李 雪，李佳桐，孫宏飛*，俞花美，葛成軍，2

瓊北農(nóng)田土壤重金屬水平及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

李 雪1，李佳桐1，孫宏飛1*，俞花美1，葛成軍1，2

（1.海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，?？?570228；2.浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

以瓊北高背景區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，共采集103個(gè)樣品，分析農(nóng)田土壤中12種重金屬（As、Cu、Cr、Zn、Pb、Ni、Hg、V、Mn、Co、Cd、Se）的含量，并采用地累積指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)該地區(qū)農(nóng)田重金屬累積程度和潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：該地區(qū)4類農(nóng)田土壤（赤紅壤、磚紅壤、水稻土和火山灰土）中Ni、Cr、Co、Cu、V、Mn平均含量比海南省背景值高1.11～11.06倍，比全國(guó)背景值高1.01～5.92倍；和國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較，Ni、Cr、Cu、Co、V、Mn存在普遍的超標(biāo)現(xiàn)象；基于三角模糊數(shù)的地累積指數(shù)表明Ni、Co、Cr和Mn存在累積現(xiàn)象；除火山灰土外，其余3類農(nóng)田土壤重金屬的潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)均為輕微生態(tài)危害，其中重金屬Ni、Hg和Co的累積水平較高。

瓊北農(nóng)田土壤；重金屬；三角模糊數(shù)；地累積指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

土壤重金屬水平不僅影響土壤的可持續(xù)利用，還直接影響糧食安全[1]，可通過(guò)土壤-地表水-人、土壤-植物-人、土壤-動(dòng)物-人等多種途徑遷移、富集，最終對(duì)人體健康產(chǎn)生持久性或突發(fā)性的危害[2-3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)如施用化肥和農(nóng)藥等造成的農(nóng)田土壤重金屬累積一直被廣泛關(guān)注，以及由于地質(zhì)原因引起的土壤中地球化學(xué)元素尤其是重金屬元素偏高，因其分布區(qū)域較大、多元素共存、分布區(qū)人員眾多更應(yīng)該引起關(guān)注，及早開展對(duì)這些區(qū)域的調(diào)查和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)全面認(rèn)識(shí)區(qū)域的重金屬水平，采取進(jìn)一步措施降低風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

瓊北地區(qū)是我國(guó)冬季瓜菜、熱帶水果和熱帶經(jīng)濟(jì)作物的重要產(chǎn)區(qū)，該區(qū)也是我國(guó)第四紀(jì)火山巖分布面積最大的地區(qū)，分布面積為4160 km2[4]。前人的點(diǎn)位研究和相關(guān)的調(diào)查表明該地區(qū)因廣泛分布的基性火山巖而出現(xiàn)多種重金屬元素異常現(xiàn)象。比如應(yīng)衛(wèi)明和章申[5]發(fā)現(xiàn)?？诃偵絽^(qū)土壤母巖中重金屬含量較高，其上發(fā)育的風(fēng)化殼和磚紅壤中的 Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Pb和Zn等也明顯偏高。海南島地球化學(xué)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)北部地區(qū)表層土壤出現(xiàn)大面積重金屬元素綜合異常區(qū)，與海南島區(qū)域基性火山巖分布范圍十分吻合[6]。近年來(lái)，也有學(xué)者調(diào)查研究了海南島土壤重金屬的污染現(xiàn)狀[7-9]，但這些研究?jī)H限于從單個(gè)角度評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的重金屬污染狀況，且包含的采樣點(diǎn)較少，無(wú)法全面系統(tǒng)地分析瓊北高背景值區(qū)域重金屬含量的詳細(xì)分布特征。

