污水灌溉区生态环境污染和粮食安全风险评价

周振民

（华北水利水电学院，河南郑州 450045）

生态环境污染和粮食安全性风险是生态系统及其组分所承受的风险中的重要内容．它指在一定区域内，具有不确定性的生态环境和粮食安全性灾害、事故及人类行为对生态环境和粮食系统及其组分可能产生的不利作用，包括对生态环境和粮食营养系统结构和功能的损害，从而危及人类的安全和健康．因而开展污水灌溉区粮食安全风险分析具有十分重要的实用价值．

笔者选择河南省开封市污水灌溉区为实验区，开展生态环境和粮食安全性风险评价研究．污灌实验区位于开封市15 km的兴隆乡太平岗村二组，该地区地势平坦，地面比降为1/2 500～1/3 000．土壤为黄河冲积平原土质，质地为壤土或沙壤土，有机质少，pH 值为 8．45 ～ 8．60，孔隙度为 43．30% ～50．26%，密度为1．32 ～ 1．50 g/cm3．主要作物有水稻、玉米、棉花、花生、大豆等．自然条件在河南省平原区具有一定的代表性．污水灌溉实验采用惠济河水体污水，主要研究污水灌溉对土壤生态环境的污染［1］，以及土壤污染引起的粮食安全问题．

1 污灌区生态环境和粮食安全风险评价指标体系

1．1 评价指标体系建立原则

评价指标体系的合理性及科学性是决定风险评价结果的关键［2］．为保证指标选择适当，必须遵循以下几条主要原则．

1）全面性及层次性．目标污染物的筛选与评价中所涉及的因素是多方面的，既有理化特性，也有环境毒理方面的因素．因此，建立指标体系时，应全面反映各影响因素;同时，要区分清楚各指标间的关系，使之具有明确的层次性．

2）代表性．评价指标要具有一定的代表性，要准确反映土壤环境和粮食安全的变化特征．

3）可操作性．污染物的环境行为大多数属于复合污染，其污染机制十分复杂．因此，这里只能考虑单一化学物质筛选，以便有较强的可操作性．

4）简洁实用性．评价指标选择应明确反映系统与指标之间的相互关系，确定的指标力求简洁，含义清晰明确，便于应用操作，具有实用性．

5）科学性．指标体系的选择涉及到生态环境和粮食安全风险评价、环境化学及环境生物等诸多学科领域，因此，要广泛征求相关学科领域有关专家的意见，反复斟酌、论证及比选，以求获得较为理想的评价结果．

6）定性与定量相结合．污灌区生态环境和粮食安全风险评价指标体系应尽可能选择定量化的指标，对于难以量化的也不能忽略，应定性描述．

1．2 评价指标体系建立

这里以污灌区生态环境现状为基准，灌溉水标准采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）．土壤标准采用《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），参考河南省主要元素的土壤环境背景值，将开封市污灌区土壤生态环境污染和粮食安全风险划分为5个等级：极小（Ⅰ）、小（Ⅱ）、中等（Ⅲ）、大（Ⅳ）、极大（Ⅴ），不同级别重金属元素含量范围见表1．根据《中国药典》（2005年版）、《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》、《国家食品卫生标准和保健（功能）食品通用标准》（GB 16740—1997），将小麦污染风险分为5个等级［3］：保健、无公害、食品限值、药材标准、重污染，即极小（Ⅰ）、小（Ⅱ）、中等（Ⅲ）、大（Ⅳ）、极大（Ⅴ）．经过分析，建立了土壤受重金属污染条件下的粮食安全风险评价指标体系，见表1．

表1 污灌区土壤生态环境污染和粮食安全风险评价指标体系

2 污灌区生态环境和粮食安全性风险评价方法

自20世纪70年代以来，基于重金属总量的生态环境风险评价方法中常用且具有代表性的主要有：内梅罗指数法、沉积物富集系数法、潜在生态危害指数法等．这些评价方法各具特色，适用范围不一．这里选择内梅罗指数法和潜在生态危害指数法对污水灌溉区小麦安全性风险进行评价［4］．

2．1 内梅罗指数法

内梅罗指数是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数．该方法特别考虑了污染最严重的因子，它在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响．内梅罗指数的计算公式为［5］：

式中：Ii为环境中第i种污染物的分指数;Ci为环境中第i种污染物的浓度;Si为环境中第i种污染物的评价标准［6］;I为综合污染指数;Imax为各单因子环境质量指数中最大者;Iave为各单因子环境质量指数中的平均值．

一般来说，I＞1，说明环境质量已不能满足评价标准的要求，即存在风险;I=1，说明环境质量处于临界状态;I＜1，说明环境质量较评价标准的要求好，即生态环境不存在风险．

2．2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是瑞典科学家Hakanson根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出来的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法．该方法不仅考虑土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用具有可比的等价属性指数分级法进行评价．潜在生态危害指数涉及到单项污染系数、重金属毒性响应系数以及潜在生态危害单项系数［7］．

