贵州省平坝区耕地土壤重金属含量分布特征及风险评价

杨晨东，蒋良富，孟超领

（1.贵州省煤田地质局水源队，贵阳 550000；2.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵阳 550000）

耕地是人类生存和发展的重要基础［1］。施肥、化学制造、采矿、冶炼、制革和化石燃料燃烧等人类活动是土壤中重金属积累的主要原因［2］。与水和空气污染相比，土壤重金属污染不可见，自净能力差，可通过食物链进入人体，对人体健康构成严重威胁［3，4］。区域农田土壤重金属污染是一个重要问题，云南省、贵州省、四川省等地区土壤重金属超标率在全国范围内属于较高水平［5］。对耕地重金属污染状况的分析和研究是实现农业可持续发展的重要工作。

土壤重金属污染问题较为复杂，越来越多的学者从环境与健康的角度对其进行了相关研究［6］。彭丽梅等［7］对广州市从化区耕地土壤重金属的研究显示，土壤中Cd 和Hg 污染程度最高；孙德尧等［8］对冀北山区某矿区周边耕地的研究发现，土壤重金属的空间分布具有明显特征，除As 外其他几种重金属平均浓度均高于土壤背景值，大部分土壤重金属存在一定的综合潜在生态风险，总体处于中等和轻微水平；周艳等［9］研究发现西南某铅锌矿区农田土壤中Cd 属于极高生态风险，Hg 和Pb 属于中等生态风险，综合潜在生态风险指数总体属于极高生态风险水平。2016 年国务院印发了《土壤污染防治行动计划》，该法规目的在于切实加强土壤污染防治，逐步改善土壤环境质量。

贵州省耕地资源稀缺，土壤质量水平较低，耕地资源较为宝贵［10］。随着人口和经济的不断增长，人们对土地需求量不断增加，平坝区成土母岩以碳酸盐类为主，属岩溶地貌，生态环境较为脆弱［11］。但对于岩溶地区耕地土壤重金属的赋存特征及来源解析鲜有研究。因此，本研究以贵州省平坝区耕地土壤为研究对象，分析土壤中Hg、Cd、As、Pb 和Cr 的含量特征，采用单因子污染指数（Pi）、内梅罗综合污染指数（PN）和潜在生态风险指数（RI）评价重金属污染状况，同时依据人体健康风险评价模型评估人体健康风险，以期为耕地土壤重金属污染的有效防控和农作物的安全生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

贵州省平坝区地处105°59′—106°34′E，26°15′—26°38′N。位于云贵高原东侧梯状斜坡中段，贵州省中部，地势西北高东南低，中部较平坦，高原台地、山地、丘陵盆地坝子错落分布。该区属北亚热带季风性湿润气候，季风气候显著，四季气候温和，雨量充沛。

1.2 样品采集与分析测定

遵循网格数量与采样密度一致的原则，采用网格加图斑的方法进行耕地土壤样点布设。具体布设时既要遵循设计，又要结合现场特点考虑采样点的代表性、均匀性、控制性和合理性。共采集77 个土壤样品，采样点位置分布如图1 所示。将采集的土壤样品自然风干后，用木锤碾压并剔除杂质，过2 mm 孔径筛，过筛后耕地土壤样品称重后均匀混合。采用四分法，一部分样品用纸袋盛装送实验室分析，其余装入无菌自封袋，送样品库保存。

图1 采样点位置分布

土壤样品由四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心测定，测定元素包括Hg、Cd、As、Pb和Cr，其中，Hg 和As 采用原子荧光光谱法（AFS）测定；Cd 采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定；Pb 和Cr 采用X 射线荧光光谱法（XRF）测定。并按照《多目标区域地球化学调查规范（1∶250 000）》（DZ/T 0258—2014）要求，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［12］。

1.3 数据处理

通过Excel 2013 软件对测定结果进行统计处理，采用SPSS 22.0 软件进行相关性分析，Origin 2022 软件进行相关图形绘制，Coreldraw X7 软件作采样位点分布图。

1.4 评价方法

1.4.1 土壤重金属污染现状评价

1）单因子污染指数（Pi）。单因子污染指数法［13］是以土壤元素背景值为评价标准来评价重金属元素的累积污染程度，其计算式如下。

式中，Ci为土壤中重金属i的实测浓度，mg/kg；Si为土壤重金属i的环境质量标准，选取贵州省土壤重金属背景值进行评价，其中Hg、Cd、As、Pb 和Cr 的背景值分别为0.10、0.12、13.30、24.70、81.60 mg/kg［14，15］。

