普定县耕地土壤重金属含量状况及风险管控分类评价

杨通保 唐长根

(1.贵州省煤田地质局地质勘察处，贵阳 550008; 2.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵阳 550008)

土壤不仅是地球上污染物最大的“汇”，还是污染源最重要的“源”。土壤污染因具有不可逆性、隐蔽性、潜伏性、长期性等特点而导致治理难度大大增加[1]。土壤是地球生态系统重要的组成部分，土壤物理化学性质影响着地表生物的生长，尤其是各种化学元素含量的超标不但影响植物正常生长，而且还可通过食物链等途径进入人体及其他动物体内富集，影响人体健康[2]。矿业活动已成为农田土壤及农产品中重金属超标的重要原因之一[3]。近年来,贵州省加大煤矿关闭整合力度,然而由于对煤矿废弃地缺乏必要的环境修复措施,区域内大量农田受酸性废水和重金属污染而弃耕抛荒,严重影响粮食安全和农业基础的稳定[4]。

人类重金属危害主要是源于受污染的食品，而作为农产品生产载体的耕地，其质量状况对农产品安全显得尤其重要[5]。目前，耕地重金属污染调查与评价是我国研究的焦点，很多学者在区域性耕地土壤污染监测与评价方面做了深入研究，为耕地安全生产、合理调整耕地种植模式奠定了坚实基础[6-8]。

普定县地处贵州黔中地区，为山区农业县，人均占有土地和耕地量少，难利用土地多，同时矿产资源丰富，采矿活动较强烈。本文依托2017年全县土壤地球化学调查和采样、测试结果，对全县耕地土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr重金属元素含量状况进行分析评价，依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)及《农用地土壤环境质量类别划分技术指南(试行)》划分耕地风险管理等级，为普定县了解耕地土壤重金属污染分布、土地利用规划和保障农产品质量安全等提供科学支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

普定县位于云贵高原东侧斜坡地带，贵州省中部，地理位置东经105°27′49″～105°58′51″、北纬26°9′36″～26°31′42″，总面积1079.93 km2，人口密度较大，达到421人/km2，属亚热带湿润季风气候，年平均气温14.9℃，平均降雨量1360.5 mm，年平均日照时数1269.3 h，行政区划为6镇3乡3街道。

全县地层出露以二叠系、三叠系为主，岩性主要为砂泥岩、页岩、石灰岩、白云岩、玄武岩等，全县岩溶、溶蚀等典型喀斯特地貌发育强烈，占全县总面积的84.27%，岩溶地貌与非岩溶地貌相间分布。土壤种类主要有黄壤、石灰土、黄棕壤、石灰土、紫色土、潮土、水稻土等。耕地中水田少，旱地多，坡耕地占旱地的三分之一。

1.2 样品采集

以1：50000土地利用现状图及奥维卫星遥感图作为工作底图，2017年6月至2018年12月采集耕地表层土壤样品3885件，采样点密度为9个点/km2。样品布设大部分按“X”形布设，少数按“S”形布设，采样深度为0～20 cm的连续土柱，对于耕作层土壤厚度小于20 cm的区域，采集实际土壤厚度的表层土壤样[9]。

1.3 样品分析

分析测试由自然资源部成都综合岩矿测试中心完成。采用X射线荧光光谱法(XRF)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子荧光光谱法(AFS)、催化光度法(COL)、滴定法、比色法和高盐雾化器等离子体光谱法等对样品进行检测。同时采用外部质量控制和内部质量监控相结合的方法控制分析质量，内部样中基础样所有元素测试合格率为100%，元素重复分析按三倍检出限内RD≤30%，三倍检出限外RD≤25%统计质量，并对全部突变高点和突变低点进行重新取样分析。外部控制样中各批次各元素合格率均大于90%，各批次各元素相关系数均大于0.91；双样本方差检验(F检验)各批次均小于临界值。

