宜宾市江安县稻田土壤重金属现状评价

吴到懋，李茂洁，熊春莲，黄　刚，王　敏，余利军

(四川省宜宾市环境监测中心站，四川 宜宾　644000)

· 环境评价 ·

宜宾市江安县稻田土壤重金属现状评价

吴到懋，李茂洁，熊春莲，黄刚，王敏，余利军

(四川省宜宾市环境监测中心站，四川 宜宾644000)

为了解宜宾市江安县稻田土壤重金属现状，以土壤中常见且与人类密切相关的8种重金属元素(砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、锌)为研究对象，对不同方位、不同类型的表层土壤及对应区稻米中重金属元素进行了检测，并参照相关背景值和国家标准评价土壤环境质量及重金属污染程度。以国家土壤二级标准值为参照，该地区镉污染最严重，受污染比例高达77.1%，根据内梅罗综合污染指数评价结果，约1/3样点存在生态安全隐患。以背景值为参照，江安县重金属潜在生态风险指数较低，为134.59，处无风险状态。单项风险系数大小为：汞>镉>砷>铅>铜>镍>铬>锌，潜在生态风险指数在空间上分布规律为：北部>中部>南部，交通干道区>农业耕种区>工业集中区>自然保护区，平地>河漫滩>丘陵。

江安县；稻田土壤；重金属；现状评价

近年来，伴随我国城市化的快速发展，土壤污染问题日益凸显，土壤环境遭受工农业生产、降尘及酸雨等多方面约90%污染物的威胁[1]。污染物中的重金属以其难于被生物降解、迁移性小、不可逆转的特性[2]，不断在土壤中富集，由此引起的土壤污染问题不断加剧。据环保部和国土资源部2014年联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》，全国耕地土壤超标点位占19.4%，由此推算，约3.5亿亩耕地被污染。我国每年约有1200万吨粮食受土壤重金属污染，农业发展和人民生活受到严重影响，直接经济损失逾200亿元/年[3]。当土壤中重金属累积到一定程度超过土壤自净能力，会严重影响农产品质量，并通过食物链最终被人体吸收，对人类健康带来严重威胁[4～6]。稻田作为我国粮食作物的主要耕种地，其重金属污染带来的健康风险更为突出，如多地相继发生的“镉米”、“血铅”等重大粮食安全事件[7～9]。当下，稻田重金属污染问题持续升温，已得到土壤学、环境科学等学科及各级政府和人民群众的广泛关注[10～15]。

目前，随着稻田重金属研究的不断深入，从重金属现状评价到重金属特性、生物有效性、土壤理化性状、水稻生理特征等因素对稻米品质的影响等方面均得到有效进展。翟丽梅等[16]对广西西江流域农业土壤镉的空间分布研究表明，其调查区域镉重度污染比例达32%。王英等[17]研究表明，镉在稻米中的积累对于不同水稻品种和土壤类型存在差异。陈迪云等[18]对福建沿海稻田土壤重金属污染现状及潜在生态风险研究表明，汞和镉超标率分别达46%和13%。

本文有针对性地研究江安县境内稻田土壤中常见且与土壤密切相关的8个重金属元素(砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、锌)含量，对不同方位、不同类型的表层土壤进行了重金属元素含量的检测，以掌握研究区稻田土壤重金属的环境质量和潜在生态风险，为评价研究区的土壤质量现状提供科学依据。

1　研究区概况

江安县位于四川省宜宾市东部，属四川盆地南缘向云贵高原过渡地带，地处东经104°57′ 40′′～105°14′33′′，北纬28°22′ 20′′～28°56′45′′，属中亚热带湿润季风气候区。县境内南北长59 km，东西宽15.5 km，全县幅员面积911.733 km2，地势南高北低，海拔在236.3～1000.2 m之间。地貌以低山丘陵为主，占总面积的71.73%。江安县地处成渝经济区“沿长江发展带”，处于宜宾地区乃至四川省经济发展的重要轴线——长江的边上。江安县自然条件优越，水路和公路交通便利，盛产水稻、小麦、红薯、高粱、油菜、豆类等农作物，是省级商品粮基地县。

