宁波市稻田土壤重金属污染状况及潜在生态风险分析*

吴丹亚，庞欣欣，王明湖，席杰君，楼 飞

（宁波市农业监测中心，浙江宁波 315000）

宁波市稻田土壤重金属污染状况及潜在生态风险分析*

吴丹亚，庞欣欣，王明湖，席杰君，楼 飞

（宁波市农业监测中心，浙江宁波 315000）

文章以宁波市稻田土壤为研究对象，分析测定Hg、As、Pb、Cd、Cr含量，并依据国家土壤环境质量标准与宁波市土壤背景值对土壤重金属污染状况及生态风险进行评价。结果表明，宁波市区域内稻田土壤存在不同程度的重金属累积，累积程度依次为Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg。以GB15618-1995为标准（二级标准），对土壤环境进行现状评价后发现，Pb与As没有超过国家二级标准，但Hg、Cd与Cr均有一定比例的样点超过标准，超标率分别为14.3%、4.46%与1.49%，样品总体超标率为17.8%。Hacanson潜在生态风险评价表明，80.7%的样点无生态危害，18.3%样点属于一般生态危害，1.0%属于强生态危害；Hg、Cd存在潜在生态风险，而As、Pb、Cr没有潜在生态危害。研究区域内稻田土壤质量总体良好，Hg的高背景值是造成土壤超标的首要原因；鉴于大部分土壤为酸性或微酸性，还是应该关注个别区域的潜在生态风险问题。

稻田土壤 重金属污染 潜在生态风险

土壤是农业生产的基础，土壤质量直接关系农产品质量安全。但近年来，随着工农业生产的迅速发展和城市化进程的加快，耕地土壤污染，特别是重金属污染日益严重。国内不少学者对耕地土壤重金属污染及风险评价进行了研究，结果表明我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2.0×107hm2，约占总耕地面积的1/5[1]。环境保护部与国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》也表明耕地土壤环境质量堪忧，约有19.4%土壤点位超标，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃[2]。宁波市地处长三角地区，经济发达，土壤重金属污染问题也不容忽视。 有研究表明，宁波市郊蔬菜生产基地土壤重金属汞、镉、铜等综合污染指数受污染比例高达70.7%，其中重度污染的占15.4%[3]，Cd污染比较突出[4]；慈溪市部分水稻田出现Hg、Cd污染[5]。重金属不易被微生物分解，且容易通过食物链在生物体内富集和积累。当土壤中的重金属累积到一定程度后，就会对土壤－植物系统产生危害，并可能通过接触、食物链等途径直接或间接危害人类健康和生态安全。相比较其他土地利用方式，稻田的重金属污染更容易引起健康风险。文章通过对宁波市水稻主产区土壤的采样调查，系统、全面地分析稻田土壤重金属分布特征，并依据相关标准和模型，对其环境质量和潜在生态风险进行评价，为农产品安全生产及重金属污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与分析

按照《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T395-2012）的相关要求，采用梅花点法采集0～20 cm的表层土壤202个，采样点覆盖区域内主要的粮食功能区及水稻主产区。样品经自然风干后，挑去石块、作物根茎，用圆木棍碾碎，分别过10目、100目筛，备用。

土壤中Hg与As采用王水消解，以原子荧光分光光度法测定；Pb、Cd与Cr采用HNO3-H2SO4-HFHCl湿法消解，以原子吸收分光光度法测定。分析过程中加入标准样品进行质量控制，并保证样品平行比例在10%以上。pH用蒸馏水按水土比2.5∶1的比例浸提，用pH计测定。

1.2 评价方法

1.2.1 土壤累积性污染评价

累积性污染评价用宁波市土壤背景值中的平均值（表1）作为评价指标，以反映土壤重金属累积性污染程度。比较单一重金属污染程度用单项指数法，比较多种重金属综合污染程度用综合指数法。

