农田土壤重金属污染的安全性以及重金属在剖面中的有效性

摘 要：以闽西某银多金属矿区附近农田土壤为研究对象，采集了10个土壤剖面样品，分析了土壤剖面重金属Cu、Cd、Zn、Pb、Ni有效量，并基于此进行了安全性评价，并探讨了重金属在剖面中的有效性。结果表明：调查的10个土壤剖面中，剖面1号（P1）和剖面10号（P10）表层（0～20cm）土壤分别遭受到重金属Cd、Cu的污染，属于限制级，其余8个剖面表层土壤属于警戒级;10个剖面心土层（40～60cm）和底土层（80～100cm）土壤均属于安全级;土壤重金属Cu、Cd、Pb、Zn、Ni有效量随着剖面深度增加呈逐渐减小的趋势;表层土壤重金属的有效度均显著高于心土层和底土层，Cd在剖面不同层次的生物活性十分强，在该区域农田开展安全利用技术选择上，应重点考虑Cd污染土壤对农产品的风险。

关键词：银多金属;剖面;安全利用;有效量;有效性

中图分类号：S-3

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115012

收稿日期：2020-10-16

作者简介：李融（1988-），男，硕士，农艺师。研究方向：农业生态环境保护。

引言

土壤环境质量状况直接关系到农产品质量安全，关系到人民群众的身体健康、生命安全。近年来，随着工业化和城镇化步伐的加快，大量的重金属被输入到土壤环境中积累，并长期危害土壤及农作物，再通过食物链作用进入人体，最终危害人体健康[1]。土壤重金属污染及其对食品安全性造成的影响已成为当前社会关注的热点。2014年4月17日，国家环境保护部和国土资源部联合发放的《全国土壤污染状况调查公报》[2]显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，耕地点位超标率为19.4%，总体形式不容乐观，其中采矿区点位超标率为33.4%，远高于其它典型地块及其周边土壤超标率。矿区作业产生的废水、废渣不规范处理，易使周边土壤重金属不断富集，造成土壤重金属污染[3]。因此，对于矿区的土壤，特别是矿区周边农田土壤重金属污染问题应予以高度关注[4-6]。

近年来，党中央国务院高度重视土壤重金属污染和粮食生产安全工作，2016年5月28日，国务院印发《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”），对我国土壤污染防治工作进行了全面战略部署;2018年国家又出台《土壤污染防治法》，为土壤重金属污染防治各项任务的开展提供法制保障。“土十条”明确提出受污染土壤安全利用和修复治理两项重点任务，总目标就是为了防控土壤中重金属进入食物链，以确保作物安全、粮食安全、健康安全。基于目前技术、装备、资金等因素考虑，在当前我国人多地少这一现状下，对于受污染的农田土壤进行安全利用则是首选方案[7]，而农作物可食用部位的重金属含量达标自然成为了重金属污染农田安全利用技术成败的最终标准[8]。重金属与土壤环境因子存在复杂动态相互作用，只有部分土壤重金属能被作物吸收利用[9]。大量研究表明[10，11]，土壤中重金属有效量越高，农作物可食部分超标风险越高。因此，土壤重金属有效量直接关系到受污染土壤安全利用技术的选择，关系到农作物可食用部位的重金属含量达标。为此，基于土壤重金属有效量的污染程度分级，这项作为开展安全利用的前提性、基础性工作，显得十分重要。本研究以福建省某银多金属矿区附近农田土壤为研究对象，对该区域农田土壤进行安全性评价，并分析了重金属在剖面中的有效性，旨在为矿区土壤重金属污染的修复和安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

该银多金属矿区位于武夷山脉西南端，福建省龙岩市武平县境内，地貌属于高丘、低山区，土壤类型以红壤和水稻土为主。当地矿产资源丰富，品种多，储量大，有石灰石、花岗石以及金、银、铜等。该区地处中南亚热带过度地带，属亚热带海洋性季风气候，阳光充足，雨量充沛，四季分明，年平均气温19℃，年降雨量1900～2020mm。适宜种植多种亚热带作物，矿区周边农田主要为水田，以种植水稻为主。

1.2 采样与分析

调查的农田位于该矿区南侧，呈长条形，地势北高南低。自北向南共布设10个采样点。用荷兰的不锈钢AMS取土钻在每个采样点采集深度为表土（0～20cm）、心土（40～60cm）和底土（80～100cm）土样各1个，共采集30个土样。土样采集后运回实验室，风干后，用木棍研碎，过2mm尼龙筛，装袋备用。

土壤有效Cu、Ni、Zn、Pb、Cd采用二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提法提取。有效态Cd、Pb、Ni采用石墨炉原子吸收法测定，有效态Cu、Zn采用火焰原子吸收法测定。

1.3 分级指标与分级

采用《农产品产地土壤重金属污染分级标准》（DB35/T 859-2016）[12]有效量分级指标（表1），即安全值、限制值和高危值，对调查区域土壤的安全性进行评价和综合分级（表2）。