表2 重金属污染的土壤参比值和毒性响应系数

表3 和RI的分级标准

表3 和RI的分级标准

生态危害系数 生态危害程度Ei f＜40或RI＜150轻微40≤Eif＜80或150≤RI＜300 中等80≤Eif＜160或300≤RI＜600 较强160≤Eif＜320 或 RI≥600 强Ei f≥320极强

3 评价结果

3．1 生态环境评价

潜在生态危害指数法以浓度、数量、毒性和敏感性4个前提条件为基础，其风险评价计算结果见表4．由表4可知，土壤受Cr和Pb污染程度较轻，处于低潜在风险，这是由于土壤中含量较高的重金属元素Cr的毒性响应参数较低，Pb的含量和毒性响应参数都较低;虽然Cd含量低，但毒性较高，且易迁移，从而使得其潜在生态环境风险参数较高;As含量较高且毒性较大，易迁移，从而使得其潜在生态环境风险参数较高;样品6和样品8的Cd污染程度较高，毒性响应参数也较高，故其潜在生态环境风险参数较高，土壤潜在生态环境风险指数的计算结果很高，潜在危害程度极强［9］．

表4 开封市污灌区土壤重金属潜在生态环境风险评价

3．2 小麦籽粒重金属污染风险评价

应用内梅罗指数法对开封市污灌区小麦籽粒重金属污染安全性风险进行评价．由于农作物籽粒重金属含量直接关系到农产品的质量问题，因此，将小麦籽粒中的重金属含量与农作物的食品卫生限量标准相比较，对小麦进行安全评价，计算结果见表5．从表5可以看出，小麦籽粒受Pb污染最为严重，污染指数大于1的样点数占样点总数的80%;Cd，Cr，As污染次之，污染指数大于1的样点数分别占样点总数的70%，50%，10%．这说明由于该污灌区长期利用污水灌溉已经导致重金属在小麦籽粒中产生了不同程度的积累．除元素Cd在小麦籽粒和土壤中的污染程度一致外，其他元素在小麦籽粒种子和土壤中的污染程度均表现出一定的差异［10］．这主要是由于各采样点土壤理化性质和重金属的种类、浓度以及存在形态等的差异而造成的．这也表明了重金属在土壤—小麦系统中迁移的复杂性．

表5 开封市污灌区小麦籽粒重金属污染指数

从表5还可以看出，10个小麦籽粒样品中以样品10受重金属污染最严重，其综合污染指数达4．70;样品1受重金属污染次之，其综合污染指数达4．14;样品6受重金属污染较轻，综合污染指数小于1，为0．82．各采样点籽粒和土壤污染程度的差异性表明，即使对于同一植物，影响重金属元素迁移的因素仍然是比较复杂的．

4 结语

评价结果表明，开封市污灌区土壤和小麦中均发生了重金属污染．土壤样本8的污染风险最高，受Cd污染最严重，As污染次之，Cr，Pb污染程度较轻，处于低潜在风险，但它们在土壤中的含量有的已接近国家土壤环境质量二级标准限值．小麦籽粒受Pb污染最严重，Cd，Cr，As污染次之．但小麦籽粒样品以样品10的污染风险最为严重．这种小麦籽粒和土壤污染风险的差异性表明，即使对于同一植物，影响重金属元素迁移的因素仍然是比较复杂的，有待进一步研究．

开封市污灌区长期利用污水灌溉，已经导致重金属在小麦籽粒中发生不同程度的积累，重金属在土壤—小麦系统中的积累将最终通过能量流动所遵循的十分之一定律危害人类健康，因此，重金属在土壤—小麦系统中的积累不容忽视．

［1］周振民．污水资源化与污水灌溉技术研究［M］．郑州：黄河水利出版社，2006．

［2］王慎强．我国土壤环境保护研究的回顾与展望［J］．土壤，1999（5）：255－260．

［3］张学询，吴燕玉，陈涛，等．张士灌渠镉、铅等重金属迁移分布规律及其治理途径［J］．环境学，1982，3（6）：7－10．

［4］中国环境监测总站．中国土壤元素背景值［M］．北京：中国环境科学出版社，1990．

［5］秦普丰，铁柏清，周细红，等．铅与锡对棉花和水稻萌发及生长的影响［J］．湖南农业大学学报，2000，26（3）：205－207．

［6］吴燕玉，王新，梁仁禄，等．重金属复合污染对土壤—植物系统的生态效应Ⅱ．对作物、苜蓿、树木吸收元素的影响［J］．应用生态学报，1997，8（5）：545 －552．

［7］ Sutherland R A，Tolosa C A，Tack F M G，et al．Characterization of selected element concentrations and enrichment ratios in background and anthropogenic ally impacted roadside areas［J］．Archives of Environmental Contamination and Toxicology，2000，38（4）：428 －438．

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