定襄县农田土壤重金属污染风险评估

向 云，刘利军，杨雄杰，贾 静，张 敏

（山西省环境科学研究院，山西太原030027）

土壤作为一种自然资源，已经被人们广泛利用，而且在生态环境中也占有非常大的比例，是生态环境的重要组成部分[1]。伴随着农业的不断发展以及城市化进程的不断推进，大量的重金属物质通过各种途径进入到土壤中，由于重金属具有易富集、不可降解等一系列的特性，因此，对土壤会造成非常严重的污染，并且会带来农产品质量下降等问题。针对这些问题，国内外的专家越来越需要获得一些解决方案，从而使这类问题成为土壤学工作者研究的热门话题[2]。现在大多数的土壤重金属污染主要指的是通过人类的一系列涉重活动，使得生产过程中产生的重金属元素渗入到土壤中，从而使原本的重金属含量超过国家标准，进而降低了环境质量的一种现象。

我国土壤重金属污染事件已经引起了广大人民的重视。最近几年的报道显示，我国土壤重金属污染事件在多地都有发生，这对当地的土壤以及农产品的质量造成了非常严重的影响，还对当地人民健康问题构成了威胁，影响了经济社会的正常进步。因此，国家在近些年来特别强调需要建设修复土壤重金属污染的试点工程，扩大对修复的相关知识的传播力度以及相关技术的推广应用，减缓土壤受到重金属影响的速度，对已污染的土壤进行更大规模的修复，保障人民群众的生活环境和粮食安全。导致土壤重金属污染产生的物质基本为Hg、Cd、Pb 等一些剧毒物质，也包括有一定毒性的Zn、Cu、Cr 等常见物质。土壤中的微生物对其并不能进行分解，这些有害物质就会不断积累增多，进而会对土壤理化性质产生影响，甚至可以转化为具有更多毒性的烷基化合物，这些物质在植物体吸收之后，又会通过食物链在人或动物体内累积，从而对动植物以及人类的健康产生危害[3-5]。

目前，国内有关学者在研究土壤重金属污染方面大多都在人类的各种活动所导致的污染及其对环境及人体健康带来的风险等方面，而且绝大多数都是对现存污染源的研究，经常忽略历史上所存在的污染源造成的影响[3]。因此，对于历史污染源所产生的环境风险研究非常有限，仅有在污灌区进行了部分的研究[6]。

本研究以定襄县3 个农村为研究区，分析了土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 等8 种重金属的污染程度，估计出其可以产生的潜在生态风险，为土地整理技术的实施、土地资源的可持续开发利用及土壤重金属污染修复治理工作提供理论依据和参考价值。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

定襄县位于山西省忻州市，三面被山脉包围，区域内有4 条河流经过。全县地形由东向西呈簸箕形。北面通过五台山余脉与原平市、五台县毗邻，东南方向通过系舟山与盂县、阳曲县接壤，西面紧邻忻府区。定襄县东西长48 km，南北宽36 km，总面积865 km2。定襄地处忻定盆地，土地肥沃，气候温和，是忻州市粮食主产区。粮食作物大多数都是以一年一熟的作物为主，目前主要种植的作物有玉米、高粱以及一些油料作物，其中，玉米的种植面积相对于其他作物较大，因此，该地玉米的产出量较大，但由于该地全年的气候较为干旱，因此，会对农作物生长产生影响。总的来说，干旱是制约该地农作物发展的主要因素，同时也会对当地土壤环境产生一些不利的影响。

1.2 样品的采集与分析

按照《农田土壤环境质量监测技术规范》中有关的规定和要求，选择忻州市定襄县为此次的调查研究区，在研究区的3 个自然村北庄村、东街村和凉楼台村进行采样布点，根据各村中农田区域的大小以及各种可能出现的污染情况，在北庄村采取23个点，东街村采取13 个点，凉楼台村采取63 个点，每个点位采取0～20 cm 的土壤，把这些样品中存在的杂质去除之后进行混合，用四分法取1 kg 后装入聚乙烯塑料袋中，注明所采样的信息，贴好标签，送至实验室开展监测。在送至实验室的过程中，尽量保证每个土样不会受到各种污染，减少在运输过程中可能会出现的偏差。确立采样点S1、S2、S3、S4、S5 分别为北庄村大棚、北庄村大田、宏道东街、凉楼台大棚和凉楼台大田进行分析。

