灵丘县蔬菜产地土壤重金属污染评价

葛元英，崔 旭，张小红，冯两蕊

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

重金属是土壤环境中主要的污染物，其进入土壤后具有隐蔽性或潜伏性、不可逆性和长期性以及后果的严重性等[1]。随着工业和农业的发展，重金属元素以各种不同的渠道进入土壤，造成其在土壤中的累积，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，为害人体健康[2-8]。

灵丘县东河南镇是该县主要无公害蔬菜生产基地，本试验对该生产基地进行了取样和重金属污染状况的监测与调查，以了解和掌握蔬菜产地环境土壤重金属污染状况与发展变化规律。研究结果对该地区蔬菜产品质量安全生产和生产基地的可持续发展、防止蔬菜被污染，保障消费者健康有十分重要的现实意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

灵丘县位于晋东北边缘，大同市东南端，东、南与河北涞源、蔚县、阜平接壤，西、北与山西省繁峙、浑源、广灵毗邻。全县总面积2 732 km2，辖3镇9乡254个行政村，总人口24万，属温带半干旱大陆性季风气候。

1.2 土壤样点的采集

在保证土壤样品代表性的前提下，共选择了6块有代表性的农田（ S1，S2，S3，S4，S5，S6）。 每块农田各布设一个土壤样点，在该样点上随机取5～7个点，采集0～20 cm土壤样品，充分混合后用四分法留取1 kg左右土壤样品。采样结束后，将样品及时送至实验室，存放在阴凉、避光、通风、无污染处，经自然风干和研磨后，通过孔径0.149 mm分样筛，装瓶备用。

1.3 分析测试

Cu，Pb，Zn，Ni，Cr，Fe采用火焰原子吸收分光光度法测定；Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；Hg，As采用原子荧光法测定。以国家一级土壤标准物质（GBW07401）进行准确度和精密度的控制，仪器分析结果与标准给定值的误差在允许范围内，样品测试最大相对偏差小于5%。数据采用Excel软件进行分析。

1.4 评价方法

1.4.1 地积累指数评价法 地积累指数（Igeo）[9-10]是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标，在欧洲被广泛采用。在不同的分析条件和分析目的下，必须采用合适的研究和评价方法。从环境地球化学的角度出发，评价沉积物中重金属的污染，除了必须考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还应考虑到由于自然成岩作用可能引起背景值变动的因素（常数）[11-12]。结合灵丘县的研究工作，选用地积累指数法对沉积物的重金属污染程度进行评价，其不仅考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值等，特别是注意到自然成岩作用可能引起背景值变动的因素（常数）。

式中，Cn表示元素n在沉积物中的含量（指质量比，实测值），mg/kg；BEn表示沉积岩（普通页岩）中该元素的地球化学背景值（表1）；成岩作用可能会引起背景值的变动，修正系数一般取值为1.5。

表1 山西省土壤元素背景值[13]mg/kg

根据地积累指数大小将污染等级分为7级，即0～6级，表示污染程度由无污染至极强污染。地积累指数与重金属污染程度的关系列于表2。

表2 沉积物重金属地积累指数分级与污染程度之间的相互关系[14]

1.4.2 富集因子法 富集因子[15-16]是基于一种能反映不同地质环境化学元素的比率方法，用参考元素平抑元素的自然差异，从而鉴别和量化人类活动对元素含量的影响。其目的是重金属元素的污染评价，关键是要区分自然源和人为源。由于人类活动对源于地壳的参考元素含量不会产生太大的影响，表层介质中的重金属元素含量与参考元素含量之间的比率以通过自然背景含量比率标准化后出现的高EF值代表人类活动影响，具有一定合理性[17]，Sutherland根据富集因子（EF）值，将重金属污染分为5个级别（表3）。

式中，Cx为元素x的浓度；CFe为标准化元素Fe的浓度；（Cx/CFe）s为土壤样品中元素x质量浓度与标准化元素Fe质量浓度的比；（Cx/CFe）b为土壤背景值中元素x质量浓度与标准化元素Fe背景质量浓度的比。

表3 富集因子判断标准[18]

选择不同的参考元素可能会出现不同的评价结果，究竟选择沉积物中的何种成分作为参考元素，目前尚无统一的认识。本研究选用Fe作为参考元素，以此计算其富集因子[19-20]。

不同参考元素下的土壤重金属富集因子数值不同，理论上，EF＞1，说明元素出现富集；EF≈1，则说明该元素来源于地壳风化，由此可以评价某种污染来源的贡献率，并获得某地区该元素的富集程度与污染状况[21]。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量统计情况

