气型污染农田土壤中重金属含量及潜在生态风险评价*

李庆波，赵小学，李红萍，程学敏，刘 佳，丁记者，朱静媛#，成永霞#

1)郑州大学公共卫生学院环境卫生学教研室 郑州 450001 2)河南省济源市重金属监测与污染治理重点实验室 济源 459000



气型污染农田土壤中重金属含量及潜在生态风险评价*

李庆波1)，赵小学2)，李红萍1)，程学敏1)，刘 佳1)，丁记者1)，朱静媛1)#，成永霞2)#

1)郑州大学公共卫生学院环境卫生学教研室 郑州 450001 2)河南省济源市重金属监测与污染治理重点实验室 济源 459000

#通信作者：朱静媛，女，1976年7月生，博士，副教授，研究方向：环境相关疾病及生物标志，E-mail:yuanzhu@zzu.edu.cn；成永霞，女，1968年11月生，本科，高级工程师，研究方向：环境监测，E-mail:cyx4543@163.com

气型污染；农田土壤；重金属；镉；潜在生态危害指数

目的：评价河南某工厂附近由于工业废气沉降引起的农田土壤重金属污染状况及潜在生态风险。方法：于该工厂西侧(该地常年主导风向下风侧)，依次选择距离741～2 556 m的7块农田观察区(G1～G7)，分4个季节采集混合土样，测定土壤中汞、砷、铅、镉、铜、锌、镍、铬8种重金属含量。单项累积指数法和内梅罗指数法进行重金属累积性评价，Hakanson潜在生态危害指数法进行土壤生态风险评价。结果：28份农田混合土样中镉、铅含量分别超过土壤环境质量二级标准6.08和0.07倍。G1和G2观察区6种重金属含量均高于其他较远距离的各观察区，G3观察区的砷、汞、铜和锌含量高于G6、G7观察区含量(P<0.05)。镉、铅、汞的单项累积指数范围在8.15～342.69之间，达到重度累积。G1～G7观察区的综合累积指数为731.13～30 588.88，均达到重度累积；G1～G7观察区的总潜在生态危害指数范围为1 620.29～14 659.37，均达到极强生态危害。结论：该气型污染农田土壤中镉、铅、汞污染达到重度累积，存在极强生态危害。

农业用地土壤重金属污染来源可以是污染物的大气沉降，生活污水和工业废水灌溉，固体废弃物堆放以及农药，化肥或畜禽粪便的施用等[1]。大气中重金属污染物主要来自于矿产工业废气、机动车尾气和燃煤，其中矿产工业的废气排放是大气中重金属污染物的主要来源[2]。目前我国大气污染状况不容忽视，由于大气沉降造成的农田土壤重金属污染状况值得关注。该研究对河南某地铅锌深加工工厂附近农田土壤的重金属污染状况及潜在生态风险进行了分析和评价，以期为该地区的重金属污染防控及进一步的健康危害研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集 选择河南某地铅锌深加工工厂附近的农田，排除工业废水灌溉及废渣堆放污染史，考虑该地常年主导风向为东风，将该工厂主烟囱西侧741、943、1 514、1 617、1 777、2 103和2 556 m处的农田标记为G1～G7号观察区，按照土壤环境监测技术规范(HJ/T 166-2004)，以大约200 m×200 m为一个采样区，分4个季节进行土壤耕层混合土样采集，共收集土壤混合样本28个。土壤耕层混合土样采集方法：每块土壤采样区按照梅花布点法设置5个采样点，每个采样点去除土壤表面杂质，采样锨垂直入土，采集土壤深度约20 cm，采集土样量约1 kg，将5个位点土样在牛皮纸上均匀混合，四分法取得混合土样约1 kg装于采样袋中。详细记录采样点周围的环境及气象因素。

1.2 重金属测定 室内自然风干土样，分拣出石砾及植物根系等杂物，研磨并过100 目筛备用。检测用硝酸、盐酸、氢氟酸、高氯酸均为优级纯，购自北京化学试剂公司。采用美国利曼公司Hydra-C原子吸收分光光度仪测定土壤中总汞含量(GB/T 17136-1997)；采用北京吉天公司AFS 9330型原子荧光光谱仪测定土壤中总砷含量(GB/T 22105.2-2008)；采用美国利曼公司电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定土壤中铅、锌含量；采用日本安捷伦公司7700x 型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定土壤中镉、铬、镍、铜的含量。根据春、夏、秋、冬4个季节对7块观察区土壤中8种重金属含量进行测定，每个观察区每种重金属含量共测定4次，结果取平均值。重金属超标倍数计算公式：重金属超标倍数=(土壤某污染物实测值-土壤环境质量二级标准值)/土壤环境质量标准二级标准值。

