永春县4种主要农产品产地土壤重金属含量及其风险评估

赵 兰

(永春县农业科学研究所， 福建 泉州 362600)

永春县位于福建省中南部，泉州市中北部，东经117°41′55″～118°31′9″，北纬25°13′15″～25°33′45″。土壤主要为花岗岩风化物形成的酸性红壤，地势由西北向东南倾斜，年均气温20.8℃，水热资源丰富。永春县盛产芦柑、佛手茶、蔬菜、水稻等农产品，是全国最大的佛手茶生产和出口基地，有“中国芦柑之乡”和“中国名茶之乡”之称。永春芦柑和佛手茶先后被列为国家地理标志保护产品[1-2]。随着生活水平的不断提高，人们更加关注食品安全和饮食健康。重金属是典型的土壤污染物，不易被微生物降解，土壤中累积的重金属对土壤质量和作物品质产生不利影响，甚至危害生态安全和身体健康[3-4]。因此，对主要农产品产地土壤重金属污染状况进行系统调查并进行风险评估，对保障农产品质量安全、推进农业绿色发展具有重要意义。

土地种植类型是人们在生产过程形成的特定生产形式，种植类型的改变不但会使耕作、施肥等管理措施发生变化，还会影响农田土壤重金属的迁移转化及富集。李灵等[3]研究表明，5种不同种植类型土壤中6种重金属综合污染指数排序为旱地>果园>竹林>稻田>茶园。而周萍等[5]研究显示，5种不同种植类型下，土壤中5种重金属综合污染指数大小排序为大棚蔬菜>果园>菜地>麦田>稻田。文献调查表明，永春芦柑和佛手茶产地土壤研究较少，鲜见永春芦柑和佛手茶主要产地重金属污染方面的研究。鉴于此，本研究测试分析永春县4种主要农产品产地(柑园、茶园、菜地、稻田)土壤中镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、镍(Ni)、铬(Cr)、锌(Zn)、铜(Cu)等8种重金属元素含量，采用单因子指数法和内梅罗综合指数法评价农产品产地土壤重金属污染状况，以期为永春县主要农产品质量安全监督管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 点位布设

采用网格法，根据污染程度、污染源类型和排放强度等进行布点，在1∶10 000土地利用现状图上划分网格，标出每个网格中心的经纬度，全县布设111个点位(其中柑园20个、茶园21个、菜地19个、稻田51个)。

1.2 样品采集与分析

采样前预先设计好网格中心经纬度，采样时在中心点附近选择均匀、平整的代表性田块作为采样地块(面积不小于150 m2)。采用S形5点采样法分别采集表层土样(稻田、菜地采样深度0～20 cm，柑园、茶园采样深度0～30 cm)，每个采样地块采集1 kg混合土壤样品，拣去杂物，风干过筛备用。

样品pH值测定参照NY/T 1377-2007《土壤pH的测定》，Pb、Cd含量测定参照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》，Hg含量测定参照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》，As含量测定参照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》， Ni含量测定参照GB/T17139-1997《土壤质量 镍的测定 火焰原子吸收分光光度法》，Cr含量测定参照HJ491-2009《土壤 总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》，Cu、Zn含量测定参照GB/T17138-1997《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》。

1.3 评价方法

参照GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[6]，将农用地土壤污染风险筛选值作为本研究的评价标准(表1)，采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法评估主要农产品产地土壤重金属生态风险。

表1 农用地土壤污染风险筛选值

1.3.1单因子污染指数法 本研究采用单因子污染指数法来评价农产品产地土壤重金属污染物的危害程度[7]。

计算公式为：Pi=Ci/Si

式中，Pi为第i种污染物的污染指数；Ci为第i种污染物实测浓度；Si为第i种污染物的评价标准值。根据污染指数(Pi)大小，将重金属污染物的危害程度划分为4个等级，即非污染(Pi≤1)、轻污染(13)。

1.3.2内梅罗综合指数法 本研究采用内梅罗综合指数法对土壤污染状况进行全面评价，克服单因子污染指数法的缺陷，通过综合污染指数全面反映重金属污染物的污染状况[8]。

计算方法如下：

式中：P综是采样点的综合污染指数；Pimax为第i采样点重金属污染物单项污染指数最大值，Pave为测定点所有污染物单项污染指数的平均值。根据综合污染指数(P综)大小，将土壤污染情况划分为5个等级，即安全(P综≤0.7)、警戒线(0.73.0)[9]。

2 结果与分析

2.1 4种主要农产品产地表层土壤pH值

由表2可知，永春县4种主要农产品产地土壤pH总体在4.34～6.37，其中柑园、茶园、菜地、稻田土壤pH均值分别为4.77、4.80、5.14、5.15，均小于7，呈弱酸性。

表2 4种主要农产品产地表层土壤pH值

2.2 4种主要农产品产地土壤重金属含量

由图1可知，柑园、茶园、菜地、稻田土壤中Cd、Pb、Hg、As、Ni、Cr、Zn、Cu元素含量(均值)分别介于0.06～0.22、46.17～76.19、0.09～0.17、2.34～4.51、24.52～28.58、12.45～30.20、91.05～120.28、27.10～74.10 mg·kg-1。

