吳丹亞，龐欣欣，王明湖，席杰君，樓 飛

（寧波市農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中心，浙江寧波 315000）

寧波市稻田土壤重金屬污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析*

吳丹亞，龐欣欣，王明湖，席杰君，樓 飛

（寧波市農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中心，浙江寧波 315000）

文章以寧波市稻田土壤為研究對(duì)象，分析測(cè)定Hg、As、Pb、Cd、Cr含量，并依據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與寧波市土壤背景值對(duì)土壤重金屬污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，寧波市區(qū)域內(nèi)稻田土壤存在不同程度的重金屬累積，累積程度依次為Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg。以GB15618-1995為標(biāo)準(zhǔn)（二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，Pb與As沒有超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但Hg、Cd與Cr均有一定比例的樣點(diǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率分別為14.3%、4.46%與1.49%，樣品總體超標(biāo)率為17.8%。Hacanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，80.7%的樣點(diǎn)無生態(tài)危害，18.3%樣點(diǎn)屬于一般生態(tài)危害，1.0%屬于強(qiáng)生態(tài)危害；Hg、Cd存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而As、Pb、Cr沒有潛在生態(tài)危害。研究區(qū)域內(nèi)稻田土壤質(zhì)量總體良好，Hg的高背景值是造成土壤超標(biāo)的首要原因；鑒于大部分土壤為酸性或微酸性，還是應(yīng)該關(guān)注個(gè)別區(qū)域的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題。

稻田土壤 重金屬污染 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量直接關(guān)系農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。但近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，耕地土壤污染，特別是重金屬污染日益嚴(yán)重。國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)耕地土壤重金屬污染及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明我國受鎘、砷、鉛等重金屬污染的耕地面積近2.0×107hm2，約占總耕地面積的1/5[1]。環(huán)境保護(hù)部與國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》也表明耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，約有19.4%土壤點(diǎn)位超標(biāo)，其中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴[2]。寧波市地處長三角地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，土壤重金屬污染問題也不容忽視。 有研究表明，寧波市郊蔬菜生產(chǎn)基地土壤重金屬汞、鎘、銅等綜合污染指數(shù)受污染比例高達(dá)70.7%，其中重度污染的占15.4%[3]，Cd污染比較突出[4]；慈溪市部分水稻田出現(xiàn)Hg、Cd污染[5]。重金屬不易被微生物分解，且容易通過食物鏈在生物體內(nèi)富集和積累。當(dāng)土壤中的重金屬累積到一定程度后，就會(huì)對(duì)土壤－植物系統(tǒng)產(chǎn)生危害，并可能通過接觸、食物鏈等途徑直接或間接危害人類健康和生態(tài)安全。相比較其他土地利用方式，稻田的重金屬污染更容易引起健康風(fēng)險(xiǎn)。文章通過對(duì)寧波市水稻主產(chǎn)區(qū)土壤的采樣調(diào)查，系統(tǒng)、全面地分析稻田土壤重金屬分布特征，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和模型，對(duì)其環(huán)境質(zhì)量和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)及重金屬污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與分析

按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T395-2012）的相關(guān)要求，采用梅花點(diǎn)法采集0～20 cm的表層土壤202個(gè)，采樣點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)主要的糧食功能區(qū)及水稻主產(chǎn)區(qū)。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，挑去石塊、作物根莖，用圓木棍碾碎，分別過10目、100目篩，備用。

土壤中Hg與As采用王水消解，以原子熒光分光光度法測(cè)定；Pb、Cd與Cr采用HNO3-H2SO4-HFHCl濕法消解，以原子吸收分光光度法測(cè)定。分析過程中加入標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，并保證樣品平行比例在10%以上。pH用蒸餾水按水土比2.5∶1的比例浸提，用pH計(jì)測(cè)定。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 土壤累積性污染評(píng)價(jià)

累積性污染評(píng)價(jià)用寧波市土壤背景值中的平均值（表1）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以反映土壤重金屬累積性污染程度。比較單一重金屬污染程度用單項(xiàng)指數(shù)法，比較多種重金屬綜合污染程度用綜合指數(shù)法。

表1 寧波土壤環(huán)境背景值[6]mg/kg

表2 土壤重金屬累積性污染單項(xiàng)污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]

表3 土壤重金屬累積性污染綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]

表4 國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值 mg/kg

單項(xiàng)污染指數(shù)法，計(jì)算公式為：Pi=Ci/Si，式中：Pi 為環(huán)境中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為環(huán)境中污染物i的實(shí)測(cè)值；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

綜 合 指 數(shù) 法， 計(jì) 算 公 式 為：P綜=[（Pave2+Pmax2）/2]1/2；式中：P綜為綜合污染指數(shù)；Pave為土壤各污染物單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值；Pmax為污染物中單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值。

