段南福，李曉華，田原潤，郭先華，2*

（1.云南農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，昆明 650201；2.中國科學院 南京土壤研究所土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008）

目前，土壤污染問題的研究逐漸成為社會關注的焦點[1]。重金屬在土壤中積累、在作物體內富集，通過食物鏈最終進入人體，帶來嚴重的健康風險。蔬菜是人們日常生活中不可缺少的副食品，其質量的優(yōu)劣對人體健康造成直接威脅[2]。民眾對清潔、無污染蔬菜的要求越來越高，而蔬菜中的重金屬污染受土壤重金屬含量影響[3-6]。因此，對蔬菜地土壤重金屬環(huán)境質量進行評價，確定其污染水平和潛在風險，具有重要意義[7]。

我國蔬菜基地土壤受重金屬污染的元素主要包括Cd，Hg，Pb，As，Cr，Cu等[8]。南京郊區(qū)蔬菜基地土壤重金屬的抽樣檢測結果中，處于安全等級的土壤樣品僅占40%，已受到污染的土壤占30%[9-10]。農業(yè)部對24個市（城）郊、污水灌溉區(qū)、工礦等經濟發(fā)展較快地區(qū)320個重點污染區(qū)的監(jiān)測結果中，土壤重金屬含量超標的大田農作物種植面積為4.85×105hm2，約占調查總面積的16%，其中Pb，Cd，Hg，Cu及其復合污染最為突出[11]。多數城市郊區(qū)菜地的重金屬污染現狀嚴峻，其中污染最為普遍的是Cd，污染面積近1×107hm2，其次是Pb，Zn，Cu，Hg等[12]。

評價土壤重金屬污染程度和現狀，有利于農業(yè)生產布局，維護人類健康[13]。本文選取云南省姚安縣木署村蔬菜基地為研究對象，對土壤環(huán)境質量進行調查，分析土壤重金屬污染風險，評價蔬菜基地的重金屬潛在生態(tài)風險，以保障當地蔬菜質量與食品安全，降低人體健康風險[14]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)前場鎮(zhèn)木署村位于云南省楚雄州姚安縣東部，地處長江上游金沙江流域，為高寒山區(qū)，素有“彝州高山小菜園”之稱。該鎮(zhèn)國土面積305.16 km2，最高海拔2 757 m，最低海拔1 840 m，年平均氣溫13.5℃。當地主要種植大豆、小麥和水稻。研究區(qū)行政區(qū)劃分及采樣點位置如圖1所示。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 樣品采集

通過對木署村走訪調查，根據典型性和代表性原則，在研究樣地均勻采樣，按“S”形分布。每個采樣點設置10 m×10 m的樣方，每個樣方內隨機選取5個點采樣，采集0～20 cm深度土樣，再將五個點土樣均勻混合，采用四分法按對角線取1.0 kg裝袋得到混合土樣，共51個土樣。編號順序從右到左為1-51號土樣，采樣點分布詳見圖1所示。

1.3 樣品測試

1.3.1 土壤樣品的制備

將采集的土樣剔除石塊、雜草等異物，在室內自然風干，用玻璃研缽磨碎后過0.25 mm及0.149 mm的尼龍篩，封存于塑料袋中待測。

1.3.2 指標測定

依據區(qū)域性、簡易性、標準性、經濟性和主要性的原則，選取Pb，Cd，Ni，Cu，Zn，Cr六個指標作為該樣區(qū)土壤環(huán)境質量評價指標。土壤理化性質根據鮑士旦編制的《土壤農化分析》[15]測定。采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消煮-火焰原子吸收光度法，測定土樣中Cu，Zn，Cr，Ni含量；采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消煮-石墨爐原子吸收光度法，測定土樣Pb，Cd含量。

1.4 評價方法和標準

本次研究采用的評價方法是單因子污染指數法、綜合污染指數法和潛在生態(tài)危害指數法。通過SPSS11.5和Excel軟件進行指標分析，ArcGIS10.4的地統(tǒng)計模塊進行Kringing插值后進行空間分析。

