重庆市垫江南部土壤重金属污染及潜在生态风险评价

胡小兰 雷冲 王显卿 宋金鞠 胡小俊 徐高海

摘要 ［目的］探究垫江县土壤重金属污染特征及生态风险状况，提出合理有效的风险管控建议。［方法］在垫江南部采集2 796件表层土壤（0～20 cm）样品，分析土壤中重金属（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）和土壤Cd有效态含量及土壤pH，采用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态风险指数法开展土壤重金属污染风险评价。［结果］研究区土壤中Cd、Cu、Ni、Pb和Zn累积效应明显。土壤As、Cd和Hg属于高度变异，受人类活动影响较大。土壤重金属的内梅罗综合污染指数以无污染和尚未污染（警戒线）为主，潜在生态风险指数处于轻微风险和中等风险为主，主要风险因子为Cd和Hg，中等风险区主要位于研究区西北部和东南部。土壤Cd的有效性和土壤pH相关性显著，酸性土壤中Cd的有效性更高。［结论］建议加强土壤酸化治理，缓解土壤酸化问题，降低农作物重金属超标的风险。

关键词 土壤重金属；污染特征；生态风险

中图分类号 X 825  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0064-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.016

Heavy Metal Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Soil in Southern Dianjiang in Chongqing

HU Xiao-lan， LEI Chong， WANG Xian-qing et al

（Chongqing Geology and Mineral Exploration and Development Bureau Nanjiang Hydrogeology Engineering Geology Team， Chongqing 401144）

Abstract ［Objective］To explore the characteristics of soil heavy metal pollution and ecological risk status in Dianjiang County， and to put forward reasonable and effective risk management and control suggestions.［Method］ 2 796 topsoil （0-20 cm） samples were collected in the southern Dianjiang， and the heavy metals （As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb and Zn） in the soil， soil Cd available state content and soil pH were analyzed， the single-factor pollution index， Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index method were used to carry out soil heavy metal pollution risk assessment. ［Result］The accumulation effect of Cd， Cu， Ni， Pb and Zn in the soil of the study area was obvious.As， Cd and Hg in soil were highly variable and were greatly affected by human activities. The Nemerow comprehensive pollution index of heavy metals in soil was mainly non-polluted and not yet polluted （warning line）， the potential ecological risk index was mainly at slight risk and moderate risk， the main risk factor was Cd and Hg， and the medium risk areas were mainly located in the northwest and southeast of the study area. The availability of soil Cd was significantly correlated with soil pH， and the availability of Cd was higher in acidic soil. ［Conclusion］It is recommended to strengthen soil acidification treatment to alleviate the problem of soil acidification and reduce the risk of excessive heavy metals in crops.

Key words Soil heavy metals;Pollution characteristic;Ecological risk

基金項目 重庆市2020年度第一批地质矿产勘查类项目（ZC-2020012）。

作者简介 胡小兰（1993—），女，四川泸州人，工程师，硕士，从事土地质量地质调查工作。

收稿日期 2022-06-27

土壤是最宝贵的自然资源，是人类不可或缺、赖以生存的物质基础［1］。随着社会经济的高速发展，城市化进程的不断加快，土壤污染问题日益加剧［2］。土壤重金属污染物具有潜伏性、持久性、不可逆性等特性，不仅危害农田环境，影响农产品质量，还可以通过土壤-作物-人体系统直接或间接在人体内累积，危及人体健康，是影响地区经济发展、限制生态文明建设的主要危害因子之一［3-5］。

垫江县地处成渝地区双城经济圈东向腹心地带、重庆主城都市区与渝东北三峡库区城镇群重要联结点，是川渝东部唱响“双城记”的“突击队”，是川东北渝东北陆上交通的重要枢纽。垫江县盛产水稻、玉米、油菜、花椒、脐橙等，是渝东北主要的粮食产地之一［6］。笔者以垫江县南部为研究对象，采用单因子指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态风险指数等方法，开展土壤重金属污染评价，根据评价结果，给出风险管控重点区域及管控措施建议，以期为地区生态文明建设和粮食安全生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

垫江县位于重庆市东北部、长江上游地区，东接丰都县、北临梁平区、西靠四川省邻水县、南接长寿区（图1）。地处华蓥山脉东部，地貌以丘陵为主，地势北高南低。属亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充沛，四季分明。主要出露侏罗系、三叠系地层，岩性以砂岩和灰岩为主。