1.3 耕地土壤重金属累积性评价

1.3.1 单项累积指数计算

Pi = Ci/ Si

式中，Pi即耕地土壤中重金属i的单项累积指数；Ci为耕地土壤中重金属i的实测浓度，单位mg/kg；Si为耕地土壤中重金属i的累积性评价指标值，单位mg/kg，该研究中参照河南省农田土壤元素背景值[3]。

1.3.2 综合累积指数(内梅罗指数)计算

Pi≤1.0或P综合≤0.7为未累积；1.03.0或P综合>2.1为重度累积。

1.4 Hakanson潜在生态危害评价 Hakanson潜在生态危害评价的计算公式[4]如下：

Er=TrCf

Cf=Cx/Cs

式中，RI为多种重金属的总潜在生态危害指数；Er为单一重金属潜在生态危害指数；Cf为某一项金属的单项污染指数；Cx为底泥或土壤中该项重金属的实测值；Cs为该项金属的评价标准值，该研究取河南省农田土壤背景值；Tr为金属的毒性系数[4]。

Er<40或RI<150为轻微生态危害；40≤Er<80或150≤RI<300为中等生态危害；80≤Er<160或300≤RI<600为强生态危害；160≤Er<320或RI≥600为很强生态危害；Er≥320为极强生态危害。

1.5 统计学处理 应用SPSS 21.0对数据进行统计学处理。每个观察区8种重金属含量分布差异采用单因素方差分析进行比较，两两比较采用SNK-q检验；不同季节7个观察区8种重金属含量分布差异采用符号秩和检验进行比较。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 气型污染农田土壤重金属含量测定 结果见表1。由表1可知，除铬外的7种重金属含量均超过河南省农田土壤元素背景值[3]，与土壤环境质量二级标准值比较，镉和铅的超标倍数分别达6.08和0.07。

表1 气型污染农田土样中8种重金属含量测定结果(n=28)

2.2 不同观察区农田土样重金属含量分布 结果见表2。与土壤环境质量二级标准值相比，镉含量在7块观察区农田超标倍数为3.1～34.1倍，铅含量在G1～G4观察区超标倍数为0.1～5.1倍。

2.3 不同季节农田土壤重金属含量分布 在不同季节，8种重金属只有砷、镍和铬含量分布差异有统计学意义；冬季砷含量高于其他3个季节，春、夏季节镍含量高于秋、冬季节，夏季铬含量低于其他3个季节，差异均有统计学意义，见表3。

2.4 气型污染农田土壤重金属累积性评价 结果见表4。由表4可知，镉、铅、汞的单项累积程度最大，单项累积指数达4级，为重度累积；距工厂越近的农田，综合累积指数越大；距工厂最远的G7观察区，其P综合也远超过重度累积限值。