1.4.1 單因子污染指數法

評價研究區(qū)域的重金屬污染，采用單因子污染指數法，公式如下：

式中：Pip為土壤中污染物i的單項污染指數（表1）；Ci為調查點位土壤中污染物i的實測濃度；Sip為污染物i的國家評價標準參考值。

表1 土壤單因子污梁指數法評價標準Table 1 Assement standards of soil single factor index pollution

1.4.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法是一種通過單因子污染指數得出綜合污染指數的方法，能夠較全面地評判重金屬的污染程度。其中，內梅羅指數法（Nemerow index）是評價土壤重金屬污染時運用最為廣泛的綜合指數法，其計算公式為：

式中：P綜合是內羅梅指數；i為單項污染指數平均值；Pimax為最大單項污染指數。根據內梅羅綜合污染指數法可將土壤重金屬污染劃分為5個等級，見表2。

表2 土壤重金屬綜合污染指數分級標準Table 2 The grading standard for integrated pollution index of soil heavy metal pollution

1.4.3 潛在生態(tài)風險指數法

潛在生態(tài)風險指數法是瑞典科學家Hakanson提出的，也稱為Hakanson指數，是Hakanson根據重金屬的性質和環(huán)境特點，從沉積學角度提出來的對土壤或沉積物中重金屬污染進行評價的方法。該指數考慮了土壤重金屬含量，將重金屬的生態(tài)、毒理、環(huán)境效應有機地結合起來，采用量化指標、等價屬性指數評價重金屬的風險性。計算公式如下：

式中：RI為多種金屬元素污染的潛在生態(tài)風險指數；Eir為單一金屬潛在生態(tài)風險因子；Tir為某一重金屬的毒性響應系數，根據Hakanson制定的標準化重金屬毒性系數獲得的，反映了重金屬在水相、固相和生物相之間的響應關系，重金屬毒性水平次序為Cd，Pb，Cu，Cr，Zn，Ni，其毒性響應參數分別為20，5，5，2，1，1；Ci為樣品實測濃度；Cis為沉積物和土壤背景參考值或土壤環(huán)境質量標準的評價參考值。潛在生態(tài)風險指數可以定量評價單一元素的風險等級，也可以評價多個元素的綜合風險等級，可以分為5個級別，見表3。

表3 潛在生態(tài)風險指數的分級Table 3 Classification of potential ecological risk index

1.4.4 評價標準

依據國家《食用農產品產地環(huán)境質量評價標準》（HJ/T 332-2006）、《溫室蔬菜產地環(huán)境質量評價標準》（HJ/T 333-2006）進行土壤重金屬污染風險評價。這兩項標準都規(guī)定了食用農產品產地土壤環(huán)境質量評價中各污染物的限值，研究區(qū)51個樣品pH范圍4.2～6.7，平均值為5.3，只有一個樣點pH達到6.7，因此該地區(qū)土壤適用于上述兩項國家標準中的pH＜6.5土壤環(huán)境質量評價限值范疇，具體限值如表4所示。

表4 土壤環(huán)境質量評價指標限值Table4 Limitvalueofsoilenvironmentalqualityevaluationindex

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量的分析

研究區(qū)6種金屬的平均值均低于《食用農產品產地環(huán)境質量評價標準》（HJ/T332-2006）和《溫室蔬菜產地環(huán)境質量評價標準》（HJ/T333-2006）的規(guī)定值，均沒有超標，見表5。

表5 研究區(qū)域重金屬含量（n=51）Table 5 The concentration of heavy metal in the soil of the study area（n=51）

2.2 土壤重金屬污染程度分析評價

2.2.1 單項污染指數

研究區(qū)內6種金屬元素的單項污染指數平均值大小為Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Cd＞Pb，6種金屬元素的單項污染指數均小于1，從這6種重金屬污染指數來看，該研究區(qū)域很清潔，無污染（見表6）。部分土壤樣品重金屬含量超標，超標率依次為Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，所有樣品Cd含量超標率最小為2.00%，Zn超標率最高為23.53%，Pb與Cr超標率分別為19.61%和13.73%。

