福建省东部代表性区域农用地镉污染状况调查及风险评价

2021-04-19滕英陈金凤张宇豪张雅嫆唐庆强

福建农业科技 2021年11期

滕英陈金凤张宇豪张雅嫆唐庆强

摘要：研究福建省東部代表性区域内农用地镉（Cd）污染现状和发展趋势并进行风险程度分析，以期为福建省东部地区农用地土壤Cd治理和农产品质量安全提供技术支撑。采集福建省东部农用地（水田329个、蔬菜地78个、果园41个、茶园47个）共495个土壤样品，采用石墨炉原子吸收法测定土壤中的Cd含量，利用内梅罗污染指数法和潜在生态风险指数法等评价方法，对福建省东部代表性区域农用地Cd污染情况进行评价。结果表明：福建省东部代表区域农用地Cd累积量大，8个区域农用地重金属总Cd平均值分别为0.227、0.167、0.177、0.162、0.128、0.205、0.166、0.249 mg·kg-1，但有效态含量均低于0.080 mg·kg-1，呈轻度污染，能够流入食物链的Cd量较少。由于地区间差异性显著，且单个区域内总Cd和有效Cd含量均呈现上升趋势，生态风险较强。

关键词：土壤;重金属;镉;污染状况调查;风险评价

中图分类号：X 53 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2021）11-0080-07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.11.013

Investigation and Risk Assessment of Cadmium Pollution in Agricultural Lands inthe Representative Regions of Eastern Fujian

TENG Ying1， CHEN Jin-feng1，2， ZHANG Yu-hao1， ZHANG Ya-rong1， TANG Qing-qiang3

（1. China Certification & Inspection Group Fujian Co.， Ltd.， Fuzhou， Fujian 350015， China; 2. College of

Eco-Environment and Urban Construction， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China;

3. Technology Center of Fuzhou Customs District， Fuzhou， Fujian 350001， China）

Abstract： The present situation and development trend of cadmium （Cd） pollution in agricultural land in the representative regions of eastern Fujian were studied and the risk degree was analyzed， in order to provide technical support for the Cd control in agricultural land soil and the quality safety of agricultural products in eastern Fujian. A total of 495 soil samples were collected from the agricultural lands in eastern Fujian （329 paddy fields， 78 vegetable fields， 41 orchards， and 47 tea gardens）. The content of Cd in soil was determined by using the method of graphite furnace atomic absorption spectrometry. Then， the Cd pollution of agricultural lands in the representative regions of eastern Fujian was evaluated by using the Nemerow pollution index method and potential ecological risk index method. The results showed that the accumulation of Cd in agricultural lands was large in the representative regions of eastern Fujian. The mean values of total Cd of heavy metals in agricultural lands of the eight regions were 0.227， 0.167， 0.177， 0.162， 0.128， 0.205， 0.166 and 0.249 mg·kg-1， respectively， but the effective state contents were all lower than 0.080 mg·kg-1， indicating slight contamination and a small amount of Cd that could flow into the food chain. Because of the significant differences among regions， and the increasing trend of total Cd and available Cd contents in a single region， the ecological risk was strong.

Key words： Soil; Heavy metals; Cadmium; Pollution investigation; Risk assessment

伴随着工业快速发展，各类污染物在土壤中不断积累[1-2]，土壤污染风险呈现加剧趋势，特别是土壤重金属污染尤其突出[3-5]。土壤一旦遭受重金属污染，难以在短时间内消除，重金属将影响植物地下根系有丝分裂，增大根系染色体畸变率[6]，并且可能流向食物链，因此，土壤重金属污染与治理已成为研究焦点[7-8]。土壤重金属污染物中，Cd的超标率远大于Hg、As、Cu、Cr等重金属。Cd为人体非必需元素，具有较强的潜伏性和毒性。目前国内对土壤Cd污染情况的研究，主要集中在各类大型工业区和水域底泥，如李法松等[9]对安庆周围地区水域沉积物以Cd为主的重金属污染展开研究，评估各水体存在的生态危害风险情况;许友泽等[10]对湘江底泥重金属污染的研究表明，Cd的潜在生态风险最高，湘江干流的潜在生态风险明显高于支流;陆泗进等[11]对矿场周边农田的研究表明，Cd的水溶态和可提取态较其他重金属高，在该地区Cd的潜在生态危害最高;张倩等[12]对大港工业区重金属污染的研究中发现Cd和As污染情况最严重。

