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.pdf

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(重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，重庆 401144)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(020 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X825文献标识码A文章编号05176611(2023)07006404doi:103969/jissn05176611202307016开放科学(资源服务)标识码(OSID):Heavy Metal Pollution and Potential Ecological isk Assessment of Soil in Southern Dianjiang in ChongqingHU Xiao-lan，LEI Chong，WANG Xian-qing et al(Chongqing Geology and Mineral Exploration and Development Bureau NanjiangHydrogeology 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 putforward reasonable and effective risk management and control suggestions Method2 796 topsoil(020 cm)samples were collected in thesouthern 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 wereanalyzed，the single-factor pollution index，Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index method were used tocarry out soil heavy metal pollution risk assessment esult The accumulation effect of Cd，Cu，Ni，Pb and Zn in the soil of the study areawas obviousAs，Cd and Hg in soil were highly variable and were greatly affected by human activities The Nemerow comprehensive pollutionindex of heavy metals in soil was mainly non-polluted and not yet polluted(warning line)，the potential ecological risk index was mainly atslight risk and moderate risk，the main risk factor was Cd and Hg，and the medium risk areas were mainly located in the northwest and south-east 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 ex-cessive heavy metals in cropsKey wordsSoil heavy metals;Pollution characteristic;Ecological risk基金项目重庆市2020 年度第一批地质矿产勘查类项目(ZC2020012)。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20220627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一35。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11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。12样品采集与测试按照 土地质量地球化学评价规范(DZ/T 02952016)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 46 个/km2，以 GPS定位的采样点为中心，向四周辐射 3050 m 确定 35 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 020 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 1015 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 02792016)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(ICPMS)、等离子体发射光谱法(ICPOES)、X 射线荧光光谱法(XF)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)提取法分析土安徽农业科学，JAnhui AgricSci 2023，51(7):6467，76壤 Cd 有效态。图 1研究区地理位置Fig1Geographical location of the study area13重金属污染评价方法131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 156182018)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。表 1单因子污染指数评价标准Table 1Evaluation standard of single factor pollution index等级Grade单因子污染指数Single factorpollution index(Pi)污染程度Pollution level1Pi1无污染(安全)21Pi2轻微污染(警戒线)32Pi3轻度污染43Pi5中度污染5Pi5重度污染132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。表 2内梅罗综合污染指数评价标准Table 2Evaluation standard of Nemerow comprehensive pollution in-dex等级Grade内梅罗综合污染指数Nemerow comprehensivepollution index(P)污染程度Pollution level1P07无污染207P10尚未污染(警戒线)310P20轻度污染420P30中度污染5P30重度污染133潜在生态风险评价。采用瑞典学者 Hakanson12 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=TirCiCin(3)I=miEir(4)式中，I 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;Tir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 113。Hakanson 提出的 I 分级标准是基于 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 和多氯联苯的毒性系数总和(133)计算得到的，I 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 I 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 I 对应的第一级限值为110。具体分级标准见表 34。