果蔗地土壤重金屬含量特征及風(fēng)險評價

第第頁果蔗地土壤重金屬含量特征及風(fēng)險評價摘要：以廣西壯族自治區(qū)果蔗地表層土壤（0～20cm）作為調(diào)查對象，分析了土壤中重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的含量。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為參照標(biāo)準(zhǔn)，采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究區(qū)域土壤中重金屬污染特征及其生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量分別為0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28mg/kg，綜合污染指數(shù)為2.03，屬于中污染。地積累指數(shù)評價結(jié)果表明，Cd的地積累指數(shù)為1.02，屬于中等污染，Hg的地累e指數(shù)為0.30，處于輕-中等污染；潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)評價結(jié)果顯示，研究區(qū)域土壤中重金屬污染處于中等生態(tài)風(fēng)險程度，其中Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高，達(dá)到強生態(tài)危害程度。因此，增強果蔗地土壤安全性生產(chǎn)管理、嚴(yán)控土壤污染源與推行標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是十分必要的。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬；污染特征；污染評價；果蔗地

中圖分類號：X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0439-8114（2017）07-1262-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2017.07.015

ContentCharacteristicsandRiskAssessmentofHeavyMetalsinChewingCaneSoils

WANGTian-shun，YANGYu-xia，LIAOJie，F(xiàn)ANYe-geng，YAYu，ZHUJun-jie，MOLei-xing

（ResearchInstituteofAgro-productsQualitySafetyandTestingTechnology，GuangxiAcademyofAgricultureSciences/QualitySupervisionandTestingCenterforSugarcane，ChinaMinistryofAgriculture，Nanning530007，China）

Abstract：Thecontentsofsoilheavymetals，suchasCd，Pb，Cr，Cu，Zn，AsandHg，insurfacesoil（0～20cm）fromthemainchewingcaneproductionfarmlandinGuangxiZhuangAutonomousRegion，wereinvestigated.Pollutioncharacteristicsofheavymetalsinsoilswereobservedonthebasisofenvironmentalqualitysecondarystandardvaluesofsinglefactorpollutionindexmethodandcomprehensivepollutionindexmethod.Potentialecologicalriskassessmentwasevaluatedbyusingthegeoaccumulationindex（Igeo）andpotentialecologicalriskindex（RI）.TheresultsindicatedthattheaverageconcentrationsofCd，Pb，Cr，Cu，Zn，AsandHgwere0.81，30.4，54.5，29.8，107.4，16.69and0.28mg/kg，respectively.Accordingtothecomprehensivepollutionindex，thepollutiondegreewasmiddledegreewithPNwas2.03.Accordingtothegeoaccumulationindex，thepollutiondegreeofCdwasmiddledegreewithIgeowas1.02，andHgrangedfromlighttomiddledegreewithIgeowas0.30.Thepotentialecologicalriskindexindicatedthattheheavymetalsinthesoilsfromresearchareawereatthemoderateecologicalhazardlevel.TherateofcontributionforCdwasthehighesttopotentialecologicalriskindex.Thus，effectivefarmlandsoilmanagementisnecessarytoensuresecurityproduction，controlsoilpollutionsources，andimplementstandardagriculturalproduction.

Keywords：soils；heavymetals；contaminantcharacteristics；riskassessment；chewingcanesoil

土壤是人類賴以生存的自然資源，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。重金屬在自然環(huán)境中廣泛存在，因其持久性、積累性等特性及其對生態(tài)環(huán)境存在的潛在風(fēng)險，受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[1，2]，土壤重金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)前人類面臨的重要環(huán)境問題，也是目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一[3-6]。土壤重金屬污染來源包括礦山采選冶煉、大氣沉降、污水灌溉、固體廢棄物堆存與處置、交通運輸?shù)萚7，8]。當(dāng)土壤中重金屬達(dá)到一定的累積程度時，會通過食物鏈傳遞到動物和人體內(nèi)，給生態(tài)環(huán)境及人體健康造成很大危害[9，10]。

近年來，果蔗生產(chǎn)中大量使用農(nóng)藥、磷肥、污水，使得果蔗地土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染更為復(fù)雜與多樣化。土壤是植物生長的載體，其清潔程度直接影響著食物中有毒有害物質(zhì)的濃度，目前對果蔬、糧食產(chǎn)地[11，12]中重金屬的污染評價己有不少報道，但針對果蔗地土壤重金屬污染的系統(tǒng)研究鮮有報道。為了解廣西壯族自治區(qū)橫縣果蔗種植區(qū)土壤質(zhì)量狀況，本研究以果蔗地土壤為對象，利用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對土壤重金屬的污染特征及生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，同時探討了各重金屬元素之間的相關(guān)性和聚類狀況，以期為廣西壯族自治區(qū)果蔗地土壤重金屬的污染防治和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集與分析