将采集回的土壤样品置于宽敞、干净、透气的室内，均匀分摊在大小适中的洁净纸上，避免灰尘落入，经自然风干，并拣出其中的石子和植物根系后，再用玛瑙研钵研细，使全部通过0.125 mm 的土壤筛。

经风干处理后的样品，使用HNO3-HClO4-HF消解，测定土壤中Cr 的含量；用HNO3-H2SO4-HClO4消解，测定土壤中Cu、Zn 的含量；用HNO3-HClO4消解，测定土壤中Pb、Ni、Cd 的含量；用HNO3-H2SO4消解，测定土壤中As 的含量；采用原子荧光光度计测定土壤中的Hg 含量，其余元素采用原子吸收分光光度计进行测定。在前期准备中，尽量减少了各种对试验结果的误差，因此，本试验的数据均无太大误差。

1.3 评定方法

目前，国内外对土壤重金属污染程度的评价方法主要采取单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、几何均值综合评价模式、污染负荷指数法、地累积指数法、沉积物富集系数法、潜在生态危害指数法、模糊数学法、灰色聚类法、基于GIS 的地统计学评价法、环境风险指数法等多种方法[7-10]。在使用多种方法后可以发现，在众多方法之中，单因子指数评价法与内梅罗综合污染指数法由于使用后可以明确的展现所得到的结果，并且结果的准确性也相对较高，从而可以准确地反映出土壤污染程度，因此，通过把这2 种方法结合起来进行分析，可以更好的对区域内土壤重金属污染程度进行评价，从而使所得到的结果更加接近真实结果[11-13]。

1.3.1 单因子指数评价法 单因子评价法是用来评价单个污染因子对土壤的污染程度，污染指数愈小，说明该因子对环境介质污染程度愈轻[14]，其主要是通过分析单个污染因子来研究其对土壤重金属的污染程度，如果得到的结果越小，则表示该污染因子对土壤环境的影响程度越低[15]，这种方法计算简便，可以清晰地看出评价样本与其对应评价标准的比值关系，容易筛选评价区的主要污染因子，判断污染状况。其计算公式如下。

式中，Pi为i 因子的单项污染指数，Ci为i 因子的实测浓度值，Si为i 因子的评价标准值，本研究采用《国家土壤环境质量标准GB 15618—2018》中的二级标准对农田污染土壤进行分类和定级，当Pi≤1.0 时，说明该因子重金属含量小于当地土壤背景值，即该区域土壤没有受到重金属污染；当Pi＞1.0时，说明该因子的含量已超过当地土壤背景值，该区域的土壤重金属含量较高，已经受到了重金属的污染。Pi值越大时，说明该土壤受到重金属污染的程度越高，土壤污染则更加严重。

1.3.2 综合污染指数法 综合污染指数法即内梅罗污染指数法，是将目标单个污染数按一定方法综合起来考虑对环境介质的影响程度，采用兼顾单元因子污染指数平均值和最大值的一种评价方法[16]，其计算公式如下。

式中，Piave为土壤中各污染物的指数平均值；Pimax为土壤中单项污染物的最大污染指数；P综为采样点的综合污染指数。P综分级等级为：P综≤0.7，为Ⅰ级，清洁（安全）；0.7＜P综≤1.0，为Ⅱ级，尚清洁（警戒线）；1.0＜P综≤2.0，为Ⅲ级，轻度污染；2.0＜P综≤3.0，为Ⅳ级，中度污染；P综＞3.0，为Ⅴ级，重污染。该方法可突出反映高浓度污染物对土壤环境质量的影响，综合评价各种污染物对土壤质量的贡献率。

1.3.3 地累积指数法 它是由德国科学家MULLER提出来的，是研究沉积物中的重金属污染程度的定量指标，此方法不仅对土壤环境背景值进行了充分考虑，还研究了各种人类活动下重金属污染对土壤的影响，因此，这种方法从2 个方面反映出污染状况，一方面是自然变化所产生的影响状况，另一方面是人类活动对污染状况的影响[17]。计算公式如下。