本文以瓊北高背景值區(qū)為研究區(qū)域，采集瓊北市縣的農(nóng)田土壤，測(cè)定多種重金屬元素含量，運(yùn)用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域土壤的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，從而為該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的污染防控和種植作物類型選擇等提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省北部，面積約為4000 km2，北面與廣東省隔海相望，行政區(qū)域上涉及?？凇⒍ò?、文昌、瓊海、澄邁和臨高等市縣。瓊北地區(qū)具有典型熱帶季風(fēng)氣候特征，年平均氣溫23～24℃，≥10℃年積溫8500～8700℃，年降雨量140～1800 mm[10]。瓊北地形平坦，多低丘與臺(tái)地分布，成土母質(zhì)主要為第四紀(jì)玄武巖風(fēng)化殘積物和運(yùn)積物。土壤類型以磚紅壤為主，水稻土零星分布，局部有火山灰土和石質(zhì)土。土地利用類型以耕地為主（42.11%），其次為園地和林地[6]。

1.2 樣品采集與處理

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[11]進(jìn)行網(wǎng)格法布點(diǎn)，同時(shí)充分考慮土地利用方式和土壤類型，采集0～20 cm的耕作層土壤，本研究在瓊北地區(qū)共布設(shè)103個(gè)采樣點(diǎn)，詳見圖1。結(jié)合瓊北的實(shí)際情況，采樣點(diǎn)位由環(huán)保部門研究人員采用ArcGIS軟件在電子地圖上布點(diǎn)。在103個(gè)采樣點(diǎn)中有55個(gè)點(diǎn)位為赤紅壤，30個(gè)點(diǎn)位為磚紅壤，11個(gè)點(diǎn)位為水稻土，7個(gè)點(diǎn)位為火山灰土。在樣點(diǎn)周圍50 m的區(qū)域內(nèi)采集3～5個(gè)土壤樣品進(jìn)行均勻的混合，然后用聚乙烯塑料袋包裝。自然風(fēng)干后，將其中的植物殘根、石塊和雜物剔除干凈，用瑪瑙研缽磨細(xì)，過(guò)100目尼龍篩，裝袋密封后備用。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Sketch map of sampling sites

土壤樣品預(yù)處理采用硝酸-氫氟酸消解法[12-13]。準(zhǔn)確稱取0.500 0 g土樣于50.00 mL具蓋聚四氟乙烯消解管中，依次加入硝酸、氫氟酸微波消解（ETHOS A14型微波消解儀），硝酸和氫氟酸的體積比為9∶2。預(yù)處理后的土壤樣品用ICP-OES（VARIAN 720-ES型）測(cè)定 As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Hg、V、Mn、Co、Se的含量。分析方法準(zhǔn)確度和精密度采用國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-15和平行樣品進(jìn)行控制，回收率在95%～105%之間。數(shù)據(jù)處理使用Excel和SPSS 18.0處理。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 基于三角模糊數(shù)的地累積指數(shù)評(píng)價(jià)模型

地累積指數(shù)（Index of geo-accumulation），又稱Muller指數(shù)，被廣泛用于對(duì)沉積物或土壤中重金屬污染的評(píng)價(jià)[14]，其計(jì)算公式如下：

式中：Ci為土壤中重金屬 i的實(shí)測(cè)含量，mg·kg-1；參數(shù)k為修正造巖運(yùn)動(dòng)引起的背景波動(dòng)而設(shè)定的系數(shù)，此處取 k=1.5；Bi為 i元素的地球化學(xué)背景值，mg·kg-1，本研究采用海南省土壤重金屬背景值[15]。根據(jù)Igeoi把土壤重金屬污染程度劃分為7個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 地累積指數(shù)的土壤重金屬污染程度分級(jí)Table 1 Pollution level of heavy metals based on index of geoaccumulation

模糊理論由美國(guó)科學(xué)家Zadeh于1965年提出[16]，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究[17-18]。該方法通過(guò)隸屬度解決模糊的污染分級(jí)邊界，以此來(lái)控制評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差[19-20]。

三角模糊數(shù)的定義：設(shè)a、b、c分別為某一模糊變量A的最小可能值、最可能值和最大可能值，則這3個(gè)數(shù)組構(gòu)成三角模糊數(shù) A=（a，b，c）。其中 a，b，c為實(shí)數(shù)，且a≤b≤c；當(dāng)a=b=c時(shí)，A是一個(gè)實(shí)數(shù)。隸屬函數(shù)[21]定義為：