2）内梅罗综合污染指数（PN）。内梅罗指数法［16］可以综合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，并计算得到各单个污染物的污染指数，适合对土壤重金属联合污染进行综合评价。计算式如下。

式中，Pave和Pmax分别表示所有土壤重金属污染指数的平均值和最大值。土壤重金属单因子污染指数和综合污染指数分级标准见表1［17，18］。

表1 土壤重金属单因子污染指数和综合污染指数分级标准

1.4.2 土壤重金属潜在生态风险评价 采用Hakanson 潜在生态风险分级标准进行评价，该评价方法通常用于评价土壤或沉积物中单一污染物和多种污染物组合的潜在生态风险，其充分考虑了土壤或沉积物中的重金属浓度、污染物类型、毒性水平和水对重金属污染的敏感性，可以综合评价环境中特定污染物和多种污染物对外界的影响［7，19］。其计算式如下。

式中，为潜在生态危害系数为重金属i的毒性指数；RI为潜在综合生态风险指数。研究表明［20］，其规律为Hg（40）＞Cd（30）＞As（10）＞Pb（5）＞Cr（2）；Ci/Si为重金属i的污染指数。土壤重金属潜在生态风险评价分级标准见表2［17］。

表2 土壤重金属潜在生态风险评价分级标准

1.4.3 人体健康风险评价 健康风险评估是通过计算人体暴露在化学物质中吸收量来评估致癌和非致癌健康风险的方法［21］。参照USEPA 提出的健康风险模型和标准，评价研究区耕地表层土壤农田重金属的人体健康风险，同时结合相关学者的研究［22，23］，确定计算式（5）至式（7）。土壤中每种重金属的暴露途径可以用平均日摄入量（ADI）来表示。

经口摄入途径ADIing［（mg/（kg·d）］：

经呼吸摄入途径ADIinh［（mg/（kg·d）］：

经皮肤摄入途径ADIder［（mg/（kg·d）］：

式中，C表示土壤中重金属浓度（mg/kg），其他各符号含义及取值见表3。

表3 土壤重金属健康风险评价参数

风险表征的计算式如下。

非致癌性风险和致癌性风险所使用的方程分别如式（8）至式（10）所示。单一重金属的非致癌风险为危害商（HQ），HI为多种物质或一种物质多种暴露方式的非致癌风险指数，无量纲。TCR为总癌症风险。HQ或HI＜1 表明重金属非致癌风险可忽略，反之存在非致癌风险，CR/TCR可接受风险水平为10-6～10-4，高于10-4表明存在明显的致癌健康风险［28，32］。不同暴露途径的RfD和SF参考值如表4 所示［33］。

表4 非致癌金属的参考剂量（RfD）和致癌金属的斜率因子（SF）

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

各采样点土壤中重金属含量如表5 所示。由表5 可知，Hg、Cd、As、Pb 和Cr 的含量范围分别为0.06～1.82 mg/kg、0.17～2.93 mg/kg、5.33～89.30 mg/kg、15.00～90.00 mg/kg 和82.30～187.00 mg/kg，平均值分别为（0.22±0.21）mg/kg、（0.52±0.44）mg/kg、（20.96±15.03）mg/kg、（40.64±13.62）mg/kg 和（121.31±24.92）mg/kg。与GB 15618—2018 中各重金属风险管控值相比，各采样点土壤重金属含量均低于风险管控值，即与国家标准相比无重金属污染现象发生。各采样点重金属含量最大值与贵州省土壤重金属背景值相比，Hg、Cd、As、Pb 和Cr 最大值分别增加了17.2、23.4、5.7、2.6 倍和1.3 倍。

变异系数（CV）常用于表征土壤重金属元素在空间上的变异和分散程度，CV＜0.10 为弱变异，CV在0.10～0.30 为中等变异，CV＞0.30 为强变异，CV越大，可能受外界的人类活动影响就越大［34］。研究区域Hg、Cd、As、Pb 和Cr 的平均变异系数分别为0.96、0.84、0.72、0.34 和0.21，其大小表现为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cr。说明Hg、Cd、As 和Pb 元素为强变异，受人为外界活动影响较大，原因可能为施加化肥农药、交通和矿山活动人为因素导致；Cr 为中等变异，相对其他元素来说受人为因素影响较小。

