城市郊区典型区块农田土壤重金属污染风险评估——以郑州为例.pdf

江西农业学报 2023，35（09）：143148ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.09.022城市郊区典型区块农田土壤重金属污染风险评估以郑州为例杨海龙1，张 珂2，白保勋1，刘 楠2*，陈东海1，徐婷婷1（1.郑州市农业科技研究院，河南 郑州 450007；2.郑州轻工业大学 材料与化学工程学院，河南 郑州 450001）摘 要:以郑州市西郊农田为研究对象，取020 cm土样，测定其6种重金属元素的含量，并采用Pearson相关系数、内梅罗综合污染指数、地积累指数、潜在生态危害指数和生态风险预警指数分析了土壤重金属的含量、空间分布、相关性及生态风险。结果表明：土壤Pb、Cd、Zn、Cu、Cr和Ni的平均含量分别为31.67、0.07、58.05、18.15、18.84、24.76 mg/kg，其中Pb和Cd的平均含量分别是河南省土壤背景值的1.42倍和1.08倍，属于轻度污染；土壤重金属含量的变异系数介于26.23%72.36%，空间分布差异较大；Ni含量与Zn、Cr含量均呈极显著正相关（P0.01），它们的污染来源具有相似性，Ni、Cr、Zn、Cu污染来源于自然因素，Pb和Cd污染来源于交通运输和化肥使用；重金属的内梅罗综合污染指数为1.2，地积累指数介于-1.7460.506之间，潜在生态风险指数为49.57，生态风险预警指数为-0.479，属于轻度污染，整体潜在生态风险程度与生态风险预警等级较低。关键词:农田土壤；重金属；风险评估；污染特征 中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）09-0143-06Risk Assessment of Heavy Metal Pollution in Farmland Soil in Typical Blocks of Urban Suburbs:A Case Study of Zhengzhou YANGHai-long1,ZHANGKe2,BAIBao-xun1,LIUNan2*,CHENDong-hai1,XUTing-ting1 (1.ZhengzhouAcademyofAgriculturalScienceandTechnology,Zhengzhou450007,China;2.CollegeofMaterialsandChemicalEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450001,China)Abstract:ThefarmlandinthewesternsuburbsofZhengzhouwastakenastheresearchobject,andthecontentsofPb,Cd,Zn,Cu,CrandNiin020cmsoilsamplesoffarmlandinthisareaweredetermined.Thecontents,spatialdistribution,correlationandecologicalriskofheavymetalsinsoilwereanalyzedbyPearsoncorrelationcoefficientmethod,Nemerowcomprehensivepollutionindexmethod,landaccumulationindex,potentialecologicalharmindexandecologicalriskearlywarningindex.TheresultsshowedthatthecontentsofPb,Cd,Zn,Cu,CrandNiwere31.67,0.07,58.05,18.15,18.84and24.76mg/kg,respectively.PbandCdwere1.42timesand1.08timesthoseofthesoilbackgroundvalueinHenanProvince,whichbelongedtomildpollution.Thevariationcoefficientofsoilheavymetalcontentrangedfrom26.23%to72.36%,andthespatialdistributionwasdifferent.NicontentwaspositivelycorrelatedwithZnandCrcontent(P0.01).Ni,Cr,Zn,Cupollutioncomefromnaturalfactors,andPbandCdpollutionfromtransportationandfertilizeruse.ThecomprehensivepollutionindexofNemeroheavymetalpollutionis1.2,thegroundaccumulationindexisbetween-1.746and0.506,thepotentialecologicalriskindexis49.57,andtheecologicalriskearlywarningindexis-0.479,whichbelongtomildpollution.Thepotentialecologicalriskdegreeandecologicalriskearlywarninglevelarelow.Key