表1 宁波土壤环境背景值[6]mg/kg

表2 土壤重金属累积性污染单项污染指数等级划分标准[7]

表3 土壤重金属累积性污染综合污染指数等级划分标准[7]

表4 国家土壤环境质量标准值 mg/kg

单项污染指数法，计算公式为：Pi=Ci/Si，式中：Pi 为环境中污染物i的单项污染指数；Ci为环境中污染物i的实测值；Si为污染物i的评价标准。

综 合 指 数 法， 计 算 公 式 为：P综=[（Pave2+Pmax2）/2]1/2；式中：P综为综合污染指数；Pave为土壤各污染物单项污染指数的平均值；Pmax为污染物中单项污染指数的最大值。

式（2）中ESIab表示出口产品相似度指数；a、b、k分别为a国、b国和k市场表示两国（地区）出口到k市场的第i种商品额；示两国（地区）出口到k市场的商品总额；ESIab的取值范围[0，100]，数值越大，表明两国（地区）出口到k市场的商品，相似度越高，商品竞争力就越强；反之则互补性越强。

单项污染指数等级划分按表2规定进行，综合污染指数等级划分按表3规定进行。

1.2.2 土壤质量现状评价

土壤质量现状评价以国家土壤环境质量标准（GB15618-1995，表4）中的二级标准作为评价标准，用单项污染指数Pi来衡量土壤是否受污染。计算方法与污染等级划分标准同累积性评价。

1.2.3 潜在生态风险评价

采用Hakanson潜在生态风险指数法来衡量土壤重金属对环境存在的生态风险。该方法不仅考虑了土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系起来，综合考虑了重金属的毒性在土壤中普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标[8～11]。计算公式为：Cif=Cis/Cin；Eir=Tir*Cif；RI=∑Eir；其中：Cif为重金属的单项污染指数，Cis为重金属i的实测含量，Cin为参比标准（文章采用区域背景值）；Eir为土壤中i元素的潜在生态危害系数，Tir为i元素的毒性系数，反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度。目前采用的Cr、As、Pb、Cd与Hg的毒性系数分别为2、10、5、30与40。RI为多种重金属的综合生态危害指数。土壤潜在生态风险的分级标准见表5。

表5 土壤潜在生态风险分级

表6 研究区域重金属含量的描述性统计 mg/kg

2 结果与讨论

2.1 稻田土壤重金属含量的描述性统计

宁波市稻田土壤重金属含量如表6所示。对照表1，Pb、Cd与Cr在宁波市稻田中均有不同程度的累积，其中Pb的累积最为严重。与80年代末背景值相比，Pb、Cd与Cr的算术平均值分别增加了47.7%、28.5%与13.3%；从最大值来看，Pb、Cd与Cr含量分别增加15.6%、75.6%与67.5%；超过90%的样点Pb含量均高于相应的背景值，说明Pb在稻田土壤中累积比较严重；超过一半样点的Cd含量超过背景值，接近一半样点的Cr含量超过背景值，说明Cd与Cr的累积也不可忽视。王斌[12]研究表明，宁波市鄞州区土壤Pb与Cd的算术平均值较背景值分别增加了55.2%与32.5%，与该研究基本一致。

宁波市稻田土壤中As、Hg的算术平均值分别为5.83 mg/kg与0.209 mg/kg，分别为背景值的0.80倍与0.81倍，低于背景值。这可能与背景值的布点位置有关。第二次土壤普查中，宁波市土壤环境背景值调查研究只对镇海、北仑、江北、江东、海曙5个区进行布点[13]，并没有在全大市铺开。镇海、北仑、江北、江东、海曙5个区Hg、As含量可能较其他地区要高，从而整体上拉高了宁波市的背景值。该研究中镇海、北仑、江北3地的Hg、As均值分别为0.278 mg/kg与6.47 mg/kg，明显高于全市的平均值0.209 mg/kg与5.83 mg/ kg。但从顺序统计量来看，约25%的样点含量高于相应的背景值，说明Hg在局部区域还是得到了一定的累积。

