多种评价方法应用于天津核桃主产区的土壤环境质量评价

谢薇,杨耀栋,侯佳渝,菅桂芹,李国成,赵新华

(1.天津市地质矿产测试中心, 天津 300191； 2.天津市规划和自然资源局地质事务中心，天津300042)

0 引言

天津市蓟州区为我国核桃的主要产区，也是我国最早种植核桃的地区之一，核桃是当地农村经济发展和农民增收的重要产业。已有研究发现，我国一些核桃产区的果农为了提高产量，盲目施肥，大量施用含有重金属的化肥以及有机肥，增加了核桃产区的重金属污染风险[1-2]。土壤重金属具有不能降解的特点，污染潜伏时间长，对农作物品质和产量会造成长期不良影响，并通过食物链影响人类健康[1-4]。因此，开展土壤重金属环境质量评价，对重金属污染防治和保障农产品食用安全具有重要意义。

目前，国内外应用较多的土壤重金属评价方法主要有内梅罗指数法、地累积指数法和污染负荷指数法等[5-8]，每种方法各具特点。内梅罗指数法是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数法，该方法是以单指标污染指数为基础的综合污染程度评价方法，其中单项污染指数是指某种重金属含量实测值与其评价标准的比值，能够反映该重金属元素的污染程度。以单项污染指数为基础，通过计算内梅罗综合污染指数可以较全面地反映多种污染物的共同作用，突出显示污染最严重的重金属元素的危害性[9]。地累积指数由Müller于1969年提出，也称为Müller指数，是一种定量评价重金属污染的方法，该方法既考虑了自然地质过程决定的元素背景含量，也考虑了人类活动过程对重金属的叠加影响，能够直观地反映外源重金属在沉积物中的富集程度[10]。1980年Tomlinson提出了污染负荷指数法，该方法根据土壤某种重金属实测浓度和该元素背景值求出单元素污染负荷指数，然后采用先累乘、再求根的算法计算污染负荷指数，不仅能综合反映多种重金属对环境污染的贡献，而且能够反映区域综合污染情况[11]。笔者以天津核桃产区为依托，选用内梅罗指数法、地累积指数法和污染负荷指数法等3种方法评价了研究区土壤重金属污染情况，初步查明了土壤环境质量、核桃食用安全性，为开展核桃种植布局、保障特色农产品食用安全、保障人体健康提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蓟州属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，年平均气温11.4～12.9 ℃，平均降水量520～660 mm。蓟州北部山区是天津核桃的主要产区，核桃多分布在海拔50～800 m的丘陵山地，土壤类型主要为棕壤和褐土，土地利用类型主要为林地和园地等。蓟州区核桃种植面积达10 km2，年产量55万kg，主要品种有圆绵核桃、绵核桃、长绵核桃、扁绵核桃、小绵核桃、绵瓢核桃等，其中以圆绵核桃栽培面积最大、产量最高、品质最佳，其果个大皮薄,单果重17 g左右。

1.2 样品采集与处理

主要根据土地利用现状图，结合当地核桃种植分布，兼顾代表性和均匀性原则，布设采样点位(图1)。共采集表层土壤样品60件，采样深度为0～40 cm，如土层厚度不足40 cm，按实际厚度采集。每个样点由4～5个子样点组成， 子样点要求土壤类型一致， 分布于中心采样点50 m范围内。 各子样等份混合均匀后用四分法取1～2 kg装入干净样品袋中。采样时避开沟渠、路边、旧房基、粪堆及微地形高低不平无代表性地段。

图1 研究区采样点位分布Fig.1 Sampling locations in study area

在采集土壤样的范围内，选择长势较好的核桃树，采集核桃鲜果样品。共采集核桃样品18件，每件样品由3～5颗核桃树的核桃果实构成，每件样品总质量大于3 kg。

野外采回的土壤样品置于干净整洁样品架上自然风干。风干过程中，适时翻动，并将大土块用木棒敲碎以防止黏结成块，同时剔除土壤以外的杂物。风干后的样品平铺在制样板上，用木棍碾压，并将植物残体、石块等侵入体和新生体剔除干净。压碎的土样全部通过孔径2 mm的尼龙筛，未过筛的土粒重新碾压过筛，直至全部样品通过2 mm孔径筛为止。过筛后土壤样品经混匀后，取200 g装入牛皮纸袋作为分析样品，另取至少300 g装入干净塑料瓶作为副样保存。