2.5 气型污染农田土壤重金属污染潜在生态危害评价 结果见表5。

表2 8种重金属在不同观察区农田土样中含量比较(n=4) mg/kg

*：与G1观察区比较，P<0.05；#：与G2观察区比较，P<0.05；△：与G3观察区比较，P<0.05。

表3 观察区农田土样4个季节重金属含量分布(n=7) mg/kg

表内数据为中位数(四分位间距)；*：与冬季含量比较，P<0.05；#：与夏季含量比较，P<0.05；△：与春季含量比较，P<0.05。

表4 不同距离农田土壤重金属的Pi及P综合

表5 农田土壤重金属的Er和RI

3 讨论

3.1 气型污染农田土壤中重金属的污染特征 目前我国对来自工业废气沉降而形成的土壤气型污染关注不多。该研究选择的河南某地铅锌加工厂主要从事电解铅、白银、黄金等有色金属及贵金属产品的冶炼，工厂附近的农田排除了工业废水灌溉及废渣堆放污染史，可判定其重金属污染来源主要为气型污染。检测结果显示，7块观察区农田主要存在镉、铅污染，其含量分别超过土壤环境质量二级标准值3.1～34.1倍和0.1～5.1倍；其镉、铅、铜、砷和汞含量高于北京、上海等12个地区农田土壤重金属污染平均值[5]，提示该气型污染农田土壤中重金属污染严重。两两比较结果显示，距工厂741、943和1 514 m的G1～G3采样区的6种重金属含量高于距工厂1 617～2 556 m的G4～G7采样区，差异有统计学意义，提示距离工厂越近，农田土壤重金属含量越高。这种污染分布特征与土壤气型污染分布特点相符，即在该地常年主导风向下风侧，距离工厂(污染源)越近的农田土壤可能接受更多的工业废气沉降。在不同季节，该地土壤主要污染重金属含量分布差异无统计学意义，仅砷、镍和铬等重金属(污染较轻或无污染)的分布差异有统计学意义，这与重金属在土壤中较难迁移转化、一旦污染即具有一定稳定性有关。

3.2 气型污染农田土壤中重金属污染风险水平 土壤重金属累积性评价发现镉、铅、汞为重度累积，8种重金属的总潜在生态危害主要来自于镉、汞和铅。随着距工厂距离的增加，7块观察区农田RI值逐渐降低，但最低值仍远超过极强生态危害限值，其中距离工厂最近的G1观察区RI值超过极强生态危害限值约20倍。该研究中RI值范围与贵州铅锌矿[6]、湖南铅锌矿[7]等点源污染周围农田土壤RI最大值较接近，但远远大于面源污染区域，如黄淮平原流域[8]、深圳[9]等的农田土壤RI最大值，提示其生态风险形势严峻。相比较于其他土壤重金属污染类型(如矿业生产和输油管道污染等)[10-11]，这是土壤重金属点源气型污染及其生态风险分布的特点，可根据距离工厂远近决定污染控制的优先地区等。鉴于土壤中重金属可通过粮食和蔬菜等途径增加人体内暴露水平[12]，进而产生相应的人体健康危害[13-14]，对该观察区农田的治理和修复亟待进行，同时需加强对镉、汞、铅等重金属气型污染的防控和治理。

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(2016-04-13收稿 责任编辑姜春霞)

doi：10.13705/j.issn.1671-6825.2016.06.009

Pollution and potential ecological risk assessment of heavy metals in agricultural soils of gas-type pollution

LIQingbo1),ZHAOXiaoxue2),LIHongping1),CHENGXuemin1),LIUJia1),DINGJizhe1),ZHUJingyuan1),CHENGYongxia2)1)DepartmentofEnvironmentalHealth,CollegeofPublicHealth,ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001 2)JiyuanCityKeyLaboratoryofHeavy-MentalMonitoringandPollutionControl,Jiyuan459000

gas-type pollution; agricultural soil; heavy metal; cadmium; potential ecological risk index

Aim: To evaluate the pollution and potential ecological risk of heavy metals caused by industrial waste gas deposition of agricultural soils near a factory in Henan. Methods: Seven agricultural observation areas(G1-G7) were selected among different distances from 741 to 2 556 m on the west side of the factory(the area perennial dominant wind direction leeward), and twenty-eight mixed soil samples were collected in four seasons. The concentrations of heavy metals in agricultural soils(Hg, As, Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, and Cr) were detected. Single cumulative index method, Nemerow index method and Hakanson potential ecological risk index method were used to assess the accumulation of heavy metals and potential ecological risk of the farmland. Results: Contents of seven kinds of heavy metals except for Cr in 28 soil samples exceeded the corresponding background values in Henan Province, also, the mean contents of Cd and Pb compared with Soil Environmental Quality Standard were 6.08 and 0.07 times, respectively. Contents of six kinds of heavy metals except for Cr and Ni in observation area G1 and G2 were higher than other observation areas, and the concentrations of As, Hg, Cu, and Zn in G3 area were higher than those in G6 and G7 areas(P<0.05). Single cumulative indexes of Cd, Pb and Hg ranged from 8.15 to 342.69, and reached up to most severe level. Nemerow indexes of seven different observation areas were also most severe(between 731.13 and 30 588.88). The total potential ecological risk(1 620.29-14 659.37) of seven observation areas was extremely severe. Conclusion: The concentrations of Cd, Pb, and Hg in gas-type polluted agricultural soils reach up to severe accumulation and have an extremely severe ecological risk.

10.13705/j.issn.1671-6825.2016.06.008

*国家自然科学基金青年基金项目 81202174

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