稻田中5种重金属含量的频度分布柱状图与正态分布密度曲线如图1。从频度图上看，Hg、As、Pb、Cd与Cr含量的众数区分别集中于0.02～0.11 mg/kg、4～4.8 mg/kg、35～40.5 mg/kg、0.12～0.17 mg/kg与39～59 mg/kg，Hg、Cd与Cr的含量明显表现为中低含量段频度高，高浓度区频度低的特点；从正态分布密度曲线上看，Pb、As的土壤样品含量比较符合正态分布，而Hg、Cd与Cr的含量分布属于偏态的正态分布。

2.2 宁波市水稻田重金属污染的风险评价

2.2.1 累积性污染评价

选择宁波市土壤背景值来定量评价区域内稻田土壤的重金属累积程度。表7表明，在所调查的202个样品中，49个样品Hg、66个As、183个Pb、127个Cd与99个Cr超过背景值，比例分别为24.3%、32.7%、90.6%、62.9%与49%，从单项污染指数的评价结果上看，宁波市稻田土壤中主要重金属的累积程度依次为Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg，其中Pb、Cd与Cr的累积比较严重；从污染（累积）程度上来看，18.3%Hg、32.7%As、82.7%Pb、52.5%Cd与 44.5%Cr属于轻污染（轻度）累积，只有2.5%Hg、1.5%Pb、2.5%Cd与2.0%Cr属于重度累积，宁波市稻田土壤主要重金属的累积属于轻度累积。

图1 土壤不同含量重金属出现的频率

表7 土壤累积性污染单项污染指数评价结果

表8 土壤累积性污染综合污染指数评价结果

综合污染指数（表8）的评价结果表明，宁波市稻田土壤综合污染指数分布范围为0.75～4.66，所有样点都受到不同程度的综合污染，其中55.9%样点属于轻污染、32.7%样点属于中污染、11.4%样点属于重污染，区域内土壤普遍存在重金属累积问题。

2.2.2 土壤环境现状评价

以《土壤环境质量标准》中的二级标准作为评价标准，采用单项指数进行评价，结果显示：As、Hg、Pb、Cd与Cr的单项污染指数分布范围分别为0.030～0.54、0.046～4.4、0.054～0.37、0.076～2.5、0.077～1.23，均值分别为0.21、0.67、0.16、0.50、0.27，变异系数分别为40.7%、62.3%、24.1%、39.7%、39.2%，其中29个样品Hg超标、9个样品Cd超标、3个样品Cr超标，Hg、Cd与Cr的超标率分别为14.3%、4.46%与1.49%；同时有4个样点Hg与Cd同时超标，1个样点Cd与Cr同时超标，样品总的超标率为17.8%。

在超标样品中，Hg的超标比例高达80.5%，是造成土壤总体超标的首要原因。宁波市土壤重金属Hg的背景值是全国平均值的3.92倍，明显高于全国背景值，且该研究中Hg14.3%的超标率与宁波市背景值调查中10%的样点Hg含量超过0.419 mg/kg相一致；Hg的高背景值可能是造成宁波市土壤Hg高超标率的主要原因。

表9 稻田土壤重金属污染潜在生态危害评价结果

2.2.3 稻田土壤潜在生态风险分析

应用Hacanson潜在生态风险指数法进行评价，结果显示（表9）：As、Pb、Cr的单因子潜在生态危害系数Eir均低于40，属于无生态危害等级；但Hg与Cd的潜在生态危害风险比较复杂，其中74.8%的Hg、61.4%的Cd属于无生态危害等级，19.3%的Hg、34.6%的Cd属于一般生态危害等级，4.9%的Hg、3.5%的Cd属于中等生态危害等级，1.0%的Hg、0.5%的Cd属于强生态危害等级；RI均值为89.0，表明土壤总体无潜在生态危害风险，但RI跨度较大，其中80.7%的样点无生态危害，18.3%样点属于一般生态危害，1.0%属于强生态危害。