将大同市灵丘县东河南镇农田土壤重金属含量统计值列于表4。

从表4可以看出，灵丘县农田土壤重金属含量中除镉、汞、锌元素含量稍高于土壤环境质量标准（GB 15618—1995）一级标准外，其他元素（除铁元素外）含量均低于一级标准。

表4 灵丘县东河南镇土壤重金属含量分析结果 mg/kg

2.2 地积累指数评价法评价结果

对灵丘县东河南镇的6个采样点的土壤表层样品重金属的质量浓度进行了地积累指数和级别统计分析，结果列于表5。

表5 各采样点重金属地积累指数统计

从表5可以看出，灵丘县东河南镇蔬菜地，As，Cr，Cu和 Ni的 Igeo值均小于 0，地积累指数分级均为0级，表明当地土壤中这几种元素质量浓度处在正常范围内，没有受到污染；5个土壤样品的Pb，3个土壤样品中的Cd，2个土壤样品中的Zn的Igeo值在0～1之间，地积累指数分级为1级，污染程度为无污染—轻微污染，其余样品的这几种元素的Igeo值小于0，地积累指数分级为0级，表明有部分土壤受到了Pb，Cd，Zn元素的污染；4个土壤样品中Hg的Igeo值在1～2之间，地积累指数分级为2级，污染程度为中污染，2个土壤样品中Hg的Igeo值在2～3之间，地积累指数分级为3级，污染程度为中污染—重污染，表明该地区土壤受到了Hg元素的污染。

2.3 富集因子评价法评价结果

对灵丘县东河南镇的6个采样点的土壤表层样品重金属的质量浓度进行了富集因子统计，结果列于表6。

表6 各采样点土壤重金属富集因子统计

从表6可以看出，6个样品中 As，Cr，Cu，Zn和Ni元素的富集因子均小于2，表明其在土壤中为无富集—弱富集，其中，Ni的富集因子小于1，表明这几种元素在该地区都不存在富集现象；有3个点位的Pb，1个点位的Cd元素的富集因子大于2小于5，表明Pb，Cd在土壤中为中度富集，说明该地区正在受到Cd和Pb元素的污染；6个样品中Hg元素的富集因子都大于5小于20，表明其在土壤中显著富集，说明该地区土壤受到了Hg元素的污染。

2.4 EF与I geo的异同

比较地积累指数与富集因子这2种评价方法可以发现，地积累指数评价法中有2个点位的Zn元素处于无污染—轻微污染状态，富集因子评价法中所有点位的Zn元素都不存在富集现象，而对于其他元素而言，这2种评价方法的结果基本相同。其主要原因是这2种方法都以相同的土壤元素背景值作为参照，对测试区环境元素的浓度进行归一化，消除了评价过程中自然异常引起的影响[17]。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）本研究利用地积累指数法和富集因子法评价灵丘县主要蔬菜产地中重金属含量，结果表明，该产地中Hg元素表现为显著富集，人类活动的影响较为明显，主要是农业生产中施用的农药和化肥使Hg元素大量输入土壤并在地表发生了强烈富集；Cd，Pb，Zn元素在不同地点表现出一定的富集现象，说明这些元素也在逐渐受到人为活动的影响；其他元素没有表现出富集现象，说明其还未受到人为活动的显著影响。

（2）利用地积累指数法和富集因子法评价灵丘县主要蔬菜产地中重金属含量所得到的结果基本相同，说明不同的评价方法可以获得相似的评价结果。

3.2 建议

由于Hg元素存在重度富集现象，Cd，Pb，Zn这3种元素存在轻微富集现象，建议：

（1）科学合理施用化肥和农药。使用高效、低毒、低残留农药，发展生物防治措施；根据农药特性，按照安全规定合理施用，严格按照农药的安全间隔期使用；采用综合防治措施，既要防治病虫害对农作物的威胁，又要把农药对环境和人体健康的危害限制在最低程度。

（2）增加土壤容量和提高土壤净化能力。大力推广使用有机肥，增加土壤有机质含量，增加和改良土壤中不同胶体的种类和数量，利用土壤胶体增加土壤对重金属特别是Hg，Cd，Pb，Zn元素的吸附能力，固定重金属，从而减少外源重金属在土壤中迁移转化的活性。

（3）建立定期监测机制，有条件的对该生产基地土壤环境质量进行定期检查，逐步建立完整、系统的生产基地的基本资料库。对于本研究中发现的富集作用比较明显的元素应该定期检测、调查和研究，为当地蔬菜生产基地的安全建设提供技术保障。

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