2.2 土壤重金属污染评价

研究区土壤重金属污染特征如图2 和图3 所示。从图2 可以看出，Hg 的单因子污染指数在马场和齐伯属中度污染水平（3＜Pi≤5）；在白云和天龙属轻度污染水平（2＜Pi≤3）；其他采样区属轻微污染水平（1＜Pi≤2）。Cd 的单因子污染指数在白云和马场属轻度污染水平（2＜Pi≤3）；在羊昌、高峰、夏云和乐平属中度污染水平（3＜Pi≤5）；在十字、齐伯、城关和天龙属于重度污染水平（Pi＞5）。As 的单因子污染指数在乐平、城关和天龙属于轻度污染水平（2＜Pi≤3）；在其他采样点属于轻微污染水平（1＜Pi≤2）。Pb 的单因子污染指数除在城关属轻度污染水平（2＜Pi≤3）外，在其余采样区属轻微污染水平（1＜Pi≤2）。各区域Cr 的单因子污染指数均在1＜Pi≤2，属轻微污染水平。由图3 可知，在综合污染评价中，除十字、齐伯、城关和天龙属重度污染（PN＞3）外，其他采样区均属于中度污染（2＜PN≤3）。综上所述，平坝区耕地以贵州省重金属背景值浓度评价时，各采样点重金属均有不同程度污染，其中Hg、Cd 和As 相对污染较严重，应充分重视。

图3 平坝区土壤重金属综合污染指数

2.3 土壤重金属潜在生态风险指数评价

表6 为基于贵州省土壤背景值的土壤重金属Hakanson 潜在生态风险评价结果，由表6 可知，单一重金属Hg 和Cd 的潜在生态危害系数范围分别为57.79～132.64 和83.44～350.17，均值分别为87.57 和149.06，表明平坝区耕地土壤中Hg 和Cd 处于较高生态风险等级；As、Pb 和Cr 的潜在生态风险指数均低于40.00，处于轻微生态风险等级。研究区域各重金属潜在综合生态风险指数变化范围为183.00～505.93，均值为265.50，综合表现为中等生态风险等级，其中，齐伯和天龙的风险等级为较高，表明该地土壤重金属对周边环境的影响较大，需进一步加以控制和预防。

表6 土壤重金属Hakanson 潜在生态风险评价

2.4 土壤重金属来源分析

2.4.1 土壤重金属相关性分析 相关分析方法常用于土壤重金属来源解析，通过研究一定区域内重金属总量间相关性可推测研究区土壤重金属间是否具有共同行为、来源等特征，重金属之间相关性越显著，表明其来源途径越接近［17，35，36］。分析耕地重金属与各理化性质间相关性（表7）发现，土壤Hg 与As存在显著正相关关系（P＜0.05）；Cd 与Cr 呈显著正相关（P＜0.05）；土壤As 与Pb、Cr 呈极显著正相关（P＜0.01）；Pb 与Cr 呈极显著正相关（P＜0.01）。综上所述，土壤As、Pb 和Cr 之间两两存在极显著相关性（P＜0.01），Hg 和As 以及Cd 和Cr 之间也存在显著相关性（P＜0.05），表明在调查区域耕地土壤中，各重金属含量间可以相互影响，可能具有相似的来源。

2.4.2 土壤重金属主成分分析 土壤重金属污染是由成土母质与人类活动引起的，通过主成分分析可以有效判断重金属元素的污染来源［9］。土壤形成过程中元素之间往往表现出一定组合特征，采用主成分分析不仅可以较好地分析这些元素的组合特征，还能有效避免出现样品变量空间上的多元性，使其更好地提取样品变量间的信息［37］。相关结果见表8，根据污染物浓度提取了特征值大于1.000 的前两个组分，主成分因子累积贡献率为61.783%，两个主成分的分析基本可以反映5 种重金属的污染情况。

表8 土壤重金属元素主成分分析

第一主成分（PC1）的贡献率为37.461%，结合表9可以看出，其在As 和Pb 的含量上载荷较高，主要反映了As 和Pb 的富集信息。调查发现，研究区域中存在部分工业源、农业源和生活源污染的影响，由表7 可以看出，土壤As 和Pb 之间存在极显著相关性（P＜0.01），说明土壤中As 和Pb 具有相似来源，且其变异系数均大于0.30，为强变异，表明人类活动对土壤As 和Pb 含量影响较大。土壤重金属的富集（或污染），除人为因素输入外，地质成因的来源通常认为源自富重金属母岩风化的贡献［38-40］，本次调查中发现，平坝区成土母岩以碳酸盐类为主。碳酸盐岩是地壳中一类极贫重金属的岩石类型，然而在对全国土壤元素背景值调查以及土壤重金属纬向分异的研究中，均发现由碳酸盐岩发育的土壤普遍存在重金属富集的现象［40，41］，可能是影响平坝区耕地土壤中As和Pb 含量的又一因素。Cd 和Cr在第二主成分（PC2）上有较高载荷，主要反映了Cd 和Cr 的富集信息。土壤Cd 和Cr 之间存在显著相关性（P＜0.05），说明土壤中Cd 和Cr 具有相似来源。Cd 为强变异，Cr 为中等变异，表明其在一定程度上受人为因素影响，其含量主要与人类活动有关。