有研究表明水稻是对镉吸收能力最强的大宗作物[14]，而且吸收能力受土壤pH的影响很大，酸性条件下，稻米Cd的含量相对就较高[15]。而该研究土壤中83.7%土壤为酸性或微酸性，土壤酸化现象比较普遍，个别区域内Cd的潜在生态风险不容忽视。

3 结论

宁波市稻田土壤环境质量总体较好，但与宁波市土壤背景值相比，Pb、Cd与Cr的平均含量分别增加了47.7%、28.5%与13.3%。研究区域内土壤普遍存在重金属累积问题，应引起充分重视。

土壤现状评价结果表明，宁波市稻田土壤超标的重金属元素有Hg、Cd与Cr，超标率分别为14.3%、4.46%与1.49%；样品总的超标率为17.8%。Hg是最主要的超标元素，这可能跟当地Hg的背景值有关。

Hacanson潜在生态风险评价表明，As、Pb、Cr的单因子潜在生态危害系数属于无生态危害等级；但5.9%土壤样品中Hg呈中等或强生态危害等级，4.0%土壤样品中Cd呈中等或强生态危害等级；土壤多因子潜在生态风险结果显示，80.7%的样点无生态危害，18.3%样点属于一般生态危害，1.0%属于强生态危害。鉴于区域内稻田土壤的酸化现象，还是应该关注局部区域的潜在生态风险问题。

[1] 陈同斌．土壤污染将成为中国的世纪难题．科学文萃，2005，30（9）：30～32

[2] 环境保护部，国土资源部．全国土壤污染状况调查公报

[3] 董爱平，金 彬，王笑，等．宁波市近郊蔬菜产区土壤环境质量研究．商品与质量：学术观察，2012，（5）：341～345

[4] 王立君，许秀琴，朱勇，等．宁波市蔬菜地土壤重金属污染状况的评价．浙江农业科学，2012，（6）：883～884+892

[5] 陆宏，罗湖旭，赵先军，等．慈溪市耕地土壤环境质量现状及其评价．农业环境科学学报，2005，24（S1）：183～186

[6] 国家环境保护局，中国环境监测总站．中国土壤元素背景值．北京：中国环境科学出版社，1990

[7] 刘凤枝，师荣光，徐亚平，等．耕地土壤重金属污染评价技术研究—以土壤中铅和镉污染为例．农业环境科学学报，2006，25（2）：422～426

[8] HAKANSON L．An ecology risk index for aquatic pollution control：A sedimentological approach．Water Research．1980，14（8）：975～1001

[9] 郑洪萍．福建省耕地土壤重金属污染及生态风险评价．福建农业学报，2012，27（8）：888～894

[10] 王岩，王楠，王素华，等．河北曹妃甸农田土壤重金属污染及潜在生态风险评价．中国环境监测，2016，32（4）：58～62

[11] 钟晓兰，周生路，赵其国．长江三角洲地区土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价—以江苏太仓市为例．地理科学，2007，27（3）：395～400

[12] 王斌．宁波市鄞州区农业土壤重金属含量变化及评价．农业环境与发展，2010，27（5）：85～87

[13] 黄忆芝．宁波市土壤环境背景值及其分异特征．环境污染与防治，1991，13（1）：24～27

[14] CHANEY R L，REEVES P G，RYAN J A，et al．An improved unders tanding of soil Cd risk to humans and low cos t methods to phytoextract Cd from contaminated soils to prevent soil Cd risks．Biometals，2004，17：549～553

[15] 龚伟群，潘根兴．中国水稻生产中Cd吸收及其健康风险的有关问题．科技导报，2006，24（5）：43～48

宁波市农科教项目（宁波市水稻田土壤重金属累积与风险分析2012NK41）