滕英 陳金鳳 張宇豪 張雅嫆 唐慶強

摘 要：研究福建省東部代表性區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地鎘（Cd）污染現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并進行風險程度分析，以期為福建省東部地區(qū)農(nóng)用地土壤Cd治理和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供技術支撐。采集福建省東部農(nóng)用地（水田329個、蔬菜地78個、果園41個、茶園47個）共495個土壤樣品，采用石墨爐原子吸收法測定土壤中的Cd含量，利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法等評價方法，對福建省東部代表性區(qū)域農(nóng)用地Cd污染情況進行評價。結(jié)果表明： 福建省東部代表區(qū)域農(nóng)用地Cd累積量大，8個區(qū)域農(nóng)用地重金屬總Cd平均值分別為0.227、0.167、0.177、0.162、0.128、0.205、0.166、0.249 mg·kg-1，但有效態(tài)含量均低于0.080 mg·kg-1，呈輕度污染，能夠流入食物鏈的Cd量較少。由于地區(qū)間差異性顯著，且單個區(qū)域內(nèi)總Cd和有效Cd含量均呈現(xiàn)上升趨勢，生態(tài)風險較強。

關鍵詞：土壤;重金屬;鎘;污染狀況調(diào)查;風險評價

中圖分類號：X 53?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：0253-2301（2021）11-0080-07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.11.013

Investigation and Risk Assessment of Cadmium Pollution in Agricultural Lands inthe Representative Regions of Eastern Fujian

TENG Ying1， CHEN Jin-feng1，2， ZHANG Yu-hao1， ZHANG Ya-rong1， TANG Qing-qiang3

（1. China Certification & Inspection Group Fujian Co.， Ltd.， Fuzhou， Fujian 350015， China; 2. College of

Eco-Environment and Urban Construction， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China;

3. Technology Center of Fuzhou Customs District， Fuzhou， Fujian 350001， China）

Abstract： The present situation and development trend of cadmium （Cd） pollution in agricultural land in the representative regions of eastern Fujian were studied and the risk degree was analyzed， in order to provide technical support for the Cd control in agricultural land soil and the quality safety of agricultural products in eastern Fujian. A total of 495 soil samples were collected from the agricultural lands in eastern Fujian （329 paddy fields， 78 vegetable fields， 41 orchards， and 47 tea gardens）. The content of Cd in soil was determined by using the method of graphite furnace atomic absorption spectrometry. Then， the Cd pollution of agricultural lands in the representative regions of eastern Fujian was evaluated by using the Nemerow pollution index method and potential ecological risk index method. The results showed that the accumulation of Cd in agricultural lands was large in the representative regions of eastern Fujian. The mean values of total Cd of heavy metals in agricultural lands of the eight regions were 0.227， 0.167， 0.177， 0.162， 0.128， 0.205， 0.166 and 0.249 mg·kg-1， respectively， but the effective state contents were all lower than 0.080 mg·kg-1， indicating slight contamination and a small amount of Cd that could flow into the food chain. Because of the significant differences among regions， and the increasing trend of total Cd and available Cd contents in a single region， the ecological risk was strong.