式（2）中ESIab表示出口產(chǎn)品相似度指數(shù)；a、b、k分別為a國、b國和k市場(chǎng)表示兩國（地區(qū)）出口到k市場(chǎng)的第i種商品額；示兩國（地區(qū)）出口到k市場(chǎng)的商品總額；ESIab的取值范圍[0，100]，數(shù)值越大，表明兩國（地區(qū)）出口到k市場(chǎng)的商品，相似度越高，商品競(jìng)爭(zhēng)力就越強(qiáng)；反之則互補(bǔ)性越強(qiáng)。

單項(xiàng)污染指數(shù)等級(jí)劃分按表2規(guī)定進(jìn)行，綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分按表3規(guī)定進(jìn)行。

1.2.2 土壤質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995，表4）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用單項(xiàng)污染指數(shù)Pi來衡量土壤是否受污染。計(jì)算方法與污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)同累積性評(píng)價(jià)。

1.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法來衡量土壤重金屬對(duì)環(huán)境存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。該方法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)系起來，綜合考慮了重金屬的毒性在土壤中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行裕蔷C合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo)[8～11]。計(jì)算公式為：Cif=Cis/Cin；Eir=Tir*Cif；RI=∑Eir；其中：Cif為重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)，Cis為重金屬i的實(shí)測(cè)含量，Cin為參比標(biāo)準(zhǔn)（文章采用區(qū)域背景值）；Eir為土壤中i元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)，Tir為i元素的毒性系數(shù)，反映重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬污染的敏感程度。目前采用的Cr、As、Pb、Cd與Hg的毒性系數(shù)分別為2、10、5、30與40。RI為多種重金屬的綜合生態(tài)危害指數(shù)。土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

表6 研究區(qū)域重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì) mg/kg

2 結(jié)果與討論

2.1 稻田土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)

寧波市稻田土壤重金屬含量如表6所示。對(duì)照表1，Pb、Cd與Cr在寧波市稻田中均有不同程度的累積，其中Pb的累積最為嚴(yán)重。與80年代末背景值相比，Pb、Cd與Cr的算術(shù)平均值分別增加了47.7%、28.5%與13.3%；從最大值來看，Pb、Cd與Cr含量分別增加15.6%、75.6%與67.5%；超過90%的樣點(diǎn)Pb含量均高于相應(yīng)的背景值，說明Pb在稻田土壤中累積比較嚴(yán)重；超過一半樣點(diǎn)的Cd含量超過背景值，接近一半樣點(diǎn)的Cr含量超過背景值，說明Cd與Cr的累積也不可忽視。王斌[12]研究表明，寧波市鄞州區(qū)土壤Pb與Cd的算術(shù)平均值較背景值分別增加了55.2%與32.5%，與該研究基本一致。

寧波市稻田土壤中As、Hg的算術(shù)平均值分別為5.83 mg/kg與0.209 mg/kg，分別為背景值的0.80倍與0.81倍，低于背景值。這可能與背景值的布點(diǎn)位置有關(guān)。第二次土壤普查中，寧波市土壤環(huán)境背景值調(diào)查研究只對(duì)鎮(zhèn)海、北侖、江北、江東、海曙5個(gè)區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)[13]，并沒有在全大市鋪開。鎮(zhèn)海、北侖、江北、江東、海曙5個(gè)區(qū)Hg、As含量可能較其他地區(qū)要高，從而整體上拉高了寧波市的背景值。該研究中鎮(zhèn)海、北侖、江北3地的Hg、As均值分別為0.278 mg/kg與6.47 mg/kg，明顯高于全市的平均值0.209 mg/kg與5.83 mg/ kg。但從順序統(tǒng)計(jì)量來看，約25%的樣點(diǎn)含量高于相應(yīng)的背景值，說明Hg在局部區(qū)域還是得到了一定的累積。

稻田中5種重金屬含量的頻度分布柱狀圖與正態(tài)分布密度曲線如圖1。從頻度圖上看，Hg、As、Pb、Cd與Cr含量的眾數(shù)區(qū)分別集中于0.02～0.11 mg/kg、4～4.8 mg/kg、35～40.5 mg/kg、0.12～0.17 mg/kg與39～59 mg/kg，Hg、Cd與Cr的含量明顯表現(xiàn)為中低含量段頻度高，高濃度區(qū)頻度低的特點(diǎn)；從正態(tài)分布密度曲線上看，Pb、As的土壤樣品含量比較符合正態(tài)分布，而Hg、Cd與Cr的含量分布屬于偏態(tài)的正態(tài)分布。

2.2 寧波市水稻田重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 累積性污染評(píng)價(jià)

選擇寧波市土壤背景值來定量評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)稻田土壤的重金屬累積程度。表7表明，在所調(diào)查的202個(gè)樣品中，49個(gè)樣品Hg、66個(gè)As、183個(gè)Pb、127個(gè)Cd與99個(gè)Cr超過背景值，比例分別為24.3%、32.7%、90.6%、62.9%與49%，從單項(xiàng)污染指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果上看，寧波市稻田土壤中主要重金屬的累積程度依次為Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg，其中Pb、Cd與Cr的累積比較嚴(yán)重；從污染（累積）程度上來看，18.3%Hg、32.7%As、82.7%Pb、52.5%Cd與 44.5%Cr屬于輕污染（輕度）累積，只有2.5%Hg、1.5%Pb、2.5%Cd與2.0%Cr屬于重度累積，寧波市稻田土壤主要重金屬的累積屬于輕度累積。