式中，Cn是样品中元素n 的实测值（mg/kg）；Bn是沉积物中该元素n 的地球化学背景值（mg/kg），本研究取山西土壤背景值（Zn 69.4 mg/kg，Pb 21.4 mg/kg，Cu 21.4 mg/kg，Cr 62.5 mg/kg，Cd 0.094 mg/kg）；k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值变动而取的系数，一般取值为1.5。地累积指数划分等级为：Igeo≤0，为1 级，无污染；0＜Igeo≤1，为2 级，无污染-中污染；1＜Igeo≤2，为3 级，中污染；2＜Igeo≤3，为4 级，中污染- 重污染；3＜Igeo≤4，为5 级，重污染；4＜Igeo≤5，为6 级，重污染- 极重污染；Igeo＞5，为7 级，极重污染。

1.3.4 潜在生态危害指数法 土壤中重金属污染直接或者间接的对陆地生态系统生物具有潜在危害，潜在生态危害指数（RI）评价方法是1990 年瑞典科学家HÅKANSON 建立的一套应用沉积学原理评价重金属污染程度及生态及其潜在生态危害评价的方法，该法从重金属生物毒性角度出发，反映了多种污染物的综合影响[18]，其计算公式如下。

式中，RI 为多种重金属综合潜在生态危害指数；Eir为单个重金属的潜在生态危害指数；Csi为表层土壤重金属元素i 分析测量值；Cni为i 元素参比值，本研究以山西重金属含量为背景值（Zn 69.4 mg/kg，Pb 21.4 mg/kg，Cu 21.4 mg/kg，Cr 62.5 mg/kg，Cd 0.094 mg/kg）；Tir为重金属元素毒性系数，Zn、Pb、Cu、Cr 和Cd 的 值分别为1，5，5，2，30[15]。重金属污染的生态危害指数分级标准如表1 所示。

表1 Eir 和RI 分级标准

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量测定结果分析

由表2 可知，Hg 的变异系数最大，达到了33%，Zn 的变异系数最小，为3%。变异系数反映了一个数据集的离散程度，其值越大说明数据的离散程度越高，其数值越小说明数据的离散程度越小。因此，Hg 的离散程度相对于其他元素要高，Zn 的离散程度相对较小。

表2 定襄县各农村采样点农田土壤重金属含量统计值比较 mg/kg

从8 种元素的平均值来看，Cd 含量的平均值与背景值相差最小，平均值是背景值的0.63 倍，Hg含量的平均值与背景值相差最大，平均值是背景值的1.76 倍。总体上来看，Zn 和Hg 在土壤中的累积程度相对于其他元素要高。从表2 可以看出，8 种重金属含量均未超过国家土壤环境质量标准。

2.2 单因子评价结果分析

从表3 可以看出，各点Cd 的Pi值均小于1.0，表明土壤未受到人类农业生产的污染；各点Cu 的Pi值均大于1.0，且在S4 样点最高，说明在凉楼台大棚处，土壤受到农业生产Cu 污染的影响较大；各点Zn 的Pi值均大于1.0，且在S1 点最高，说明在北庄村大棚处土壤受到农业生产Zn 污染的影响较大；除了S1 点以外，各点Pb 的Pi值均大于1.0，且在S5 点最高，说明在凉楼台大田处，土壤受到农业生产Pb 污染的影响较大；S2 和S4 点Cr 的Pi值大于1.0，且在S4 点最高，说明在凉楼台大棚处，土壤受到农业生产Cr 污染的影响较大；S2 和S4 点Ni的Pi值均大于1.0，且在S4 点最高，说明在凉楼台大棚处，土壤受到农业生产Ni 污染的影响较大；S3点As 的Pi值大于1.0，说明在宏道东街处，土壤受到农业生产As 污染的影响较大；各点Hg 的Pi值均大于1.0，且在S2 点最高，说明在北庄村大田处，土壤受到农业生产Hg 污染的影响较大。虽然都有受到不同重金属的影响，但土壤中的重金属含量均未超过国家标准。

