黔东南州黎平县耕地土壤重金属生态风险的评价

陈晓燕，刘桂华，范成五，瞿 飞，秦 松*

(1.贵州大学，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科学院 土壤肥料(农业资源与环境)研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006)

【研究意义】土壤是农业生产的基地，更是人类赖以生存的基本环境条件。而耕地是最宝贵的农业资源和最重要的生产要素，耕地质量关乎国家粮食安全、农产品质量安全和农业生态安全[1]。【前人研究进展】目前，我国土壤污染问题日趋严重，据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地土壤点位超标率为19.4 %，有近1/5的耕地主要受重金属污染，镉的点位超标率为7.0 %[2]。耕地土壤重金属污染影响农产品质量和食品安全，进而威胁人体健康。因此，耕地土壤污染状况调查对实现农业安全生产具有重要意义。【本研究切入点】黔东南苗族侗族自治州位于贵州省东南部，全州国土面积30 337 km2，占贵州省国土面积的17.3 %。2016年全州主要农作物播种面积占全省农作物播种面积的11 %，粮食产量占全省的10 %，是贵州主要粮食、果树、蔬菜以及中药材主产区之一，是贵州供应香港和珠三角地区的重要蔬菜生产基地。黎平县耕地面积434 km2，占全州耕地面积的10 %。主要作物类型有水稻、玉米、油茶、茶叶、中药材等。宋春然等[3]于2005年对贵州省农田土壤重金属污染进行了初步评价，但至今尚未见针对以砂页岩等发育为主的黔东南州耕地土壤重金属污染状况调查与评价报道。【拟解决的关键问题】为此，对黔东南州黎平县耕地土壤5种重金属污染进行较全面的调查，并对耕地土壤重金属的污染特征和潜在生态风险等级进行评价，以期为黎平县农作物的安全生产和耕地土壤重金属污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黎平县位于东经108°31′～109°31′，北纬25°41′～26°08′，地处黔、湘、桂三省(区)交界及云贵高原向江南丘陵过渡地区，是黔东南苗族侗族自治州面积最大、人口最多的县，是中国28个重点林区县和国家商品粮基地县。土壤类型主要包括黄壤、红壤、潮土、石灰土和水稻土，主要成土母岩(质)包括砂页岩、石灰岩、洪积物和冲积物，其中砂页岩面积最大。县境内有水泥生产，电子、家电和照明电器生产，锰矿及硅矿开采活动等。

1.2 材料

1.2.1 土壤样品 土壤样品共计294个，随机采集于黎平县全境表层(0～20 cm)耕地土壤的294个采样点(图1)，各采样点均经GPS准确定位，多点混合后四分法保留1 kg样品，风干后除去石块、凋落物和植物根系等杂物，研磨，过100目筛装瓶备用。

1.2.2 仪器 AFS-9230原子荧光光度计，北京吉天仪器有限公司；ICP-MS7000DV电感耦合等离子体发射光谱仪，美国EP公司。

图1 采样点位分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites

1.3 样品测定

采用国家一级标准物质GBW07418～GBW07422(土壤)进行质量控制，各测试项目相对标准偏差(RSD)小于10 %。pH测定采用电位测定法(水土比为2.5∶1)；砷(As)和汞(Hg)全量，采用王水浸提，AFS-9230原子荧光光谱法测定；镉(Cd)、铬(Cr)和铅(Pb)全量，采用氢氟酸、高氯酸、硝酸和王水浸提，ICP-MS7000DV电感耦合等离子体发射光谱仪测定。

1.3 评价方法

1.3.1 重金属的污染程度 不同样点土壤重金属的污染程度采用单因子指数法[4]进行评价，根据《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中的二级标准作为耕地土壤质量参比值，并依据各样点pH选择不同的二级评价标准；在单因子指数法评价结果的基础上，采用内梅罗综合污染指数法[5]进行复合污染程度评价，可将土壤重金属污染划分为5个等级。

1.3.2 土壤潜在生态风险 采用Hakanson潜在生态风险指数法进行，As、Pb、Cd、Cr和Hg毒性响应系数采用Hakanson[6]提出的参考值。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 18.0进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH及重金属含量

2.1.1 县域土壤 从表1可知，在294个样品土壤中，pH为3.99～7.80，平均5.28；Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量分别为29.60～205.83、8.71～85.13、0.03～1.24、1.45～38.90和0.04～0.60 mg/kg，平均分别为68.39、23.55、0.22、6.16和0.15 mg/kg。5种重金属平均变异程度为As>Cd>Hg>Cr>Pb，Pb和Cr的变异系数分别为0.32和0.41，Hg的变异系数为0.5，As和Cd的变异系数均大于0.5，表明Cr、Pb、Cd、As和Hg 5种重金属元素均为强变异。结合相关文献[8]的结果初步认为，黎平县耕地土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg受外界干扰较显著，可能是化肥农药施用、交通和工矿业等人为活动导致空间变异较大，5种重金属元素在耕地土壤中的偏度和峰度值均较大，呈正偏向和高峰度。

表1 黎平县土壤pH及重金属的含量Table 1 Soil pH value and heavy metal concentrations in Liping county (mg/kg)

注：n=294(下同)，背景值为贵州省背景值。
Note:n=294(the same below), the background value is the background value of Guizhou province.

