb，Cr，Cu，As and Ni in cultivated soil of Wuwei plain of Shiyang River Basin were all at the safe and nonpollution ，compared with the national standard soil pollution risk screening value，the single factor pollution index was less than 1， the exceeding standard rate was 0， and the comprehensive pollution index of Nemero was 0.36.However，compared with the? soil background values in Gansu Province，the Nemero comprehensive pollution index was 2.16. Slight pollution， moderate pollution and severe pollution accounted for 56.7%， 28.4% and 14.9%， respectively.The most serious contaminants were Cd and Hg and the average contents were 0.19，0.04 mg/kg， respectively.It was 2.24 times and 2.34 times than the soil background value of Gansu Province，the rate of exceeding standard reached 100.0% and 92.54%，respectively.The comprehensive pollution index of Nemero reached 4.12 and 5.94 ， which belonged to serious pollution.Pb，Cr，Cu，As and Ni were slightly polluted， with exceeding standard rates of 56.72%， 56.72%， 53.73%， 52.24% and 40.30%， respectively.

Key words Wuwei plain area;Farmland;Heavy metal;Pollution;Evaluation;Nemero comprehensive pollution index method

土壤是生態系統的重要組成部分，也是人類賴以生存的場所，更是人類發展的自然資源和農業生產的物質基礎。隨著我國社會經濟的迅速發展，特別是城鎮化、工業化的快速發展和農用化學物質農藥、化肥、地膜等的大量施用，土壤污染日益加劇，不僅土壤污染物種類繁多（包括重金屬污染、有機物污染、生物污染及放射性污染等），而且各類污染物復合并存，土壤污染形勢十分嚴峻[1] 。環境保護部和國土資源部于2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤污染總的點位超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染率分別為11.2%、2.3%、1.5%、1.1%[2]。重金屬是土壤環境中一類極具危害的污染物，當前我國受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面積約2 000萬hm2，約占總耕地面積的1/5[3]，每年因重金屬污染而損失的糧食約1 000萬t，經濟損失至少達200 億元[4-6]。由于土壤中的重金屬具有隱蔽性、難降解、移動性差和易被富集等特點，故土壤重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性和不可逆等特點，這對土壤、地下水、微生物、植物等生態系統構成了嚴重威脅，是農業可持續發展和環境質量改善面臨的重要問題，重金屬超標不僅影響植物的生長發育，而且會間接影響人體和其他動物的健康[7]。隨著我國《土壤環境質量標準（GB 15618—1995）》[8] （以下簡稱國標）、《農田土壤環境質量監測技術規范（NY/T 395—2000）》和《土壤污染防治行動計劃》的頒布實施，土壤重金屬污染越來越引起重視。依據重金屬總量，采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法評價土壤重金屬污染程度，被廣泛用于土壤重金屬污染評價中[9-12]。筆者選取武威平原區為研究區域，通過測定土壤中鉻（Cr）、鎘（Cd） 、鉛（Pb）、鎳（Ni）、銅（Cu）、汞（Hg）、砷（As）這7種重金屬總量，在研究重金屬元素總量分布特征的基礎上，基于單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對農田土壤中的重金屬進行評價，旨在綜合全面地反映出土壤中重金屬綜合污染程度，為提升農田耕地質量以及重金屬污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省中部、河西走廊東端，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，36°29′～39°27′N，101°49′～104°16′E，地處黃土、青藏、蒙新三大高原交匯地帶，海拔1 020～4 874 m，平均海拔為2 083 m，屬典型的大陸性干旱氣候，年降水量60～610 mm ，主要降雨量在7—9月（占全年60%） ，蒸發量1 400～3 040 mm ，干旱指數5～12，溫差較大（-26.2～35.7 ℃），年平均氣溫7.8 ℃，日照時數2 200～3 030 h，無霜期85～165 d。區內種植類型主要有玉米、春小麥等糧食作物，以及其他經濟作物如葵花、棉花、洋蔥等。

1.2 土壤樣品采集與處理

供試土樣采自武威中部走廊平原區和北部荒漠區的武威市涼州區和民勤縣的農田耕層土壤（圖1），除民勤縣個別樣點為風積風沙土外，其余各樣點均為沖積灌漠灰鈣土。采樣于秋收后（2017年11月）進行，采樣同時，對樣點的環境狀況進行記錄，如水源類型、工礦分布、作物類型、化肥與農藥施用、土地利用強度及年限等，并用GPS定位儀記錄各采樣點的經緯度和海拔。

根據《土壤環境監測技術規范》的相關要求，在研究區內取耕層（0～20 cm）土樣，每個樣點用梅花布點法設置5個采集點，等量取土混合后四分法留樣約2 kg。將采集的土樣剔除草根、玻璃、石塊等異物，晾攤在實驗室通風避光處自然風干，按照四分法取樣約500 g置于木盤中，用木棒碾碎，過2 mm尼龍篩，棄去沙子、石塊等，用于有效態重金屬量測定。將過2 mm篩的土樣研磨后過1.00 mm和0. 149 mm的尼龍篩，裝瓶貼簽，分別用于pH、電導率、有機質、重金屬總量的分析。