在計(jì)算中通常將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)換為α-截集簡(jiǎn)化計(jì)算。α-截集的定義為：對(duì)α∈[0，1]，A={x|μA（x）≥α}，稱為A的α-截集。α稱為置信水平，一般α取0.9，是人們易于接受的可信度水平[22]，應(yīng)用α-截集將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為可信度水平下的置信水平區(qū)間，即：

三角模糊數(shù)中a、b和c的確定結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)值上下限分析原理[23]得到，a為比較數(shù)據(jù)的最小值和均值減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差的值取的較大值，最可能值b取數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)均值，c值為比較數(shù)據(jù)的最大值和均值加上2倍標(biāo)準(zhǔn)差的值取的較小值。

污染物濃度和地球化學(xué)背景值分別表示為：Ci=（C1i，C2i，C3i）、Bi=（B1i，B2i，B3i）。把三角模糊數(shù)參數(shù)帶入式（1）中，得到三角模糊化的土壤重金屬污染的地累積指數(shù)評(píng)價(jià)模型：

經(jīng)過(guò)截集處理得到一個(gè)區(qū)間數(shù)，并通過(guò)計(jì)算隸屬度確定重金屬污染等級(jí)。設(shè)一個(gè)地累積指數(shù)為[Igeo1，Igeo2]，則[Igeo1，Igeo2]對(duì)，]的隸屬度[24]可定量表示為：

由式（8）得到Igeoi對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬度，基于地累積指數(shù)污染等級(jí)劃分得出Igeoi的重金屬污染程度，見式（9）。

式中：∩Igeoi是重金屬 i的模糊地累積指數(shù)值；V（λ）為各污染等級(jí)的賦值。

地累積指數(shù)法只能給出單一重金屬的污染指數(shù)，無(wú)法分析重金屬的綜合污染。為了反映研究區(qū)重金屬的綜合污染程度，一般采用重金屬生物毒性賦權(quán)[24-25]的方法?？紤]到各種重金屬生物毒性的差異，本文根據(jù)重金屬對(duì)環(huán)境影響程度的分類標(biāo)準(zhǔn)[26]，對(duì)一類、二類、三類元素分別賦值為3、2、1作為權(quán)重[25]。本研究中涉及的12種重金屬元素的權(quán)重分配如表2所示。

表2 各重金屬權(quán)重Table 2 The weight of heavy metal

通過(guò)對(duì)各重金屬進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，最終得到區(qū)域土壤重金屬i的污染綜合評(píng)價(jià)值為：

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)模型

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson[27]提出的，是一種較快速、簡(jiǎn)便和標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法。其計(jì)算公式如下：

式中：RI為多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eir為重金屬i的單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Ti為采樣點(diǎn)重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，本研究涉及的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)為 V=Cr=2、As=10、Cd=30、Pb=Ni=Cu=Co=5、Hg=40、Mn=Zn=1[27]；Cir為重金屬 i的污染指數(shù)；Cis為重金屬 i的實(shí)測(cè)含量，mg·kg-1；Cin為重金屬 i的參比值，mg·kg-1，本研究中采用海南省土壤重金屬背景值[15]。土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和生態(tài)危害分級(jí)見表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 瓊北農(nóng)田土壤中重金屬含量

