滇中耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳立志，余小小，馬麗娟，羅飛杭

（1.湖南博世科環(huán)?？萍加邢薰?；2.湖南格瑞大地環(huán)境科技有限公司，長(zhǎng)沙 410006；3.中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所，昆明 650223）

云南地處亞歐板塊與印度洋板塊的交界地帶，擁有眾多有色金屬礦藏，重金屬元素在成土母質(zhì)風(fēng)化過(guò)程中不斷釋放和積累，使得云南土壤有較高的重金屬背景值[1]。本文選取滇中地區(qū)某坡耕地為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地采樣調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，了解該坡耕地土壤重金屬污染情況，并進(jìn)行土壤重金屬污染分析及耕地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為該坡耕地的后續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省澄江縣，平均坡度為16.33%，土質(zhì)類型為第四紀(jì)酸性紅壤。研究區(qū)耕地于20世紀(jì)50年代開(kāi)墾，主要種植烤煙、玉米等作物。

1.2 樣品采集與分析

研究區(qū)面積為30 000 m2，樣點(diǎn)布設(shè)和樣品采集參照《建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 25.1—2019）和《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 25.2—2019）中提供的系統(tǒng)隨機(jī)法，共采集40個(gè)表層0.5 m深度土壤樣品。每袋樣品質(zhì)量約為1 kg，裝入低溫保存箱，送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)。檢測(cè)指標(biāo)包括pH、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅、汞和鎘等。

1.3 評(píng)價(jià)方法

土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估常用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，該方法由瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出，是評(píng)價(jià)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一種相對(duì)快速、簡(jiǎn)便和標(biāo)準(zhǔn)的方法，又被稱為Hakanson指數(shù)法[2]。該方法同時(shí)考慮重金屬的毒理學(xué)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，將三種效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，定量地劃分土壤重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)[3]。相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：為重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)；RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，即潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)之和；為單個(gè)污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)；Ci為土壤中污染物的實(shí)測(cè)濃度，mg/kg；為參比值，通常為一個(gè)地區(qū)土壤重金屬背景值，此處選擇《中國(guó)土壤元素背景值》中的云南省土壤環(huán)境背景值[4]。

根據(jù)和RI值劃分潛在生態(tài)危害，如表1所示。

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 圖形制作與數(shù)據(jù)處理

圖形制作和處理使用Esri Arcgis10.1軟件，數(shù)據(jù)整理分析使用Excel2013、Notepad++軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀分析

由表2可知，研究區(qū)土壤總體偏酸性，檢出砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅等6種重金屬。重金屬含量范圍分別為：鉛43.7～553 mg/kg、鋅59.2～528 mg/kg、鉻41.3～307 mg/kg、銅25～116 mg/kg、砷20～77 mg/kg、鎳13.3～139 mg/kg。平均含量排序分別為鉛＞鋅＞鉻＞銅＞砷＞鎳，6種檢出的重金屬元素平均值全部超過(guò)《中國(guó)土壤元素背景值》中的云南省土壤環(huán)境背景值。其點(diǎn)位超標(biāo)率分別為100%、100%、67.5%、55%、100%和95%。超標(biāo)情況最嚴(yán)重的為鉛，最大超標(biāo)達(dá)123.99倍，平均超標(biāo)達(dá)38.30倍。鉛污染主要集中在南部；砷、銅、鋅和鎳污染主要集中在西北部；鉻在東北部和西南部分別有一個(gè)集中區(qū)域。根據(jù)表3土壤重金屬含量相關(guān)性分析結(jié)果，各重金屬元素分布無(wú)明顯相關(guān)性。

表2 土壤重金屬特征統(tǒng)計(jì)描述

表3 土壤重金屬含量相關(guān)性分析

2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

下面應(yīng)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)研究區(qū)的重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算，砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的毒性響應(yīng)系數(shù)分別取10、5、2、5、5、1[5]。經(jīng)計(jì)算，6種重金屬平均值由高向低的順序依次為鉛（196.513）＞砷（22.364）＞鎳（15.031）＞鋅（12.31）＞銅（5.417）＞鉻（2.505），鉛達(dá)到很強(qiáng)的潛在生態(tài)危害程度，其他重金屬平均Er i值均在40以下，為輕度生態(tài)危害程度。