1.2 样品采集与测试

按照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）［7］的要求，采用1∶50 000比例尺，在研究区耕地采用网格布样法，采样密度为4～6个/km2 ，以GPS定位的采样点为中心，向四周辐射30～50 m确定3～5个分样点，采样避开沟渠、林带、田埂、路边、旧房基、粪堆及微地形高低不平无代表性地段。采集0～20 cm的表层土壤样品，采集的各分样点土壤掰碎，挑出根系、秸秆、石块、虫体等杂物，充分混合后，四分法留取1.0～1.5 kg 装入样品袋。土壤样品风干、敲碎，过20目尼龙筛后及时送实验室测试。全区共采集表层土壤样2 796件。土壤样品分析测试由重庆市地质矿产勘查开发集团检验检测有限公司完成。

按照《区域地球化学样品分析方法》（DZ/T 0279—2016）［8］有关分析方法及检出限的要求，样品采取的测试方法有电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、等离子体发射光谱法（ICP-OES）、X射线荧光光谱法（XRF）和pH计电极法（ISE）等，分析土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量及土壤pH。采用薄膜梯度扩散技术（DGT）提取法分析土壤Cd有效态。

1.3 重金属污染评价方法

1.3.1 单因子污染指数法。

单因子污染指数可以简单有效地评估重金属污染状况和估计人类活动的影响，是对某一单项污染指标进行分析，计算公式如下［9］：

Pi=CiSi（1）

式中，Pi为单因子污染指数；Ci为重金属i的实测含量；Si为重金属 i的评价标准，采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018） ［10］ 给出的污染风险筛选值。单因子污染指数评价标准见表1。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法。

内梅罗综合污染指数法是基于单因子指数法而衍生出的综合性污染评价方法，既考虑了单因子污染指数的平均值和最大值，又能够反映各污染物对土壤的影响，具有突出最大污染物对土壤环境质量的优点，计算公式如下［11］：

P=P2iavg+P2imax2（2）

式中，P为内梅罗综合污染指数；Piavg为单因子污染指数的平均值；Pimax为单因子污染指数的最大值。内梅罗综合污染指数评价标准见表 2。

1.3.3 潜在生态风险评价。

采用瑞典学者Hakanson［12］提出的潜在生态危害指数法，对土壤重金属的潜在生态风险进行评价。该方法不仅将重金属的含量考虑在内，还将重金属的生态效应、环境效应和毒理学效应联系起来，是目前生态风险评价使用较广泛的方法，计算公式如下［12］：

Eir=T ir×CiCin（3）

RI=miEir（4）

式中，RI表示样品中重金属的潜在生态风险指数；Eir是重金属 i 的潜在生态风险系数；Ci为样品中重金属 i 的实测值；Cin 表示重金属i的背景值；T ir是重金属i的毒性系数，重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的毒性系数分别为10、30、2、5、40、5、5和1［13］。Hakanson 提出的 RI分级标准是基于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 和多氯联苯的毒性系數总和（133）计算得到的，RI的第一级限值为150，而此次研究是针对8种重金属开展的，因此，需要对RI的分级限值进行调整［14］，8种重金属的毒性系数和为98，因此RI对应的第一级限值为110。具体分级标准见表3～4。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量 从研究区耕地土壤重金属含量统计结果（表5）可以看出，重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的平均值分别为8.06、0.330、73.28、25.91、0.044、33.24、28.57和85.37 mg/kg。与重庆市表层土壤地球化学背景值［15］相比，研究区土壤中As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的均值明显偏高，超重庆市土壤背景值点位占比分别为58.66%、65.81%、62.45%、61.30%、56.72%和67.27%；与全国土壤背景值［16］相比，研究区土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的均值明显偏高，超全国土壤背景值点位占比分别为99.54%、87.20%、73.64%、81.26%、77.83%和79.11%；其中，Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量既超过了重庆市土壤背景值，也超过了全国土壤背景值，表明这些重金属在研究区土壤中都有一定程度的累积。

变异系数可以反映重金属在土壤中的均匀性和变异性，变异系数越大，元素在土壤中的含量分布越不均匀，受人类活动影响越大［17］ 。研究区土壤中Cr和Pb的变异系数小于15%，属于弱变异，空间差异不显著；Cu、Ni和Zn的变异系数介于15%～35%，属于中等变异，推测其主要受地貌和成土母质的影响［18］ 。土壤中As、Cd和Hg的变异系数大于35%，属于高度变异，说明在土壤中分布不均匀，受人类活动影响较大。