1.3 樣品分析

主要測定土壤pH、電導率（EC）、有機質（OM）、水溶性鹽、鉻（Cr）、鎘（Cd） 、鉛（Pb）、鎳（Ni）、銅（Cu）、汞（Hg）、砷（As）等指標。

1.3.1

土壤理化性質測定[13]。OM：采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法;pH水土比2.5∶1的土壤懸濁液振蕩后通過電位法用pH儀進行測定;EC：使用電導法用電導率儀進行測定，水土比5∶1;全氮：采用在加速劑參與下濃硫酸消煮，凱氏定氮儀測定。

1.3.2 土壤重金屬總量測定[14-15]。準確稱取0.1～0.3 g（精確至0. 2 mg）經風干、研磨至粒徑小于0.149 mm（100目）的土壤樣品，用HCl-HNO3-HF-HClO4消解， 消解液中Cd、Pb、Ni采用電感耦合等離子體質譜法測定，Cr、Cu采用電感耦合等離子體發射光譜法測定;重金屬Hg、As用王水水浴法消解，As采用氫化物發生-原子熒光光譜法測定，Hg采用蒸氣發生-冷原子熒光光譜法測定。

1.4 評價標準與方法

1.4.1 評價標準。

在重金屬評價的研究中，研究區土壤背景值或者國家《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（ GB15618—2018）》的污染風險篩選值均可以作為評價標準。另外，不同類型的土壤中某種元素的背景值可能存在很大差異，因此應該選擇同一地區同一或者相近類型的土壤中元素的平均含量作為評價標準[16]。在該研究中，土地被利用為耕地，因此對土地的質量要求較高。該研究分別選擇研究區所在地的甘肅省土壤背景值[17]和國標土壤污染風險篩選值作為評價標準 （表1）。

1.4.2 評價方法。

該研究采用內梅羅綜合污染指數法對武威平原區農田土壤重金屬進行評價，內梅羅綜合污染指數可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，并可以計算得到各單個污染物的污染指數，適合對土壤重金屬這類聯合污染進行綜合評價。

1.4.2.1 單因子污染指數。

單因子污染指數（the single factor pollution index，Pi）是目前國內普遍采用的一種重金屬污染評價的方法，其計算公式為：

式中，Pi表示土壤重金屬元素i的單因子污染指數;Ci表示元素i的實測值（mg/kg）;Si表示為元素i計算時的評價標準值，文中Si分別選取國標風險篩選值和甘肅省土壤背景值（mg/kg）。當Pi≤1時，表示未污染;當13時，表示重度污染[16]。

47卷19期常 瑛等 基于內梅羅綜合污染指數的農田耕層土壤重金屬污染評價

1.4.2.2 內梅羅綜合污染指數。內梅羅綜合污染指數（comprehensive pollution index）是由單因子污染指數法發展而來的，是當前國內外進行綜合污染指數計算最常用的方法之一，是一種兼顧平均值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數，可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度[18]，具體的計算公式為：

2 結果與分析

2.1 土壤常規指標評價

研究區域土壤類型為灰鈣土，pH 7.90～8.93，均大于7.50，平均為8.39，變異程度為弱變異強度（變異系數<10%）[20];有機質7.36～30.57 g/kg，平均為16.54 g/kg;電導率128.50～1 237.00 μs/cm，平均為276.22 μs/cm（表3）。各樣點土壤有機質、電導率及水溶性鹽變異程度較大，屬中等變異強度（10%<變異系數<100%）[20]。

2.2 重金屬元素總量特征

武威平原區農田耕層土壤重金屬含量具體的統計性描述結果見表4，并將各樣點土壤重金屬含量與土壤背景值和國際風險篩選值進行對比分析（圖2）。由表4和圖2可知，在研究區域0～20 cm 土層中，7種重

金屬的測定值分別為Cr 33.63～80.59 mg/kg;Ni 16.67～4621 mg/kg;Cu 11.79～33.34 mg/kg;Cd 0.11～0.47 mg/kg;Pb 15.08～37.40 mg/kg; As 6.73～17.78 mg/kg;Hg 0.014～0.137 mg/kg。Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的平均值分別為6317、30.64、23.56、0.19、22.56、11.34和 0.040 mg/kg，變異系數均小于100%，屬中等變異程度[20]，從大到小依次為Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr。

參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（GB15618—2018）》，經對比國標風險篩選值，該區農田土壤Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg 這7種重金屬的含量均未超過國標風險篩選值，超標率均為0%;以甘肅省土壤背景值為基準，該區耕層土壤重金屬的超標率大小依次為Cd>Hg>Pb=Cr>Cu>As>Ni，分別為100.00%、92.54%、56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%?？梢?，武威平原區農田耕層土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni含量雖然沒有超過國家農用土壤污染風險管控標準，但與甘肅省土壤背景值相比，重金屬量有所提高，存在一定程度的累積污染趨勢。其中Cd和Hg的污染最嚴重，Cd含量全部超過背景值，僅有7.46%的Hg含量低于背景值。

