云南某区典型农田土壤重金属污染和潜在生态风险评价

摘要 ［目的］了解云南某区典型农田土壤重金属污染情况。［方法］通过对云南某区典型重金属污染农田土壤进行取样调查，分析土壤中重金属Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Hg含量，并采用主成分分析、相关性分析、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法结合GIS插值来评价土壤重金属污染情况、来源和潜在风险。［结果］研究区农田土壤中Cd、As、Cu、Zn和Hg含量高于云南省土壤背景值，且Cd、As、Cu含量在不同深度均高于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的风险筛选值，部分表层土壤样品中Cd、As、Cu、Zn含量超标，重金属超标率顺序为Cu>Cd>As>Zn>Pb=Cr=Hg。Cd、Pb和Cr在研究区表层土壤中空间分布相似，其含量分布表现为研究区域从东向西逐渐下降。As与Zn高值区主要分布在研究区的西南部，Cu含量空间分布呈西北高、东南低，而Hg在土壤中分布不均匀。单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价结果表明，农田土壤受到Cd、As、Cu污染，其中Cu污染程度最为严重且研究区重金属总体水平处于中度污染程度。潜在生态危害指数法评价结果表明，Cd是主要的生态风险因子，以中等生态风险危害为主，当地土壤重金属污染处于轻度潜在生态危害程度。主成分分析和相关性分析表明，Pb和Cr主要来自成土母质，Cd以及部分Pb与Cr可能来源于污灌，As和Zn可能与工业废气排放有关，Cu可能来自有机肥料，而Hg可能是由于重金属粉尘的大气沉降导致的。［结论］云南某区典型农田土壤存在重金属污染，Cu污染程度最为严重，但Cd危害程度最大。

关键词 农田土壤；重金属；来源；污染；潜在生态风险

中图分类号 X825文献标识码 A文章编号 0517-6611（2023）21-0065-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.21.016

Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metal in Typical Farmland Soil in a Certain Area of Yunnan Province

RUAN Yannan1，2，LV Benchun1，WANG Zhiyuan1 et al

（1.Institute of Agricultural Environment and Resource，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kunming，Yunnan 650205;2.Kunming University，Kunming，Yunnan 650214）

Abstract ［Objective］To understand the heavy metal pollution of typical farmland soil in a certain area of Yunnan Province.［Method］The contents of heavy metals such as Cd，As，Pb，Cu，Zn，Cr and Hg in typical heavy metal contaminated farmland soils in a certain area of Yunnan Province were investigated;the principal component analysis，correlation analysis，individual pollution index，Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological hazard index were used in combination with GIS interpolation to evaluate the status，sources and potential risks of heavy metal pollution in soils.［Result］The contents of Cd，As，Cu，Zn and Hg in the farmland soil of the study area were higher than the soil background values of Yunnan Province，and the contents of Cd，As and Cu at different depths were higher than the risk screening values in the Agricultural Land Pollution Risk Control Standard for Soil Environmental Quality （Trial Implementation） （GB 15618-2018）.The contents of Cd，As，Cu and Zn in some surface soil samples exceeded the national standard，and the exceeding rate of heavy metals was in the order of Cu>Cd>As>Zn>Pb=Cr=Hg.The spatial distributions of Cd，Pb and Cr in the surface soil of the study area were similar，and their content distributions showed that the contents of these metals gradually decreased from east to west in the study area.The high values of As and Zn were mainly distributed in the southwest of the study area，the spatial distribution of Cu content was high in the northwest and low in the southeast，while Hg was unevenly distributed in the soil.The results of single pollution index and Nemerow comprehensive pollution index showed that farmland soil was polluted by Cd，As and Cu，Cu pollution was the most serious and the overall level of heavy metals in the study area was in the moderate degree.Potential ecological risk assessment indicated that Cd was the main ecological risk factor，with medium ecological risk as the main hazard，and the heavy metal pollution in local soil was at a mild potential ecological hazard degree.The principal component analysis and correlation analysis showed that Pb and Cr were mainly from parent materials.Cd and some Pb and Cr might come from sewage irrigation，As and Zn might be related to industrial waste gas emission，Cu might come from organic fertilizer，and Hg might be caused by atmospheric deposition of heavy metal dust.［Conclusion］There existed heavy metal pollution in typical farmland soils in a certain area of Yunnan Province，where Cu was the most seriously polluted，but Cd was the most harmful.