由于各地区土壤的利用类型不同，农用地的耕作历史、习惯不同，以及周边环境不同等因素，导致土壤地块具有非常显著的地域差异。福建省地形多山起伏，垂直分异明显，地势上总体西北高东南低，中部和西部存在两个大山带，土壤类型随地势拔升依次为水耕人为土-铁铝土-富铁土、雏形土-淋溶土、新成土的层状分布[13]。卢翠英等[14]对福建省农田Cd污染的研究表明，福建省农田土壤重金属镉污染超标率远超全国耕地Cd污染超标率，但目前对福建省各类农用地的Cd污染状况全面评估的研究报道较少。福建省素有“八山一水一分田”的美称，东部地区耕地集中，主要分布在沿海平原、沿河流域、丘陵梯田等，该地区主要以红壤为主，具有典型的南方酸性土壤特性，对Cd具有较强的吸附特性[15]。福建省东部地区农用地Cd污染状况评估，是该地区作物种类调整、土地治理、水肥调控等技术落实的基础，因此，选取福建省东部具有典型土壤代表性的地块作为研究对象，具有较强的针对性，研究成果具有较大的应用指导意义。本研究以农用地为试验对象，通过对福建省东部大范围区域内的水稻田、蔬菜地、果园等多种农作物种植土壤495个点位进行土壤中总Cd和有效Cd检测，探究试验区域内Cd污染现状和发展趋势并进行风险程度分析，以期为福建省东部地区农用地土壤Cd治理和农产品质量安全提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点位布设和样品采集

为研究不同农用地利用类型土壤对重金属Cd蓄积、迁移的影响，选取福建省东部具有代表性的8个区域地块进行土壤样品采集，该区域地块粮食种植面积约为1067 km2。点位地块对应的作物种植类型以水田为主，共取水田土壤样品329个，还包含其他土壤类型点位：蔬菜地78个、果园41个、茶园47个。本次采样点位合计495个，各作物种植类型土壤占比见图1。

采用系统布点法，充分考虑农用地利用类型，根据布设的点位选择田块进行采样，为保证样品代表性，降低采样误差，使用采集混合样的方案，在采样地块上选择对角线法，以点位为中心设对角线，分5点，以5个点为采样分点采集样品混合。水田、蔬菜地采样深度为0～20 cm，园地采样深度为0～30 cm。先采用不锈钢铲等工具挖掘，而后用竹刀等工具切去与不锈钢铲直接接触的部分，然后进行采集。采集样品重量要达到风干后重量1 kg以上。采样地块不宜靠近田埂、道路、粪肥、垃圾、民房、施肥沟等。

1.2 样品制备

土壤样品制备分风干和研磨2个步骤。样品风干：样品先平铺于牛皮纸上，摊成2～3 cm的薄层，将样品多次压碎、翻动，同时拣出沙砾、碎石、植物残体等，待样品干后进行研磨;样品研磨：将土壤样品利用碾碎、研磨等方法处理，再通过四分法、尼龙网筛选等方式制备多份样品，10目样品用于土壤pH、阳离子交换量、元素有效动态含量等项目的分析。细磨到全部过60筛目尼龙网的样品，用于土壤有机质分析。研磨到全部过100筛目尼龙网的样品，用于土壤元素全量分析。

1.3 样品分析方法

土壤pH值测定采用电位测定法测定;土壤重金属总Cd用HNO3、HF、HClO3酸消解等离子体质谱联用法（ICPMS）测定;土壤重金属有效态Cd用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取石墨炉原子吸收分光光度法测定[16]。

1.4 评价方法

采用国家标准GB15618-2018《土壤环境质量标准》中确定的风险筛选值作为污染评价参考值，采用内梅罗污染指数法对福建省东部代表性区域农用地Cd污染情况进行评价，内梅罗污染指数法既包含单因子指数法，又能直观分析各区域以及场地整体的污染程度。最后，采用潜在生态风险指数法进一步探究土壤中重金属Cd产生的生态风险。