由圖2可知，武威平原區重金屬分布具有一定的地域性，50號樣點的各重金屬含量除Hg外是所有樣點中最低的;涼州區的重金屬含量高于民勤縣;各重金屬含量與樣點間呈現出“倒雙W”型，表現出各重金屬的變化趨勢一致，具有同步性。這也說明重金屬對土壤污染除人為因素外，可能與成土母質（土壤質地）和成土過程是土壤重金屬含量高低的主要影響因素有關。

2.3 土壤重金屬污染評價

2.3.1 土壤重金屬單因子污染指數評價。

以甘肅省土壤背景值為評價標準時，Cd、Hg的單因子污染指數較高，分別為2.24和2.34，即平均含量分別是甘肅省土壤背景值的2.24倍和2.34倍。超標率大小依次為Cd>Hg>Cr=Pb>Cu>As>Ni，重金屬Cd污染最嚴重，污染率達100%，其中輕度污染（1<Pi≤2）、中度污染（2<Pi≤3）和重度污染（Pi>3）占比分別達40.3%、47.8%和11.9%;重金屬Hg污染率達92.5%，輕度污染、中度污染和重度污染占比分別達47.8%、20.9%和23.9%，僅有7.5%的區域Hg未污染（Pi<1）;重金屬Cr、Ni、Cu、Pb、As這5種重金屬元素在該地區沒有中度污染和重度污染，輕度污染占比分別為56.7%、40.3%、53.7%、56.7%和52.2%，未污染占比分別為43.3%、59.7%、46.3%、43.3%和47.8%。

總體來說，運用土壤重金屬單因子污染指數評價時，石羊河流域武威平原區Cd污染較為嚴重，Hg次之，其他Cr、Ni、Cu、Pb、As 5種重金屬污染輕微。

2.3.2 土壤重金屬污染綜合評價。

采用內梅羅綜合污染指數對研究區重金屬污染程度進行評價，從表6可以看出，不同樣點間，以國標風險篩選值為評價標準時，武威平原區農田耕層土壤的內梅羅綜合污染指數評價值介于0.21～0.60，平均值為0.36，所有樣點均處于安全無污染的Ⅰ級水平，不存在污染風險。但以甘肅省土壤背景值為評價標準時，武威平原區農田耕層土壤的內梅羅綜合污染指數評價值介于103～5.91，平均值為2.16，在67個樣點中，Ⅲ級輕度污染、Ⅳ級中度污染和Ⅴ級重度污染樣點數分別為38、19和10個，分別占56.7%、28.4%和14.9%。

3 討論與結論

土壤重金屬總量能夠給出重金屬的富集信息，是確定土壤重金屬污染水平和環境容量的基礎[21]。該研究表明重金屬分布具有一定的地域性，涼州區重金屬含量高于民勤縣。該研究表明，武威平原區農田耕層土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、As、Ni的含量雖然沒有超過國標土壤污染風險篩選值，但與甘肅省土壤背景值相比，重金屬量有所增加，Cd、Hg污染最嚴重，平均Cd含量達0.19 mg/kg，是甘肅省土壤背景值的224倍，超標率達100.0%，其中輕度污染、中度污染和重度污染占比分別達40.3%、47.8%和11.9%;平均Hg含量達004 mg/kg，是甘肅省土壤背景值的2.34倍，超標率達92.54%，其中輕度污染、中度污染和重度污染占比分別達47.8%、20.9%和23.9%;重金屬Pb、Cr、Cu、As、Ni的超標率分別為56.72%、56.72%、53.73%、52.24%和40.30%。說明人類活動已使該區域出現了明顯的重金屬Cd、Hg積累，而其他重金屬污染輕微。這與曾希柏等[22]對武威的研究結果相似，但與羅永清等[23]對蘭州的研究結果有一定的差異，這可能和成土母質有很大關系。

內梅羅綜合污染指數法是一種既兼顧平均值，又突出最大值的計權型多因子環境質量指數，可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度。武威平原區農田耕層土壤Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg 7種重金屬，參比國標風險篩選值時，其內梅羅綜合污染指數為0.36，所有樣點均處于安全無污染的Ⅰ級水平。但以甘肅省土壤背景值為評價標準時，內梅羅綜合污染指數為2.16，輕度污染（Ⅲ級）、中度污染（Ⅳ級）和重度污染（Ⅴ級）分別占56.7%、28.4%和14.9%;Hg和Cd的內梅羅綜合污染指數分別達5.94和4.12，為重度污染（Ⅴ級），其余的Cr、Ni、Cu、Pb、As為輕度污染（Ⅲ級）。

變異系數可以反映總樣本中各采樣點位的平均變異程度，變異系數越大，說明重金屬元素的空間分布差異越大?？赡苁鞘苋藶榛顒痈蓴_，特別是受施肥、噴藥以及工業污水等因素的影響 [22，24]，研究區土壤重金屬的總量和內梅羅綜合污染指數的變異系數大于10%，但均小于100%，屬中等變異程度。

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