words:Farmlandsoil;Heavymetal;Riskassessment;Pollutioncharacteristics0 引言土壤是农业生产的基础，耕地土壤的环境质量是农产品质量安全的保证，是国家粮食安全的第一道防线1-2。随着我国工业化、城镇化的快速发展，城市机动车数量急剧增加，工业废弃物和污泥污水的排放量上升，农药、化肥不合理使用的现收稿日期：2023-03-10基金项目：国家农业环境数据监测项目（NAES-AE-056）；郑州市社会科学调研项目（ZSLX20221075）。作者简介：杨海龙（1992），男，河南郑州人，硕士，从事土壤生态修复研究。*通信作者：刘楠。江 西 农 业 学 报35 卷144象普遍存在，上述因素均使得土壤环境问题日益严重，其中重金属污染形势尤为严峻3-4。重金属是一类潜伏性强、迁移速率慢、污染后果严重、生态环境效应复杂的污染物，重金属不断积累会影响土壤的理化性质，抑制土壤中微生物群落的活动，导致土壤质量和生产能力下降5-6。此外，重金属通过食物链进入人体后，会对人体的中枢神经、心脑血管等产生不可逆的伤害，甚至具有“三致效应”7-9。目前，我国土壤重金属污染情况较为严重，根据 全国土壤污染状况调查公报（2014年），我国耕地土壤重金属的点位超标率为19.4%，其中镉的点位超标率高达7.0%10。据测算，农田土壤重金属污染面积达2000万hm2，每年有1200万t粮食受到重金属污染，直接经济损失高达200亿元11。近年来，农田土壤重金属污染的面积还在不断扩大、污染程度还在不断加剧12-13。白婧等14研究发现锡矿山土壤中重金属Sb、Cd和Hg的平均含量远超湖南省土壤背景值，超标率均达到100%。韦壮绵等15研究发现湘南柿竹园东河流域农田土壤重金属的超标率最低为50.00%，最高达90.91%。张浩等16对洛阳市西南某铅锌尾矿周边土壤进行了调查研究，发现农田区土壤Pb、Zn、Cr、Cd和As等重金属的平均含量均高于土壤风险筛选值。郑州市是一个拥有千万级人口的省级城市，其经济发展水平较高。该市也是小麦主产区之一，保证其周边农田土壤环境安全的意义重大。本文应用多种评价方法对郑州市西郊农田土壤重金属污染情况及其潜在生态风险进行了评估，以期为郑州市的粮食安全生产提供科学依据。1 材料与方法1.1 样品采集及处理于2022年8月，根据 土壤环境监测技术规范（HJ/T1662044）17的相关要求，采用梅花布点法在郑州市西郊农田设置39个采样点（图1）。在每个采样点，于10m10m范围内设5个采样位，采集020cm的表层土壤；将5个采样位的土样混合均匀，然后用四分法取约1kg土壤，将其装入干净的塑料自封袋内。共采集土壤样品39个，将其运回实验室后，清除其中的砂砾、根系等异物，在室内自然风干，经研磨后过100目筛，装袋密封，放置于阴凉处备用。1.2 样品测定将备用土壤样品按照HNO3HClHF=6 21的比例在微波消解仪中进行消解18，重金属Pb、Cd、Zn、Cu、Cr、Ni的含量使用火焰石墨炉原子吸收光谱仪（ZEEnit700P）测定，每个样品做3个平行，同时加入国家标准物质（GBW07454）进行质量控制。pH值的测定采用电位法19。南水北调居民区厂房采样点绕城高速中原西路郑州轨道交通职业学院113 47113 5034 7534 79图1 郑州市西郊农田采样点的分布1.3 统计分析利用Excel2016软件对测定数据进行统计；利用SPSS21软件进行主成分分析和Pearson相关性分析；利用Origin2021软件制图。1.4 风险评价方法以河南省土壤重金属背景值20为参照，采用内梅罗综合污染指数（Nemerocomprehensivepoll-utionindex）21-23和地积累指数（Landaccumulationindex）24-25对土壤样品的重金属污染特征进行分析；采用LarsH提出的潜在生态风险指数（Potentialecologicalriskindex）26-27和Rapant等28提出的生态风险预警指数（Ecologicalriskearlywarningindex）对土壤重金属污染的生态风险进行评价。生态风险评价指数的计算方法见表1，土壤重金属污染等级的评价标准见表2。