土壤樣品全部采自廣西壯族自治區(qū)果蔗地0～20cm表層土壤。于2014年11月選取36個采樣點，每個樣點600～1300m2內(nèi)采用W形布點采集5個子樣，現(xiàn)場剔除植物根系、碎石等雜物后充分混合組成一個混合樣品，用四分法縮分至約4.0kg，裝入聚乙烯塑料袋，貼好標(biāo)簽，帶回實驗室備用。把采集的土壤置于寬敞、干凈、透氣的室內(nèi)，均勻攤開，自然風(fēng)干，去除石塊、植物根系及其他的雜物后用瑪瑙研缽研磨后過2mm尼龍篩，再用瑪瑙研缽繼續(xù)研磨后過100目篩。

稱取0.2000g經(jīng)風(fēng)干處理的土樣于聚四氟乙烯罐中。加5mLHNO3、3mLHCl、1mLH2O2和1mLHF，密封消解罐后放入微波消解爐。消解程序分3步，步驟1為160℃、90%功率消解10min；步驟2為200℃、90%功率消解25min；步驟3為100℃、40%功率消解5min。消解完室溫放置后，轉(zhuǎn)移消解罐中的溶液于聚四氟乙烯燒杯中，加熱蒸發(fā)去除氮氧化物。剩余液體做如下處理：①轉(zhuǎn)移至100mL容量瓶，用1%硝酸稀釋至刻度線，混合均勻后用石墨爐原子吸收儀（MKⅡMQZ，美國Thermo）測定溶液中Cd、Pb的含量、用火焰原子吸收儀（AA240，美國Varian）測定Cr、Cu、Zn的含量；②轉(zhuǎn)移至50mL容量瓶，加入5mL50g/L硫脲和50g/L抗壞血酸溶液作掩蔽劑，用5%鹽酸稀釋至刻度線，混合均勻，室溫下靜置30min后用原子熒光光譜儀（AFS-230E，北京海光儀器公司）測定As和Hg的含量。

試驗所用試劑均為優(yōu)級純試劑，用水均為超純水。

1.2土壤重金屬污染評價

土壤評價標(biāo)準(zhǔn)采用GB5618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]中的二級標(biāo)準(zhǔn)和廣西土壤背景值[14]，采用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別對土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評價。采用Excel2007和DPS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.2.1單因子污染指數(shù)法單因子污染指數(shù)法是用來評價單個污染因子對土壤的污染程度，污染指數(shù)愈小，說明該因子對環(huán)境介質(zhì)污染程度愈輕[15，16]。其計算公式如下：

Pi=Ci/Si

式中，Pi為土壤中重金屬的污染指數(shù)，具體反映某污染物超標(biāo)倍數(shù)和程度；Ci為土壤中重金屬含量的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬的標(biāo)準(zhǔn)限定值（mg/kg）。當(dāng)Pi≤1時，表示樣品未受污染；當(dāng)Pi>1時，表示樣品已被污染。Pi的值越大，說明樣品受污染越嚴(yán)重。Pi評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2.2綜合污染指數(shù)法綜合污染指數(shù)法[17，18]，即內(nèi)梅羅污染指數(shù)，是將目標(biāo)單個污染指數(shù)按一定方法綜合起來考慮對環(huán)境介質(zhì)的影響程度，采用兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值的一種評價方法。其計算公式如下：

PN=■

式中，Piave為土壤中各重金屬污染指數(shù)的平均值；Pimax為土壤中單項重金屬的最大污染指數(shù)；PN為采樣點的綜合污染指數(shù)，其評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。該方法突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，能反映出各種污染物對土壤環(huán)境的作用，將研究區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量作為一個整體與外區(qū)域或歷史資料進(jìn)行比較。

1.2.3地積累指數(shù)法地積累指數(shù)（Igeo）是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Müller[19]提出的一種研究沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)，在歐洲被廣泛采用。該方法在考慮自然地質(zhì)過程造成背景值影響的同時，充分考慮了人為活動對重金屬污染的影響，因此該指數(shù)不僅可以反映沉積物中重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境的貢獻(xiàn)[20，21]。其計算公式為：