2.2 土壤重金属污染风险评价

研究区土壤重金属的单因子污染指数计算结果见图2，土壤Cd处于无污染（安全）、轻微污染（警戒线）、轻度污染、中度污染和重度污染的点位占比分别为85.76%、13.81%、0.39%、0和0.04%，以无污染（安全）和轻微污染（警戒线）为主，存在点状的轻度和重度污染。土壤As、Cu和Zn处于轻微污染（警戒线）的点位占比分别为0.11%、0.03%和0.03%。就单因子污染指数评价结果而言，研究区土壤以Cd超标为主，其余重金属的超标问题不显著。

研究区土壤重金属的内梅罗综合污染指数（P）介于0.18～3.89，平均值为0.56，处于无污染、尚未污染（警戒线）、轻度污染、中度污染和重度污染的比例分别为77.96%、19.78%、2.22%、0和0.04%；以无污染和尚未污染（警戒线）为主。轻度和重度污染以点状分布，主要位于研究区北部、东南部和中部地区（图3）。主要污染因子为Cd。

图4为研究区土壤重金属的潜在生态风险系数（Eir），土壤Cd处于轻微风险、中等风险、强风险和很强风险的点位比例分别为72.74%、26.83%、0.39%和0.04%，不存在极强风险；土壤Hg处于轻微风险、中度风险和强风险的点位比例分别为89.59%、9.77%和0.64%，不存在很强和极强风险；其余重金属多处于轻微风险。

研究区土壤重金属潜在生态风险指数（RI）评价结果见图5，潜在生态风险指数（RI）介于32.6～234.8，平均值为91.3。处于轻微风险、中等风险和强风险的比例分别为84.40%、15.46%和0.14%，不存在很强和极强风险。中等风险区主要位于研究区西北部和东南部。主要风险因子为Cd和Hg。

2.3 土壤Cd的有效性及风险管控建议

综上所述，造成研究区土壤重金属污染风险的主要影响因子为Cd。一般而言，土壤中Cd元素的活动性高、迁移能力强，易进入土壤-农作物系统中，进而影响人体健康及植物生长［19］，为了提出更加合理有效的风险管控建议，需进一步讨论土壤Cd的有效性及其影响因素。

已有研究表明，土壤pH是影响土壤Cd有效性的主要因素之一［20］，将Cd有效态占比与土壤pH的空间分布情况叠加，结果见图6。研究区土壤pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5和pH＞7.5的点位比例分别为16.28%、27.51%、14.56%和41.65%，酸性与中碱性土壤均接近于条带状分布。可以看出土壤pH对Cd的有效性具有显著影响，有效Cd占比超过20%的点位多位于酸性土壤中，说明酸性土壤中Cd潜在生态风险较高。

基于土壤重金属污染风险评级结果、土壤Cd有效性的影响因素及土壤pH分布特征可以看出，研究区北部和东南部存在显著潜在生态风险，建议加强土壤酸化治理，缓解土壤酸化问题，降低农作物重金属超标的风险［21-22］。

3 结论

（1）研究区土壤中As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的均值超重庆市土壤背景值点位占比分别为58.66%、65.81%、62.45%、61.30%、56.72%和67.27%，土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的均值超全国土壤背景值点位占比分别为99.54%、87.20%、73.64%、81.26%、77.83%和79.11%，表明Cd、Cu、Ni、Pb和Zn累积效应明显。土壤As、Cd和Hg属于高度变异，在土壤中分布不均匀，受人类活动影响较大。

（2）单因子污染评价结果显示，土壤Cd以无污染（安全）和轻微污染（警戒线）为主，存在点状的轻度和重度污染，其余重金属的超标问题不显著。土壤重金属的内梅罗综合污染指数（P）以无污染和尚未污染（警戒线）为主；轻度和重度污染以点状分布，主要位于研究区北部、东南部和中部地区；主要污染因子为Cd。

（3）潜在生态风险系数评价结果显示，土壤Cd处于轻微风险、中等风险、强风险和很强风险的点位比例分别为72.74%、26.83%、0.39%和0.04%；土壤Hg处于轻微风险、中度风险和强风险的点位比例分别为89.59%、9.77%和0.64%。潜在生态风险指数（RI）处于轻微风险、中等风险和强风险的比例分别为84.40%、15.46%和0.14%；中风险区主要位于研究区西北部和东南部；主要风险因子为Cd和Hg。

（4）土壤Cd的有效性和土壤pH相关性显著，酸性土壤中Cd的有效性更高。研究区北部和东南部存在显著潜在生态风险，建议加强土壤酸化治理，缓解土壤酸化问题，降低农作物重金属超标的风险。

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