2 结果与分析2.1 农田土壤重金属污染的特征如表3所示，郑州市西郊农田土壤重金属Pb、Cd、Zn、Cu、Cr、Ni的含量平均值分别为31.67、0.07、58.05、18.15、18.84、24.76mg/kg，均明显低于 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB156182018）29中的风险筛选值；与河南省土壤背景值相比，除了Pb、Cd的平均含量高于背景值外，其余4种重金属的平均含量均低于背景值，可见郑州市西郊农田土壤质量整体较好。Pb、Cd的平均含量分别是背景值的1.42倍和1.08倍，这主要与周边主干道汽车尾气排放、农用化肥的9 期杨海龙等：城市郊区典型区块农田土壤重金属污染风险评估以郑州为例145使用和地质背景的共同作用有关30。变异系数可以反映不同点位间重金属含量的变异程度，变异系数越大，说明其受到人为活动因素的干扰越大，重金属含量的空间分布越不均匀31-33。一般认为，变异系数10%为弱变异，10%30%为中等变异，30%为强变异4。本研究区土壤6种重金属含量的变异系数均较大，说明研究区土壤重金属含量的离散程度较大，空间分布不均匀，有可能与周边国道、高速公路和工厂的影响有关。表1 土壤重金属污染的生态风险评价方法评价方法计算公式参数特征内梅罗综合污染指数Pi=CiSiPN=（P2ave+P2imax）2Pi为单因子污染指数；Ci为单一重金属的实测浓度（mg/kg）；Si为河南省土壤重金属的背景值（mg/kg）；PN为内梅罗综合污染指数；Pave为单一重金属污染指数的平均值；Pimax为单一重金属污染指数的最大值。地积累指数Igeo=log2CiSiKIgeo为地积累指数；K为因岩石差异可能引起的背景值的变化而取得的变异系数，一般取1.5。其余参数同上。潜在生态风险指数RI=Ei=TiCiSiRI为多种重金属的潜在生态风险指数；Ei为单一重金属的毒性系数；Ti为单一重金属的潜在生态风险指数。其余参数同上。生态风险预警指数I=Ii=（CiSi-1）I为生态风险预警指数；Ii为超过标准值的单一重金属生态风险指数。其余参数同上。表2 土壤重金属污染等级的评价标准单因子污染指数内梅罗综合污染指数地积累指数潜在生态风险指数生态风险预警指数Pi等级PN等级Igeo等级RI等级I等级1清洁0.7清洁0无污染150轻微风险0无警（1,2轻度污染（0.7,1尚清洁（0,1轻度污染（150,300中等风险（0,1预警（2,3中度污染（1,2轻度污染（1,3中度污染（300,600较强风险（1,3轻警3重度污染（2,3中度污染（3,5重度污染（600,1200很强风险（3,5中警3重度污染5严重污染1200极强风险5重警表3 研究区农田土壤重金属含量的统计分析结果统计项土壤重金属含量/（mg/kg）pH值PbCdZnCuCrNi最小值15.26034.139.6612.1615.766.73最大值52.180.1593.3230.4328.7135.428.13平均值31.670.0758.0518.1518.8424.767.44标准差12.290.0519.725.955.736.500.45变异系数/%38.8172.3633.9832.8030.4126.236.06背景值22.3000.06562.50020.00063.20027.400/风险筛选值120.00.3250.0100.0200.0100.0/注：背景值指河南省土壤重金属背景值；风险筛选值为农用地土壤污染风险管控标准值。2.2 农田土壤重金属污染来源解析相关分析是研究2个变量之间密切度的一种常用统计方法，相关系数可以有效表征重金属元素的污染程度和污染来源的相似程度34。相关分析结果如表4所示，Ni含量与Zn、Cr含量均呈极显著正相关（P0.01），相关系数分别为0.796和0.764，说明Zn、Ni、Cr的污染来源可能相同；Pb和Cd含量间，以及Zn和Cr含量间均存在显著正相关关系（P0.05），说明这2对重金属的污染来源可能相似。此外，在6种重金属之间还存在不显著的正相关关系，说明这些重金属可以存在复合污染现象。表4 土壤6种重金属含量间的相关系数元素PbCdZnCuCrNiPb1Cd0.638*1Zn0.2260.0621Cu0.5570.5330.0941Cr0.1030.3030.698*0.2641Ni0.4190.3730.796*0.1280.764*1注：*表示在0.05水平下显著相关；*表示在0.01水平下极显著相关。在同一主成分上具有较高载荷的元素可能存在同源性，因此，通过分析主成分的载荷矩阵可以有效地探查土壤重金属的来源35-36。采用Varimax江 西 农 业 学 报35 卷146旋转法对土壤重金属含量进行主成分分析，结果如表5、图2所示，特征值大于1的主成分有2个（F1、F2），这2个主成分的累计贡献率为78.201%。