表3 定襄县各农村采样点农田土壤重金属单因子污染指数比较

2.3 综合污染指数评价结果分析

从图1 可以看出，采样点的综合污染指数介于1.0～2.0，污染等级为III 级，属于轻度污染。经调查研究发现，该地区污染点位较高的地区大多集中于道路两侧的农用地以及一些通过污水灌溉的地区，初步判定可能是由于以上2 种情况导致的农用地土壤污染，因此，要加强该区域的监测力度，来控制污染。

2.4 地累积指数法评价结果分析

由表4 可知，除了Zn 和Hg 之外，其余土壤重金属元素的地累积指数都小于0，为1 级，无污染；各个采样点Zn 的地累积指数介于-1～1，污染等级介于1～2 级，污染程度属于无污染和无污染-中污染之间；Hg 在各个采样点的地累积指数介于0～2，污染等级为介于2～3 级，污染程度属于无污染- 中污染和中污染之间。总体来看，各种重金属的污染顺序为Hg＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Cd。

表4 定襄县各农村采样点农田土壤重金属地累积指数比较

2.5 潜在生态风险评价

由表5 可知，除了Hg 以外，其他重金属在各个采样点单个潜在生态危害指数值均小于40，风险等级处于I 级水平，污染程度为轻微生态污染；Hg在S1、S4 和S5 采样点的单个潜在生态风险指数值介于40～80，其风险等级均为II 级，污染程度为中等生态危害，在S2 和S3 点单个潜在生态危害指数值介于80～160，其风险等级均为III 级，污染程度为强生态危害。在整个采样处8 种重金属的单个潜在生态危害程度为：Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。从表5 可以看出，8 种重金属的综合潜在生态危害指数分布情况为：除了S3 采样点以外，其余点的综合潜在生态危害指数值均小于150，其生态风险等级为I 级，污染程度为轻微生态危害；S3 的综合潜在生态危害指数值介于150～300，其生态风险等级为II 级，污染程度为中等生态危害。

表5 定襄县各农村采样点农田土壤重金属潜在生态风险比较

总的来说，定襄县农田土壤各采样点处几种重金属中Hg 的潜在生态风险最高，最大潜在生态风险出现在S2，也就是北庄村大田处。综合潜在生态风险最高处为S3，也就是宏道东街，可能该地区农田出现过污水灌溉的现象，使得土壤重金属出现累积的现象。

3 结论

本研究结果表明，定襄县农田土壤各重金属含量虽然未超过国家标准，但除了Cd 之外，其余重金属的含量总体上都超过了土壤的背景值，说明这些重金属在采样点各处的累积状况较为严重，虽未超标，但也需要引起重视。

从单因子污染指数评价结果可以看出，Cd 在各采样点均未构成污染，其余重金属在不同的采样点，影响的程度也不同，北庄村大棚处受到Zn 的污染较为严重，北庄村大田处受到Hg 的污染较为严重，宏道东街处受到As 的污染较为严重，凉楼台大棚处受到Cu、Cr 和Ni 的污染较为严重，凉楼台大田处受到Pb 的污染较为严重。从内梅罗综合污染指数评价的结果可以看出，各采样点均属于轻度污染，在北庄村大田和宏道东街处的污染状况相对于其他采样点要较为严重。各重金属的地累积指数的污染顺序为Hg＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Cd。从潜在生态风险评价的结果可以看出，Hg 的生态风险最大，在北庄村大田处和宏道东街处达到了强生态危害。各重金属的单个潜在生态危害程度为：Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。从综合潜在生态危害评价结果中可以看出，在宏道东街处，综合为中等生态危害，其余点为轻微生态危害。

从研究结果可以看出，Hg 的大量富集可能与当地的污水排灌等方式有关，因此，在治理污染土壤时，应充分进行土壤环境的综合评价，因地制宜地进行土壤污染修复工作，防止污染物的再度转移，而造成污染的源头也需要有关部门的高度关注，从源头解决污染问题。由于重金属具有持久性和滞后性等特征，因此，在以后的研究中需要加强对重金属污染场地的风险评价研究，从而对改善土壤环境、促进农业的不断发展提供强有力的支撑[19-21]。