西南地区典型坡耕地农作物风险评价及土壤中Cd的特征研究

摘要 通过对万源市4个乡镇的耕地土壤进行重金属污染特征调查，探究研究区农作物中重金属含量与土壤污染的相关性。结果表明，引起土壤污染的重金属并不能全部迁移转化进入农作物中，且土壤污染严重地区的农作物中重金属含量处于食用安全限值以内，两者之间并没有明显的相关性。研究区4个乡镇土壤重金属污染程度从大到小依次为庙子乡>大竹镇>旧院镇>白羊乡，庙子乡玉米、马铃薯、四季豆、茶叶、花生中As、Cd、Pb等有害重金属含量均未超标，可以安全食用。但若长期大量食用庙子乡种植的农作物，谷物类作物中的Cd和叶菜类蔬菜中的Pb可能会在人体中富集，对人体健康造成危害。对影响土壤中Cd含量的因素研究结果显示，土壤Cd含量高低受到地层、成土母岩、土壤酸碱度的影响。

关键词 坡耕地；农作物；风险评价；重金属；污染

中图分类号 X 53；P66  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）02-0085-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.02.021

Risk Assessment of Crops and Study on the Characteristic of Cd in Soil of Typical Sloping Farmland in Southwest China

WU Peng-sheng，LIN Yong-zheng

（Sichuan Tianshengyuan Environmental Services Co.，Ltd.，Chengdu，Sichuan 610059）

Abstract The correlation between heavy metal content in crops and soil pollution in the study area was explored by investigating the characteristics of heavy metal pollution in cultivated soil of four towns in Wanyuan City.The results showed that the heavy metal leads to soil pollution could not migrate and transfer into crops fully，and the contents of heavy metal in the crops was within the safe limits in the area where soil was polluted badly，there was no obvious correlation between them.The pollution degree of heavy metals in the soil of the four townships in the study area was Miaozi Township>Dazhu Town>Jiuyuan Town>Baiyang Township in descending order. The harmful heavy metal， such as As， Cd， Pb of corn， potatoes， kidney beans， tea leaf and peanuts in the Miaozi Township was not exceed standard， and were safe to eat. However if people eat the crops planted in Miaozi Township chronically and in strength，the Cd in cereal crops and the Pb in the leafy vegetables will enrich in their body， and do harm to their health. The results about the factors affect the contents of Cd in soil showed the contents of Cd in soil affected by formation， soil-forming rock and soil pH.

Key words Slope cropland;Crops;Risk assessment;Heavy metals;Pollution

基金项目 四川省天晟源环保股份有限公司科研项目（kyxm-2021-005）。

作者简介 吴鹏盛（1992—），男，甘肃武威人，工程师，硕士，从事土壤环境方面研究。

通信作者，工程师，硕士，从事土壤环境方面研究。

收稿日期 2022-02-07；修回日期 2022-04-21

坡耕地是四川省主要的耕地类型，总面积5.48×106 hm2，占四川省总耕地面积的83.07%，是水土流失的主要源地［1］。随着土壤养分的不断流失，坡耕地土壤越来越贫瘠，为保证农业产业正常进行和农产品产量的提高，化学肥料和农药的使用已越来越频繁且用量呈不断增长趋势。因其自然资源的特殊性，万源市被称为中国硒都，富硒的天然资源给当地经济发展提供了良好的机遇，但是随着农业生产的不断进行，土壤污染已不再是个别地区的环境污染现象。目前四川省土壤研究热点主要集中在城市土壤环境，对农田土壤环境缺乏科学的认识。2008年何愿等［2］对万源市土壤质量初步评价发现，土壤营养优势区主要分布在庙子乡—大竹河一带，总体呈现东高西低的分布规律；并运用As、Cd、Pb、Hg、Cr这5种重金属元素对土壤环境质量进行评价，发现庙子乡—大竹河一带土壤重金属达到轻度污染状态。以往的研究中很少有涉及该地区重金属元素在土壤及农作物间的迁移转化研究。该研究通过对万源坡耕地土壤中重金属富集特征的分析，明确耕地土壤中重金属污染特征并结合风险评价方式进行风险评估，确定重金属污染严重乡镇，同时对该乡镇的农作物重金属含量与形态特征以及农作物食用安全性进行分析，探究农作物中重金属含量与土壤污染之间的相关性，为后续的土壤污染防治与修复提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

四川省万源市是重要的富硒土壤分布区之一，研究区位于四川省东北部、大巴山中心地区，构造活动影响强烈，地貌类型大部为山地，呈现中低山地貌特征。属北亚热带湿润季风气候区，当地气候温和，四季分明，雨量充沛，雨热同期，无霜期长，垂直地域性差异显著。多年平均气温14.7 ℃，最高极端气温39.7 ℃，最低极端气温-9.4 ℃，多年平均降雨量1 246 mm［3］。万源市地下矿藏主要有煤、铁、锰、石膏、石灰石、钡矿（毒重石）、硫铁矿、钒矿、铝土矿等。出露地层7个系，包括寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系。万源市构造以褶皱为主。褶皱线大致平行列布，其主要特点是褶皱强度由东北向西南渐次减弱［4］。断裂带规模较小，并有由北向南减弱的趋势。

