海南农垦农产品产地土壤重金属污染分布特征及评价

刘月++林运萍++黄世清++唐群锋++张民++符锦锋++吴玲

摘 要 以海南农垦农产品产地土壤为研究对象，研究了土壤中As、Hg、Pb、Cd、Cr等5种重金属的含量特征，并利用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法及潜在生态危害指数法，对该地区土壤重金属污染程度和潜在生态危害进行评价。结果表明：As、Hg、Cr平均含量高于海南省表层土壤背景值，重金属污染累积值分别为4.90、2.00、7.73；该地区土壤重金属污染空间分布不均匀，位于海南省北部地区的红明、东昌、南海、东路、南阳等基地内梅罗污染指数和Cr的单因子污染指数均大于1.00，土壤处于Cr轻度污染状态；土壤重金属潜在生态危害指数为168.70，整体表现为中等生态危害，潜在生态危害主要来自于As和Hg。

关键词 海南农垦 ；土壤重金属 ；污染评价 ；潜在生态危害

中图分类号 X53 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.07.003

Distribution Characteristics and Assessment of Soil Heavy Metals

Pollution in Hainan State Farms

LIU Yue1，2） LIN Yunping1，2） HUANG Shiqing1，2）

TANG Qunfeng2，3） ZHANG Min1，2） FU Jinfeng1，2） WU Ling1，2）

（1 Hainan Natural Rubber Quality Inspection Station， Haikou， Hainan 570206；

2 Academy of Hainan State Farms， Haikou， Hainan 570206；

3 Hainan State Farms Investment Holdings Group Co. Ltd.， Haikou， Hainan 570100）

Abstract The soil contents of As， Hg， Pb， Cd and Cr in the agricultural producing areas of Hainan States Farms were analyzed， and the pollution and potential ecological hazards of heavy metals were assessed by means of single factor pollution index， nemerow pollution index and potential ecological risk index. The results showed that the average contents of As， Hg and Cr were higher than the background values of the surface soil in Hainan with their accumulated values being 4.90， 2.00 and 7.73， respectively. The spatial distribution of heavy metals pollution in the soil was uneven. The nemerow pollution index and the Cr single factor pollution index of Hongming， Dongchang， Nanhai， Donglu and Nanyang in the north areas of Hainan were higher than 1.00， which showed a slight Cr pollution. The potential ecological risk index of heavy metals in the soil was 168.70， which showed an intermediate ecological hazard， and heavy metals As and Hg were primary factors.

Keywords Hainan State Farms ； heavy metal in soil ； pollution assessment ； potential ecological hazards

近幾十年来，随着有色金属矿山的开采、工业“三废”的排放、农业生产污水灌溉等原因造成的土壤重金属污染问题逐步显现，由此直接或间接导致的农产品重金属含量超标和人体重金属污染事件频频出现[1]，随之带来的农产品质量安全问题令人担忧。据估测，我国重金属污染农田面积已达 2 000 万hm2，约占耕地总面积的1/5，每年因重金属污染造成粮食的直接经济损失超过200亿元[2]。2011 年，国务院正式批复《重金属污染综合防治“十二五”规划》，2012年，农业部、财政部印发了《农产品产地重金属污染防治实施方案》，要求全面开展全国农产品产地土壤重金属污染防治普查，切实加强农产品产地重金属污染防治工作，提升农产品质量安全保障水平 。

海南农垦由于良好的自然条件和广阔的土地资源，盛产多种瓜果，一年四季应有尽有，是我国主要的热带瓜果生产基地。近年来，海南石油、化工、造纸等工程项目排放的工业废水逐渐增多，加之城市生活污水、农业投入品不合理使用等原因，导致海南土壤已经受到不同程度的重金属污染[3-4]。2012年，海南省开始启动农产品产地土壤重金属污染防治普查工作，但海南农垦并未列入普查的范围。目前，海南省土壤重金属污染调查研究及修复工作尚在起步阶段，郭跃品等[5-7]报道了海南胡椒、槟榔、香蕉等产地土壤重金属含量及污染特征，但针对海南农垦农产品产地土壤重金属污染、评价方面的系统研究还未见报道。

本研究选取海南农垦主要的热带农产品产地土壤作为研究对象，进行重金属污染分布特征分析，并利用近年来应用比较广泛的土壤重金属污染评价方法对土壤重金属污染程度进行评价，弥补了热带农产品产地土壤重金属污染研究方面的不足，为今后海南土壤重金属污染研究和防治提供理论基础和借鉴依据。