主成分F1的贡献率为50.426%，其中6种重金属的载荷在0.5400.868之间，其中Ni、Cr、Zn为主导元素，它们的载荷分别为0.868、0.779、0.727，表明这3种重金属呈富集状况；结合上述的相关分析结果，可以认为Ni、Cr、Zn的污染来源具有一致性。主成分F2的贡献率为27.775%，其中Cu、Cd、Pb的载荷较高，分别为0.610、0.574、0.567，呈现富集状态；结合相关分析结果，判断Cd和Pb的污染来源可能相似，而Cu与Cd、Pb的污染来源是否相似尚无法确定。表5 主成分的载荷矩阵项目F1F2Pb0.6530.567Cd0.6470.574Zn0.727-0.565Cu0.5400.610Cr0.779-0.430Ni0.868-0.374初始特征值3.0261.666初始方差贡献率/%50.42627.775累计方差贡献率/%50.42678.201土壤重金属的污染来源主要有金属加工、铅锌冶炼、交通运输及地质影响等。有研究表明Ni、Cr、Zn的富集主要受控于岩石地质背景37-38。在6种重金属元素中，仅Cd和Pb的平均含量超出了土壤背景值，可以判断Ni、Cr、Zn、Cu来自地质活动的迁移。Pb通常是交通运输污染元素的标志之一，轮胎刹车磨损、尾气排放等均会导致Pb污染，特别是大型货车39-41。磷肥和复合肥中Cd的含量普遍高于其他化肥中的42。本研究农田地块与绕城高速、310国道相邻，由此可以认为，Ni、Cr、Zn、Cu污染主要受制于自然因素，而Pb和Cd污染主要由交通运输和大量使用化肥导致。-1.0-0.50.00.51.0-1.0-0.50.00.51.0PC1PC21.00.50.0-0.5-1.01.00.50.0-0.5-1.0CuCdPbNiCrZn图2 主成分分析组件图2.3 农田土壤重金属污染评价采用内梅罗综合污染指数和地积累指数对农田土壤重金属污染情况进行评价，以定量描述土壤中重金属的污染程度。如图3所示，6种重金属的污染程度表现为PbCdZnNiCuCr，其中Pb、Cd的单因子污染指数分别为1.42和1.06，地积累指数分别为0.506和0.088；Zn、Cu、Cr、Ni的单因子污染指数均小于1，地积累指数均小于0；整体区域的内梅罗综合污染指数为1.20。由此说明，研究区域仅受到Pb和Cd的轻度污染，土壤环境状况整体良好。Pb和Cd的轻度污染与农药化肥的使用、污水灌溉、交通运输等人为因素有关43。单因子污染指数（Pi）地积累指数（Igeo）重金属元素重金属元素CdCrCuNiPbZnCdCrCuNiPbZn3210-13210-1-2-3-4图3 单因子污染指数和地积累指数的分布采用潜在生态风险指数和生态风险预警指数对研究区域土壤重金属污染的生态风险进行评价。生态风险评价综合考虑多种重金属元素的协同作用、毒性水平、污染浓度及生态效应，是一种相对快速、简单的评价方法44-45。生态风险预警不仅可以定量评价污染现状，而且还能实现对污染的定性分析46。本研究参考前人的研究结果5,47，将重金属元素Pb、Cd、Zn、Cu、Cr和Ni的毒性系数分别设为5、30、1、5、2、5，生态风险评价结果如图4所示，农田土壤重金属的生态风险水平依次为Pb9 期杨海龙等：城市郊区典型区块农田土壤重金属污染风险评估以郑州为例147CdCuNiZnCr，单一潜在生态风险指数全部小于40，潜在生态风险综合指数为49.57，说明研究区域处于轻微的生态风险水平。整体的生态风险预警指数为-0.479，其中Zn、Cu、Cr、Ni的生态风险预警指数均小于0，Pb、Cb的生态风险预警指数分别为0.420和0.063，表明研究区域仅受Pb、Cb的轻微污染，尚处于预警阶段。重金属元素重金属元素生态风险预警指数（Ii）潜在生态风险指数（RI）CdCrCuNiPbZnCdCrCuNiPbZn3210-1-2-3806040200-20图4 生态风险预警指数和潜在生态风险指数的分布3 结论本研究结果表明：郑州市西郊农田土壤重金属的内梅罗综合污染指数小于2，地积累指数均小于1，仅Pb、Cd两种重金属的平均含量高于土壤背景值，存在轻微污染现象，土壤环境状况整体良好；土壤重金属含量的变异系数普遍偏大，重金属污染空间分布不均，离散程度较大；Ni含量与Zn、Cr含量均呈极显著正相关，Pb和Cd含量间、Zn和Cr含量间均存在显著正相关关系，说明它们的污染来源可能相似；结合主成分分析结果，Ni、Cr、Zn、Cu污染主要受制于自然因素，而Pb和Cd的污染主要因为交通运输和大量化肥的使用；农田土壤重金属污染的潜在生态风险指数小于150，生态风险预警指数小于0，整体生态风险水平较低。参考文献：1 YangPG,MaoRZ,ShaoHB,etal.AninvestigationonthedistributionofeighthazardousheavymetalsinthesuburbanfarmlandofChina 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