2.1.2 不同母质(岩)发育土壤 从表2看出，不同母质(岩)发育土壤5种重金属含量的差异。Cr含量：石灰岩发育土壤最高，为97.07 mg/kg；洪积物发育土壤其次，为72.59 mg/kg；冲积物发育土壤最低，为63.49 mg/kg。Pb含量：砂页岩发育土壤最高，为23.81 mg/kg；洪积物发育土壤其次，为23.29 mg/kg；石灰岩发育土壤最低，为21.64 mg/kg；不同母质(岩)发育土壤铅含量的差异不大，说明并未受外来污染源的影响。Cd含量：石灰岩发育土壤最高，为0.37 mg/kg；冲积物发育土壤其次，为0.27 mg/kg；砂页岩发育土壤最低，为0.20 mg/kg。As含量：石灰岩发育土壤最高，为8.50 mg/kg；砂页岩发育土壤其次，为6.91 mg/kg；洪积物发育土壤最低，为4.53 mg/kg。Hg含量：石灰岩发育土壤最高，为0.23 mg/kg；洪积物发育土壤其次，为0.18 mg/kg；冲积物发育土壤最低，为0.14 mg/kg。

表2 黎平县不同母质(岩)发育土壤的重金属含量Table 2 Concentrations of heavy metals in soils with different parent materials (rocks) in Liping county (mg/kg)

注：冲积物的样点数为64个，洪积物的样点数为34个，砂页岩的样点数为190个，石灰岩的样点数为6个。
Note: The number of samples for alluvium, floodwater, sandstone and shale, limestone is 64, 34, 190 and 6 respectively.

表3 黎平县土壤重金属元素单因子污染指数评价Table 3 Evaluation of single factor pollution index for heavy metals in soil in Liping county

表4 黎平县土壤重金属单因子潜在生态风险评价Table 4 Evaluation of potential ecological risk of heavy metals in soil of Liping county

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数法 从表3可知，黎平县土壤重金属元素Cr、Pb、Cd、As和Hg的平均单因子污染指数分别为0.31、0.09、0.74、0.19和0.47，其中只有Cd超标，超标率为3.4 %，其轻微污染、轻度污染和中度污染点位分别占9.5 %、1.7 %和1.7 %，是黎平县耕地土壤的主要污染元素；Cr、As和Hg属于轻微污染的点位分别占0.7 %、1.0 %和4.1 %；Pb为无污染。

2.2.2 内梅罗污染指数法 Cr、Pb、Cd、As和Hg 5种重金属元素在294个采样点土壤内梅罗综合污染指数评价值为0.21～3.33，平均0.68。其中，轻度污染、中度污染和重度污染采样点分别占总采样点的9.5 %、1.4 %和0.3 %，这类污染程度的采样点集中分布于高屯街道、中潮镇、永从镇、德凤街道和双江镇等。这些乡镇人口密集，并且分布工业园区及养殖业合作社，其采样点土壤重金属污染程度与其产业布局较为一致。根据黎平县相关资料显示，高屯工业园区与中潮工业园区分布有木材精深加工、建材产业、农产品和食品加工、服装及塑料制品加工、通用设备制造、电子、家电和照明电器生产等产业，德凤街道分布有水泥厂、锰矿生产企业和养殖业，双江镇分布有养殖业。由于畜禽粪便含有多种重金属，其排泄物通过资源化利用，经堆肥沤制作有机肥还田[9]。因此，推测黎平县在茶叶和油茶生产过程中施用了含重金属的畜禽粪便的有机肥，与内梅罗污染指数评价结果显示的土壤重金属污染程度有一定的关联。水泥、锰矿开采[10]、通用设备制造、电子、家电、照明电器生产等行业排放的废水及废渣中含有Cd、Cr、Pb、Hg和As等重金属[11]，推测以上行业生产过程排放的废水及废渣可能是导致耕地土壤污染的潜在源头之一[12]。因此，黎平县应合理施用化肥农药，加大畜禽养殖、制造业和工矿业的监管及其污染排放的控制力度，以改善耕地土壤的污染现状。