圖1 土壤不同含量重金屬出現(xiàn)的頻率

表7 土壤累積性污染單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

表8 土壤累積性污染綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合污染指數(shù)（表8）的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，寧波市稻田土壤綜合污染指數(shù)分布范圍為0.75～4.66，所有樣點(diǎn)都受到不同程度的綜合污染，其中55.9%樣點(diǎn)屬于輕污染、32.7%樣點(diǎn)屬于中污染、11.4%樣點(diǎn)屬于重污染，區(qū)域內(nèi)土壤普遍存在重金屬累積問題。

2.2.2 土壤環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用單項(xiàng)指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：As、Hg、Pb、Cd與Cr的單項(xiàng)污染指數(shù)分布范圍分別為0.030～0.54、0.046～4.4、0.054～0.37、0.076～2.5、0.077～1.23，均值分別為0.21、0.67、0.16、0.50、0.27，變異系數(shù)分別為40.7%、62.3%、24.1%、39.7%、39.2%，其中29個(gè)樣品Hg超標(biāo)、9個(gè)樣品Cd超標(biāo)、3個(gè)樣品Cr超標(biāo)，Hg、Cd與Cr的超標(biāo)率分別為14.3%、4.46%與1.49%；同時(shí)有4個(gè)樣點(diǎn)Hg與Cd同時(shí)超標(biāo)，1個(gè)樣點(diǎn)Cd與Cr同時(shí)超標(biāo)，樣品總的超標(biāo)率為17.8%。

在超標(biāo)樣品中，Hg的超標(biāo)比例高達(dá)80.5%，是造成土壤總體超標(biāo)的首要原因。寧波市土壤重金屬Hg的背景值是全國平均值的3.92倍，明顯高于全國背景值，且該研究中Hg14.3%的超標(biāo)率與寧波市背景值調(diào)查中10%的樣點(diǎn)Hg含量超過0.419 mg/kg相一致；Hg的高背景值可能是造成寧波市土壤Hg高超標(biāo)率的主要原因。

表9 稻田土壤重金屬污染潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.3 稻田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

應(yīng)用Hacanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示（表9）：As、Pb、Cr的單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir均低于40，屬于無生態(tài)危害等級(jí)；但Hg與Cd的潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)比較復(fù)雜，其中74.8%的Hg、61.4%的Cd屬于無生態(tài)危害等級(jí)，19.3%的Hg、34.6%的Cd屬于一般生態(tài)危害等級(jí)，4.9%的Hg、3.5%的Cd屬于中等生態(tài)危害等級(jí)，1.0%的Hg、0.5%的Cd屬于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)；RI均值為89.0，表明土壤總體無潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)，但RI跨度較大，其中80.7%的樣點(diǎn)無生態(tài)危害，18.3%樣點(diǎn)屬于一般生態(tài)危害，1.0%屬于強(qiáng)生態(tài)危害。

有研究表明水稻是對(duì)鎘吸收能力最強(qiáng)的大宗作物[14]，而且吸收能力受土壤pH的影響很大，酸性條件下，稻米Cd的含量相對(duì)就較高[15]。而該研究土壤中83.7%土壤為酸性或微酸性，土壤酸化現(xiàn)象比較普遍，個(gè)別區(qū)域內(nèi)Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

3 結(jié)論

寧波市稻田土壤環(huán)境質(zhì)量總體較好，但與寧波市土壤背景值相比，Pb、Cd與Cr的平均含量分別增加了47.7%、28.5%與13.3%。研究區(qū)域內(nèi)土壤普遍存在重金屬累積問題，應(yīng)引起充分重視。

土壤現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果表明，寧波市稻田土壤超標(biāo)的重金屬元素有Hg、Cd與Cr，超標(biāo)率分別為14.3%、4.46%與1.49%；樣品總的超標(biāo)率為17.8%。Hg是最主要的超標(biāo)元素，這可能跟當(dāng)?shù)豀g的背景值有關(guān)。

Hacanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，As、Pb、Cr的單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)屬于無生態(tài)危害等級(jí)；但5.9%土壤樣品中Hg呈中等或強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)，4.0%土壤樣品中Cd呈中等或強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)；土壤多因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果顯示，80.7%的樣點(diǎn)無生態(tài)危害，18.3%樣點(diǎn)屬于一般生態(tài)危害，1.0%屬于強(qiáng)生態(tài)危害。鑒于區(qū)域內(nèi)稻田土壤的酸化現(xiàn)象，還是應(yīng)該關(guān)注局部區(qū)域的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題。

[1] 陳同斌．土壤污染將成為中國的世紀(jì)難題．科學(xué)文萃，2005，30（9）：30～32

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寧波市農(nóng)科教項(xiàng)目（寧波市水稻田土壤重金屬累積與風(fēng)險(xiǎn)分析2012NK41）