瓊北地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬水平如表4所示，其中Cd、Se未檢出，除As外其他9種元素含量空間變異性較大，不同類型的農(nóng)田土壤中重金屬含量存在一定差異。與海南省土壤背景值[15]比較發(fā)現(xiàn)，四類農(nóng)田土壤中 Cu、Cr、Ni、Zn、V、Mn 和 Co含量均值均高于背景值：赤紅壤中Ni和Co富集最為明顯，分別為對(duì)應(yīng)背景值的6.01倍和4.84倍，其他依次為Cu（2.95倍）、Cr（4.17 倍）、Zn（1.59 倍）、V（2.46 倍）和 Mn（3.01倍）；磚紅壤中Ni富集最為明顯，其他依次為Cu（2.51倍）、Cr（3.75 倍）、Zn（1.36 倍）、V（2.06 倍）、Mn（2.27倍）和Co（3.22倍）；水稻土中7種重金屬分別為對(duì)應(yīng)背景值的 1.34、2.04、2.85、1.13、1.30、1.11 倍和 2.12倍；火山灰土中7種重金屬分別為對(duì)應(yīng)背景值的3.68、6.51、11.06、3.14、3.34、6.29 倍和 10.70 倍，呈富集和強(qiáng)富集狀態(tài)。和全國(guó)土壤背景值[15]相比，四類農(nóng)田土壤中 Cu、Cr、Ni、Zn、Hg、V、Mn 和 Co 的平均含量超過(guò)全國(guó)背景值，55個(gè)赤紅壤點(diǎn)位中分別有75%、85%、80%、58%、16%、76%、56%和73%的點(diǎn)位超過(guò)背景值，30個(gè)磚紅壤點(diǎn)位中分別有60%、73%、63%、43%、17%、73%、43%和53%的點(diǎn)位超過(guò)背景值，11個(gè)水稻土點(diǎn)位中分別有36%、36%、36%、18%、64%、27%、27%和27%的點(diǎn)位超過(guò)背景值，火山灰土7個(gè)點(diǎn)位中，除Hg外其他7種重金屬都超過(guò)背景值。由此可見，瓊北地區(qū)農(nóng)田土壤確實(shí)存在多種重金屬嚴(yán)重偏高現(xiàn)象。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification criteria of potential ecological risk index

表4 瓊北不同類型農(nóng)田土壤重金屬含量Table 4 Concentration of heavy metals in different types of farmland soils

由于研究區(qū)土壤屬于弱酸性[6]，選擇土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（pH<6.5）進(jìn)行評(píng)價(jià)[28]。赤紅壤樣點(diǎn)中，Cr、Cu、Ni點(diǎn)位的超標(biāo)率分別達(dá)到了64%、51%和73%，均值分別為（210.46±125.80）、（50.13±30.02）、（86.56±51.27）mg·kg-1；磚紅壤樣點(diǎn)中，Cr、Cu、Ni的超標(biāo)率分別達(dá)到了 50%、47%和60%；水稻土樣點(diǎn)中，Cr、Cu、Ni的超標(biāo)率分別達(dá)到了18%、9%和27%；火山灰土壤樣點(diǎn)中，這3種元素的超標(biāo)率分別為100%、71%和100%。在所有點(diǎn)位中，Hg、Pb、As、Zn 的含量均低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

V、Co、Mn 3種元素在土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）中無(wú)限值規(guī)定，因此，按照《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》[29]中推薦的澳大利亞和加拿大的指導(dǎo)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。除火山灰土外，其余3種農(nóng)田土壤Mn的平均含量均低于澳大利亞的指導(dǎo)值，赤紅壤、火山灰土、磚紅壤中分別有16%、71%、7%的點(diǎn)位超標(biāo)；與加拿大的指導(dǎo)值比較，赤紅壤中V、Co點(diǎn)位的超標(biāo)率分別達(dá)到64%和31%，磚紅壤中V、Co點(diǎn)位的超標(biāo)率分別達(dá)到50%和17%，火山灰土壤中V、Co點(diǎn)位的超標(biāo)率分別達(dá)到100%和71%，水稻土中V的超標(biāo)率為18%。