表 3重金属潜在生态风险系数分级标准Table 3Classification standard of potential ecological risk coefficientof heavy metals等级GradeEir生态风险程度Ecologicalrisk degree1Eir40轻微240Eir80中等380Eir160强4160Eir320很强5Eir320极强2结果与分析21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806、0330、7328、2591、0044、3324、5651 卷 7 期胡小兰等重庆市垫江南部土壤重金属污染及潜在生态风险评价表 4重金属潜在生态风险指数分级标准Table 4Classification standard of potential ecological risk index ofheavy metals等级GradeI生态风险程度Ecologicalrisk degree1I110轻微3110I220中等4220I440强5440I880很强6I880极强2857 和 8537 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 5866%、65.81%、6245%、6130%、5672%和 6727%;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%、7364%、8126%、7783%和7911%;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。表 5研究区土壤中重金属含量Table 5Heavy metal content in soil in the study area单位:mg/kg项目 ItemAsCdCrCuHgNiPbZn最小值 Minimum06100743030485000874915102480最大值 Maximum3830307912700767002656710880030880平均值 Mean8060330732825910044332428578537重庆市土壤背景值15 Chongqing soil background value6620280744024600069316028108190全国土壤背景值16 National soil background value11200100610022600070269026007420变异系数 CV%4442377114872669507225021320212222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 8576%、1381%、039%、0 和 004%，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 011%、003%和 003%。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。图 2土壤重金属单因子污染指数评价结果Fig2Evaluation results of soil heavy metal single factor pollu-tion index研究区土壤重金属的内梅罗综合污染指数(P)介于018389，平均值为 056，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 7796%、1978%、222%、0 和 004%;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 3土壤重金属内梅罗综合污染指数评价结果Fig3Evaluation results of soil heavy metal Nemero comprehen-sive pollution index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 7274%、2683%、039%和 004%，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%、977%和 064%，不存在很强和极强风险;其余重金属多处于轻微风险。66安徽农业科学2023 年图 4土壤重金属潜在生态风险系数Fig4Potential ecological risk coefficient of soil heavy metals研究区土壤重金属潜在生态风险指数(I)评价结果见图 5，潜在生态风险指数(I)介于 326 2348，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%、1546%和 014%，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。图 5土壤重金属潜在生态风险指数评价结果Fig5Evaluation results of potential ecological risk index ofheavy metals in soil23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 pH55、55pH65、65pH75 和 pH75 的点位比例分别为 1628%、2751%、14.56%和 4165%，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。图 6土壤 Cd 有效态含量与土壤 pHFig6Soil Cd available content and soil pH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2122。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 5866%、6581%、6245%、6130%、5672%和 6727%，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 9954%、8720%、7364%、8126%、7783%和 7911%，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%、2683%、039%和 004%;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(I)处于轻微风险、中等风险和强风险的比例分别为 8440%、1546%和 014%;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。(下转第 76 页)7651 卷 7 期胡小兰等重庆市垫江南部土壤重金属污染及潜在生态风险评价体系构建总体方案，要求查清草原资源的类型、生物量、等级、生态状况以及变化情况，获取草原资源植被覆盖度、草原生产力等指标数据，掌握草原植被生长、利用、退化、鼠害病虫害、草原生态修复状况等信息。目前开展草原资源调查监测的技术规程不能满足上述要求，需进一步修改完善技术规程，增加调查因子，拓展调查范围，推动固定监测点建设，完善调查监测体系。三是提升专业队伍素质，充分挖掘草原调查监测数据。随着全面深化改革的推进，原有的草原监管机构撤销或合并，导致部分草原监管机构变动，从事草原调查监测的人员流失比较严重，建议由专业的调查机构承担此项任务。同时，结合大数据、机器学习等先进技术方法，对草原资源调查监测数据进行对比、分析，充分发掘采集数据的内在规律，为预测草原变化态势、预警灾情信息、科学合理利用草原、实施草原保护建设工程等工作提出精准合理的对策与建议。参考文献 1 姜亮亮，马林草原监测工作现状及发展对策探讨 J 大连民族大学学报，2018，20(4):319322，337 2 唐芳林，周红斌，朱丽艳，等构建林草融合的草原调查监测体系 J 林业建设，2020(5):1116 3 苏大学中国草地资源调查与地图编制 M 北京:中国农业大学出版社，2013:517 4 王铁梅我国草原资源调查的制度与方法思考 J 中国土地，2020(3):3941 5 LI B，YONG S P，LIU Z HThe vegetation of the Xilin river basin and itsutilizationM/Inner Mongolia Grassland Ecosystem esearch Stationesearch on grassland ecosystems:Vol3Beijing:Science Press，1988:84183 6 BAI Y F，HAN X G，WU J G，et alEcosystem stability and compensatoryeffects in the Inner Mongolia grassland J Nature，2004，431(7005):181184 7 牛建明气候变化对内蒙古草原分布和生产力影响的预测研究 J 草地学报，2001，9(4):277282 8 WANG 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