1 材料与方法

1.1 材料

海南农垦创建于1952年l月，是中国第三大垦区，下属二级企业30家（其中上市公司1家）、农场40个，分布在海南省18个市县。土地总面积69.42万hm2，户籍总人口约100万人，是全国最大的天然橡胶生产基地和热带作物生产基地。海南农垦现有热带作物面积16.66万hm2，主要生产芒果、槟榔、荔枝、茶叶、胡椒、香蕉、瓜菜等热带农产品。海南农垦地处热带北缘，属热带季风气候，素来有“天然大温室“的美称。这里长夏无冬，年平均气温22℃～27℃，光温充足，光合潜力高，年光照为1 750～2 650 h；降雨量充沛，年平均降雨量1 639 mm；砖红壤、赤红壤、山地黄壤等是主要土壤类型。

1.2 方法

1.2.1 样品布点与采集

本研究以海南农垦乐光芒果、红明荔枝、南海菠萝蜜、东昌胡椒、乌石茶叶、南滨瓜菜、南田芒果、东路荔枝、南阳胡椒、金江茶叶、中建蜜柚等11個农业标准化产业基地为研究区，参照《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T 395-2012）[8]，结合种植区种植面积大小、区域地质、土壤分布状况及区域土地利用类型特征等因素，确定布点数量、样品采集方法。采样同时进行采样现场调查和作物种植情况调查，了解自然环境特征、土地利用情况、作物类型与产量、化肥与农药使用、灌溉水源等信息。

土壤采样用梅花布点法，于每个样点设置5个采集点，在各个采集点等量取土，取每个采集点 0～40 cm 表层土壤混合均匀后四分法取 1 kg，共采集 159 个土壤混合样品。 所有样品均装入聚乙烯密封塑料袋中带回实验室，同时各采样点均经 GPS 准确定位。采集的土壤样品风干后，拣出石块等杂物，研磨，根据检测指标相应过筛，装瓶备用。

1.2.2 样品检测及数据分析

1.2.2.1 样品检测

检测指标主要是对农产品质量安全影响大、持续时间长的As、Hg、Pb、Cd、Cr等5种重金属污染物，同时检测土壤 pH 值和阳离子交换量，检测指标及依据见表1。

1.2.2.2 数据分析

采用SPSS和Excel等基本统计分析法对重金属检测数据进行统计特征值分析。

1.2.3 评价方法

采用目前国内外普遍采用的3种评价方法从不同角度进行土壤重金属污染情况的分析评价。土壤重金属污染评价参照标准采用《土壤环境质量标准》[15]中规定的二级标准值和海南省表层土壤重金属背景值（以2009年全国第二次土壤普查海南省生态地球化学调查之《海南岛1∶25万多目标区域地球化学调查报告》为背景值），见表2。

1.2.3.1 单因子污染指数法

单因子指数法是对土壤中某一污染物的污染程度进行评价。计算公式：

Pi=Ci/Si

其中，Pi为土壤污染物i的单因子污染指数，Ci为土壤污染物i的实测浓度（mg/kg）；Si为《土壤环境质量标准》[15]中规定的二级标准值（mg/kg）。

1.2.3.2 内梅罗污染指数法

为全面反应各污染物的作用，突出高浓度污染物对环境质量的影响，采用内梅罗污染指数法。计算公式：

P=■

其中，■i为土壤内梅罗污染指数， 为所有污染物污染指数的平均值，max（Pi）为所有污染物单因子指数最大值。依据单因子及内梅罗污染指数法可将土壤重金属污染划分为5个等级，如表3所示。

1.2.3.3 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[16]提出的用于土壤或沉积物中重金属污染程度及潜在生态危害评价的一种方法，该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。单项重金属指标的潜在生态危害效应，用潜在生态危害系数来表征；而多项重金属指标所造成的潜在生态危害的累积效应，用潜在生态危害指数评估。计算公式：

潜在生态危害系数：

E■■=T■■×■

潜在生态危害指数：

RI=■E■■

其中，Ci是环境中重金属的实测含量（mg/kg），Cf是计算所需的参比值（mg/kg）。本研究选取海南省表层土壤背景值作为参比值，是单个污染物的毒性响应系数，采用Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数，见表4。重金属潜在生态危害指标与分级关系见表5。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

2.1.1 土壤重金属含量统计分析

对海南农垦11个农业标准化产业基地土壤重金属统计分析结果如表6所示。从表 6可看出，该地区所取 159个表层土壤样品中重金属Pb、Cd平均含量低于海南省表层土壤背景值，As、Hg、Cr平均含量高于海南省表层土壤背景值，其中As超标率92.45%，Hg超标率85.53%，Cr超标率71.70%。部分土壤样品重金属As、Cr含量超过国家土壤二级标准，其中As超标率0.63%，Cr超标率较高，为43.40%。说明该地区土壤重金属污染程度不一，已受到外界人为活动因素的影响。

