陳曉燕，劉桂華，范成五，瞿 飛，秦 松*

(1.貴州大學，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農業(yè)科學院 土壤肥料(農業(yè)資源與環(huán)境)研究所，貴州 貴陽 550006；3.貴州省農業(yè)資源與環(huán)境工程技術研究中心，貴州 貴陽 550006)

【研究意義】土壤是農業(yè)生產的基地，更是人類賴以生存的基本環(huán)境條件。而耕地是最寶貴的農業(yè)資源和最重要的生產要素，耕地質量關乎國家糧食安全、農產品質量安全和農業(yè)生態(tài)安全[1]。【前人研究進展】目前，我國土壤污染問題日趨嚴重，據2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國耕地土壤點位超標率為19.4 %，有近1/5的耕地主要受重金屬污染，鎘的點位超標率為7.0 %[2]。耕地土壤重金屬污染影響農產品質量和食品安全，進而威脅人體健康。因此，耕地土壤污染狀況調查對實現農業(yè)安全生產具有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c】黔東南苗族侗族自治州位于貴州省東南部，全州國土面積30 337 km2，占貴州省國土面積的17.3 %。2016年全州主要農作物播種面積占全省農作物播種面積的11 %，糧食產量占全省的10 %，是貴州主要糧食、果樹、蔬菜以及中藥材主產區(qū)之一，是貴州供應香港和珠三角地區(qū)的重要蔬菜生產基地。黎平縣耕地面積434 km2，占全州耕地面積的10 %。主要作物類型有水稻、玉米、油茶、茶葉、中藥材等。宋春然等[3]于2005年對貴州省農田土壤重金屬污染進行了初步評價，但至今尚未見針對以砂頁巖等發(fā)育為主的黔東南州耕地土壤重金屬污染狀況調查與評價報道?！緮M解決的關鍵問題】為此，對黔東南州黎平縣耕地土壤5種重金屬污染進行較全面的調查，并對耕地土壤重金屬的污染特征和潛在生態(tài)風險等級進行評價，以期為黎平縣農作物的安全生產和耕地土壤重金屬污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黎平縣位于東經108°31′～109°31′，北緯25°41′～26°08′，地處黔、湘、桂三省(區(qū))交界及云貴高原向江南丘陵過渡地區(qū)，是黔東南苗族侗族自治州面積最大、人口最多的縣，是中國28個重點林區(qū)縣和國家商品糧基地縣。土壤類型主要包括黃壤、紅壤、潮土、石灰土和水稻土，主要成土母巖(質)包括砂頁巖、石灰?guī)r、洪積物和沖積物，其中砂頁巖面積最大?？h境內有水泥生產，電子、家電和照明電器生產，錳礦及硅礦開采活動等。

1.2 材料

1.2.1 土壤樣品 土壤樣品共計294個，隨機采集于黎平縣全境表層(0～20 cm)耕地土壤的294個采樣點(圖1)，各采樣點均經GPS準確定位，多點混合后四分法保留1 kg樣品，風干后除去石塊、凋落物和植物根系等雜物，研磨，過100目篩裝瓶備用。

1.2.2 儀器 AFS-9230原子熒光光度計，北京吉天儀器有限公司；ICP-MS7000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國EP公司。

圖1 采樣點位分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites

1.3 樣品測定

采用國家一級標準物質GBW07418～GBW07422(土壤)進行質量控制，各測試項目相對標準偏差(RSD)小于10 %。pH測定采用電位測定法(水土比為2.5∶1)；砷(As)和汞(Hg)全量，采用王水浸提，AFS-9230原子熒光光譜法測定；鎘(Cd)、鉻(Cr)和鉛(Pb)全量，采用氫氟酸、高氯酸、硝酸和王水浸提，ICP-MS7000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。

1.3 評價方法

1.3.1 重金屬的污染程度 不同樣點土壤重金屬的污染程度采用單因子指數法[4]進行評價，根據《土壤環(huán)境質量標準》(GB15618-1995)中的二級標準作為耕地土壤質量參比值，并依據各樣點pH選擇不同的二級評價標準；在單因子指數法評價結果的基礎上，采用內梅羅綜合污染指數法[5]進行復合污染程度評價，可將土壤重金屬污染劃分為5個等級。