表6 研究區(qū)域重金屬單項污染指數（n=51）Table 6 Single factor index of heavy metals in the soil of the study area（n=51）

2.2.2 綜合污染指數

經計算，研究區(qū)內6種重金屬內梅羅綜合污染指數平均為0.86，按上述國家標準，該值污染等級為警戒線，污染水平為尚清潔。51個采樣點土壤重金屬內梅羅綜合污染指數中只有1個是輕污染，其余50個采樣點均為清潔，表明研究區(qū)域未受到大規(guī)模、深層次的重金屬污染。

2.2.3 潛在生態(tài)風險指數

研究區(qū)域潛在生態(tài)風險指數均很低，單個重金屬潛在生態(tài)風險指數見表7。Pb，Cr，Cu，Zn、Cd，Ni平均值分別為 0.76，1.83，4.32，0.82，13.91，1.01。根據6種重金屬元素潛在毒性響應系數，Pb，Cr，Cu，Zn，Cd，Ni的潛在生態(tài)風險指數平均值22.65。說明研究區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風險程度極低。

表7 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數和危害指數（n=51）Table7 The potential ecological risk factor and index of heavy metals in the soil of the study area（n=51）

2.3 重金屬污染潛在生態(tài)風險分布圖

重金屬污染潛在生態(tài)風險評價結果Er和RI均小于40，該地區(qū)重金屬污染風險屬于輕微。根據圖2重金屬空間分布圖可見：樣點編號為9，10，11，12污染風險較高，可能因為該區(qū)是已建成的蔬菜基地，使用農藥的頻率高，耕植頻率較高造成重金屬的累積。因此，在以后的農業(yè)活動中要遵循綠色發(fā)展原則，盡量減少農藥的使用。樣點號19，20，21，36，37，38這片區(qū)域潛在危害指數也達到了32，該地區(qū)離居民區(qū)較近，生活污水排放和人為活動影響可能是造成該地區(qū)潛在生態(tài)風險較高的主要因素。

圖2 研究區(qū)土壤重金屬RI空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of heavy RI in the soil of the study area

3 討論

云南省木署村處于云南省偏遠山區(qū)，研究區(qū)域內6項重金屬污染指標均符合食用農產品產地的標準，造成土壤中Cr，Cu，Zn含量增加的原因可能是當地土壤背景值過高，也可能是長期使用農藥、化肥，導致土壤中重金屬元素積累[16]，此次未分析當地土壤背景值，下一步工作會具體分析重金屬來源。

單項污染指數污染大小為Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Cd＞Pb，6種金屬元素的單項污染指數均小于1，表明該研究區(qū)域比較清潔，基本無污染。土壤各重金屬元素超標率依次為 Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，除了Cd無超標情況，其他金屬單因子污染指數平均值都較小，但超標率很高，說明了這幾種金屬具有污染范圍廣但污染程度較輕的特點。綜合污染指數能夠較全面地評判重金屬的污染程度，內梅羅綜合污染指數平均為0.86，51個土壤采樣點內梅羅綜合污染指數中只有1個是輕污染，污染率為2.00%，表明研究區(qū)域重金屬污染程度較輕，可以建設蔬菜基地。任華麗等[17]以云南省元陽縣哈尼梯田為研究對象，研究了梯田濕地核心區(qū)水稻土的重金屬分布與潛在生態(tài)風險，結果表明Cr是背景值的2倍，Pb和Zn平均含量低于背景值，這與本文的研究結果有相似之處。從潛在生態(tài)風險來看，研究的6種重金屬均低于輕微的生態(tài)危害系數，重要的貢獻因子為Pb和Zn，其次是Cr和Cu，Cd的貢獻最小。評價中僅考慮了Pb，Cd，Cu，Zn，Cr及Ni等6種重金屬因子，由于采樣密度和采樣范圍的限制，結果具有一定的相對性和局限性。從潛在生態(tài)風險空間分布圖可以看出研究區(qū)總體重金屬污染風險較小，屬于風險輕微級，在遵循綠色發(fā)展，減輕農藥使用的前提下，該地區(qū)建立無公害蔬菜基地具有一定的理論依據和科學數據支撐。