在地球环境化学中，土壤元素的累积通常伴随变异性的增强，变异系数在一定程度上可用于表征各元素的累积状况[17]，变异系数越大，说明元素在空间上分布不均匀，土壤差异越大。As、Hg、Pb、Cd、Cr的变异系数均在40%以上，说明该地区土壤差异较大。其中，Cr的变异系数达 97.78% ，As达85.70%，Pb达83.97%，说明这几种重金属元素受外界干扰较大，在空间上的分布有较大的差异，存在明显的局部聚集和点源污染现象。土壤的pH值、阳离子交换量变异系数分别为 11.30%和 31.95%，均小于40%，说明该地区土壤理化性质稳定。

2.1.2 土壤重金属累积特征分析

海南农垦农业标准化产业基地土壤重金属累积特征分析结果见表7。结果表明：Cr的平均累积值较高，为7.73，其中位于海南省北部地区的红明、东昌、南海、东路、南阳基地Cr的平均累积值都在13.00以上，表明这些基地的Cr累积严重，而位于海南省中部、南部、西部地区的其他6个基地Cr累积值较低，都在0.30～4.00，提示海南省北部地区存在明显的Cr污染累积。李福燕等[4]对海南省农田土壤重金属污染研究发现 Cr 的超标点均聚集在海南北部地区的海口市周围。郭跃品等[5]对海南胡椒种植基地土壤重金属污染研究结果显示，Cr是文昌地区主要的土壤重金属污染因子。As的平均累积值为4.90，表明存在一定程度的累积，其中东昌、南海、东路、中建、南田、乐光基地As的累积值较高，在5.00以上；Hg的平均累积值为2.00，提示存在轻度的Hg污染累积；Pb、Cd平均累积值均小于1.00，表明人类活动未造成Pb、Cd的累积。重金属污染累积程度大小为Cr>As>Hg>Pb>Cd。

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子及内梅罗污染指数法评价

海南农垦农业标准化产业基地土壤重金属单因子及内梅罗污染指数评价结果见表8。结果表明：土壤中As、Hg、Pb、Cd的单因子污染指数平均值均小于 0.70，处于清洁状态，而Cr的单因子污染指数平均值为0.81，土壤Cr污染已处于安全警戒状态，5种重金属单因子污染指数平均值大小为Cr>Hg>As>Cd>Pb。其中，红明、东昌、南海、东路、南阳基地土壤Cr的单因子污染指数平均值在1.00以上，已达轻度污染水平，而其他6个基地Cr的单因子污染指数均小于0.70，说明海南农垦农业标准化产业基地局部土壤受到重金属Cr污染，且污染程度不均匀，红明、东昌、南海、东路、南阳基地Cr污染问题应引起相关部门的关注。

根据单因子污染指数评价结果，分析研究区 159个土壤样品，结果表明：55.97%的土壤处于清洁级别（即未受上述 5种重金属污染），有44.03%的土壤达轻度污染级别（主要受Cr污染）。进一步分析5种重金属的单因子污染指数，所有土壤样品的Hg、Pb、Cd均处于清洁水平，而有0.63%的土壤样品As的单因子污染指数在轻度污染水平；43.40%的土壤样品Cr的单因子污染指数在轻度污染水平。

单因子污染指数评价结果能说明研究区159个采样点5种重金属的污染程度，而要对11个研究区各自的污染程度进行综合评价，则需通过内梅罗污染指数法。由表8可知，红明、东昌、南海、东路、南阳基地土壤内梅罗污染指数均大于1.00，表明这些基地土壤处于轻度污染状态；中建基地的内梅罗污染指数为0.74，该基地土壤重金属污染已达警戒级别；其余5个基地内梅罗污染指数均小于0.7，表明这些基地的土壤处于清洁级别。各基地内梅罗污染指数大小依次为：东昌>南海>红明>东路>南阳>中建>金江>南滨>南田>乌石>乐光。

2.2.2 潜在生态危害指数法评价

海南农垦农业标准化产业基地土壤重金属潜在生态危害指数法评价结果见表9。从表9可以看出：11个基地土壤中Pb、Cd、Cr潜在生态危害系数平均值均小于 40.00，处于轻微生态危害水平；As的潜在生态危害系数平均值为49.01，处于中等生态危害水平；Hg的潜在生态危害系数为80.07，达强生态危害水平。现阶段，该地区土壤重金属潜在生态危害指数为168.70，整体上表现为中等生态危害。5种重金属生态危害系数大小依次为：Hg>As>Cd>Cr>Pb。