Key words： Soil; Heavy metals; Cadmium; Pollution investigation; Risk assessment

伴隨著工業(yè)快速發(fā)展，各類污染物在土壤中不斷積累[1-2]，土壤污染風險呈現(xiàn)加劇趨勢，特別是土壤重金屬污染尤其突出[3-5]。土壤一旦遭受重金屬污染，難以在短時間內(nèi)消除，重金屬將影響植物地下根系有絲分裂，增大根系染色體畸變率[6]，并且可能流向食物鏈，因此，土壤重金屬污染與治理已成為研究焦點[7-8]。土壤重金屬污染物中，Cd的超標率遠大于Hg、As、Cu、Cr等重金屬。Cd為人體非必需元素，具有較強的潛伏性和毒性。目前國內(nèi)對土壤Cd污染情況的研究，主要集中在各類大型工業(yè)區(qū)和水域底泥，如李法松等[9]對安慶周圍地區(qū)水域沉積物以Cd為主的重金屬污染展開研究，評估各水體存在的生態(tài)危害風險情況;許友澤等[10]對湘江底泥重金屬污染的研究表明，Cd的潛在生態(tài)風險最高，湘江干流的潛在生態(tài)風險明顯高于支流;陸泗進等[11]對礦場周邊農(nóng)田的研究表明，Cd的水溶態(tài)和可提取態(tài)較其他重金屬高，在該地區(qū)Cd的潛在生態(tài)危害最高;張倩等[12]對大港工業(yè)區(qū)重金屬污染的研究中發(fā)現(xiàn)Cd和As污染情況最嚴重。

由于各地區(qū)土壤的利用類型不同，農(nóng)用地的耕作歷史、習慣不同，以及周邊環(huán)境不同等因素，導致土壤地塊具有非常顯著的地域差異。福建省地形多山起伏，垂直分異明顯，地勢上總體西北高東南低，中部和西部存在兩個大山帶，土壤類型隨地勢拔升依次為水耕人為土-鐵鋁土-富鐵土、雛形土-淋溶土、新成土的層狀分布[13]。盧翠英等[14]對福建省農(nóng)田Cd污染的研究表明，福建省農(nóng)田土壤重金屬鎘污染超標率遠超全國耕地Cd污染超標率，但目前對福建省各類農(nóng)用地的Cd污染狀況全面評估的研究報道較少。福建省素有“八山一水一分田”的美稱，東部地區(qū)耕地集中，主要分布在沿海平原、沿河流域、丘陵梯田等，該地區(qū)主要以紅壤為主，具有典型的南方酸性土壤特性，對Cd具有較強的吸附特性[15]。福建省東部地區(qū)農(nóng)用地Cd污染狀況評估，是該地區(qū)作物種類調(diào)整、土地治理、水肥調(diào)控等技術落實的基礎，因此，選取福建省東部具有典型土壤代表性的地塊作為研究對象，具有較強的針對性，研究成果具有較大的應用指導意義。本研究以農(nóng)用地為試驗對象，通過對福建省東部大范圍區(qū)域內(nèi)的水稻田、蔬菜地、果園等多種農(nóng)作物種植土壤495個點位進行土壤中總Cd和有效Cd檢測，探究試驗區(qū)域內(nèi)Cd污染現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并進行風險程度分析，以期為福建省東部地區(qū)農(nóng)用地土壤Cd治理和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點位布設和樣品采集

為研究不同農(nóng)用地利用類型土壤對重金屬Cd蓄積、遷移的影響，選取福建省東部具有代表性的8個區(qū)域地塊進行土壤樣品采集，該區(qū)域地塊糧食種植面積約為1067 km2。點位地塊對應的作物種植類型以水田為主，共取水田土壤樣品329個，還包含其他土壤類型點位：蔬菜地78個、果園41個、茶園47個。本次采樣點位合計495個，各作物種植類型土壤占比見圖1。

采用系統(tǒng)布點法，充分考慮農(nóng)用地利用類型，根據(jù)布設的點位選擇田塊進行采樣，為保證樣品代表性，降低采樣誤差，使用采集混合樣的方案，在采樣地塊上選擇對角線法，以點位為中心設對角線，分5點，以5個點為采樣分點采集樣品混合。水田、蔬菜地采樣深度為0～20 cm，園地采樣深度為0～30 cm。先采用不銹鋼鏟等工具挖掘，而后用竹刀等工具切去與不銹鋼鏟直接接觸的部分，然后進行采集。采集樣品重量要達到風干后重量1 kg以上。采樣地塊不宜靠近田埂、道路、糞肥、垃圾、民房、施肥溝等。

