乌兰察布市农业用地土壤重金属污染生态风险评估

朱国华，刘 芳

(乌兰察布市农畜产品质量安全检验检测中心，内蒙古 集宁 012000)

土壤是地球生态系统的重要组成部分，是生物赖以生存的自然资源。人类的生产要素及生产关系都以土壤为最基本的载体[1-2]。随着经济的快速发展，城镇化和工业化的快速推进，土壤中重金属(密度在4.5 g/cm3以上的金属)污染越来越引起人们的广泛关注。土壤重金属污染是指由自然因素或人为因素引起的重金属元素含量高于地球土壤化学背景值，对生态系统造成破坏性影响，影响到生物种群的发展[3]。土壤重金属来源于化石燃料的燃烧、工业废气废水废渣的排放、矿产资源的开采和金属冶炼，大量金属细小颗粒物随着烟尘进入到大气，通过降雨下沉进入到土壤中[4-5]。重金属沉积在土壤中破坏土壤生态结构，阻碍微生物对有机物的降解，破坏有机质循环，影响植物根系对氮元素吸收[6]。重金属通过土壤—植物或微生物不断累积迁移,最终进入人体中。重金属与生物大分子易形成稳定的配合物，破坏蛋白质结构，对人体造成损害，引起神经系统损伤、各种器官的不可逆损害，甚至诱发癌症[7-11]。

近几年，国内学者对我国部分区域土壤重金属的分布、来源与污染评价做了细致研究[12-16]。但目前国内土壤重金属相关研究主要集中在中东部经济较发达地区，而对内蒙古地区土壤重金属污染风险评估的研究相对较少。郭祥义等[17]研究了内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗巴彦高勒苏木和大兴安岭南段西坡某铅锌矿区土壤性质，发现该矿区41%和35%土壤受到严重的Pb、Zn污染，矿区土壤重金属的综合潜在生态风险指数为29.40，属于轻微生态危害。周妍姿等[18]研究了内蒙古草原重金属的空间异质性及污染特征，发现草甸草原、典型草原和荒漠草原3种典型草原综合污染指数均属于严重污染，荒漠草原Ni、Cr、Zn污染较高，草甸草原对Cu、Pb有富集作用，典型草原As较高。孙鹏等[19]研究了包头市包钢公园、赛罕塔拉城中草原、南海湿地公园和八一公园等4种绿地土壤重金属污染情况，发现除包钢公园外，其他3个区域内梅罗综合指数法评价结果均为重污染；地累积指数法和潜在生态危害指数法都显示Cd污染最严重；除包钢公园处于轻微潜在生态危害外，其他3个区域处于中等潜在生态危害。目前，乌兰察布市农业用地土壤重金属污染研究鲜有报道。因此开展乌兰察布市农业用地土壤重金属污染及生态风险评估可以弥补该区域重金属污染研究空白。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

乌兰察布市地处祖国正北方、内蒙古自治区中部，位于北纬39°37′～43°28′，东经109°16′～114°49′。全市辖11个旗县市区，东西长458 km，南北宽442 km，总面积5.45万km2，耕地面积0.667万km2，占总面积的12.4%，草原面积360万hm2，占总土地面积的62%。乌兰察布市地貌类型多样，自北向南主要由内蒙古高原、乌兰察布丘陵、阴山山地和丘陵台地4个部分组成。乌兰察布市是我国重要的马铃薯和燕麦种植基地。马铃薯种植面积近26.7万hm2,约占全国的6%；燕麦种植面积稳定在10万hm2左右。马铃薯和燕麦种植面积均位居全国地级市首位。本文研究了乌兰察布市耕地土壤，通过采集土壤样品、测得土壤重金属含量，以乌兰察布市土壤背景值为评价标准，采用土壤中重金属的地积累指数和潜在生态危害指数作为污染评价指标，对乌兰察布市10个旗(县、市)农业用地土壤重金属累积特征进行探讨，并对其潜在生态风险进行评价，评估农业生产活动对土壤生态环境的影响，为持续保护改善本地区农业用地土壤质量提供重要依据。

1.2 样品采集和分析测试

本文以乌兰察布市耕地为研究对象，依次对全市11个旗(县、区、市)耕地土壤采样，每个样点在直径10 m范围内选择3～5个0～20 cm耕层土壤混合，按四分法取土壤样品1.0 kg，装入自封袋。土壤在室内风干，磨碎后过100目尼龙网筛(孔径0.149 mm)用来测定各重金属元素含量。其中集宁区15批次样品、察右前旗100批次样品、察右中旗145批次样品、察右后旗95批次样品、四子王旗206批次样品、商都县240批次样品、化德县112批次样品、凉城县110批次样品、卓资县85批次样品、兴和县188批次样品、丰镇市109批次样品，共计1405批次样品(图1)。