2 结果与讨论

2.1 全县耕地土壤环境重金属元素特征

普定县耕地土壤重金属元素中(表1)，Cd元素含量偏高，平均值和背景值均高于农用地土壤污染风险筛选值。As元素含量平均值略微偏高，其余Hg、Pb、Cr元素含量平均值和背景值均低于农用地土壤污染风险筛选值，但Cd、Hg、As、Pb元素变异系数大，有大量高含量带分布。另外，与贵阳市表层土壤元素背景值[10]相比，Cr元素背景值大于贵阳市表层土壤Cr元素背景值，其他耕地土壤重金属元素背景值均小于贵阳市表层土壤重金属元素背景值；对比中国土壤A层[11]重金属元素背景值，普定县耕地土壤重金属元素背景值均大于中国土壤A层重金属元素背景值。邓秋静等[12]对贵阳市耕地土壤重金属分布特征研究发现，磷化工区导致土壤Cd 元素污染最突出，Hg和As 的污染主要受大型工业企业、电厂和煤气气源厂燃煤排出废水影响，Cr元素的污染主要受耐火材料厂和铝厂以及一些电镀厂等工业废水影响。

表1 普定县耕地土壤重金属调查数据统计表 单位：mg/kg

2.2 重金属元素含量分布特征

普定县成土母岩主要为岩浆岩、碎屑岩、灰岩及白云岩。全县成土母岩中，Cd元素平均含量在岩浆岩中最高，为1.14 mg/kg；Hg、Pb元素平均含量在白云岩中最高，分别为0.25 mg/kg、103.23 mg/kg；As元素平均含量在灰岩中最高，为31.73 mg/kg；Cr元素平均含量在碎屑岩中最高，为166.98 mg/kg(表2)。普定县辖5镇4乡3街道，各乡镇街道耕地土壤采样分析统计，Cd元素平均含量在马场镇最高，为1.37 mg/kg；Hg、As、Pb、Cr元素平均含量在鸡场坡镇最高，分别为0.27 mg/kg、62.77 mg/kg、75.87 mg/kg、158.48 mg/kg(表3)。

表2 各成土母岩耕地土壤重金属含量统计表 单位：mg/kg

表3 各乡镇耕地土壤重金属含量平均值统计表 单位：mg/kg

2.3 耕地土壤重金属元素赋存形态

污染物在土壤中以不同的赋存形态、含量、污染方式及污染程度存在，具有不同的释放性、迁移性、有效性和风险性[13]。重金属形态分为水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰结合态、强有机结合态及残渣态7种。其中水溶态和可交换态重金属易被植物吸收，具有很大的迁移性；交换态和碳酸盐结合态这两组分重金属与土壤结合较弱，最易被释放，有较大的可移动性；有机结合态重金属在氧化环境下易分解释放；残渣态重金属属不溶态重金属，它只有通过化学反应转化成可溶态物质才对环境产生影响；铁锰结合态重金属一般是以矿物的外囊物和细粉散颗粒存在，活性的铁锰氧化物比表面积大，吸附或沉淀阴离子而成，反映人文活动对环境的污染[14]。

经统计，普定县耕地土壤中Cd元素以离子交换态及铁锰结合态为主，易迁移转化，能被植物吸收；Hg、As元素以残渣态为主，在自然界正常条件下不易释放，能长期稳定在沉积物中，不易被植物吸收；Pb元素以铁锰结合态为主，在还原条件下易被溶解释放(表4、图1)。研究表明土壤易被Cd、Pb元素污染。

图1 重金属元素形态含量占比统计图

表4 普定县耕地土壤重金属元素形态分析平均值统计表 单位：μg/g

2.4 耕地土壤环境元素地球化学等级评价、风险管控等级划分

近年来，农业环境污染日益严重制约了农业的可持续发展，也危害了人们的身体健康。农产品种植基地环境的安全，是保证农产品质量安全的源头，而土壤和灌溉水是决定农产品质量安全的重要因素[15]。依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)和《农用地土壤环境质量类别划分技术指南(试行)》(环办土壤[2017]97号)，普定县耕地土壤重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr等级主要以优先保护类(Ⅰ类)和安全利用类(Ⅱ类)耕地为主，少量严格管控类(Ⅲ类)耕地。其中Cd、As元素严格管控类耕地占比较高，分别为3.86%、1.62%，而Hg、Pb元素严格管控类耕地占比极低，仅分别为0.08%、0.05%(表5)。