1.2 样品采集与处理

依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004），综合考虑研究区农业用地分布情况，在万源地区4个乡镇（庙子乡、旧院镇、大竹镇、白羊乡）的农田中采集0～20 cm 表层土壤，表土样品 271份均采自典型农耕区（庙子乡76个、大竹镇37个、白羊乡94个、旧院镇64个）。每个土壤样品由 3～5 个分样组成，混合后用四分法取 1 kg 土壤装入样品袋在当地阴凉、干燥、通风处晾晒至恒重。去除样品中的有机残渣、植物根系及其他杂物，用研钵研磨土壤样品，然后过100目筛称取200 g送样测试。

1.3 测试方法

测试重金属元素As、Cd、Pb、Zn、Se及土壤有机质，其中As根据GB/T 17135中硼氢化钾-硝酸银分光光度法测定；Se根据GB/T 17136中冷原子吸收分光光度法测定；Pb、Cd根据GB/T 17141中石墨炉原子吸收分光光度法测定；Zn根据GB/T 17138中火焰原子吸收分光光度法测定。分析所用试剂均为优纯级，所用水均为超纯水。分析过程均加入国家标准土壤参比物质进行质量控制。

1.4 评价方法

单因子指数法、内梅罗指数法、综合污染指数法、潜在生态风险指数法、环境风险评价法是土壤重金属污染评价的常用方法［5］，该研究采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法和地积累指数法对研究区土壤环境进行评价，然后选出污染严重乡镇对其农作物食用安全进行进一步调查研究。

1.4.1 单因子指数法。

该模型能分别反映各个污染物的污染程度，适用于研究区内一种影响因子对特定区域的污染评价，单因子指数法的结果为其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价提供了基础和可能性。单因子指数法的表达式如下：

Pi=Ci/Si（1）

式中，Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数，可以表征污染物i对特定区域的污染强度；Ci为污染物i的实测值；Si为污染物i在土壤环境质量标准（GB 15618—1995）中 Ⅱ 类标准的临界值［6］。如果Pi≤1.0，说明土壤没有受到人为污染；如果Pi>1.0，说明土壤中污染物i的含量已超过土壤污染限值，人为活动影响到土壤质量，土壤重金属累积污染程度越高则单因子污染指数越高。

1.4.2 内梅罗综合污染指数法。

内梅罗综合污染指数法突出反映了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，能将所选区域土壤环境质量作为一个整体与其他地区或已有资料进行对比分析。该方法兼顾了各单元素的污染指数最大值和平均值，对研究区多种重金属进行综合评价时首选［7］。该方法计算公式如下：

P综合=（i）2+［max（pi）］22（2）

式中，P综合为土壤综合污染指数，i为各污染物的指数平均值，max（pi）为单因子指数最大值。若P综合≤1为未污染地区；1＜P综合≤2为轻度污染地区；2＜P综合≤3为中度污染地区；P综合＞3为重度污染地区。

1.4.3 地积累指数法。

地积累指数法用来反映沉积物中重金属富集程度，当前被广泛用于土壤环境质量评价方面。该方法重点考虑了人为污染因素、环境地球化学背景值［8］，特别考虑到自然成岩作用对研究区土壤背景值的影响，其计算公式如下：

Lgeo=log2（Cn1.5Bn）（3）

式中，Lgeo为地积累指数；Cn是元素n在土壤中的含量；Bn为当地土壤中该元素的地球化学背景值（采用四川省土壤环境背景值作为参考）;1.5为修正指数。地积累指数参考标准见表1。

1.4.4 农作物中重金属风险评价方法。

污染物对人体的危害风险评估是衡量污染物对人体危害大小的一个重要参数，污染物进入人体的方式包括呼吸、饮食和皮肤渗入等方面。少数从事特殊职业人群和长期生活在空气污染较重的矿区、工厂的少数人群面临更大的威胁，大部分人群中污染物对人体的摄入主要通过饮食［9］。重金属通过上述方式进入人体内，不会在体内自行分解，而是蓄积在体内，对人体健康形成潜在的危害，引起致畸、致癌和致突变等，致使人体受到伤害。 此次调查研究采用Nabulo等［10］提出的变形公式进行健康风险评估，其公式如下：

HQi=ADDi/RfDi（4）

ADDi=（DI×MFVeg）/WB（5）

式中，HQi表示重金属对人体的危害商数，指通过食用叶菜类蔬菜摄入指定的微量金属i；ADDi表示人体平均日吸收的金属剂量［mg/（kg·d）］；RfDi表示不会对身体造成危害的金属每日最大摄入量参考剂量［mg/（kg·d）］，依据JECFA提出的参考标准，Pb、Cd、As这3种重金属每日参考剂量值分别为0.003 5、0.000 83、0.003 mg/（kg·d）；DI为叶菜类蔬菜中微量金属的每日摄入量（kg/d）［11］ ；MFVeg表示蔬菜组织中的微量金属浓度（mg/kg）；WB为个人体重（kg）。