1.4.1 土壤重金属Cd富集评价以福建省土壤Cd背景值[17]作为参考值，土壤中总Cd高于背景值意指存在富集行為;具有富集现象的样品个数占样本总数的比例为富集比例;总Cd与背景值的比值为富集倍数。

1.4.2 内梅罗污染指数法单因子污染指数：Pi=Ci/Si。

式中，Pi为污染物单因子指数;Ci为实测浓度mg·kg-1;Si为土壤环境质量标准mg·kg-1。根据所得Pi的大小，判定土壤中某项污染物的污染程度。当P≤1时，表示无污染;当13时，表示重度污染。

内梅罗污染指数：P=[（ Pi2max+Pi2ave）/2]1/2

式中，Pimax为污染指数的最大值;Piave为污染指数的平均值。土壤污染水平分级标准见表1。

1.4.3 潜在生态风险指数法本研究采用Hankanson提出的潜在生态危害指数法进行土壤环境风险评价[18-20]。该方法考虑重金属含量，将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用等价属性指数分级法评价，反映某一特定环境中各种污染物的影响和多种污染物综合影响，定量划分潜在生态危害的程度。潜在生态危害指数法的表达式如下：

Cif=Ci/Ci0，

Eir=Tif×Cif

式中：Ci、Ci0分别为污染物i的实测值（mg·kg-1）、参比值（mg·kg-1），Tif为Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数，金属元素Cd、Pb、Cu、Cr、Zn、As、Hg的毒性响应系数分别为30、5、5、2、1、10、40。采用Hakanson提出的潜在生态危害评价指标（表2）对生态危害进行分级。

2 结果与分析

2.1 土壤Cd污染状况

2.1.1 土壤中总Cd含量比较福建省东部代表区域农用地Cd污染全量测定结果的统计分析见表3。

从表3可知，8个区域农用地重金属总Cd平均值分别为0.227、0.167、0.177、0.162、0.128、0.205、0.166、0.249 mg·kg-1。与福建省土壤Cd背景值[17]对比发现，8个地区农用地的Cd富集比例均高于90%，平均含量远高于背景值，富集倍数分别为4.20、3.09、3.28、3.00、2.37、3.80、3.07、4.61。各区域Cd在表层土壤中的积累程度较大，均已达到较高的水平，其中区域1和区域8的富集倍数均超过了4.00，区域6和区域8的富集比例甚至达到100%。地球环境化学研究表明，土壤元素的累积通常伴随变异性的增强[21]。本研究进一步研究福建省东部代表区域农用地总Cd含量变异系数的波动情况，分析土壤中Cd含量的累积状况。从表3可知，区域5、区域6和区域7的变异系数分别为42.89%、41.56%和45.99%，其他区域Cd 含量变异系数均超过50%，区域8的变异系数最高，达到了107.83%。

差异显著性分析结果表明，多个区域土壤总Cd含量存在显著性差异，富集倍数较高的区域1、区域8与区域2、区域4、区域5、区域7之间存在显著性差异（P<0.05），区域3显著低于区域8（P<0.05），区域6显著高于区域5（P<0.05）。上述研究表明，福建省东部代表区域农用地土壤Cd累积量大、富集倍数高，且具有较高的变异性，这说明该地区土壤总Cd变量处于较大的变动中。

2.1.2 土壤有效Cd含量比较土壤中有效Cd是Cd能够被植物吸收和利用的数量。测试分析了土壤中有效Cd含量，结果（表5）表明，8个区域土壤中有效Cd含量分别为0.064 、0.063、0.061、0.052、0.046、0.079、0.050、0.080 mg·kg-1。对比DB 35/859-2016《农产品产地土壤重金属污染程度的分级》，结果显示，8个区域共计495个土壤点位中，95.35%的土壤有效Cd含量低于农产品产地土壤重金属污染安全值，仅在区域1和区域8各存在1个高危级，区域2和区域8各存在1个限制级，各区域警戒级点位数量在1～4个，其余点位均处于安全级内。各区域有效Cd变异系数较高，仅区域6变异系数为45.24%，其余区域均高于50%，尤其是区域1、区域8变异系数分别为150.97%、180.26%，表明土壤有效Cd呈现出明显的上升趋势。差异显著分析结果表明有效Cd仅区域5与区域6、8之间存在显著性差异，其余区域间差异性并不显著。上述研究表明，福建省东部代表性区域农用地土壤有效Cd总体处于安全级，但部分点位变异较大的特点。