Igeo=log2[Cn/（1.5×Bn）]

式中，Cn為樣品中元素n在沉積物中的實測值；Bn為沉積物中該元素的地球化W背景值，本研究采用廣西壯族自治區(qū)土壤環(huán)境背景值作為參照標(biāo)準(zhǔn)；1.5為修正指數(shù)，用于校正區(qū)域背景值差異。地積累指數(shù)劃分為7級，Igeo≤0，為1級，無污染；0

1.2.4潛在生態(tài)危害指數(shù)法重金屬元素是具有潛在危害的重要污染物，與其他污染物的不同之處在于它們對環(huán)境危害的持久性、生物地球化學(xué)的可循環(huán)性及潛在的生態(tài)危害。潛在生態(tài)危害系數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson[22]提出的一種沉積物中重金屬的評價方法，為了使區(qū)域質(zhì)量評價更具有代表性和可比性，該方法從重金屬的生物毒性角度出發(fā)，反映了多種污染物的綜合影響[23，24]。土壤中多種重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)是各單一重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)之和。其計算公式如下：

RI=■Eri

Eri=Tri×Csi/Cni

式中，Csi為表層土壤重金屬元素i的分析測量值；Cni為土壤重金屬元素i的參比值，本研究采用廣西壯族自治區(qū)土壤環(huán)境背景值作為參照標(biāo)準(zhǔn)；Tri為重金屬元素毒性系數(shù)[25]，各重金屬的毒性系數(shù)分別為Cd=30，Pb=Cu=5，Cr=2，Zn=1，As=10，Hg=40[26]。Eri為單個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)；RI為多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。重金屬污染的生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)土壤重金屬含量特征

研究區(qū)36個土壤樣品的重金屬元素的含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等特征參數(shù)見表3。需要說明的是，有32個土壤樣品土壤呈酸性，4個土壤樣品土壤呈弱堿性。研究區(qū)土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量分別為0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28mg/kg，除了Cr和As外，其他5種重金屬平均含量均超過廣西土壤背景值，分別為土壤背景值的3.03、1.27、1.07、1.42、1.84倍。

7種重金屬的標(biāo)準(zhǔn)差除Cd和Hg外，其他均較大；Cr、Zn的標(biāo)準(zhǔn)差在15以上，Pb的標(biāo)準(zhǔn)差為9.37，As的標(biāo)準(zhǔn)差為5.97，Cu的標(biāo)準(zhǔn)差為5.20。說明重金屬的分布不均勻，甚至有的重金屬分布極不均勻。土壤中7種重金屬的變異系數(shù)從大到小的順序依次為Hg、Cd、Cr、As、Zn、Pb、Cu，其中，Hg、Cd變異系數(shù)分別為48.3%、46.1%，說明Hg和Cd受人為活動干預(yù)強烈，其次為Cr、As、Zn，Cu的變異系數(shù)最小，表明在整個研究區(qū)域Cu含量相對比較均一。

2.2土壤重金屬污染評價

2.2.1單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)評價研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)見表4。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤中重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg單因子污染指數(shù)的平均值分別為2.73、0.61、0.36、0.55、0.53、0.44和0.88。按照土壤環(huán)境質(zhì)量二級評價分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤樣品中重金屬元素Cr、Cu、Zn、As單因子污染指數(shù)均小于1，屬于安全等級。重金屬元素Cd、Pb和Hg單因子污染指數(shù)達(dá)到輕污染水平的樣本占樣本總數(shù)的19.4%、2.8%和30.6%；Cd和Hg單因子污染指數(shù)達(dá)到中污染水平的樣本分別占樣本總數(shù)的11.1%和2.7%；Cd單因子污染指數(shù)達(dá)到重污染水平的樣本占樣本總數(shù)的58.3%。

采用綜合污染指數(shù)法對采樣點土壤中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg7種重金屬元素污染狀況進(jìn)行綜合評價，由各單因子污染指數(shù)計算可知，采樣點的綜合污染指數(shù)值為2.03，污染等級屬于中污染。

2.2.2地積累指數(shù)法評價地積累指數(shù)法是從地球化學(xué)的角度出發(fā)來評價土壤中重金屬的污染。它除了考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素，它所采用的背景值一般為未受人類活動影響的沉積巖中的地球化學(xué)背景值，因此該方法更多的強調(diào)了土壤中重金屬污染的歷史累積作用。由表5可知，果蔗地土壤中Cd的污染程度相對比較嚴(yán)重，污染等級為3級，污染程度達(dá)中等污染；其次是Hg，污染等級為2級，其污染程度達(dá)輕-中等污染；Pb、Cr、Cu、Zn和As均屬于無污染。7種重金屬的污染程度順序依次為Cd>Hg>Zn>Pb>Cu>As>Cr。