4种主要农产品产地土壤中，Cd含量以菜地最高，是含量最低的茶园3.67倍。Pb含量以柑园最高，是含量最低的菜地1.65倍。Hg、Ni含量在稻田土壤最高，分别是含量最低的柑园1.89倍和茶园1.17倍。As含量在稻田、菜地、柑园和茶园土壤中相对较低，分别是2.34、2.94、4.51、3.61 mg·kg-1。Cr、Cu和Zn含量以柑园最高，分别是含量最低的茶园2.43、2.73、1.32倍。除柑园土壤Pb外，其他重金属均未超出国标GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准(试行)》[6]筛选值。

注：图中单位为mg·kg-1图1 4种主要农产品产地土壤重金属含量Fig.1 Heavy metal content of the soil in the four main agricultural product producing areas

2.3 4种主要农产品产地土壤重金属的累积

4种主要农产品产地土壤Cd、Pb、Hg、As、Ni、Cr、Zn、Cu元素含量分别是福建省土壤元素背景值(Cd：0.054，Pb：34.9，Hg：0.081，As：5.78，Ni：13.5，Cr：41.3，Zn：82.7，Cu：21.6，单位mg·kg-1)[10]的1.11～4.07、1.32～2.18、1.10～2.10、0.40～0.78、1.82～2.12、0.30～0.73、1.10～1.45、1.25～3.43倍(图2)。4种主要农产品产地土壤中Cd、Pb、Hg、Ni、Zn和Cu含量均超出福建省元素背景值，表明研究区土壤中上述6种元素均出现了一定程度的累积。4种主要农产品产地土壤中重金属平均超标倍数为柑园(1.77倍)>菜地(1.66倍)>稻田(1.59倍)≥茶园(1.09倍)；8种重金属元素平均超标倍数为Cd(2.78倍)>Ni(1.98倍)>Cu(1.88倍)≥Pb(1.60倍)>Hg(1.59倍)>Zn(1.30倍)≥As(0.58倍)>Cr(0.50倍)。

图2 4种主要农产品产地土壤重金属含量超标倍数Fig.2 Exceeded multiples of the heavy metal content in the soil in the producing areas of four main agricultural products

2.4 4种主要农产品产地土壤重金属污染评价

2.4.1单因子污染指数评价 由表3可知，稻田表层土壤重金属单因子污染指数平均值(Pi)排序为：Pb>Cd>Hg>Cu>Zn>Ni>As≈Cr；菜地表层土壤重金属Pi排序为：Cd>Cu>Pb>Zn>Ni>Hg≈Cr>As；柑园表层土壤重金属Pi排序为：Pb>Zn>Cu>Ni>Cd>Cr>As>Hg；茶园表层土壤重金属Pi排序为：Pb>Cu>Zn>Ni>Cd>As>Cr>Hg。除柑园土壤Pb(1.09)外，其他重金属单项污染指数均小于1，说明永春县主要农产品产地土壤除柑园轻度污染外，其他种植类型土壤均处于尚未污染状态。

表3 4种主要农产品产地土壤重金属污染评价

2.4.2综合污染指数评价 为全面反映农产品产地土壤重金属污染状况，本研究采用内梅罗指数法来综合评价土壤污染水平。从表3可知，各元素综合污染指数(P综)由大到小为Pb(0.95)>Cd(0.63)>Cu(0.62)>Zn(0.57)>Ni(0.47)>Hg(0.43)>Cr(0.16)>As(0.10)。在整个研究区域中，所有土壤8种重金属综合污染指数均小于1，说明永春县主要农产品(芦柑、茶叶、蔬菜、水稻)产地土壤处于尚未被污染的状态，今后需要继续加大耕地保育和产地环境保护力度。

3 结论与讨论

本研究通过测定分析永春县4种主要农产品产地土壤重金属含量，并采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤中Cd、Pb、Hg、As、Ni、Cr、Zn、Cu等8种重金属元素污染风险进行了评估，结果表明： (1)4种主要农产品产地土壤中8种重金属元素除柑园土壤Pb(超标9.0%)，其他均未超出国标GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准(试行)》[6]筛选值。相关研究表明，交通排放[11]和污泥施用[12]是土壤中Pb元素的重要来源，而调查显示上述两种因素对永春柑园土壤中Pb的贡献较小。因此，永春县柑园土壤中Pb含量超标，可能与使用含砷酸铅的杀虫剂、除草剂等[13]等农用物资有关，或是因为长期单一种植模式下土壤重金属元素残留普遍较高所致[14]。(2)4种主要农产品产地土壤中Cd、Pb、Hg、Ni、Zn和Cu含量均超出福建省元素背景值，Cd积累最为明显，超过背景值178%。这可能与农业生产中施用富含Cd元素的磷肥有关[15]，因为含有重金属(如Cd等)的化肥中，重金属含量排序为磷肥>复合肥>钾肥>氮肥[16]。(3)4种主要农产品产地土壤中8种重金属单项污染指数除柑园土壤Pb外，其他重金属均小于1；所有土壤中重金属综合污染指数均小于1。说明永春县主要农产品产地土壤除柑园土壤Pb轻度污染外，其他种植类型的土壤均处于尚未被污染的状态。

总体而言，永春县主要农产品产地土壤大部分处于未被污染的状态，但产地土壤中Cd、Pb、Hg、Ni、Zn和Cu等6种元素含量均超过了福建省土壤重金属含量背景值，尤其是Cd元素累积趋势明显。由于一些毒性较大的重金属元素(如Cd、Cr等)易为农作物吸收利用，并随食物链进入人体富集，对人类身体健康产生不良影响[17-18]。因此，加强对主要农产品产地土壤重金属的长期监测及系统防治是今后的工作重点和努力方向。