變異系數(shù)在一定程度上反映研究區(qū)土壤重金屬含量的變化，變異系數(shù)<0.10為弱變異，0.10～0.30為中等變異，>0.30為強(qiáng)變異[30]。由表4可知，赤紅壤、水稻土、磚紅壤中10種重金屬變異系數(shù)均超過(guò)了0.3，屬?gòu)?qiáng)變異程度，其中 V、Mn、Co、Cr、Cu、Ni變異系數(shù)明顯高于其他元素，火山灰土壤中10種重金屬的變異系數(shù)介于0.13～0.40之間。瓊北地區(qū)雨量充沛，農(nóng)田基本上采用水庫(kù)水和地下水灌溉，總的來(lái)看不存在污水灌溉。結(jié)合該區(qū)的工業(yè)較少且集中，無(wú)污灌歷史，考慮農(nóng)田土壤重金屬變化強(qiáng)度可能主要是由于廣泛分布的第四紀(jì)玄武巖風(fēng)化殘積物、運(yùn)積物和局部有火山灰土和石質(zhì)土的地質(zhì)背景有關(guān)，同時(shí)不排除有人為干擾的影響[6，31]。

綜上所述，瓊北農(nóng)田土壤的 Cr、Cu、Ni、V、Co、Mn含量普遍偏高，這種現(xiàn)象可能與該地區(qū)成土形成過(guò)程引起的重金屬較高含量有關(guān)；另外，研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)亦有可能導(dǎo)致重金屬含量增加。

2.2 基于三角模糊數(shù)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 污染物濃度參數(shù)的確定

根據(jù)1.3.1節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法，求算土壤中各種重金屬含量的模糊數(shù)，并利用α-截集技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為較明確的區(qū)間數(shù)形式，取α=0.9，結(jié)果見表5。

2.2.2 其他參數(shù)的確定

本研究中Bi采用海南省土壤重金屬背景值[15]，將該值三角模糊化，并通過(guò)α-截集（α=0.9）轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)，見表6。

2.2.3 基于三角模糊數(shù)的地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)式（7）、表5和表6計(jì)算得到土壤中各重金屬Igeoi的區(qū)間值，結(jié)果見表7。

結(jié)合表1和表7可知，土壤中部分重金屬的地累積指數(shù)區(qū)間值介于2個(gè)級(jí)別之間，存在較大的不確定性。四類土壤中Ni、Cr和Co的地累積指數(shù)較高，處于較強(qiáng)富集的級(jí)別。As、Pb和Hg的地累積指數(shù)較低，說(shuō)明這3種重金屬在土壤中含量較低。赤紅壤和磚紅壤中重金屬Ni富集較多。

表5 經(jīng)α-截集處理后的研究區(qū)不同類型農(nóng)田土壤重金屬含量數(shù)據(jù)（mg·kg-1）Table 5 Heavy metal concentration data treated by α-cut set in different types of farmland soils（mg·kg-1）

根據(jù)式（8）和式（9），將得到的地累積指數(shù)分級(jí)，與確定性模型下的分級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見表8。表中結(jié)果排列順序分別為模糊地累積指數(shù)模型結(jié)果（!Igeoi）、確定地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（Igeoi）以及單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（Ii，Ii=Ci/Si，其中 Ii為重金屬 i的污染指數(shù)；Ci為重金屬 i的實(shí)測(cè)含量，mg·kg-1；Si為重金屬 i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg·kg-1，采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。

從表8可以看出，As和Pb在四類農(nóng)田土壤中累積程度都處在0級(jí)，屬于清潔程度，說(shuō)明研究區(qū)土壤未富集As和Pb。Ni、Cr和Co在赤紅壤、磚紅壤和火山灰土中已達(dá)到2～3級(jí)，屬于中到強(qiáng)富集等級(jí)。Cu、Zn、V和Mn在四類農(nóng)田土壤中的富集差異較大。10種重金屬元素在四類農(nóng)田土壤中的富集程度由高至低排序?yàn)榛鹕交彝?赤紅壤>磚紅壤>水稻土。根據(jù)表8還可看出，本研究區(qū)10種重金屬和類金屬元素在確定性污染評(píng)價(jià)下的污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊評(píng)價(jià)下的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，但也存在差異。Mn風(fēng)險(xiǎn)水平，在模糊評(píng)價(jià)下為1級(jí)，而在確定性評(píng)價(jià)下為2級(jí)。造成前者在評(píng)價(jià)級(jí)別上比后者偏低的原因是模糊評(píng)價(jià)中重金屬濃度和背景值的選取范圍更大，比采用統(tǒng)計(jì)平均濃度和單一背景值包含了更多信息。