2.3 土壤重金属潜在生态风险评价

2.3.1 单因子潜在生态风险 从表4可知，，Cr、Pb、Cd、As和Hg 5种重金属元素在294个采样点中单因子潜在生态风险指数的平均值分别为0.62、0.46、22.31、1.95和18.81，表明黎平县耕地土壤均不存在潜在生态风险。在不同采样点中，Cr、Pb和As的潜在生态风险程度为“低”的样点占100 %，不存在“中”“较重”“重”和“严重”的潜在生态风险。Hg的潜在生态风险程度为“低”的样点占95.9 %，为“中”的占4.1 %，不存在“较重”“重”和“严重”的潜在生态风险，中度生态风险采样点位于高屯街道、中潮镇、德顺乡、永从乡、洪州镇和德化乡，高屯工业园区有照明电器生产产业，灯具生产过程中产生的废弃灯管、废水和废气中均含有Hg，导致其耕地土壤Hg存在中度潜在生态风险。Cd潜在生态风险指数的差异幅度较大，为3.41～123.60，其潜在生态风险指数属于“低”“中”和“较重”程度分别占91.5 %、6.8 %和1.7 %，不存在 “重”和“严重”潜在生态风险，较重生态风险程度的采样点集中于高屯街道，其分布有通用设备制造、电子、家电和照明电器生产等产业。

2.3.2 综合潜在生态风险 Cr、Pb、Cd、As和Hg 5种重金属元素在294个采样点的综合潜在生态风险指数为12.32～212.36，平均44.15，属于“低”和“中”潜在生态风险程度分别占99.7 %和0.3 %，中度潜在生态风险采样点位于高屯街道。从综合潜在生态风险指数平均值看，黎平县耕地土壤重金属不存在潜在生态风险，但部分乡镇的某些重金属元素存在中度甚至较重潜在生态风险，高屯街道的Cd和Hg污染仍需治理。

3 讨 论

内梅罗综合污染指数法和综合潜在生态风险指数法能有效评价土壤重金属污染程度。杜启露等[13]采用综合污染指数法和潜在生态风险指数法评价贵州省修文县猕猴桃基地的重金属污染程度及其潜在生态风险结果表明，存在轻微生态污染。柴冠群等[14]采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法研究贵州省火龙果5个主产区土壤典型重金属的含量特征，并对各产区土壤重金属污染状况进行评价，部分样点的土壤重金属含量超标，但火龙果果实重金属含量极低。喻子恒等[15]采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法分析贵州省黔东南州丹寨金汞矿周边稻田土壤的典型重金属含量，汞矿区周围92.86 %的稻田土壤遭到重金属重度污染。

土壤中重金属的来源可分为成土母质影响下的自然来源以及受母质和外界活动共同控制的混合来源[16]。黎平县不同母质(岩)发育的耕地土壤重金属含量存在差异，依次为As>Cd>Hg>Cr>Pb；研究区域内，石灰岩发育土壤的Cr、Cd、As和Hg含量最高，石灰岩样点区域均集中在高屯街道，高屯街道可能是受母质和外界活动共同控制的污染；Cd、Cr、Hg和As的含量差异主要是成土母质(岩)的差异性所致，推测外界活动也是原因之一；Pb的含量并无差异。原志敏[17]研究表明，以碳酸盐岩发育的毕节市农田土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量分别为132.88、126.89、3.08、16.17和0.15 mg/kg，除As外，其余重金属含量均超过贵州省背景值。何腾兵等[18]研究贵州喀斯特山区9种母质(岩)发育的5种重金属含量表明，石灰岩发育的土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量较高，砂页岩发育的土壤5种重金属含量均为最低。朱健等[19]抽样测定贵州省黔东南州6个地区的土壤重金属含量，不同地区的重金属含量差异较小，并无超过标准值的土壤样品。可见，以砂页岩等发育为主的黔东南州耕地土壤重金属含量较低，风险水平低，可为发展现代山地特色高效农业提供优质的耕地资源，杨春等[20-21]研究结果表明，黔东南是中药材种植的理想地。

4 结 论

黎平县耕地土壤Cr、Pb、Cd和As平均含量低于贵州省背景值，Hg的平均含量高于贵州省背景值，其含量平均值为贵州省背景值的1.36倍。单因子污染指数评价方法表明，黎平县耕地土壤只有Cd超标，超标率为3.4 %，是黎平县耕地土壤的主要污染元素，Hg、Cr和As存在轻微污染，Pb无污染。内梅罗综合污染指数平均值表明，研究区整体无污染，轻度污染以上所占比例为11.2 %，污染主要集中于高屯街道和中潮镇。潜在生态风险指数评价结果与污染指数评价结果相近，整体无污染，局部点位存在轻微污染。可见，在重金属风险指数较低、耕地重金属环境质量良好的黔东南州，对于有水泥、电子、家电和照明电器生产等污染企业，以及锰矿及硅矿开采活动分布区域的耕地，特别是集中分布区域的耕地，仍然存在重金属污染的风险。两种评价方法的结果大体一致，但潜在生态风险评价法并未计算出Cr和As污染的情况，导致这一差异是因为元素毒性系数相差较大，如Cd和Hg由于具有较高的毒性系数对人体的健康影响大，而Cr和As毒性系数较小。