表5 普定县不同类别耕地土壤等级划分面积统计表

依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)和《农用地土壤环境质量类别划分技术指南(试行)》(环办土壤[2017]97号)，对全县土壤重金属元素综合污染指数进行分级，全县耕地土壤环境质量分为三级：一等优先保护类耕地，面积13.77万亩，占全县耕地面积的22.59%，主要分布在白岩镇的管小村、三块田村，猫洞乡的抵挡村，穿洞街道的新中村；二等安全利用类耕地，面积44.08万亩，占全县耕地面积的72.32%，各乡镇均有分布；三等严格管控类耕地，面积3.10万亩，占全县耕地面积的5.09%，主要分布在马场镇的马路关村、三合村、松林村，化处镇的马路村、腊柳村，鸡场坡镇红岩村(图2)。

图2 普定县不同质量类别耕地土壤及异常查证区空间分布图

2.5 耕地重金属元素异常的主要因素分析

根据耕地质量重金属元素结合等级的评价，选择三个严格管控类耕地中重金属Cd元素异常区进行查证，异常区分布见图2。异常查证区Ⅰ位于普定县马场镇南部的马路关村和化处镇西北部的腊柳村，面积为3.22 km2；异常查证区Ⅱ位于普定县马场镇中西部的松林村和黄家坝区村，面积为2.87 km2；异常查证区Ⅲ位于普定县马场镇东南部的马路村，面积为1.58 km2。三块异常查证区主要表现为重金属Cd元素含量高，Cd元素的评价等级为严格管控类，耕地环境质量风险综合等级为污染风险较大。

经各乡镇耕地土壤重金属含量与各乡镇成土母岩地层岩性叠加分析，异常区内重金属元素含量与成土母岩息息相关。Cd元素在马场镇的平均值最高，其次为猴场乡、补郎乡，该区域出露地层主要为二叠系中统梁山组、栖霞组、茅口组及上统峨眉山玄武岩组、龙潭组、长兴组、三叠系下统大冶组等，岩性为灰岩、白云岩、玄武岩及粉砂岩、炭质泥岩等岩浆岩、碎屑岩、碳酸盐岩为主，这类成土母岩及含矿岩系中Cd元素含量较高，导致形成的耕地土壤Cd元素含量高于其他乡镇。此外，已有很多研究表明采矿活动加剧了重金属的迁移转化速度，流入周边环境，加快了重金属的积累[16-18]；吴劲楠[19]利用主成分分析和聚类分析研究表明，Cd、Hg、As、Pb和Zn元素主要为人为来源，而Cr和Ni元素主要来源于成土岩石。异常区为普定县重点煤矿、铁矿开采区域，表明Cd元素异常受到了采矿活动的影响，采矿活动破坏了成土母岩的结构、构造等使其风化剥蚀成土，且Cd元素以离子交换态及铁锰结合态为主，易迁移转化，大气降水溶滤重金属流入耕地中加速积累。

汪花等[20]研究表明碳酸盐岩风化成土导致 As 的相对富集是贵州省表土 As 含量高的主要原因之一。普定县重金属Hg、As、Pb、Cr元素平均含量在鸡场坡镇最高，该区域地层为震旦系灯影组、寒武系牛蹄塘组、明心寺组、二叠系中统茅口组等，岩性以白云岩、灰岩及页岩、炭质页岩为主，为铅锌矿富集成矿区域。这类成土母岩及铅锌矿中Hg、As、Pb、Cr元素含量较高，导致形成的土壤中Hg、As、Pb、Cr元素含量高于其他乡镇。

综上所述，普定县重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr元素平均含量较高区域主要来源于成土母岩，受采矿活动影响，加速了重金属的积累。

3 结论

普定县耕地土壤环境重金属元素中Cd、Hg、As、Pb、Cr元素质量等级总体较好，全县以优先保护类和安全利用类耕地为主；其中Cd、As元素有少量严格管控类耕地，主要特征为高Cd。

严格管控耕地面积为3.10万亩，占全县耕地面积的5.09%，主要分布在马场镇的马路关村、三合村、松林村，化处镇的马路村、腊柳村，鸡场坡镇红岩村。

对严格管控类耕地污染风险较大异常区和重金属元素富集区分析，重金属元素主要来源于成土母岩，并受采矿活动影响，加速了重金属的积累。