☆表示采样点。

土壤样品中Cr、Cd、Pb、Hg、As分别依据标准NY/T 1121.12─2006土壤检测 第12部分：土壤总铬的测定；GB/T 17141─1997土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法；GB/T 22105.1─2008 土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第1部分：土壤中总汞的测定；GB/T 22105.2─2008 土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分：土壤中总砷的测定。实验所用仪器：原子吸收分光光度计(AA-6880，岛津仪器)，原子荧光光度计(AFS-230E，海光仪器)，紫外可见分光光度计(UV-1780，岛津仪器)。

1.3 评价方法

1.3.1 地积累指数法 地积累指数法是由德国科学家Müller提出[20]，其计算公式如下：

(1)

1.3.2 潜在生态危害风险指数法 该方法由瑞典科学家Hakanson于1980年提出，该方法充分考虑到重金属在表层土壤中沉积、迁移和富集，将重金属的含量、生态环境效应和毒理水平联系在一起对土壤重金属污染进行综合评价[21]。潜在生态危害指数(RI)计算公式为：

(2)

(3)

表1 乌兰察布市土壤重金属的背景值及其毒性系数

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量分析

乌兰察布市农用地土壤呈弱碱性，pH>7.5。全市土壤中重金属含量分析，见表4。土壤中Cr、Cd、Pb、Hg、As含量的平均值均低于农用地土壤污染风险筛选值[24]中上述几种重金属含量，表明乌兰察布市土壤污染风险低，一般污染可以忽略。Cr和Pb土壤中含量的标准偏差分别为10.32和10.64，表明这2种重金属含量离散度较大，区域含量不平衡。而Cd，Hg和As土壤中含量的标准偏差均较小，说明这3种重金属区域含量相差不大，分布较均匀。

表2 地积累指数(Igeo)分级标准

表3 潜在生态风险系数和潜在生态风险指数(RI)分级标准

表4 乌兰察布市土壤重金属含量的统计 mg/kg

为进一步分析不同地区土壤中重金属含量变化，将各旗(县、区、市)土壤中重金属含量分布进行统计分析(表5)。由表5可知,Cr平均含量最高的是集宁区，为75.67 mg/kg，最高值出现在凉城县，为156.62 mg/kg；Cd平均含量最高的是丰镇市，为0.31 mg/kg，最高值出现在化德县，为1.66 mg/kg；Pb平均含量最高的是化德县，为34.49 mg/kg，最高值出现在察右中旗，为71.25 mg/kg；Hg平均含量最高的是集宁区0.053 mg/kg，最高值出现在卓资县，为0.35 mg/kg；As平均含量最高的是察右后旗，为13.09 mg/kg；最高值出现在凉城县，为30.77 mg/kg。各重金属最大值和最小值相差较大，其中，Cd差距最大，达3～1000倍，Cr相差最小，为1～3倍。各旗(县、区、市)5种重金属含量平均值与土壤背景值和农用地土壤污染风险筛选值比较见图2。所有地区的Cr、Cd和As含量均超过土壤背景值，部分地区Pb和Hg含量超过土壤背景值，但超过的幅度不大。绝大部分地区5种重金属含量均比乌兰察布市土壤背景值高，说明人为因素造成土壤中重金属含量升高。集宁区Cr和Hg平均含量在全市中最高，可能是集宁区工业体系相对于其他旗县较为发达，工业化程度相对较高，造成土壤中重金属含量偏高。所有地区的Cr、Pb和As含量标准偏差较小，离散程度较小，说明不同采样点重金属含量相差不大。Cd和Hg含量的标准偏差各个地区差异较大，离散程度大，说明人为因素造成了这2种重金属含量区域分布不均衡。所有地区的5种重金属含量均低于用地土壤污染风险筛选值，说明土壤污染风险较低。

表5 不同地区土壤重金属含量变化范围 mg/kg

2.2 土壤重金属地积累指数

乌兰察布市各旗(县、区、市)土壤重金属地累积指数见表6。由表6可知，各地区地累积指数存在较大差异，Cr的Igeo中，集宁区、察右前旗、察右中旗、察右后旗、四子王旗、商都县和兴县的Igeo在0.02～0.27之间，污染级别为轻度污染；化德县、凉城县、卓资县和丰镇市的Igeo<0,无污染。Cd的Igeo中，商都县和丰镇市的Igeo在1～2之间，土壤偏中度污染，四子王旗和化德县的Igeo<0，无污染，其他地区Igeo在0～1之间，土壤轻度污染。Pb的Igeo中，商都县、化德县、凉城县和兴和县Igeo在0～1之间，土壤轻度污染，其他地区Igeo<0，土壤无污染。Hg的Igeo中，所有地区的Igeo均小于0，土壤无污染。As的Igeo中，察右中旗、察右后旗、商都县和卓资县Igeo在0～1之间，土壤轻度污染，其他地区土壤Igeo均小于0，无污染。5种重金属Igeo总和除集宁区Igeo在0～1之间，土壤轻度污染外，其他地区Igeo均小于0，土壤无污染。集宁区Igeo和土壤中重金属含量相对应，更好地说明其土壤污染程度高于其他地区，但仍属于轻度污染程度。商都县5种重金属污染比例最高，为80%，除无Hg污染外，其他重金属均有污染，其中Cd为偏中度污染。四子王旗和化德县污染比例最低，为20%。丰镇市虽然只有Cd污染，污染比例也为20%，但污染级别为偏中度污染。