2　研究方法

2.1样品采集

以江安县稻田土壤为研究对象，在研究区域内选取了不同方位不同功能类型的7个乡镇，在每个乡镇内按东西南北中5个方位各设一个具有代表性的采样点，共35个采样点(图1、表1)。7个乡镇地域上大致处于江安县北、中、南3个方位，功能属性上基本代表农业耕种区、交通干道区、自然保护区、工业集中区四大类型。每个采样点采集耕作层5m对角线的混合土壤样(采样深度0～20 cm)，土样充分混合，用四分法取约2 kg样品装入聚乙烯塑料袋，带回实验室内风干，去除杂质后研磨，分别过20目和100目尼龙筛，同时制备副样交样品库，供其他测试或查证时使用。20目用于测定pH、含水率和其他理化指标，100目用于测定重金属元素。

表1　采样点属性特征

图1　江安县采样点分布Fig.1　The map of sampling points in Jiang’an

2.2样品分析

称取约0.25g样品，用CEM公司的MARS 5微波消解仪消解，定容至50.0mL，根据不同元素分别采用不同分析方法见表2。同批样品按10%比例做平行测试，并以国家土壤成分分析标准物质GBW07428(四川盆地)控制分析质量。

表2　土壤中8种重金属元素分析方法[19]

2.3评价方法

本研究选取国家土壤环境质量二级标准值[20]，作为评价研究区稻田土壤环境质量现状的依据。同时，参考宜宾市翠屏区宋家乡水稻土[21]、成都经济区土壤[22]和全国土壤背景值[23]，在评价土壤潜在生态风险时，考虑地域和类型的影响，选取宜宾市翠屏区宋家乡水稻土背景值为参照标准见表3。

表3　相关土壤重金属自然背景值和国家二级环境标准

注：资料来源：①《宜宾市宋家地区土壤元素背景值研究及其意义》，②《四川省成都经济区多目标区域地球化学调查报告》，③《中国土壤元素背景值》，④《国家土壤环境质量标准》(GB15618-1995)。

2.3.1土壤环境质量现状评价方法

采用单因子指数法(式1)评价单一重金属元素污染状况，综合指数法(式2)[24～27]，评价所测8种重金属的综合污染状况。

(1)

(2)

式1中：

Pi——介质中污染物i的污染指数；

Ci——介质中污染物i的实测浓度；

Si——介质中污染物i的评价标准；

式2中，Iij——内梅罗综合污染指数；

Pij——单元素标准化污染指数=单元素实测值/评价标准值；

n——元素个数；

Pijmax——所有元素污染指数中的最大值。

Pi≤1，表示土壤未受污染；Pi>1表示已受污染，污染程度越严重则Pi数值越大。参考《农田土壤环境质量检测技术规范》(NY/T395—2000)中的土壤污染分级标准[28,29]，本文将Pi≤0.7的土壤样点定义为安全，0.72.0为中度污染。综合评价标准与以上分级相同。

2.3.2土壤重金属潜在生态风险评价

采用潜在生态风险指数法评价[30]，该方法由瑞典学者Hakanson于1980年首次提出，后广泛应用于国际国内。该方法综合考虑土壤中重金属含量、生态效应、环境效应与毒理特性等各方面因素，评价结果更能体现重金属对人类的直接影响。潜在生态风险指数涉及单项污染系数、重金属毒性响应系数及潜在生态风险单项系数，其计算公式如下：

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中：

RI——潜在生态风险指数；

表4　重金属潜在生态风险指标及分级[31]