1.3.2 土壤潛在生態(tài)風險 采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數法進行，As、Pb、Cd、Cr和Hg毒性響應系數采用Hakanson[6]提出的參考值。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 18.0進行數據處理與統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH及重金屬含量

2.1.1 縣域土壤 從表1可知，在294個樣品土壤中，pH為3.99～7.80，平均5.28；Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量分別為29.60～205.83、8.71～85.13、0.03～1.24、1.45～38.90和0.04～0.60 mg/kg，平均分別為68.39、23.55、0.22、6.16和0.15 mg/kg。5種重金屬平均變異程度為As>Cd>Hg>Cr>Pb，Pb和Cr的變異系數分別為0.32和0.41，Hg的變異系數為0.5，As和Cd的變異系數均大于0.5，表明Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素均為強變異。結合相關文獻[8]的結果初步認為，黎平縣耕地土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg受外界干擾較顯著，可能是化肥農藥施用、交通和工礦業(yè)等人為活動導致空間變異較大，5種重金屬元素在耕地土壤中的偏度和峰度值均較大，呈正偏向和高峰度。

表1 黎平縣土壤pH及重金屬的含量Table 1 Soil pH value and heavy metal concentrations in Liping county (mg/kg)

注：n=294(下同)，背景值為貴州省背景值。
Note:n=294(the same below), the background value is the background value of Guizhou province.

2.1.2 不同母質(巖)發(fā)育土壤 從表2看出，不同母質(巖)發(fā)育土壤5種重金屬含量的差異。Cr含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為97.07 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤其次，為72.59 mg/kg；沖積物發(fā)育土壤最低，為63.49 mg/kg。Pb含量：砂頁巖發(fā)育土壤最高，為23.81 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤其次，為23.29 mg/kg；石灰?guī)r發(fā)育土壤最低，為21.64 mg/kg；不同母質(巖)發(fā)育土壤鉛含量的差異不大，說明并未受外來污染源的影響。Cd含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為0.37 mg/kg；沖積物發(fā)育土壤其次，為0.27 mg/kg；砂頁巖發(fā)育土壤最低，為0.20 mg/kg。As含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為8.50 mg/kg；砂頁巖發(fā)育土壤其次，為6.91 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤最低，為4.53 mg/kg。Hg含量：石灰?guī)r發(fā)育土壤最高，為0.23 mg/kg；洪積物發(fā)育土壤其次，為0.18 mg/kg；沖積物發(fā)育土壤最低，為0.14 mg/kg。

表2 黎平縣不同母質(巖)發(fā)育土壤的重金屬含量Table 2 Concentrations of heavy metals in soils with different parent materials (rocks) in Liping county (mg/kg)

注：沖積物的樣點數為64個，洪積物的樣點數為34個，砂頁巖的樣點數為190個，石灰?guī)r的樣點數為6個。
Note: The number of samples for alluvium, floodwater, sandstone and shale, limestone is 64, 34, 190 and 6 respectively.

表3 黎平縣土壤重金屬元素單因子污染指數評價Table 3 Evaluation of single factor pollution index for heavy metals in soil in Liping county

表4 黎平縣土壤重金屬單因子潛在生態(tài)風險評價Table 4 Evaluation of potential ecological risk of heavy metals in soil of Liping county

2.2 土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數法 從表3可知，黎平縣土壤重金屬元素Cr、Pb、Cd、As和Hg的平均單因子污染指數分別為0.31、0.09、0.74、0.19和0.47，其中只有Cd超標，超標率為3.4 %，其輕微污染、輕度污染和中度污染點位分別占9.5 %、1.7 %和1.7 %，是黎平縣耕地土壤的主要污染元素；Cr、As和Hg屬于輕微污染的點位分別占0.7 %、1.0 %和4.1 %；Pb為無污染。

