張貴友，杜 雷，王素萍，黃 翔，姜 利，洪 娟，練志誠，張利紅，葉莉霞，陳 鋼

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與安全研究所，武漢 430000）

重金屬是指一些生物毒性較為顯著的微量元素，是土壤中一類具有潛在危害性的污染物，由于其在土壤中具有易富集和遷移的特性，不僅影響作物的生長發(fā)育，而且還會通過食物鏈進入動物體內(nèi)，最終進入人體，在人體內(nèi)積累，導(dǎo)致一系列的慢性病、畸形甚至癌癥的發(fā)生［1-5］。關(guān)于重金屬污染的研究主要是針對鉛、鎘、鉻、汞、砷、鎳這6 種元素，此外，作為生物生長發(fā)育必需元素的銅、鋅這2 種元素，其在高濃度的情況下也會對動植物和人類造成一定的危害，因此，將銅、鋅元素也歸為重金屬研究的范疇［6，7］。

當(dāng)前土壤重金屬污染問題成為國內(nèi)外的研究熱點，土壤重金屬含量水平不僅影響著土壤的可持續(xù)利用，而且對糧食安全也有著直接的影響［8，9］。隨著中國城市化不斷加快，工業(yè)化程度不斷提高，越來越多的污染物被排放到環(huán)境中，土壤作為重要的載體承受著越來越多的排放壓力，加上普遍存在的農(nóng)藥和化肥等農(nóng)用化學(xué)品的過量施用，導(dǎo)致了重金屬元素在土壤中的大量富集［10］，“鎘大米”、“鎘小麥”等一些餐桌上的問題也不斷提醒著人們，土壤重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人們的飲食安全和健康［11］。

已有學(xué)者對北京、天津、上海、長沙、杭州、重慶、廣州、?？诘鹊氐牟说赝寥乐亟饘傥廴緺顩r進行過一系列的調(diào)查研究［12］，指出中國部分城市的菜地土壤已經(jīng)受到了不同程度的重金屬污染：北京市懷柔區(qū)和大興區(qū)土壤鎘污染較為突出；天津市近半數(shù)地區(qū)土壤屬于輕度污染以上水平，開始影響到了當(dāng)?shù)鼐用窠】担簧虾Ｊ谐缑鲘u地區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險水平屬于輕度預(yù)警狀態(tài)；長沙市市郊蔬菜基地70%的土壤受到鎘污染，58.6% 的土壤受到重金屬綜合污染；杭州市農(nóng)業(yè)土壤總體處于安全水平，個別地區(qū)土壤重金屬含量超過土壤二級標(biāo)準(zhǔn)；重慶市蔬菜基地土壤狀況總體較好，鎘和汞存在不同程度超標(biāo)；廣州市菜地土壤重金屬污染以鎘為主，砷、汞次之，存在點源性污染；?？谑惺卟嘶赝寥梨k含量超過土壤二級標(biāo)準(zhǔn)，葉菜類蔬菜重金屬污染指數(shù)高于果菜類［13-20］。關(guān)于武漢市的土壤重金屬研究主要集中于湖泊沉積物、工業(yè)區(qū)土壤及主城區(qū)土壤［21-25］，鮮有針對城郊農(nóng)田土壤重金屬的研究［26-28］。

以武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域，對該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進行調(diào)查和分析，采用單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法綜合評價該區(qū)域農(nóng)田土壤的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險，為該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的污染防控和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)位于武漢市東南部，面積518 km2，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫16.4 ℃。

1.2 樣品采集

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進行網(wǎng)格法布局，同時兼顧區(qū)域內(nèi)行政村農(nóng)田種植面積，采集0～20 cm 耕作層土壤。采用多點混合采樣法，即在樣點50 m 范圍內(nèi)采集5 個土壤樣品，充分混合后采用四分法留取1 kg 左右，共采集土壤樣品58 個。用聚乙烯塑料袋包裝帶回實驗室風(fēng)干，剔除其中的植物殘根、石塊及雜物，用瑪瑙研缽研磨并過100 目篩，裝袋密封后備用。

1.3 樣品測定

土壤樣品采用微波消解法（硝酸-氫氟酸-雙氧水）進行預(yù)處理，即稱取0.2 g 左右土壤樣品于50 mL具蓋聚四氟乙烯消解管中，依次加入6 mL 硝酸、2 mL氫氟酸和1 mL 雙氧水，放入微波消解儀（SINEO JU?PITER-8）消解，消解液用ICP-OES（Thermo iCAP 6300）測定As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 的含量，用原子熒光光度計（普析通用PF31）測定Hg 的含量。分析方法準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度采用國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-5 和平行樣品進行控制，數(shù)據(jù)用Excel 和SPSS 19.0 處理。

1.4 重金屬污染評價

采用國家《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值作為評價基準(zhǔn)，應(yīng)用單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對農(nóng)田土壤重金屬污染程度進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值 （單位：mg∕kg）

1.4.1 單因子污染指數(shù)評價法 單因子污染指數(shù)是土壤環(huán)境質(zhì)量評價的常見指標(biāo)，公式為Pi=Ci∕Si，Pi指土壤中污染物i的單項污染指數(shù)；Ci指污染物i的實測值；Si指污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)。Pi>1 表示土壤受到污染；Pi≤1 表示土壤未受污染；Pi越大，表明土壤受污染程度越嚴(yán)重，13 表示土壤受重度污染。