1.2 樣品制備

土壤樣品制備分風干和研磨2個步驟。樣品風干：樣品先平鋪于牛皮紙上，攤成2～3 cm的薄層，將樣品多次壓碎、翻動，同時揀出沙礫、碎石、植物殘體等，待樣品干后進行研磨;樣品研磨：將土壤樣品利用碾碎、研磨等方法處理，再通過四分法、尼龍網(wǎng)篩選等方式制備多份樣品，10目樣品用于土壤pH、陽離子交換量、元素有效動態(tài)含量等項目的分析。細磨到全部過60篩目尼龍網(wǎng)的樣品，用于土壤有機質(zhì)分析。研磨到全部過100篩目尼龍網(wǎng)的樣品，用于土壤元素全量分析。

1.3 樣品分析方法

土壤pH值測定采用電位測定法測定;土壤重金屬總Cd用HNO3、HF、HClO3酸消解等離子體質(zhì)譜聯(lián)用法（ICPMS）測定;土壤重金屬有效態(tài)Cd用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取石墨爐原子吸收分光光度法測定[16]。

1.4 評價方法

采用國家標準GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中確定的風險篩選值作為污染評價參考值，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對福建省東部代表性區(qū)域農(nóng)用地Cd污染情況進行評價，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法既包含單因子指數(shù)法，又能直觀分析各區(qū)域以及場地整體的污染程度。最后，采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法進一步探究土壤中重金屬Cd產(chǎn)生的生態(tài)風險。

1.4.1 土壤重金屬Cd富集評價 以福建省土壤Cd背景值[17]作為參考值，土壤中總Cd高于背景值意指存在富集行為;具有富集現(xiàn)象的樣品個數(shù)占樣本總數(shù)的比例為富集比例;總Cd與背景值的比值為富集倍數(shù)。

1.4.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)：Pi=Ci/Si。

式中，Pi為污染物單因子指數(shù);Ci為實測濃度mg·kg-1;Si為土壤環(huán)境質(zhì)量標準mg·kg-1。根據(jù)所得Pi的大小，判定土壤中某項污染物的污染程度。當P≤1時，表示無污染;當13時，表示重度污染。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)：P=[（ Pi2max+Pi2ave）/2]1/2

式中，Pimax為污染指數(shù)的最大值;Piave為污染指數(shù)的平均值。土壤污染水平分級標準見表1。

1.4.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法 本研究采用Hankanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行土壤環(huán)境風險評價[18-20]。該方法考慮重金屬含量， 將重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯(lián)系在一起，采用等價屬性指數(shù)分級法評價，反映某一特定環(huán)境中各種污染物的影響和多種污染物綜合影響，定量劃分潛在生態(tài)危害的程度。潛在生態(tài)危害指數(shù)法的表達式如下：

Cif=Ci/Ci0，

Eir=Tif×Cif

式中：Ci、Ci0分別為污染物i的實測值（mg·kg-1）、參比值（mg·kg-1），Tif為Hakanson制定的標準化重金屬毒性響應系數(shù)，金屬元素Cd、Pb、Cu、Cr、Zn、As、Hg的毒性響應系數(shù)分別為30、5、5、2、1、10、40。采用Hakanson提出的潛在生態(tài)危害評價指標（表2）對生態(tài)危害進行分級。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Cd污染狀況