采回的核桃样品先去除外壳，再用自来水和蒸馏水依次清洗，清洗干净、擦干后立即称其鲜样质量。然后将鲜样置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥，待样品完全干燥后，称重，计算干湿比。干样用高速破碎机制成粉样后，放入牛皮纸袋中，置于干燥器内保存，备用。

1.3 样品测试分析

土壤样品在实验室用无污染球磨机研磨至200目，以供元素测试分析使用。称取10 g土壤样品，经无CO2水浸取，采用离子选择性电极测定pH；称取0.1 g土壤样品，经HNO3-HF-HClO4消解，采用等离子体质谱仪(ICP-MS7700x美国安捷伦科技公司)测定Cd、Zn、Cu、Pb和Cr；称取0.25 g土壤样品，经王水消解，采用原子荧光光度计(AFS-3100 北京海光仪器公司)测定Hg和As。核桃样品经HNO3消解后与土壤样品同步测定。

样品分析测试过程中采用国家一级标准物质GBW07425、GBW07446、GBW0753、GBW0756对土壤样品进行质量控制，采用GBW10015、GBW10048对核桃样品进行质量控制，测试指标的精密度和准确度均符合《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)和《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-03)的要求。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和 IBM SPSS Statistics 19.0进行数据处理分析，采用ESRI Arcgis 10.2和Corel DRAW 2018绘制图件。

1.5 评价方法及评价标准

1.5.1 内梅罗指数法

单项污染指数计算公式：

Pi=Ci/Si。

式中：Pi为某污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测值；Si为污染物i的评价标准。本文以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)中风险筛选值为评价标准。

综合污染指数计算公式如下：

式中：I为某调查点位内梅罗综合污染指数；Piave为该调查点位土壤中各重金属元素污染指数的算数平均值；Pimax为该调查点位土壤中重金属元素的最大单项污染指数。单项污染指标与内梅罗综合污染指数的分级标准见表1。

表1 单项污染指标与内梅罗综合指数分级标准

1.5.2 地累积指数法

地累积指数计算公式如下：

Igeo=log2(Cn/kBn)。

式中：Igeo为地累积指数；Cn为元素含量实测值；Bn为地球化学背景值，本文采用天津市表层土壤地球化学背景值[12]；k为消除岩性差异所引起背景值变化的调整系数，本文取值1.5。Igeo的分级标准见表2。

表2 地累积指数(Igeo)分级标准

1.5.3 污染负荷指数法

某一点位的污染负荷指数计算公式如下：

Fi=Ci/Cni，

式中：Fi为元素i的污染指数；Ci为含量实测值；Cni为地球化学背景值[12]；IPL为某一点位的污染负荷指数；n为元素种类。

某一区域的污染负荷指数计算公式如下：

式中：IPLzone为区域的污染负荷指数；n为采样点个数。

污染负荷指数分为4个等级，如表3所示。

表3 污染负荷指数等级划分

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量

运用 IBM SPSS Statistics 19对土壤元素含量进行分布检验，K-S检验结果显示，Hg、As和Cr呈正态或近似正态分布，用算数平均值表示其平均含量；Cd、Pb、Cu和Zn呈对数正态或近似对数正态分布，用几何平均值表示其平均含量。统计发现(表4)，研究区Cd、Hg、Pb、As、Cr、Zn和Cu平均含量分别为0.19×10-6、0.06×10-6、24.1×10-6、11.9×10-6、75.5×10-6、78.9×10-6和30.6×10-6。Pb、Cr和Zn平均含量低于天津市背景值，Cu平均含量与背景值基本持平，而Cd、Hg和As平均值均超过了天津市土壤背景值[12]，分别为背景值的1.11倍、1.50倍和 1.19倍，Hg富集较明显。Cd、Hg、Pb、As、Cr、Zn和Cu含量最大值分别为背景值的4.29、4.25、4.31、2.38、1.78、2.49和4.40倍，说明这些元素存在明显的局部富集现象，这与张红桔等[1]对浙江临安山核桃产区的研究结果相似，表明研究区有可能受到人为活动影响而导致土壤重金属局部累积。而且，与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中风险筛选值相比，部分样点Cd和Cu超过筛选值，超标率分别为11.7%和1.7%。

表4 土壤重金属元素含量统计

变异系数能反映土壤重金属含量的变化程度，已有研究表明人类活动干扰越强烈，土壤元素分布往往越不均匀，变异系数越大[13-14]。研究区土壤Cd、Hg、Pb、As、Cr、Zn和Cu均属中等变异程度，其中以Cd的变异系数最大。