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前常用的另一種土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法，在進行環(huán)境質(zhì)量評價以及土壤污染程度的比較上具有較強實用性，使得不同污染物間或不同地域間環(huán)境質(zhì)量的比較成為可能。 該公式為P綜=，P綜指土壤污染綜合指數(shù)；P指各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值；Pimax指各污染物中最大污染指數(shù)。P綜≤0.7 表示安全；0.73 表示重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量情況

東湖高新區(qū)58 個土壤采樣點中各重金屬含量如表2 所示。不同樣點土壤重金屬含量變化范圍較大，As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn 的含量范圍分別為7.28～15.23、0.01～0.42、33.61～107.64、14.10～83.30、0.04～1.90、13.51～47.43、7.53～57.74、44.93～138.29 mg∕kg，變異系數(shù)分別為15.80%、64.10%、21.02%、33.13%、153.98%、21.29%、44.84% 和22.78%，可見Hg 的變異系數(shù)較高，表明Hg 在東湖高新區(qū)的分布差異較大。將不同樣點農(nóng)田土壤中各重金屬的含量與湖北省土壤背景值對比發(fā)現(xiàn)，37.93% 的樣點土壤中As的含量高于湖北省土壤背景值；15.52% 的樣點土壤中Cd 的含量高于湖北省土壤背景值；3.45%的樣點土壤中Cr 的含量高于湖北省土壤背景值；39.66%的樣點土壤中Pb 的含量高于湖北省土壤背景值；84.48%的樣點土壤中Hg 的含量高于湖北省土壤背景值；8.62% 的樣點土壤中Ni 的含量高于湖北省土壤背景值；5.17%的樣點土壤中Cu 的含量高于湖北省土壤背景值；17.24% 的樣點土壤中Zn 的含量高于湖北省土壤背景值。表明各種重金屬在東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中均有一定程度的積累，且Hg、As 和Pb 在農(nóng)田土壤中的積累范圍較廣。

2.2 東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)評價法 以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)值，采用單因子污染指數(shù)評價法對采樣點土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價，結(jié)果如表3所示。東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中除Cd 之外其他7 種重金屬均處于清潔水平，在58 個農(nóng)田土壤樣點中也僅發(fā)現(xiàn)1 個樣點中存在Cd 輕度污染情況，表明東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤總體處于清潔水平。

表2 東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量

表3 單因子污染指數(shù)評價結(jié)果

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法 以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值為評價基準(zhǔn)值，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法對采樣點土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價，結(jié)果如表4 所示。與單因子污染指數(shù)評價法一致，58個樣點中僅1 個樣點存在輕度污染情況，表明東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤總體處于安全水平，通過對污染指數(shù)較高的小范圍農(nóng)田土壤進行土壤改良，減少高重金屬含量肥料的使用來降低該區(qū)域農(nóng)田重金屬含量，改善土壤污染。

表4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

3 小結(jié)與討論

對武漢市東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中8 種重金屬（As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn）的含量進行測定分析及污染指數(shù)評價分析，得出結(jié)果如下。

1）東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu 和Zn 的平均含量分別為11.57、0.12、61.85、26.45、0.16、28.95、17.07、70.55 mg∕kg，有80% 以上的農(nóng)田土壤中Hg 含量超過湖北省土壤背景值，40%以上的農(nóng)田土壤中As 和Pb 含量超過湖北省土壤背景值。

2）東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤單因子污染指數(shù)評價和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價表明，1.72% 的農(nóng)田土壤存在Cd 輕度污染情況，其余重金屬元素含量處于清潔水平，東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤總體處于安全水平，未對農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)造成不良影響。

3）長期過量施用含重金屬的肥料可能是造成東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤大范圍Hg、As 和Pb 積累的主要原因，不使用污水灌溉、減少肥料中重金屬含量以及控制肥料過度施用可在一定程度上減少重金屬污染。

將測定結(jié)果與湖北省土壤背景值進行比較，并以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值作為基準(zhǔn)值，評價重金屬元素的單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可知，在所調(diào)查的東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中均發(fā)現(xiàn)了一定量的重金屬元素，有84.48% 的土壤樣點中Hg含量超過湖北省土壤背景值，此外，有近40% 的土壤樣點中As 和Pb 含量超過了湖北省土壤背景值，表明東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中Hg、As 和Pb 的污染范圍較廣，在58 個樣點中發(fā)現(xiàn)有1 個樣點存在Cd 污染較高的情況，也表明Cd 的點源污染情況存在，而東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤總體處于清潔水平。

有研究指出，肥料原料中含有一定量的重金屬元素，同時肥料生產(chǎn)中也容易出現(xiàn)重金屬污染的情況［29］，這就造成了肥料中一般會含有重金屬元素，東湖高新區(qū)農(nóng)田土壤中Hg、As 和Pb 的高分布性可能與農(nóng)戶長期過量施肥有關(guān)［30］，不使用污水灌溉和控制肥料的過量施用可有效控制當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤的重金屬含量的積累，改善當(dāng)?shù)赝寥罓顩r。