基于所涉及的8种重金属元素性质及研究区实情，将其潜在生态风险指数作如下分级(表4)。

3　结果与分析

3.1研究区土壤重金属含量统计分析

研究区土壤样品分析结果(表5)显示，江安县稻田土壤一半以上的重金属元素存在富集，砷、镉、汞、铅、锌均高于地壳克拉克值[32]。砷富集程度最高，现含量约等于中国大陆岩石圈克拉克值的4倍，铅、镉次之，铬、铜、镍未有富集。以研究区稻田土壤环境背景值为参照，汞(0.056 mg/kg)、铅(30.9 mg/kg)含量相对较高，铜(28.6 mg/kg)次之，其他五元素接近或低于背景值，镉(0.416 mg/kg)最低。样点土壤中，汞的含量存在较大变异，变异系数高达74.2%，砷、镉次之，变异系数分别为36.7%、34.4%，铬、铅的含量变异最小，变异系数均低于20%。汞含量在空间上的变异表明，研究区内的特定地段可能存在外来污染源[33]。

表5　研究区稻田土壤重金属含量统计

注：*来源于《勘查地球化学》，克拉克值据泰勒(1964)。

3.2土壤环境质量评价

以国家土壤环境质量标准二级限值为参照，采用单因子指数法，将研究区内稻田土壤重金属的测定结果与之对比评价，结果如表6、图2所示。由表6可看出，研究区内重金属除镉以外总体情况良好，镍、铜有轻度污染，其余五种元素含量均低于标准值。研究区内镉的污染程度最为严重，样点受污染比例达77.1%，其中有5.7%达到中度污染；铅、汞状态最优，其含量远低于国家二级标准值。从平均污染指数来看，除镉外，其余元素均未达到污染。

综合所有元素的测试数据，采用内梅罗综合污染指数法评价时，研究区受污染比例为1/3。

表6　研究区稻田土壤重金属污染评价结果

图2　研究区稻田土壤重金属污染内梅罗综合评价结果Fig.2　The evaluation results of paddy soil heavy metals by Nemerow method in the studied areas

据《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤镉超标率为7%。而研究区镉最大超标1.7倍，平均超标0.4倍，超标率更是高达77.1%。对比近年频繁爆发的镉米事件，动辄超标数倍、超标率百分之十数几的现状，研究区镉污染问题不可简单定论。我国现行有效的《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中镉的二级标准含量范围为0.3～0.6mg/kg，而世界其他各国镉的标准限值(表7)为1～5mg/kg，我国标准明显严于国际[34]。若以国际标准为参照，研究区镉基本不超标。因此，对于研究区乃至全国范围的土壤镉超标问题，还有待更科学合理的深入评判。这个近20年前制订的标准不完全适应当前我国的土壤环境状况，望环保部2008年新修订的标准(征求意见稿)，能早日完善出台。

表7　一些国家和地区土壤中镉的标准限值 [35]

3.3土壤潜在生态风险评价

考虑地域、成土母质及人为作用差异的影响，以背景值为参照评价土壤潜在生态风险。目前关于江安县土壤(水稻土)的背景值研究尚属空白，故退而求其次选取翠屏区宋家乡水稻土背景值进行比较分析。一是由于宋家乡与本论文研究区同属宜宾市，二是由于研究区的土壤同为水稻土，因此所选取的参照较有比较价值。在此背景值数据的基础上，可以估算出研究区自然、人力的影响程度。

以宋家乡水稻土重金属背景值为参照，采用潜在生态风险指数法进行评价，江安县稻田土壤重金属潜在生态风险指数如表8所示。

表8　研究区稻田土壤重金属潜在生态风险指数

注：*来源于《潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算》，徐争启(2008)；其他毒性系数均来源于Hakanson(1980)。

表8显示，研究区重金属潜在生态风险指数为134.59，属无风险状态；单项风险系数由高到低依次为汞、镉、砷、铅、铜、镍、铬、锌，表明江安县重金属现状良好，除汞总体上处于中等风险水平以外，其他重金属元素均未显现潜在生态风险。特别指出的是，相较于研究区背景值和国家土壤环境质量二级限值，江安县稻田土壤中镉含量介于二者之间，在潜在生态风险评价时，其单项污染系数并不高。

