滇中耕地土壤重金属污染现状及潜在生态风险评价

陈立志，余小小，马丽娟，罗飞杭

（1.湖南博世科环保科技有限公司；2.湖南格瑞大地环境科技有限公司，长沙 410006；3.中国科学院昆明动物研究所，昆明 650223）

云南地处亚欧板块与印度洋板块的交界地带，拥有众多有色金属矿藏，重金属元素在成土母质风化过程中不断释放和积累，使得云南土壤有较高的重金属背景值[1]。本文选取滇中地区某坡耕地为研究对象，通过实地采样调查和实验室检测，了解该坡耕地土壤重金属污染情况，并进行土壤重金属污染分析及耕地潜在生态风险评价，为该坡耕地的后续利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省澄江县，平均坡度为16.33%，土质类型为第四纪酸性红壤。研究区耕地于20世纪50年代开垦，主要种植烤烟、玉米等作物。

1.2 样品采集与分析

研究区面积为30 000 m2，样点布设和样品采集参照《建设用地土壤污染状况调查技术导则》（HJ 25.1—2019）和《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》（HJ 25.2—2019）中提供的系统随机法，共采集40个表层0.5 m深度土壤样品。每袋样品质量约为1 kg，装入低温保存箱，送第三方检测机构进行重金属含量检测。检测指标包括pH、砷、铅、铬、铜、镍、锌、汞和镉等。

1.3 评价方法

土壤重金属生态风险评估常用潜在生态风险指数法，该方法由瑞典科学家Hakanson于1980年提出，是评价重金属潜在生态风险的一种相对快速、简便和标准的方法，又被称为Hakanson指数法[2]。该方法同时考虑重金属的毒理学效应、环境效应和生态效应，将三种效应联系起来，定量地划分土壤重金属的潜在风险[3]。相关计算公式如下：

式中：为重金属的单项潜在生态风险指数；为重金属的单项污染指数；RI为综合潜在生态风险指数，即潜在风险系数之和；为单个污染物的毒性响应系数；Ci为土壤中污染物的实测浓度，mg/kg；为参比值，通常为一个地区土壤重金属背景值，此处选择《中国土壤元素背景值》中的云南省土壤环境背景值[4]。

根据和RI值划分潜在生态危害，如表1所示。

表1 潜在生态风险分级标准

1.4 图形制作与数据处理

图形制作和处理使用Esri Arcgis10.1软件，数据整理分析使用Excel2013、Notepad++软件。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属污染现状分析

由表2可知，研究区土壤总体偏酸性，检出砷、铅、铬、铜、镍和锌等6种重金属。重金属含量范围分别为：铅43.7～553 mg/kg、锌59.2～528 mg/kg、铬41.3～307 mg/kg、铜25～116 mg/kg、砷20～77 mg/kg、镍13.3～139 mg/kg。平均含量排序分别为铅＞锌＞铬＞铜＞砷＞镍，6种检出的重金属元素平均值全部超过《中国土壤元素背景值》中的云南省土壤环境背景值。其点位超标率分别为100%、100%、67.5%、55%、100%和95%。超标情况最严重的为铅，最大超标达123.99倍，平均超标达38.30倍。铅污染主要集中在南部；砷、铜、锌和镍污染主要集中在西北部；铬在东北部和西南部分别有一个集中区域。根据表3土壤重金属含量相关性分析结果，各重金属元素分布无明显相关性。

表2 土壤重金属特征统计描述

表3 土壤重金属含量相关性分析

2.2 潜在生态风险评估

下面应用潜在生态风险指数法对研究区的重金属潜在风险进行计算，砷、铅、铬、铜、镍、锌的毒性响应系数分别取10、5、2、5、5、1[5]。经计算，6种重金属平均值由高向低的顺序依次为铅（196.513）＞砷（22.364）＞镍（15.031）＞锌（12.31）＞铜（5.417）＞铬（2.505），铅达到很强的潜在生态危害程度，其他重金属平均Er i值均在40以下，为轻度生态危害程度。

计算点位综合风险值，各风险等级占比由高到低依次为：轻度（50%）＞较强（27.5%）＞中度（17.5%）＞很强（5%）。经差值分析及绘制潜在生态风险等级分布图，研究区潜在生态风险等级主要为中度和较强，面积占比分别为46.03%和37.51%，其次为轻度风险，占15.65%，剩余0.81%的面积为很强的生态风险等级区域。对比采样点位图和重金属浓度分布图可以发现，S27和S30两个点位铅的值分别为681.034和568.966。铅对两个点位RI值的贡献率分别为90.68%和88.53%。如表4所示，铅对各风险等级RI值的平均贡献率分别为轻度47.31%、中度79.96%、较强84.72%和很强89.61%，铅的贡献率越高，风险越大。

表4 土壤重金属生态风险贡献率

铅主要通过呼吸道进入人体，在人体内取代某些酶中硫基（-SH）上的氢原子，使酶失去活性，造成酶的生物功能丧失。铅会引起神经系统、骨髓造血系统、消化系统、心血管系统、肾脏及生殖系统和免疫系统等多个脏器和系统的损伤，尤其会对儿童的脑部发育和骨骼发育造成终身损害[6]。

研究区耕地土壤重金属（尤其是铅）含量偏高，但通过访谈当地居民及查阅相关资料，该坡耕地历史上没有任何工业设施，附近区域仅有一个已经废弃的磷矿废渣堆场。因此，初步推断该坡耕地的土壤重金属污染为内源性污染。

根据冉继伟等[7]对云南省个旧市农作物中重金属含量的研究，个旧市大屯镇农田土壤铅的平均含量为943.5 mg/kg，对应的玉米可食用部分铅超标率为13%，具有很高的生态风险。生俊丹[8]研究发现，玉米、生姜、小白菜、芥菜、水稻、葱和莴笋等农作物可食用部分的铅、锌和铬等重金属含量明显低于非可食用部分。因此，研究区后续应种植非可食用农作物，以避免食用该坡耕地农作物造成人体重金属中毒。

3 结论

研究区土壤6种重金属的平均浓度排序为：铅（1 595.68 mg/kg） ＞ 锌（220.84 mg/kg） ＞ 铬（81.66 mg/kg）＞铜（50.16 mg/kg）＞砷（41.15 mg/kg）＞镍（37.58 mg/kg）。其均高于云南省土壤环境背景值，各重金属元素分布无明显相关性。研究区土壤重金属潜在生态风险指数主要为中度和较强。经插值分析和计算，中度和较强潜在风险区域占研究区面积的比重分别为46.03%和37.51%，轻度风险区域面积占比为15.65%，仅0.81%的面积达到很强的风险等级，主要原因是该区域内铅浓度过高。铅是该研究区潜在生态风险的主要污染因子，对轻度、中度、较强和很强等4个风险等级的贡献率分别为47.31%、73.96%、84.72%和89.61%，远远大于其他重金属元素。研究区的总体重金属污染情况比较严重，受到多种重金属污染，虽未发生重金属中毒事件，但应采取一定措施，保障耕作人员的人身健康和农作物的食用安全，防止重金属通过食物链进入人体。