2.2.2 內梅羅污染指數法 Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素在294個采樣點土壤內梅羅綜合污染指數評價值為0.21～3.33，平均0.68。其中，輕度污染、中度污染和重度污染采樣點分別占總采樣點的9.5 %、1.4 %和0.3 %，這類污染程度的采樣點集中分布于高屯街道、中潮鎮(zhèn)、永從鎮(zhèn)、德鳳街道和雙江鎮(zhèn)等。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密集，并且分布工業(yè)園區(qū)及養(yǎng)殖業(yè)合作社，其采樣點土壤重金屬污染程度與其產業(yè)布局較為一致。根據黎平縣相關資料顯示，高屯工業(yè)園區(qū)與中潮工業(yè)園區(qū)分布有木材精深加工、建材產業(yè)、農產品和食品加工、服裝及塑料制品加工、通用設備制造、電子、家電和照明電器生產等產業(yè)，德鳳街道分布有水泥廠、錳礦生產企業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，雙江鎮(zhèn)分布有養(yǎng)殖業(yè)。由于畜禽糞便含有多種重金屬，其排泄物通過資源化利用，經堆肥漚制作有機肥還田[9]。因此，推測黎平縣在茶葉和油茶生產過程中施用了含重金屬的畜禽糞便的有機肥，與內梅羅污染指數評價結果顯示的土壤重金屬污染程度有一定的關聯。水泥、錳礦開采[10]、通用設備制造、電子、家電、照明電器生產等行業(yè)排放的廢水及廢渣中含有Cd、Cr、Pb、Hg和As等重金屬[11]，推測以上行業(yè)生產過程排放的廢水及廢渣可能是導致耕地土壤污染的潛在源頭之一[12]。因此，黎平縣應合理施用化肥農藥，加大畜禽養(yǎng)殖、制造業(yè)和工礦業(yè)的監(jiān)管及其污染排放的控制力度，以改善耕地土壤的污染現狀。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

2.3.1 單因子潛在生態(tài)風險 從表4可知，，Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素在294個采樣點中單因子潛在生態(tài)風險指數的平均值分別為0.62、0.46、22.31、1.95和18.81，表明黎平縣耕地土壤均不存在潛在生態(tài)風險。在不同采樣點中，Cr、Pb和As的潛在生態(tài)風險程度為“低”的樣點占100 %，不存在“中”“較重”“重”和“嚴重”的潛在生態(tài)風險。Hg的潛在生態(tài)風險程度為“低”的樣點占95.9 %，為“中”的占4.1 %，不存在“較重”“重”和“嚴重”的潛在生態(tài)風險，中度生態(tài)風險采樣點位于高屯街道、中潮鎮(zhèn)、德順鄉(xiāng)、永從鄉(xiāng)、洪州鎮(zhèn)和德化鄉(xiāng)，高屯工業(yè)園區(qū)有照明電器生產產業(yè)，燈具生產過程中產生的廢棄燈管、廢水和廢氣中均含有Hg，導致其耕地土壤Hg存在中度潛在生態(tài)風險。Cd潛在生態(tài)風險指數的差異幅度較大，為3.41～123.60，其潛在生態(tài)風險指數屬于“低”“中”和“較重”程度分別占91.5 %、6.8 %和1.7 %，不存在 “重”和“嚴重”潛在生態(tài)風險，較重生態(tài)風險程度的采樣點集中于高屯街道，其分布有通用設備制造、電子、家電和照明電器生產等產業(yè)。

2.3.2 綜合潛在生態(tài)風險 Cr、Pb、Cd、As和Hg 5種重金屬元素在294個采樣點的綜合潛在生態(tài)風險指數為12.32～212.36，平均44.15，屬于“低”和“中”潛在生態(tài)風險程度分別占99.7 %和0.3 %，中度潛在生態(tài)風險采樣點位于高屯街道。從綜合潛在生態(tài)風險指數平均值看，黎平縣耕地土壤重金屬不存在潛在生態(tài)風險，但部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的某些重金屬元素存在中度甚至較重潛在生態(tài)風險，高屯街道的Cd和Hg污染仍需治理。