1.4 土壤重金属有效度

重金属有效度（%）=有效量/全量×100%

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2003、SPSS 19.0软件进行数据处理与分析。

2 结果与讨论

2.1 农田土壤剖面重金属有效量和安全性评价

调查的10个农田土壤剖面重金属有效量如表3所示。从表层（0～20cm）土壤有效量看，有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量分别为3.85～37.38mg·kg-1、0.15～0.33mg·kg-1、6.83～11.86mg·kg-1、6.65～25.60mg·kg-1、0.20～0.46mg·kg-1。根据《农产品产地土壤重金属污染分级标准》（DB35/T 859-2016）有效量分级指标对表层土壤的安全性进行评价：P1土壤中所有重金属有效量均低于高危值，有效Cd含量0.33mg·kg-1，高于限制值，属于限制级。P2、P3、P4、P5、P6、P7土壤中所有重金属有效量均低于高危值，且低于限制值，有效Cd含量分别0.15mg·kg-1、0.15mg·kg-1、0.22mg·kg-1、0.18mg·kg-1、0.15mg·kg-1、0.18mg·kg-1，高于安全值，属于警戒级。P8土壤中所有重金属有效量均低于高危值，且低于限制值，有效Cu含量20.17mg·kg-1，有效Cd含量0.28mg·kg-1，高于安全值，属于警戒级。P9土壤中所有重金属有效量均低于高危值，且低于限制值，有效Cu含量15.72mg·kg-1，有效Cd含量0.18mg·kg-1，高于安全值，属于警戒级。P10土壤中所有重金属有效量均低于高危值，有效Cu含量37.38mg·kg-1，高于限制值，属于限制级。从中层（40～60cm）土壤有效量看，有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量分别为0.36～1.45mg·kg-1、0.02～0.06mg·kg-1、2.39～6.24mg·kg-1、0.04～1.12mg·kg-1、0.06～0.26mg·kg-1，均低于《分级标准》（DB35/T 859-2016）有效量分级指标的安全值，属于安全级。从底层（80～100cm）土壤有效量看，有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量分別为0.29～0.86mg·kg-1、0.01～0.04mg·kg-1、1.17～3.10mg·kg-1、0.02～1.12mg·kg-1、0.04～0.36mg·kg-1，均低于《分级标准》（DB35/T 859-2016）有效量分级指标的安全值，属于安全级。说明调查区域表层土壤主要遭受到重金属Cu、Cd的污染，污染程度以轻度为主，局部较为严重;中层和底层土壤未受到污染，这与重金属全量的调查结果一致。Cu是植物生长的必要元素[13]，且只有P10表层土壤属于限制级，总体对作物风险程度较低。因此，在调查区域在该区域农田土壤开展安全利用时，应重点考虑土壤Cd对农作物安全风险，避免农产品超标，确保农产品质量安全。

2.2 土壤剖面重金属有效量分异

外源重金属进入土壤后，大部分会因沉淀、络合、吸附、固定等反应而呈表层富集现象。由于重金属总量对有效态具有最大的正向影响作用[14]，因此重金属有效量往往也表现表层富集现象。由表4可知，土壤重金属有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni含量随着剖面深度增加呈逐渐减小的趋势。表层（0～20cm）土壤有效量均显著高于心土层（40～60cm）和底土层（80～100cm），而心土层和底土层重金属有效量均无显著差异，说明了表层土壤对有效态重金属富集作用显著。2个层次土壤重金属有效量的比值可以直观地反应出重金属元素在该层次富集的程度。通过计算可知，该地区土壤剖面重金属有效量表层富集程度为Zn（19.71）>Cu（16.28）>Cd（6.25）>Pb（2.39）>Ni（1.84）。由于笔者已分析了该区剖面土壤重金属全量，并得出该区农田存在Cu、Cd等外源污染，基本不存在Zn、Pb、Ni等外源污染的结论[15]，因此可以认为有效Cu、Cd的表层富集主要是外源Cu、Cd全量的影响，而有效态Zn、Pb、Ni的表层富集则是与土壤母质有关[16]。土壤有效量在中层的富集程度为Pb（1.91）>Cu（1.52）>Cd（1.5）>Ni（1.46）>Zn（1.23），由于在中层以下各重金属有效量十分低，且中层与底层差异并不明显，可以认为心土层以下土壤重金属有效量基本处于环境背景值范围。

2.3 土壤剖面重金属有效度分析

重金属有效度是重金属有效量占重金属总量比例，能较总量和有效量更清楚反映环境污染对土壤的影响[17]。由表5可知，表层（0～20cm）土壤各重金属有效度均显著高于心土层（40～60cm）和底土层（80～100cm）。表层土壤Cu、Cd、Pb、Zn、Ni的有效度分别是心土层以下土壤的4.4～6.2倍、1.5～1.6倍、2.1～3.5倍、12.5～16.1倍、1.9～2.7倍。这与矿区废水进入土壤环境后的酸化、淋溶作用，使土壤盐基被大量H+交换，导致铁锰结合态重金属比例增加有关[18]。表层土壤Cd的有效度最高，达60.86%，其次是Cu、Pb、Zn，分别为18.47%、12.99%、12.71%，Ni的有效度最低，只有2.27%。心土层重金属有效度与底土层差异不显著，Cu、Pb、Zn、Ni有效度均处于较低水平，但Cd的有效度较高，达38.99%～40.25%，说明了Cd在剖面的不同层次都具有十分强生物活性，极易被植物吸收，存在较大风险，这与钟晓兰[14]的研究结果相一致。

3 结论

闽西某银多金属矿区周边农田土壤表层遭受到Cd、Cu污染，P1、P10表层（0～20cm）土壤有效Cd、Cu含量超过《分级标准》（DB35/T 859-2016）限制值，属于限制级。心土层（40～60cm）和底土层（80～100cm）土壤属于安全级。

重金属有效量Cu、Cd、Pb、Zn、Ni随着剖面深度增加呈逐渐减小的趋势，表层土壤对重金属有效态富集作用显著，中层以下土壤重金属有效量基本维持在环境背景值水平。

在剖面各层次Cd的有效度都很高，具有十分强的生物活性。建议在对该农田进行安全利用时，优先选择种植对Cd富集能力低的农作物，同时配套水肥调控措施、土壤Cd钝化措施等，降低重金属Cd进入“食物链”的风险。

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（责任编辑 李媛媛）