表 6 地球化學(xué)背景值（mg·kg-1）Table 6 Heavy metal concentration in the geochemistry background（mg·kg-1）

表7 研究區(qū)不同類型農(nóng)田土壤重金屬的地累積指數(shù)區(qū)間數(shù)Table 7 Geoaccumulation indexs of the heavy metals in different types of farmland soil

表8 研究區(qū)不同類型農(nóng)田土壤中重金屬的污染程度分級(jí)Table 8 Rankings of the heavy metal pollution in different types of farmland soils

常用的單因子污染指數(shù)Ii雖然能在一定程度上反映富集程度，但有極大的不確定性。根據(jù)表8，重金屬和類金屬元素的Ii均和地累積指數(shù)的模糊評(píng)價(jià)和確定性評(píng)價(jià)存在較大差異，比如Cr，其單因子污染指數(shù)Ii未考慮重金屬的空間濃度的差異而導(dǎo)致結(jié)果偏低。

根據(jù)式（10）和表2的各種重金屬的污染權(quán)重，得到研究區(qū)土壤重金屬的污染綜合評(píng)價(jià)值，見表9。

四類農(nóng)田土壤中火山灰土壤重金屬綜合污染程度最嚴(yán)重，其重金屬污染綜合評(píng)價(jià)值排序?yàn)镃r>Ni>Mn>Co>Cu>V>Zn>Hg>Pb>As。結(jié)合表8及表9分析可知，研究區(qū)土壤Ni、Cr、Co和Mn的污染綜合評(píng)價(jià)值較大，在土壤中有較高的富集度，故很可能對(duì)周圍人群產(chǎn)生較大危害。

地累積指數(shù)以研究區(qū)域的背景值作為參比，反應(yīng)人為輸入土壤的累積程度。在本研究中，因并無(wú)瓊北地區(qū)早期的背景資料，故采用的是廣東地區(qū)包括海南在內(nèi)的被拉低的平均背景值，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果較實(shí)際偏高，因此，在綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中，包括了母巖的風(fēng)化輸入、可能的農(nóng)業(yè)活動(dòng)的人為輸入和虛高的部分。國(guó)內(nèi)學(xué)者有研究表明，不合理施用有機(jī)肥、化肥均可給農(nóng)田土壤帶來(lái)大量的Hg、Pb、Cu和Zn[32-33]。海南農(nóng)用化肥中Cu、Pb、Zn等有害重金屬元素含量存在超標(biāo)現(xiàn)象[34]。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分農(nóng)田距離公路、住宅區(qū)較近，且農(nóng)田土壤均有農(nóng)家肥（豬、牛糞等）、化肥（磷肥、復(fù)合肥、尿素等）、有機(jī)肥和農(nóng)藥的施用，灌溉水以水庫(kù)水為主（部分為地下水）。但根據(jù)表8可知，Hg、Pb、As的地累積指數(shù)并不高于1，綜合的輕度輸入主要來(lái)自于 Ni、Co、Cr、Cu，其中 Cu、Cr、Ni主要屬于自然來(lái)源，與以往研究一致[6，31]，施用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)給研究區(qū)土壤帶來(lái)了Cu的外源輸入。

表9 研究區(qū)不同類型農(nóng)田土壤重金屬的污染綜合評(píng)價(jià)值Table 9 Integrated assessment results of soil heavy metal in different types of farmland soils

2.3 基于潛在生態(tài)危害指數(shù)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)域的103個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算研究區(qū)土壤中10種金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（）和潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)（RI）如表10所示。

