李 雪，國大旺，張?zhí)K雅拉吐

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 核物理研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028043；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分[1-2］。近些年，土壤重金屬污染引起了全球范圍環(huán)境科研人員的高度關(guān)注[3-4］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用農(nóng)藥化肥、污水灌溉或汽車尾氣排放等高強(qiáng)度的人類活動[5-10］，使重金屬等污染物質(zhì)通過大氣沉降等途徑富集于農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。土壤中的重金屬有不可降解性、高毒性、持久性、生物體內(nèi)蓄積性等特點(diǎn)，重金屬濃度超過一定劑量，會使農(nóng)作物的產(chǎn)量及質(zhì)量下降，直接或者間接地通過食物鏈影響人體健康[11］。重金屬進(jìn)入人體后，與體內(nèi)蛋白質(zhì)和酶發(fā)生相互作用，從而使這些蛋白質(zhì)和酶失去活性；體內(nèi)重金屬含量超過一定劑量時，人會出現(xiàn)中毒等癥狀[12-13］。農(nóng)田土壤重金屬污染物主要有鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）等，對人體健康危害比較明顯。鉛（Pb）可以通過人體皮膚、呼吸道等途徑進(jìn)入人體多種器官，可引起腎損傷、貧血、神經(jīng)機(jī)能失調(diào)等，并且免疫力低的幼齡兒童、大齡老人、免疫力缺陷等人群更易受害[14］。鎘（Cd）的毒性很大，積蓄在腎臟會引起泌尿系統(tǒng)的功能變化；也會使骨骼嚴(yán)重軟化，骨頭寸斷[15］。汞（Hg）及其化合物屬于劇毒物質(zhì)，進(jìn)入腦組織到一定量時會對腦組織造成損害；轉(zhuǎn)移到腎臟也會引起病變[16］。鉻（Cr）中毒可能引起腹痛、腹瀉或過敏性鼻炎及濕疹等癥狀；其對呼吸道同樣具有腐蝕、刺激作用，還可能引起支氣管炎、咽炎等疾病[17］。因此，對重金屬污染土壤的環(huán)境風(fēng)險評估至關(guān)重要，對農(nóng)田重金屬的監(jiān)測、修復(fù)及治理迫在眉睫。

通遼市開魯縣是紅干椒主要種植區(qū)域，筆者以開魯紅干椒農(nóng)田土壤為研究對象，通過樣點(diǎn)布設(shè)，采集分析土壤，得到Cd、Pb、Cr、Cu元素含量，采用采樣地質(zhì)累積指數(shù)（Index of geoaccumulation，Igeo）、污染負(fù)荷指數(shù)（Pollution Load Index，PLI）和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（potential ecological risk index，PERI）對其污染風(fēng)險進(jìn)行評價[18-20］。通過對通遼市紅干椒農(nóng)田土壤重金屬元素的測量研究，結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣、特點(diǎn)，為通遼市紅干椒農(nóng)田土壤污染治理提供科學(xué)依據(jù)，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T166-2004）》[21］，于2021年10月在通遼市開魯縣紅干椒農(nóng)田共采集10個土壤樣品，土壤樣品詳情見表1。按照梅花采樣法取表層土壤，先用鐵鍬除去土壤表面雜草，將采樣點(diǎn)標(biāo)記出1 m直徑的正方形，將四角及中心深度為10 cm的表層土壤混合后取2 kg裝袋，標(biāo)記好樣品編號、日期、時間以及采樣點(diǎn)的緯度和經(jīng)度坐標(biāo)。

表1 土壤樣品詳情Tab. 1 Details of soil sample

采集樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干并去除雜草等異物，置于干燥、通風(fēng)且無任何放射性核素污染的實(shí)驗(yàn)臺上剔除石子、雜草等異物后將樣品裝入盤中放在干燥箱中100 ℃烘干24 h。將樣品充分研磨至可通過0.15 mm孔徑的尼龍篩網(wǎng)，并將其存放在聚氯乙烯袋子中等待下一步試驗(yàn)。

依照國家標(biāo)準(zhǔn)中的濕法消解，加水潤濕后加入10 mL鹽酸，在通風(fēng)櫥內(nèi)的電熱板上低溫加熱。蒸發(fā)到3 mL左右時，取下稍微冷卻，然后加入5 mL硝酸，5 mL氫氟酸，3 mL高氯酸，蓋上蓋子，置于電熱板上中溫加熱約1 h，再打開蓋子，繼續(xù)加熱除硅。將坩堝的內(nèi)壁和蓋子用清水沖凈，加入1 mL硝酸溶液，加熱使其融化。將該溶液放入50 mL容量瓶中，待冷卻后進(jìn)行定容并搖勻，以待測試。待所有樣品處理完成，吸入火焰原子吸收光譜儀中依次進(jìn)行重金屬元素測量[22-24］。