表9 土壤重金属初始因子载荷矩阵

2.5 土壤健康风险评价

2.5.1 非致癌风险 通过计算成人和儿童的总暴露量以及相应的癌症和非癌症风险，评估通过经口摄入、呼吸摄入和皮肤摄入土壤重金属造成的人类健康风险。

表10 为平坝区耕地土壤重金属非致癌风险情况。从表10 可以看出，无论对于成人还是儿童而言，研究区域不同暴露途径下导致的非致癌风险均表现为经口摄入＞皮肤摄入＞呼吸摄入，说明经口摄入暴露途径对研究区成人和儿童的非致癌风险最大。研究区成人HI＜1，重金属非致癌风险可忽略，但儿童重金属非致癌风险较大（HI＞1），与成人相比平均高出4.9 倍。

表10 平坝区耕地土壤重金属的非致癌风险

研究区5 种重金属对成人和儿童的非致癌风险（HIi）大小均表现为Pb＞As＞Cr＞Hg＞Cd，从表10 可以看出，Pb 和As 成人和儿童的占比分别为45.84%、34.75%和50.54%、31.05%，即Pb 和As 为非致癌风险较高的元素，说明研究区Pb 和As 非致癌风险应引起重点关注。

2.5.2 致癌风险 平坝区耕地土壤重金属的致癌风险情况如表11 所示，研究区域不同暴露途径下导致的致癌风险中，成人和儿童均表现为经口摄入＞皮肤摄入＞呼吸摄入，与非致癌风险类似，经口暴露途径为研究区成人和儿童的致癌风险最大途径。平坝区成人及儿童的总致癌风险（TCR）均处于10-6～10-4，为可接受风险。

表11 平坝区耕地土壤重金属的致癌风险

研究区5 种重金属对成人和儿童的致癌风险（CRi）大小均表现为Cr＞As＞Cd＞Pb（除Hg 外），Cr 和As 之和占比分别为96.44%和96.37%，表明Cr 和As是该地区致癌风险较高的元素。

3 小结与讨论

1）平坝区耕地土壤中重金属Hg、Cd、As、Pb 和Cr 的含量平均值分别为（0.22±0.21）mg/kg、（0.52±0.44）mg/kg、（20.96±15.03）mg/kg、（40.64±13.62）mg/kg、（121.31±24.92）mg/kg，均低于GB 15618—2018 中各重金属风险管控值，说明平坝区耕地土壤无重金属污染现象发生，但结合贵州省重金属背景值来看，仍然具有潜在污染风险，需进一步加以重视和预防。

2）单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价结果显示，平坝区耕地土壤以贵州省重金属背景值浓度评价时，各采样点均有不同程度重金属污染，其中Hg、Cd 和As 相对污染较严重，应充分重视。潜在生态风险指数评价结果表明，平坝区Hg 和Cd 处于较高生态风险等级，需要注意土壤Hg 和Cd 潜在污染的防范。As、Pb 和Cr 处于轻微生态风险等级，区域综合生态风险指数表现为中等生态风险等级。

3）在重金属来源的分析中，提取了特征值大于1.000 的前两个组分，主成分因子累积贡献率为61.783%，第一主成分（PC1）以As 和Pb 为主，第二主成分（PC2）以Cd 和Cr 为主。在研究相关性时发现，As 和Pb 之间存在极显著相关性（P＜0.01），Cd 和Cr之间存在显著相关性（P＜0.05），表明其具有相似的重金属来源。同时因其CV均大于0.1，表明其含量可能受人为活动影响。

4）研究区域人体健康风险评价等级较低，致癌和非致癌风险中，成人和儿童的暴露途径大小均表现为经口摄入＞皮肤摄入＞呼吸摄入，区内整体致癌风险为可接受，在非致癌风险中成人无非致癌风险，但儿童非致癌风险较大（HI＞1）。