從單元素風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看，赤紅壤、磚紅壤和水稻土中各重金屬單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均值小于40，均表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害，火山灰土中的Ni和Co表現(xiàn)為中等生態(tài)危害。Ni和Co在四類農(nóng)田土壤的富集水平為火山灰土>赤紅壤>磚紅壤>水稻土。在采集的55個(gè)赤紅壤樣品中，Ni、Co和Hg屬于中等生態(tài)危害的點(diǎn)位分別有8、20個(gè)和5個(gè)，Ni有2個(gè)點(diǎn)位達(dá)到較強(qiáng)生態(tài)危害；30個(gè)磚紅壤樣品中，Ni、Co和Hg屬于中等生態(tài)危害的點(diǎn)位分別有4、9個(gè)和1個(gè)；11個(gè)水稻土樣品中，Co和Hg處于中等生態(tài)危害的點(diǎn)位均有1個(gè)；7個(gè)火山灰土壤樣品中，Co處于中等和較強(qiáng)生態(tài)危害的點(diǎn)位分別有4個(gè)和1個(gè)。從多元素角度綜合分析，赤紅壤、磚紅壤和水稻土的重金屬潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)均值分別為129.70、113.22和82.41，均表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害?；鹕交彝琳w處于中等生態(tài)危害，屬于輕微和中等生態(tài)危害的點(diǎn)位分別占總點(diǎn)位數(shù)的29%和71%。

根據(jù)以上分析及基于三角模糊數(shù)的地累積指數(shù)法計(jì)算結(jié)果表明，在含量偏高的土壤重金屬Ni、Co、Cr、Cu、V、Mn 中，Ni、Co、Cr存在累積現(xiàn)象。研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體上為輕微生態(tài)危害等級(jí)，Hg、Ni、Co的潛在生態(tài)危害相對(duì)較大。值得一提的是，盡管瓊北地區(qū)土壤中As的含量并不高，由于其毒性較大，其潛在的生態(tài)危害仍然較高，需要和其他有累積現(xiàn)象、含量高及生態(tài)危害較大的元素同時(shí)得到關(guān)注。

綜合兩種評(píng)價(jià)方法可以看出，該研究區(qū)四類農(nóng)田土壤重金屬含量水平較高的是Ni和Co，其他重金屬元素的評(píng)價(jià)有一定差異。地累積指數(shù)法中將重金屬含量與背景值比較進(jìn)行評(píng)價(jià)，而Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法在評(píng)價(jià)過(guò)程中考慮了各種重金屬的生物毒性，因此兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有差異。在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中可結(jié)合使用，綜合評(píng)價(jià)土壤重金屬的污染狀況。

表10 不同類型農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及綜合指數(shù)Table 10 and RI of heavy metal in different types of farmland soils

表10 不同類型農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及綜合指數(shù)Table 10 and RI of heavy metal in different types of farmland soils

項(xiàng)目 赤紅壤 火山灰土 磚紅壤 水稻土最小值 最大值 均值 最小值 最大值 均值 最小值 最大值 均值 最小值 最大值 均值Eir（As） 1.12 11.80 3.78 1.57 2.13 1.84 1.12 17.98 4.53 1.35 7.42 3.61 Eir（Cu） 0.41 36.47 14.75 11.12 26.41 18.41 1.03 29.71 12.54 1.24 22.00 6.71 Eir（Cr） 0.35 20.00 8.34 7.25 18.46 13.03 0.36 24.04 7.50 0.64 15.21 4.08 Eir（Ni） 0.76 60.76 30.06 33.82 87.50 55.28 0.59 79.51 25.70 1.04 48.96 14.24 Eir（Pb） 0.11 3.28 1.53 0.89 1.43 1.18 0.25 3.18 1.61 1.08 3.78 2.19 Eir（Zn） 0.16 4.10 1.59 2.09 4.04 3.14 0.21 2.90 1.36 0.30 2.14 1.13 Eir（Hg） 25.64 71.79 37.54 25.64 30.77 28.21 25.64 112.82 37.49 25.64 46.15 35.90 Eir（V） 0.73 7.84 4.91 4.99 8.27 6.69 0.34 7.32 4.12 0.62 7.84 2.59 Eir（Mn） 0.10 12.04 3.01 2.61 8.67 6.29 0.12 8.75 2.27 0.10 3.04 1.11 Eir（Co）RI 0.86 30.30 107.14 261.34 24.20 129.70 23.86 93.46 70.29 223.38 53.48 187.54 0.43 32.70 53.57 222.57 16.10 113.22 0.79 21.30 27.50 163.77 10.59 82.41