1.2 測量儀器

土壤Cd、Pb、Cr、Cu含量采用上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的火焰原子吸收光譜儀AAS6810原子分光光度計(jì)進(jìn)行測量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 農(nóng)田土壤重金屬污染狀況評價

利用Igeo和PLI方法研究通遼市紅干椒農(nóng)田土壤重金屬污染情況。Igeo通過比較采樣區(qū)土壤中的重金屬濃度和自然情況下地球化學(xué)背景值進(jìn)行分級，計(jì)算公式如下[15］：

不同元素對采樣區(qū)綜合污染的影響程度可以用PLI表達(dá)，其計(jì)算公式如下[16］：

其中，Cnx是重金屬i的濃度在樣品x中測得的結(jié)果，Cib是自然情況下的土壤環(huán)境背景值。常數(shù)k取值為1.5。參照《中國土壤元素背景值》[25］中土壤環(huán)境背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）[26］作為評估標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 Igeo值、PLI、Eri 及其評估標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Igeo values，PLI，Eir and its evaluation criteria

1.3.2 農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價

采用Hakanson 指數(shù)模型進(jìn)行了PERI 評估，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（Eir）和采樣累積風(fēng)險（RI）的表達(dá)公式為：

式（3）、式（4）中，單個重金屬（i）的毒性響應(yīng)系數(shù)用Tri表示，其中，Cu、Pb數(shù)值為5，Cd為30，Cr為2[20］。生態(tài)風(fēng)險因子及評估標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2 結(jié)果與分析

土壤樣品重金屬元素測量結(jié)果及內(nèi)蒙古土壤背景本底平均值、中國土壤背景值[27］見表3。由表3可知，開魯紅干椒田土壤重金屬元素Cd、Cu、Pb和Cr的濃度分別為0.026、0.64、0.62和1.20 mg?kg-1，均低于內(nèi)蒙古土壤中本底平均值0.053、14.10、17.20和41.40 mg?kg-1，低于我國土壤背景值0.097、22.60、26.00、61.00 mg?kg-1及我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1類土壤（自然背景）濃度值0.3、50、70和150 mg?kg-1[24］。對不同深度土壤樣品重金屬濃度分析發(fā)現(xiàn)，除了3號和4號Cd、Pb濃度、9號和10號Cd、Cu濃度外，其余0~20 cm土壤樣品重金屬濃度均高于20~40 cm土壤樣品。對農(nóng)田區(qū)和非農(nóng)田區(qū)域土壤樣品重金屬含量分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)藥化肥、污水灌溉對土壤中重金屬含量影響較少，尚未構(gòu)成重金屬污染。

表3 采樣區(qū)土壤重金屬元素測量結(jié)果Tab. 3 Measurement results of soil heavy metal elements in the sampling area mg?kg-1

為了定量評估該地區(qū)內(nèi)的污染狀況及風(fēng)險程度，分別計(jì)算Igeo和PLI，結(jié)果見圖1。Igeo平均值為Cd>Pb>Cu>Cr，Igeo均小于1（圖1（1））。通過計(jì)算結(jié)果可知，研究區(qū)土壤PLI值小于1，這說明人類活動對通遼市紅干椒土壤重金屬污染影響較小。采用Hankanson 的PERI進(jìn)行再一次的評價（圖1（2）），進(jìn)一步明確紅干椒土壤中重金屬的潛在風(fēng)險?？梢钥闯鯬ERI按照Cd>Cu>Pb>Cr的順序減小，最大風(fēng)險指數(shù)均小于40。以上評估結(jié)果表明，通遼市紅干椒種植地農(nóng)田土壤重金屬對當(dāng)?shù)丨h(huán)境沒有構(gòu)成潛在生態(tài)風(fēng)險。

圖1 重金屬地累積指數(shù)與潛在風(fēng)險指數(shù)Fig. 1 Heavy metal accumulation index and potential risk index

3 結(jié)論

（1）通遼市紅干椒種植地土壤重金屬濃度符合土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)受人類活動影響較低。除少數(shù)樣品外，其余0~20 cm土壤樣品重金屬濃度高于20~40 cm土壤樣品。

（2）通遼市紅干椒區(qū)域的污染狀況和風(fēng)險評估的結(jié)果說明，研究區(qū)土壤累積程度很低，人類活動對重金屬污染影響很小，未發(fā)現(xiàn)潛在生態(tài)風(fēng)險。

（3）對農(nóng)田區(qū)和非農(nóng)田區(qū)域土壤樣品重金屬含量分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)藥化肥、污水灌溉對土壤中重金屬含量影響較少，尚未構(gòu)成重金屬污染。