2.3 土壤重金属潜在生态危害风险指数

表6 乌兰察布市各旗(县、区、市)表层沉积物重金属元素地积累指数(Igeo)和划分等级

Hg无农用地土壤污染风险筛选值线，表明各地区重金属元素含量均未超出农用地土壤污染风险筛选值，图中字母A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K分别表示集宁区、察右前旗、察右中旗、察右后旗、四子王旗、商都县、化德县、凉城县、卓资县、兴和县、丰镇市。

乌兰察布市土壤重金属生态危害指数(RI)见表9。集宁区、商都县、化德县、卓资县及丰镇市土壤RI平均值在150～300之间，土壤属于中等生态危害，其他地区土壤RI<150属于轻微生态危害。各个地区潜在生态危害污染程度中，察右中旗、凉城县及兴和县潜在轻微生态危害污染程度占比均高于90%，土壤生态危害较轻。商都县和丰镇市潜在轻微生态危害污染程度占比分别为35.5%和34.9%。其他潜在生态危害级别占比较高，土壤生态危害风险较高。其他地区潜在轻微生态危害污染程度占比在60%～88%之间，土壤潜在生态危害不高。全市RI平均值为140.85，土壤属于轻微生态危害。全市所有地区RI标准偏差较大，说明非自然因素(主要是人为因素)对土壤影响较大，人为活动密集区土壤重金属含量较高，最终导致RI值偏高。

表7 乌兰察布市各旗(县、区、市)表层沉积物潜在生态危害系数

表8 乌兰察布市土壤重金属生态危害系数

表9 乌兰察布市土壤重金属生态危害指数(RI)

2.4 土壤重金属污染防治与管控建议

乌兰察布市矿产资源丰富，目前已发现的矿种有80多种，其中铜、萤石、石墨、膨润土、硅藻土、石灰石、煤炭等储量丰富。石墨资源储量达246.4万t，普通萤石保有资源储量为1848万t，四子王旗电气石矿床，电气石矿物量就达133万t，富集地段电气石的矿物含量高达50%～80%[25]。近几十年的大规模开采，造成土壤中重金属不同程度的污染。在今后矿产资源开发中要更加注重生态环境的保护，在开采和加工过程中严格控制废液、废气、废渣的排放，“三废”符合环保标准后才能排放。由于全市境内全年风力较大，企业生产过程中应加装防尘设备，避免矿物微粒通过大气流动扩散到其他地方。环保部门加大对相关企业的监督检查力度，严厉查处违法违规污染环境的违规操作，加大对企业周边土壤尤其是农业用地土壤重金属检测，实时监测土壤中重金属含量变化，切实保障土壤尤其是农业用地土壤安全。

3 结论

(1)乌兰察布市耕地土壤中Cr、Cd、Pb、Hg、As含量的平均值均低于农用地土壤污染风险筛选值，乌兰察布市土壤污染风险低，一般污染可以忽略。在全市各旗(县、区、市)中，各旗(县、区、市)5种重金属含量平均值均低于农用地土壤污染风险筛选值。集宁区Cr和Hg平均含量在全市中最高。

(2)乌兰察布市各地区土壤重金属地累积指数中，除商都县和丰镇市的CdIgeo在1～2之间，土壤偏中度污染外，其他地区5种重金属Igeo为0或1，土壤为无污染或轻度污染，5种重金属Igeo总和除集宁区Igeo在0～1之间，土壤轻度污染外，其他地区Igeo均小于0，土壤无污染。

(3)乌兰察布市土壤重金属潜在生态危害风险指数中，集宁区、商都县、化德县、卓资县及丰镇市土壤RI平均值在150～300之间，土壤属于中等生态危害风险，其他地区土壤RI<150属于轻微生态危害风险。全市RI平均值为140.85，土壤属于轻微生态危害风险。

(4)通过土壤重金属地累积指数和生态危害风险指数研究了乌兰察布市土壤生态污染状况，为持续改善土壤生态环境质量提供科学、合理数据支撑。