3 結(jié)論

（1）瓊北農(nóng)田土壤重金屬元素 Ni、Cr、Co、Cu、V、Hg、Mn在一定程度上富集，四類農(nóng)田土壤中重金屬綜合富集程度由高至低排序?yàn)榛鹕交彝?赤紅壤>磚紅壤>水稻土。

（2）瓊北四類農(nóng)田土壤中，Ni、Cr、Co、Cu、V、Mn元素主要在火山灰土壤富集；赤紅壤中主要富集Hg。

（3）研究區(qū)基于三角模糊數(shù)的土壤重金屬地累積指數(shù)的結(jié)果表明，Ni、Cr、Co和Mn為主要污染因子，造成該區(qū)域重金屬較強(qiáng)富集的主要原因可能是母巖發(fā)育過(guò)程引起的，以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)如施用肥料等；研究區(qū)潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果為火山灰土壤處于中等生態(tài)危害，赤紅壤、磚紅壤和水稻土三類農(nóng)田土壤均表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害，其中重金屬Ni、Hg和Co的累積水平較高。

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The levels and potential ecological risk of heavy metals in farmland soils in Northern Hainan Province,China

LI Xue1,LI Jia-tong1,SUN Hong-fei1*,YU Hua-mei1,GE Cheng-jun1,2
（1.College of Resources and Environment,Institute of Tropical Agriculture and Forestry,Hainan University,Haikou 570228,China;2.College of Life Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China）

In this study,a total of 103 soil samples were collected from farmland located in Northern Hainan Province,where high concentrations of heavy metals occur naturally.The concentrations of 12 heavy metals（i.e.,As,Cu,Cr,Zn,Pb,Ni,Hg,V,Mn,Co,Cd,Se）in the soil were measured.The accumulation and potential ecological risk of heavy metals in the soil were assessed using geo-accumulation and potential ecological risk indexes.The results showed that the average Ni,Cr,Co,Cu,V,and Mn concentrations in four types of farmland soils（latosolic red,lateritic,paddy,and volcano lime soils）were 1.11～11.06 times higher than the local background values,and 1.01～5.92 times higher than the national background values.Ni,Cr,Cu,Co,V,and Mn concentrations were higher than the environmental quality standards.Moreover,the geo-accumulation index based on triangular fuzzy numbers showed that Ni,Co,Cr,and Mn accumulated in the soil.Except for the higher background level in volcano lime soil,a slight potential ecological risk was detected in the other farmland soils,where Ni,Hg and Co accumulation levels were higher than those of the other heavy metals.

farmland soils in Northern Hainan Province;heavy metals;triangular fuzzy number;geo-accumulation index;potential ecological risk

X820.4

A

1672-2043（2017）11-2248-09

10.11654/jaes.2017-1022

李 雪，李佳桐，孫宏飛，等.瓊北農(nóng)田土壤重金屬水平及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（11）：2248-2256.

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2017－07－22 錄用日期：2017－09－12

李 雪（1994—），女，江西上饒人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹亟饘傥廴拘迯?fù)。E-mail：978050785@qq.com

*通信作者：孫宏飛 E-mail：646210235@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21467008）；海南省重大科技計(jì)劃（ZDKJ2017002）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（21467008）；Major Science and Technology Programme of Hainan Province（ZDKJ2017002）