4 結論

研究區(qū)酸性土壤中重金屬平均含量Cd為0.21mg/kg，Pb為22.15 mg/kg，Cu為35.09 mg/kg，Cr為137.08 mg/kg。參考國家《食用農產品產地環(huán)境質量評價標準》（HJ/T 332-2006）和《溫室蔬菜產地環(huán)境質量評價標準》（HJ/T 333-2006），進行土壤重金屬生態(tài)風險評價，結果表明：研究區(qū)內Cd等6項土壤重金屬元素含量均低于食用農產品產地環(huán)境質量評價標準的限值；研究區(qū)綜合污染指數平均為0.86，污染等級為警戒限級，污染水平為尚清潔級別；重金屬潛在生態(tài)危害指數為22.65，潛在生態(tài)危害程度屬于輕微級別。

[1]馮先橘，林媚，張偉清，等.路橋主要菜地土壤重金屬環(huán)境質量與評價[J].浙江農業(yè)科學，2016，57（5）：772-775.

[2]陳志良，黃玲，周存宇.廣州市蔬菜中重金屬污染特征研究與評價[J].環(huán)境科學，2017，38（1）：389-398.

[3]劉敏超，王飛生，岳艷明.蔬菜污染與無污染蔬菜的持續(xù)發(fā)展[J].現代化農業(yè)，2000（8）：10-12.

[4]段敏，馬往校，李嵐.陜西省部分城市蔬菜中重金屬污染研究[J].西北農業(yè)大學學報，2000，28（4）：89-93.

[5]柳勇，何江華，王少毅，等.廣州市蔬菜地重金屬劑量對蔬菜富集重金屬的影響——以菜心為例[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（3）：273-276.

[6]何江華，柳勇，王少毅，等.廣州市菜園土主要蔬菜重金屬背景含量的研究[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（3）：269-272.

[7]俄勝哲，楊思存，崔云玲，等.我國土壤重金屬污染現狀及生物修復技術研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2009，37（19）：9104-9106.

[8]婁燕宏，諸葛王平，顧繼光，等.粘土礦物修復土壤重金屬污染的研究進展[J].山東農業(yè)科學，2008（2）：68-72.

[9]王瑞興，錢春香，吳淼，等.微生物礦化固結土壤中重金屬研究[J].功能材料，2007，38（9）：1523-1526，1530.

[10]曹越，高志剛，閆淑萍，等.土壤重金屬污染危害及生物修復技術研究[J].環(huán)境科學與管理，2010，35（6）：65-67.

[11]孫波，周生路，趙其國.基于空間變異分析的土壤重金屬復合污染研究[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22（2）：248-251.

[12]楊蘇才，南忠仁，曾靜靜，等.土壤重金屬污染現狀與治理途徑研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2006，34（3）：549-552.

[13]黎林銀.云南省礦產資源現狀與立法及對策初探[D].昆明：昆明理工大學，2004.

[14]王愛琴，劉夢杰，王俊超，等.許昌市土壤環(huán)境質量評價及污染防治對策研究[J].環(huán)境科學與管理，2017，42（7）：180-184.

[15]鮑土旦.土壤農化分析（第三版）[M].北京：中國農業(yè)出版社，2000.

[16]祖艷群，李元，陳海燕，等.昆明市蔬菜及其土壤中鉛、鎘、銅和鋅含量水平及污染評價[J].云南環(huán)境科學，2003，22（S1）：55-57.

[17]任華麗，崔保山，白軍紅，等.哈尼梯田濕地核心區(qū)水稻土重金屬分布與潛在的生態(tài)風險[J].生態(tài)學報，2008，28（4）:1625-1634.