2.1.1 土壤中總Cd含量比較 福建省東部代表區(qū)域農(nóng)用地Cd污染全量測定結(jié)果的統(tǒng)計分析見表3。

從表3可知，8個區(qū)域農(nóng)用地重金屬總Cd平均值分別為0.227、0.167、0.177、0.162、0.128、0.205、0.166、0.249 mg·kg-1。與福建省土壤Cd背景值[17]對比發(fā)現(xiàn)，8個地區(qū)農(nóng)用地的Cd富集比例均高于90%，平均含量遠高于背景值，富集倍數(shù)分別為4.20、3.09、3.28、3.00、2.37、3.80、3.07、4.61。各區(qū)域Cd在表層土壤中的積累程度較大，均已達到較高的水平，其中區(qū)域1和區(qū)域8的富集倍數(shù)均超過了4.00，區(qū)域6和區(qū)域8的富集比例甚至達到100%。地球環(huán)境化學研究表明，土壤元素的累積通常伴隨變異性的增強[21]。本研究進一步研究福建省東部代表區(qū)域農(nóng)用地總Cd含量變異系數(shù)的波動情況，分析土壤中Cd含量的累積狀況。從表3可知，區(qū)域5、區(qū)域6和區(qū)域7的變異系數(shù)分別為42.89%、41.56%和45.99%，其他區(qū)域Cd 含量變異系數(shù)均超過50%，區(qū)域8的變異系數(shù)最高，達到了107.83%。

差異顯著性分析結(jié)果表明，多個區(qū)域土壤總Cd含量存在顯著性差異，富集倍數(shù)較高的區(qū)域1、區(qū)域8與 區(qū)域2、區(qū)域4、區(qū)域5、區(qū)域7之間存在顯著性差異（P<0.05），區(qū)域3顯著低于區(qū)域8（P<0.05），區(qū)域6顯著高于區(qū)域5（P<0.05）。上述研究表明，福建省東部代表區(qū)域農(nóng)用地土壤Cd累積量大、富集倍數(shù)高，且具有較高的變異性，這說明該地區(qū)土壤總Cd變量處于較大的變動中。

2.1.2 土壤有效Cd含量比較 土壤中有效Cd是Cd能夠被植物吸收和利用的數(shù)量。測試分析了土壤中有效Cd含量，結(jié)果（表5）表明，8個區(qū)域土壤中有效Cd含量分別為0.064 、0.063、0.061、0.052、0.046、0.079、0.050、0.080 mg·kg-1。對比DB 35/859-2016《農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染程度的分級》，結(jié)果顯示，8個區(qū)域共計495個土壤點位中，95.35%的土壤有效Cd含量低于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染安全值，僅在區(qū)域1和區(qū)域8各存在1個高危級，區(qū)域2和區(qū)域8各存在1個限制級，各區(qū)域警戒級點位數(shù)量在1～4個，其余點位均處于安全級內(nèi)。各區(qū)域有效Cd變異系數(shù)較高，僅區(qū)域6變異系數(shù)為45.24%，其余區(qū)域均高于50%，尤其是區(qū)域1、區(qū)域8變異系數(shù)分別為150.97%、180.26%，表明土壤有效Cd呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。差異顯著分析結(jié)果表明有效Cd僅區(qū)域5與區(qū)域6、8之間存在顯著性差異，其余區(qū)域間差異性并不顯著。上述研究表明，福建省東部代表性區(qū)域農(nóng)用地土壤有效Cd總體處于安全級，但部分點位變異較大的特點。

2.2 土壤中Cd污染風險評價

2.2.1 土壤中Cd單因子污染指數(shù)評價結(jié)果 GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》規(guī)定了水田和其他農(nóng)用地在不同pH條件下對應的土壤污染風險篩選值不同（表5）。采用單因子污染指數(shù)法進行評價，結(jié)果（表6）表明：在所調(diào)查8個區(qū)域的Cd單因子污染指數(shù)均存在部分超標點位（表6），495個點位有45個點位土壤屬于超標情況，各區(qū)域的超標率分別為17.35%、7.94%、9.68%、5.36%、2.70%、10.87%、7.32%、7.27%，其中區(qū)域1超標率最高，該區(qū)域涉及98個點位，有17個點位超標。調(diào)查區(qū)域絕大多數(shù)超標土壤屬于輕度污染，有3個區(qū)域共3個點位屬于中度污染，分別分布于區(qū)域3、區(qū)域4和區(qū)域8各1個，有2個區(qū)域共2個點位屬于重度污染，區(qū)域1和區(qū)域8各1個。以區(qū)域為評價單位，各區(qū)域Cd單因子污染指數(shù)平均值都處于警戒線以下，表明福建省東部代表性區(qū)域污染程度較輕，受污染農(nóng)用地未超過10%，受污染點位90%為輕度污染，土壤中 Cd分布不均，少部分點位污染程度嚴重。