分析11个基地5种重金属生态危害情况可知：中建蜜柚基地As的潜在生态危害系数为99.98，達到了强生态危害水平，红明、东昌、南海、东路、南田、乐光基地As的潜在生态危害系数为中等生态危害水平，而南阳、乌石、金江、南滨As则处于轻微生态危害水平；红明、东昌、南海、东路、南阳、金江Hg的潜在生态危害系数均在80以上，达到了强生态危害水平，乌石、中建、南滨、南田基地Hg的潜在生态危害系数为中等生态危害水平，而乐光Hg则处于轻微生态危害水平。对比各基地潜在生态危害指数，红明、东昌、南海、东路、南阳、中建、金江基地土壤重金属潜在生态危害整体上表现为中等生态危害，其他4个基地表现为轻微生态危害，大小依次为东昌>东路>南海>中建>红明>南阳>金江>南田>乐光>南滨>乌石。

3 结论与讨论

3.1 讨论

（1）海南农垦农业标准化产业基地土壤重金属的潜在生态危害主要来自于As、Hg。结合表4、表7和表9可看出，土壤中Cr的平均含量为背景值 的7.73倍，Hg的平均含量为背景值的2.00倍，As的平均含量为背景值的4.90倍，但Hg的毒性响应系数为40，As为10，Cr仅为2。因此，土壤中Hg的潜在生态危害指数较高的原因在于其的高毒性响应系数，而Cr虽然超出背景值较多，但由于其毒性响应系数较低，因此潜在生态危害指数不高。

（2）对比内梅罗污染指数法和潜在生态危害指数法评价结果存在较大差异，主要原因在于2种评价方法侧重点的不同。内梅罗污染指数法是通过实测值与国家《土壤环境质量标准》[15]中规定的二级标准值比较而实现，主要侧重揭示重金属的土壤累积程度，强调土壤按照国家限量标准是否达到污染水平；而潜在生态危害指数法除了考虑土壤重金属累积程度外，还侧重考虑了不同元素的毒性响应系数，并通过加权求和突出了多元素污染风险的协同效应。因此，在对海南农垦土壤重金属污染情况进行评价时，应把内梅罗污染指数法和潜在生态危害指数法相结合，才能更全面地反映土壤重金属的污染状况。

（3）重金属元素Cr广泛分布于地壳中，是土壤中丰度较高的微量元素之一，Cr的背景含量与成土母质有密切关系，玄武岩母质发育的土壤Cr含量可达167.3 mg/kg[2]。Boruvka等[18]的研究认为，土壤中Cr主要为地质来源。海南省的地带性土壤为砖红壤，位于北部地区的红明、东昌、南海、东路、南阳基地主要是由玄武岩母质发育的砖红壤，呈暗红色，土层深厚，质地粘重。王景华[19]和郭宇[20]的研究结果显示，海南省玄武岩母质发育的砖红壤中Cr超标。王景华[19]和廖香俊[21]等认为，海南省玄武岩母质发育的砖红壤中Cr相对其他母质类型土壤属高背景含量。因此，推测海南省北部地区红明、东昌、南海、东路、南阳基地土壤中Cr的高含量主要是玄武岩母质发育的土壤中元素高背景值所致。

3.2 结论

（1）海南农垦农业标准化产业基地局部土壤受到重金属铬污染，空间分布不均匀，局部污染较重，位于海南省北部地区的红明、东昌、南海、东路、南阳基地存在明显的Cr污染累积。

（2）单因子及内梅罗污染指数法表明海南农垦农业标准化产业基地土壤总体上存在轻度污染，主要来自于红明、东昌、南海、东路、南阳基地Cr的轻度污染；潜在生态危害指数法表明海南农垦农业标准产业基地整体上表现为中等生态危害状态，潜在生态危害主要来自于Hg和As。因此，应采取适当措施加强该地区土壤重金属污染治理和生态风险防范。

（3）对比内梅罗污染指数法和潜在生态危害指数法评价结果存在较大差异，主要原因在于两种评价方法侧重点的不同。因此，应采用内梅罗污染指数法和潜在生态危害指数法相结合的方法进行评价，才能更全面地反映土壤重金属的污染状况。

（4）海南省北部地区红明、东昌、南海、东路、南阳基地主要是由玄武岩母质发育的砖红壤，推测土壤中Cr的高含量主要是土壤中元素高背景值所致。

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