計(jì)算點(diǎn)位綜合風(fēng)險(xiǎn)值，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比由高到低依次為：輕度（50%）＞較強(qiáng)（27.5%）＞中度（17.5%）＞很強(qiáng)（5%）。經(jīng)差值分析及繪制潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布圖，研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要為中度和較強(qiáng)，面積占比分別為46.03%和37.51%，其次為輕度風(fēng)險(xiǎn)，占15.65%，剩余0.81%的面積為很強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域。對(duì)比采樣點(diǎn)位圖和重金屬濃度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，S27和S30兩個(gè)點(diǎn)位鉛的值分別為681.034和568.966。鉛對(duì)兩個(gè)點(diǎn)位RI值的貢獻(xiàn)率分別為90.68%和88.53%。如表4所示，鉛對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)RI值的平均貢獻(xiàn)率分別為輕度47.31%、中度79.96%、較強(qiáng)84.72%和很強(qiáng)89.61%，鉛的貢獻(xiàn)率越高，風(fēng)險(xiǎn)越大。

表4 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率

鉛主要通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體，在人體內(nèi)取代某些酶中硫基（-SH）上的氫原子，使酶失去活性，造成酶的生物功能喪失。鉛會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)、骨髓造血系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、腎臟及生殖系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等多個(gè)臟器和系統(tǒng)的損傷，尤其會(huì)對(duì)兒童的腦部發(fā)育和骨骼發(fā)育造成終身?yè)p害[6]。

研究區(qū)耕地土壤重金屬（尤其是鉛）含量偏高，但通過(guò)訪談當(dāng)?shù)鼐用窦安殚喯嚓P(guān)資料，該坡耕地歷史上沒(méi)有任何工業(yè)設(shè)施，附近區(qū)域僅有一個(gè)已經(jīng)廢棄的磷礦廢渣堆場(chǎng)。因此，初步推斷該坡耕地的土壤重金屬污染為內(nèi)源性污染。

根據(jù)冉繼偉等[7]對(duì)云南省個(gè)舊市農(nóng)作物中重金屬含量的研究，個(gè)舊市大屯鎮(zhèn)農(nóng)田土壤鉛的平均含量為943.5 mg/kg，對(duì)應(yīng)的玉米可食用部分鉛超標(biāo)率為13%，具有很高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。生俊丹[8]研究發(fā)現(xiàn)，玉米、生姜、小白菜、芥菜、水稻、蔥和萵筍等農(nóng)作物可食用部分的鉛、鋅和鉻等重金屬含量明顯低于非可食用部分。因此，研究區(qū)后續(xù)應(yīng)種植非可食用農(nóng)作物，以避免食用該坡耕地農(nóng)作物造成人體重金屬中毒。

3 結(jié)論

研究區(qū)土壤6種重金屬的平均濃度排序?yàn)椋恒U（1 595.68 mg/kg） ＞ 鋅（220.84 mg/kg） ＞ 鉻（81.66 mg/kg）＞銅（50.16 mg/kg）＞砷（41.15 mg/kg）＞鎳（37.58 mg/kg）。其均高于云南省土壤環(huán)境背景值，各重金屬元素分布無(wú)明顯相關(guān)性。研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)主要為中度和較強(qiáng)。經(jīng)插值分析和計(jì)算，中度和較強(qiáng)潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域占研究區(qū)面積的比重分別為46.03%和37.51%，輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積占比為15.65%，僅0.81%的面積達(dá)到很強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，主要原因是該區(qū)域內(nèi)鉛濃度過(guò)高。鉛是該研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要污染因子，對(duì)輕度、中度、較強(qiáng)和很強(qiáng)等4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的貢獻(xiàn)率分別為47.31%、73.96%、84.72%和89.61%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他重金屬元素。研究區(qū)的總體重金屬污染情況比較嚴(yán)重，受到多種重金屬污染，雖未發(fā)生重金屬中毒事件，但應(yīng)采取一定措施，保障耕作人員的人身健康和農(nóng)作物的食用安全，防止重金屬通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。