考虑研究区境内地形地貌及功能结构差异，在总体评价的基础上，从区域方位、功能类型、地形特征3个方面进一步分析影响江安县稻田土壤重金属的因素。

3.3.1不同区域方位重金属分析

以翠屏区宋家乡水稻土壤背景值为评价标准，采用潜在生态风险指数法对研究区北、中、南3个方位的稻田土壤进行评价(图3)。风险程度排序为：北部>中部>南部，这与江安县南高北低的地势和城市结构相符。江安县南部毗邻长宁县“蜀南竹海”风景区，与县境内仁和乡“百竹海”风景区共同形成竹资源带，得益于当地对自然资源的保护，并无明显外来人为活动。中部处于江安县中心地带，紧邻县城所在地，县境内主要交通枢纽省道S308和长江大致平行横穿而过，人为活动频繁。北部地势最低且较平坦，雨水携污染物不断向低冲刷，较易形成长期富集；另外，北部处于长江上游经济带“金三角”(宜宾、自贡、泸州)的底部，受3地共同辐射最多，以上两者共同作用，显现出北部稻田重金属潜在生态风险最高这个特征。

图3　不同区域方位稻田土壤重金属潜在生态风险指数分级Fig.3　Classifications of the potential ecological risk indexes of paddy soil heavy metals in different positions

3.3.2不同功能类型重金属分析

以江安县稻田土壤8种重金属潜在生态风险单项系数为基础数据(图4)，将研究区划分为农业耕种区、自然保护区、交通干道区、工业集中区4种类型，进一步分析其重金属情况(图5)。

图4　不同功能类型稻田土壤8种重金属生态风险单项系数Fig.4　The single coefficients of the potential ecological risk of 8 heavy metals in paddy soil at different functional zones

图5　不同功能类型稻田土壤重金属潜在生态风险指数分级Fig.5　Classifications of the potential ecological risk indexes of paddy soil heavy metals in different functional zones

综合以上两图来看，交通干道区和农业耕种区存在潜在生态风险。自然保护区除镉以外的重金属潜在生态风险单项系数明显低于其他三区，说明自然保护区内人工活动影响最小，并没有带来明显外来污染。农业耕种区和交通干道区是人力生产劳动最密集的区域。农药化肥、汽车尾气排放、燃料燃烧、汽车轮胎磨损等途径是汞、铅、镍等重金属的主要来源[36]，这与农耕和交通的功能特性相符。工业集中区的状况介于中间，并未显现出风险最高的特性。有别于传统意义上主要来自于工业的污染，江安县工业园区始建于2005年，相对较晚，且其以“绿色化工、竹类加工、酒类食品、港口物流”为主要特色，涉及电子、化学的领域不广，短期内除镉、铜潜在风险系数相对较高外，其他重金属元素尚无显著变化。不过，必须指出的是，据近年对工业集中区部分典型污染物排口区域的连续追踪监测表明，排口底泥中个别元素含量呈逐年上升态势，汞尤为明显。预计，随着该区土壤重金属的不断富集，长期以后会显现出工业影响。必须加强污水处理效率，从源头上控制污染物排放，严防金属元素的累积污染。

3.3.3不同地形属性重金属含量分析

以江安县农业耕种区为研究重点，进一步分析不同地形属性下的稻田土壤重金属情况(图6)。为直观起见，以8种重金属元素的生态风险单项系数直接评价。

图6　不同地形特征农业耕种区稻田土壤8种重金属潜在生态风险单项系数Fig.6　The single coefficients of the potential ecological risk of 8 heavy metals in paddy soil farming areas of different to pographic features