2.2 土壤中Cd污染风险评价

2.2.1 土壤中Cd单因子污染指数评价结果 GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》规定了水田和其他农用地在不同pH条件下对应的土壤污染风险筛选值不同（表5）。采用单因子污染指数法进行评价，结果（表6）表明：在所调查8个区域的Cd单因子污染指数均存在部分超标点位（表6），495个点位有45个点位土壤属于超标情况，各区域的超标率分别为17.35%、7.94%、9.68%、5.36%、2.70%、10.87%、7.32%、7.27%，其中区域1超标率最高，该区域涉及98个点位，有17个点位超标。调查区域绝大多数超标土壤属于轻度污染，有3个区域共3个点位属于中度污染，分别分布于区域3、区域4和区域8各1个，有2个区域共2个点位属于重度污染，区域1和区域8各1个。以区域为评价单位，各区域Cd单因子污染指数平均值都处于警戒线以下，表明福建省东部代表性区域污染程度较轻，受污染农用地未超过10%，受污染点位90%为轻度污染，土壤中 Cd分布不均，少部分点位污染程度严重。

2.2.2 土壤Cd内梅罗污染指数评价结果福建东部地区8个区域，土壤Cd内梅罗污染指数分别为3.78、1.42、1.80、1.56、0.78、1.28、1.03、4.89（图2），其中，有7个区域的土壤均受不同程度等级的污染。区域5所受到的Cd污染尚处于警戒线范围内，土壤尚清洁;区域2、区域3、区域4、区域6、区域7的土壤所受到的Cd污染属轻度污染，土壤已经受到輕度污染;区域1、区域8的土壤所受到的Cd污染属重污染，土壤受污染相当严重。

2.2.3 土壤中Cd潜在生态风险评价结果根据福建省东部代表区域农用地Cd潜在生态风险评价（图3），福建东部代表性区域8个区域Cd潜在风险系数分别为126.08、92.78、98.51、89.92、70.98、113.94、92.26、138.40。所有区域平均Cd潜在风险系数均高于低风险系数阈值40，其中区域5处

在40≤Eir<80范围内，其生态风险程度属于中等强度，其他7个区域Eir均高于80，属于强风险等级。表明研究区域土壤Cd污染潜在生态危害强，污染风险较大，考虑到毒性响应因素，可通过低富集型作物种植等农艺调控和替代种植等措施实现农业安全生产需求。

3 结论

本研究选取福建省东部区域具有代表性的水田、蔬菜地、果园、茶园等不同用地类型的农用地进行科学布点，共采集495个土壤样品，采用多种评价手段进行土壤Cd污染风险评价。研究结果表明，试验区域内土壤中存在总Cd富集现象，但土壤中有效Cd含量多数低于土壤重金属污染安全值，说明土壤中虽然Cd元素含量高，但多数处于不活跃状态。原因可能是土壤长期施用生石灰，改变土壤pH，使得游离Cd转变为以氧化物结合态以及残渣态形式存在。但基于福建省当下酸性土壤特质和作物根系有机酸分泌对土壤pH的影响，土壤Cd污染问题仍然需要得到重视。

通过不同风险评价手段多维度评价调查地块的Cd污染情况及潜在风险，内梅罗污染指数评价法表明福建省东部区域污染程度总体表现为轻度污染，但土壤潜在生态风险多数区域处于强风险，这也是土壤Cd全量大、活跃态低的结果。虽然目前土壤中有效Cd含量多数低于农产品产地土壤重金属污染安全值，但鉴于土壤重金属富集情况直接影响农作物生长，甚至影响农产品的质量安全，为控制农用地土壤的生态环境风险，应加强土壤环境监测和农产品协同监测，对于农用地土壤总Cd、有效Cd变异系数大、地区差异性显著的现象，应当采取安全利用措施。此外，由于农用地土壤中存在多种重金属协同污染的情况，因此还需考虑其他重金属的污染风险，以及与Cd协同污染的风险。

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