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 内梅罗指数法评价结果

土壤重金属单项污染指数及其污染等级划分结果见表5。单项污染指数平均值Cd>As>Cu>Cr>Zn>Pb>Hg。Cd和Cu存在污染样点，其中Cd有10.0%的样点为轻度污染，1.7%的样点为中度污染；Cu有1.7%的样点为轻度污染。

表5 土壤重金属元素单项污染指数统计结果

计算得到土壤重金属元素综合污染指数见表6。结果显示，研究区清洁和尚清洁的点位比例分别为85.0%和8.3%，表明研究区土壤环境质量总体较好，但由于部分点位Cd和Cu的单项污染指数达到污染水平，导致其中6.7%的样点存在轻度污染。

表6 内梅罗综合污染指数法评价结果

2.2.2 地累积指数法评价结果

研究区土壤重金属地累积指数法计算结果见表7。各重金属平均地累积指数排序为Hg>Cd>As>Cu>Cr>Pb>Zn。Hg的Igeo为1.03，以中度污染为主，占总样点的50%；Cd、Pb、As、Cr、Zn和Cu均以无污染—中度污染为主，分别占总样点的68.3%、78.3%、56.7%、90.0%、80.0%和78.3%。部分点位Cd、Hg、Pb和Cu为中度污染—强度污染，以Hg和Cd所占的比例较高，分别为6.7%和5.0%。地累积指数的评价表明，研究区7种重金属元素存在不同程度的污染，扣除重金属背景含量的影响，可以发现研究区存在人为原因引起的土壤重金属积累情况[15-16]。

表7 地累积指数及其污染等级划分结果统计

2.2.3 污染负荷指数法

土壤污染负荷指数涵盖了7种重金属污染因子，更加直观、综合地表征了研究区土壤重金属污染水平。研究区内土壤污染负荷指数变化范围在0.58～1.88，平均值为1.08。根据污染负荷指数分级标准，中等污染样品点位占61.7%，剩余38.3%的样品无污染。如图2所示，中度污染点位均匀分布于研究区，没有明显的地域聚集现象。计算得出研究区的区域污染负荷指数为1.05，属中等污染程度，表明研究区土壤已受到污染，重金属污染来源还需要进一步调查研究。

图2 土壤重金属元素污染负荷指数分布Fig.2 Risk assessment map of calculated indices IPL in study area

2.3 核桃中元素含量及生物富集系数

核桃样品中Cd、Hg、Pb、As和Cr平均含量分别为0.003×10-6、0.004×10-6、0.044×10-6、0.043×10-6和0.760×10-6，《参照食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)，所有样品中的重金属含量均未超过标准限值(表8)。

表8 核桃中重金属元素含量统计

Zn和Cu是人体必需的微量元素，研究区核桃中Zn、Cu含量分别为25.48×10-6、14.68×10-6，与新疆核桃中Zn、Cu含量(分别为22.0×10-6和13.3×10-6[17])相近，但Zn含量明显低于临安山核桃Zn含量63.91×10-6[18]。

元素生物富集系数(BCF)是生物体内某元素含量与土壤中该元素含量的比值[19]，研究区各元素的富集系数如图3所示。BCF值反映了核桃对不同土壤重金属元素吸收能力的差异[20]。研究区核桃中元素的富集系数依次为Cu>Zn>Hg>Cd>Cr>As>Pb，核桃对于Zn和Cu的富集能力大于其他元素，与临安山核桃相似[18]。

图3 核桃中不同元素富集系数Fig.3 Bioaccumulaion factors of different elements in walnuts

3 结论

1) 研究区土壤中Cd、Hg、Pb、As、Cr、Zn和Cu平均含量分别为0.19×10-6、0.06×10-6、24.1×10-6、11.9×10-6、75.5×10-6、78.9×10-6和30.6 ×10-6。Cd、Hg、As和Cu平均含量均超过了天津市土壤元素背景值，分别有11.7%和1.7%土壤样点的Cd和Cu超过农用地土壤污染风险筛选值。

2) 内梅罗综合指数显示，研究区93.3%样点土壤环境质量为清洁等级，部分样点Cd和Cu为轻度污染。

3) 综合地累积指数法和污染负荷指数法的评价结果，可以得出研究区存在人为原因引起的重金属积累。

4) 核桃样品中Cd、Hg、Pb、As和Cr平均含量分别为0.003×10-6、0.004×10-6、0.044×10-6、0.043×10-6和0.760×10-6，所有样品的重金属含量均满足食品安全要求。相比于Cd、Hg、Pb、As和Cr等元素，核桃对Zn和Cu有更高的富集能力。