图6表明，总体上，受汞高毒性系数的主要影响，农业耕种区3种地形特征下的稻田土壤重金属潜在生态风险指数由高到低依次为：平地>河漫滩>丘陵。将全部8种重金属元素综合来看，三种地形下的潜在生态风险单项系数并无一致性差异，不同重金属的风险情况高低不一。平地砷、汞最高，镉、铜、铅最低；河漫滩铜最高，铬、镍、锌最低；丘陵镉、铬、镍、铅、锌最高，砷、汞最低。平地和丘陵一个表现出成片开阔的特性，另一个则具有零散狭小的特征，在耕作特点上二者处于对立的地位。而砷、汞主要来源于农药化肥等的施用，所以耕作简单、面积广泛的平地受影响最大，而呈点状无法大范围连续作业的丘陵受影响最小。此外，丘陵往往依附于山体，矿石资源较为丰富，其潜在风险最高的镉、锌等元素可能均来源于此。河漫滩所在区域，水资源丰富，工业废水中的铜随河流冲击，易形成富集，显现出该地形下铜风险最高的特点。

4　结　论

4.1江安县稻田土壤一半以上的重金属元素存在富集，砷、镉、汞、铅、锌高于地壳克拉克值。汞含量在样点土壤中空间上差异最大，变异系数为74.2%。以国家土壤二级标准值为参照，根据单因子指数评价结果，研究区内镉有77.1%样点受污染，镍、铜有轻度污染，其余五种元素含量在标准限值以内。根据内梅罗综合污染指数评价结果，江安县稻田土壤总体上有1/3样点存在生态安全隐患。

4.2以翠屏区宋家乡水稻土壤背景值为参照，根据重金属潜在生态风险指数评价结果，研究区稻田土壤重金属潜在生态风险指数为134.59，属无风险状态，单项风险系数由高到低依次为汞、镉、砷、铅、铜、镍、铬、锌。汞总体上处于中等风险水平，其他重金属元素暂无潜在生态风险。重金属潜在生态风险指数在空间上分布规律为：北部>中部>南部，交通干道区>农业耕种区>工业集中区>自然保护区，平地>河漫滩>丘陵。

4.3汞是江安县稻田土壤重金属潜在生态风险最高的元素，主要来源于农作物耕种过程中，垃圾肥料、磷矿石肥料和含汞农药的施用。建议在今后的耕作中，多施用有机肥或环保生态肥料，并严防已明令禁止使用的农药或添加剂进入市场。

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Current Status Assessment of Paddy Soil Heavy Metals in Jiang’an County, Yibin City

WU Dao-mao, LI Mao-jie, XIONG Chun-lian, HUANG Gang, WANG Min, YU Li-jun

(YibinEnvironmentalMonitoringCenter,Yibin,Sichuan644000,China)

In order to understand the current status of heavy metals in paddy soil of Jiang’an County, Yibin City, eight common heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn) in soil which are closely related to human have been studied in this paper. The contents of these heavy metals in surface soil in different positions and different types are measured. And according to related background values and national standards, the soil environmental quality and pollution level of heavy metals are assessed. Compared with the second level of the national environment quality standard for soils, the pollution of Cd in this region was the most serious, and the proportion of polluted samples was up to 77.1%. According to the results of the Nemerow comprehensive pollution index evaluation, one-third of samples are at potential ecological risk. Compared with the background value, the level of potential ecological risk from the heavy metals was low in this area, with a risk index of 134.59, revealing a safe status. The decreasing order of the single coefficients is Hg, Cd, As, Pb, Cu, Ni, Cr, Zn. And in space distribution, the decreasing sequence of potential ecological risk from heavy metals is North>Middle >South, Traffic trunk>Farming area> industry concentrating area> Nature reserve, Flat>Floodplain>Hill.

Jiang’an county; paddy soil; heavy metals;current status assessment

2015-03-11

吴到懋(1989- )，男，江苏沭阳人，2015年毕业于南京农业大学农业推广(农业资源利用)专业,硕士，助理工程师.主要从事环境监测分析工作,研究方向为重金属。

黄刚，55327593@qq.com。

X825

A

1001-3644(2015)04-0128-08