2.2.2 土壤Cd內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果 福建東部地區(qū)8個區(qū)域，土壤Cd內(nèi)梅羅污染指數(shù)分別為3.78、1.42、1.80、1.56、0.78、1.28、1.03、4.89（圖2），其中，有7個區(qū)域的土壤均受不同程度等級的污染。區(qū)域5所受到的Cd污染尚處于警戒線范圍內(nèi)，土壤尚清潔;區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4、區(qū)域6、區(qū)域7的土壤所受到的Cd污染屬輕度污染，土壤已經(jīng)受到輕度污染;區(qū)域1、區(qū)域8的土壤所受到的Cd污染屬重污染，土壤受污染相當嚴重。

2.2.3 土壤中Cd潛在生態(tài)風險評價結(jié)果 根據(jù)福建省東部代表區(qū)域農(nóng)用地Cd潛在生態(tài)風險評價（圖3），福建東部代表性區(qū)域8個區(qū)域Cd潛在風險系數(shù)分別為126.08、92.78、98.51、89.92、70.98、113.94、92.26、138.40。所有區(qū)域平均Cd潛在風險系數(shù)均高于低風險系數(shù)閾值40，其中區(qū)域5處

在40≤Eir<80范圍內(nèi)，其生態(tài)風險程度屬于中等強度，其他7個區(qū)域Eir均高于80，屬于強風險等級。表明研究區(qū)域土壤Cd污染潛在生態(tài)危害強，污染風險較大，考慮到毒性響應因素，可通過低富集型作物種植等農(nóng)藝調(diào)控和替代種植等措施實現(xiàn)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)需求。

3 結(jié)論

本研究選取福建省東部區(qū)域具有代表性的水田、蔬菜地、果園、茶園等不同用地類型的農(nóng)用地進行科學布點，共采集495個土壤樣品，采用多種評價手段進行土壤Cd污染風險評價。研究結(jié)果表明，試驗區(qū)域內(nèi)土壤中存在總Cd富集現(xiàn)象，但土壤中有效Cd含量多數(shù)低于土壤重金屬污染安全值，說明土壤中雖然Cd元素含量高，但多數(shù)處于不活躍狀態(tài)。原因可能是土壤長期施用生石灰，改變土壤pH，使得游離Cd轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝趸锝Y(jié)合態(tài)以及殘渣態(tài)形式存在。但基于福建省當下酸性土壤特質(zhì)和作物根系有機酸分泌對土壤pH的影響，土壤Cd污染問題仍然需要得到重視。

通過不同風險評價手段多維度評價調(diào)查地塊的Cd污染情況及潛在風險，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價法表明福建省東部區(qū)域污染程度總體表現(xiàn)為輕度污染，但土壤潛在生態(tài)風險多數(shù)區(qū)域處于強風險，這也是土壤Cd全量大、活躍態(tài)低的結(jié)果。雖然目前土壤中有效Cd含量多數(shù)低于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染安全值，但鑒于土壤重金屬富集情況直接影響農(nóng)作物生長，甚至影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，為控制農(nóng)用地土壤的生態(tài)環(huán)境風險，應加強土壤環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測，對于農(nóng)用地土壤總Cd、有效Cd變異系數(shù)大、地區(qū)差異性顯著的現(xiàn)象，應當采取安全利用措施。此外，由于農(nóng)用地土壤中存在多種重金屬協(xié)同污染的情況，因此還需考慮其他重金屬的污染風險，以及與Cd協(xié)同污染的風險。

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（責任編輯：林玲娜）