3 討 論

內梅羅綜合污染指數法和綜合潛在生態(tài)風險指數法能有效評價土壤重金屬污染程度。杜啟露等[13]采用綜合污染指數法和潛在生態(tài)風險指數法評價貴州省修文縣獼猴桃基地的重金屬污染程度及其潛在生態(tài)風險結果表明，存在輕微生態(tài)污染。柴冠群等[14]采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法研究貴州省火龍果5個主產區(qū)土壤典型重金屬的含量特征，并對各產區(qū)土壤重金屬污染狀況進行評價，部分樣點的土壤重金屬含量超標，但火龍果果實重金屬含量極低。喻子恒等[15]采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法分析貴州省黔東南州丹寨金汞礦周邊稻田土壤的典型重金屬含量，汞礦區(qū)周圍92.86 %的稻田土壤遭到重金屬重度污染。

土壤中重金屬的來源可分為成土母質影響下的自然來源以及受母質和外界活動共同控制的混合來源[16]。黎平縣不同母質(巖)發(fā)育的耕地土壤重金屬含量存在差異，依次為As>Cd>Hg>Cr>Pb；研究區(qū)域內，石灰?guī)r發(fā)育土壤的Cr、Cd、As和Hg含量最高，石灰?guī)r樣點區(qū)域均集中在高屯街道，高屯街道可能是受母質和外界活動共同控制的污染；Cd、Cr、Hg和As的含量差異主要是成土母質(巖)的差異性所致，推測外界活動也是原因之一；Pb的含量并無差異。原志敏[17]研究表明，以碳酸鹽巖發(fā)育的畢節(jié)市農田土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量分別為132.88、126.89、3.08、16.17和0.15 mg/kg，除As外，其余重金屬含量均超過貴州省背景值。何騰兵等[18]研究貴州喀斯特山區(qū)9種母質(巖)發(fā)育的5種重金屬含量表明，石灰?guī)r發(fā)育的土壤Cr、Pb、Cd、As和Hg的含量較高，砂頁巖發(fā)育的土壤5種重金屬含量均為最低。朱健等[19]抽樣測定貴州省黔東南州6個地區(qū)的土壤重金屬含量，不同地區(qū)的重金屬含量差異較小，并無超過標準值的土壤樣品?？梢?，以砂頁巖等發(fā)育為主的黔東南州耕地土壤重金屬含量較低，風險水平低，可為發(fā)展現代山地特色高效農業(yè)提供優(yōu)質的耕地資源，楊春等[20-21]研究結果表明，黔東南是中藥材種植的理想地。

4 結 論

黎平縣耕地土壤Cr、Pb、Cd和As平均含量低于貴州省背景值，Hg的平均含量高于貴州省背景值，其含量平均值為貴州省背景值的1.36倍。單因子污染指數評價方法表明，黎平縣耕地土壤只有Cd超標，超標率為3.4 %，是黎平縣耕地土壤的主要污染元素，Hg、Cr和As存在輕微污染，Pb無污染。內梅羅綜合污染指數平均值表明，研究區(qū)整體無污染，輕度污染以上所占比例為11.2 %，污染主要集中于高屯街道和中潮鎮(zhèn)。潛在生態(tài)風險指數評價結果與污染指數評價結果相近，整體無污染，局部點位存在輕微污染?？梢姡谥亟饘亠L險指數較低、耕地重金屬環(huán)境質量良好的黔東南州，對于有水泥、電子、家電和照明電器生產等污染企業(yè)，以及錳礦及硅礦開采活動分布區(qū)域的耕地，特別是集中分布區(qū)域的耕地，仍然存在重金屬污染的風險。兩種評價方法的結果大體一致，但潛在生態(tài)風險評價法并未計算出Cr和As污染的情況，導致這一差異是因為元素毒性系數相差較大，如Cd和Hg由于具有較高的毒性系數對人體的健康影響大，而Cr和As毒性系數較小。