2.2.3潛在生態(tài)危害評價潛在生態(tài)危害指數(shù)法是從沉積學(xué)角度出發(fā)，它不僅考慮了土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，因此其評價結(jié)果主要反映了人類活動對土壤的潛在生態(tài)危害。由表6可知，從單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來評價，果蔗地土壤的主要潛在生態(tài)危害重金屬為Cd和Hg，Cd污染達(dá)到強生態(tài)危害程度，Hg污染達(dá)到中等生態(tài)危害程度，其他5種重金屬均為輕微生態(tài)危害程度，其潛在生態(tài)危害順序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Zn>Cr。綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到187.27，處于中等生態(tài)危害程度。

2.3研究區(qū)土壤重金屬含量相關(guān)分析

研究區(qū)土壤中重金屬之間的相關(guān)性可以推測重金屬的來源是否相同，若它們之間存在相關(guān)性，則它們的來源可能相同，否則來源可能不同[16]。利用DPS軟件對各重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析，在0.05和0.01顯著性水平下，所有變量間相關(guān)系數(shù)如表7所示。As與Cd、Cr、Cu、Zn之間存在極顯著正相關(guān)，表明As和Cd、Cr、Cu、Zn之間緊密相關(guān)；Zn與Cr、Cu之間存在極顯著正相關(guān)；Cu與Cr之間存在極顯著正相關(guān)，Cu與Pb之間存在極顯著負(fù)相關(guān)；Cd與Cr之間存在極顯著正相關(guān)。相關(guān)性結(jié)果可以說明研究區(qū)域土壤重金屬As與Cd、Cr、Cu、Zn同源性很高，與果蔗栽培管理過程中污水的灌溉、污泥的施用及重金屬農(nóng)藥的施用有關(guān)，Hg與其他重金屬元素之間沒有明顯的相關(guān)性，說明研究區(qū)域Hg含量受人為活動的影響強烈，有外源污染M入。

2.4研究區(qū)土壤重金屬聚類分析結(jié)果

利用DPS軟件對研究區(qū)各重金屬進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，7種重金屬共分為5組，第一組為Pb和Cu；第二組為As；第三組為Cr；第四組為Cd和Hg，它們的潛在生態(tài)危害指數(shù)分列前2位；第五組為Zn。Pb和Cu、Cd和Hg是距離較近且潛在生態(tài)危害指數(shù)值接近，分別被聚為一類。

3結(jié)論

研究區(qū)域土壤重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As和Hg的平均含量水平分別為0.81、30.4、54.5、29.8、107.4、16.69、0.28mg/kg。利用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，結(jié)果顯示Cd污染最嚴(yán)重，單因子污染指數(shù)最高為4.93；Hg污染次之。

重金屬地積累指數(shù)評價結(jié)果表明，果蔗地土壤中Cd的污染程度相對比較嚴(yán)重，污染等級為3級，污染程度達(dá)中等污染；其次是Hg，污染等級為2級；潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)評價結(jié)果顯示，果蔗地土壤中重金屬污染處于中等生態(tài)危害程度，其土壤的主要潛在生態(tài)危害重金屬為Cd和Hg，Cd污染達(dá)到強生態(tài)危害程度，Hg污染達(dá)到中等生態(tài)危害程度。

土壤中7種重金屬的相關(guān)性分析表明，研究區(qū)域土壤重金屬As與Cd、Cr、Cu、Zn具有同源性，與果蔗栽培管理過程中污水的灌溉、污泥的施用及重金屬農(nóng)藥的施用有關(guān)；聚類分析表明，Pb和Cu、Cd和Hg距離較近且污染指數(shù)值接近，分別被聚為一類。

廣西壯族自治區(qū)果蔗地土壤重金屬污染來自多種污染源，筆者認(rèn)為土壤重金屬累積的原因主要是各種含重金屬農(nóng)用物資的投入、污水灌溉及污泥施用等。對被污染土壤應(yīng)采取一些農(nóng)業(yè)、生物及施用一些改良劑等措施進(jìn)行綜合修復(fù)、治理，以確保生態(tài)環(huán)境及果蔗產(chǎn)品的安全。

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