Key words Farmland soil;Heavy metal;Source;Pollution;Potential ecological risk

我国首次土壤污染状况调查结果显示，污染土壤的重金属超标率达到16.1%，Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr和Zn等重金属元素均呈现不同程度超标［1］。随着过量的重金属进入土壤中，土壤的生产力和粮食安全也随之下降［2］。重金属通过食物链在生物体内富集，将不可避免地对人类和生态系统构成威胁［3］。据调查，由于采矿活动造成了150万hm2受污染的荒地，而这些荒地正在以46 700 hm2/a的速度增加［4］。目前，随着可耕地面积越来越少，这些污染的农田不断被用于农业生产，农田土壤作为农业生产中不可或缺的部分，在农业生态系统中发挥物质和能量交换的重要作用，探明其重金属污染情况、来源和潜在风险对于云南某区农田土壤重金属污染的防治具有重要意义。

云南某区矿产资源丰富，目前探明的矿产资源主要有Cu、Fe、Pb等［5］。矿产在开采过程中会产生了大量的尾矿，其中含有一定量的Cd、Pb、Cu、Ni和Zn等重金属，这些重金属往往以氧化物和硫化物等有毒物质的形式存在，然后通过风化过程释放到土壤环境中，对矿区周围农田造成严重污染的同时对附近的居民造成潜在的健康风险［6］。许多研究也报告了尾矿泄漏而造成的重金属污染事件，如梁雅雅等［7］通过对广东省某铅锌尾矿库周边农田土壤重金属污染状况分析发现，部分土壤样品的重金属含量超过土壤环境质量标准二级标准值；Xiao等［8］对陕西省潼关矿区周边农田土壤分析发现，谷物和蔬菜中的Hg和Pb含量超过了食品安全标准；张浩等［9］对洛阳市西南部某铅锌尾矿库山林区、生活区、农田区表层土壤和农田区8种重金属含量分析发现，农田区Pb、Zn、Cr、Cd和As平均含量均高于土壤风险筛选值。但目前来说，对于几年前云南某区矿区废水排放进入小江流域对沿岸农田土壤重金属污染的研究还鲜有报道。因此，有必要对云南省某区典型农田土壤的重金属污染程度进行评价。该研究以云南某区典型农田土壤为研究对象，

采用主成分分析、相关性分析、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法结合GIS插值来评价土壤重金属Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Hg污染情况、来源和潜在风险，以期为研究区重金属污染农田的安全利用和整治提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省东北部某区，地处云贵高原边缘，川滇经向构造带与华夏东北构造带结合过渡部位，属于亚热带高原季风气候，年平均气温为14.9 ℃，年降水量1 000.5 mm，降雨主要集中在5—9月。目前，当地主要农作物为水稻。

1.2 样品采集

为了解农田土壤重金属垂直分布，于2020年6月采集剖面土壤样品，在研究区域内随机选取18个采样点，每个采样点从地面向下垂直挖60 cm，并分别从0～20、20～40、40～60 cm进行采集，共54个土壤样品，采集土壤样品时，为了减少不均匀性和不确定性，对每个采样点采用10 m×10 m 内“梅花形”布设5个子样点，每个子样点在不同层次采集土壤样品，充分混合后利用四分法选取约1 kg土壤样品，并挑去土壤样品中的石子和植物残体等异物后，装入洁净自封塑料袋内。采样点分布见图1。

1.3 样品处理与分析

土壤样品置于阴凉处自然风干后研磨，过20目、100目尼龙筛。土壤pH测定时将水、土以体积比为2.5∶1混合后用pHS-3C型酸度计测定［8］。重金属Cd、Pb、Cu、Zn和Cr采用HCl-HNO3-HClO4-HF混合酸消解，消解后样品采用原子吸收分光光度计（AA-6880F/AAC）测定。重金属As、Hg采用HCl-HNO3混合酸消解，使用原子荧光分光光度计（AFS-2100）测定。消解的样品每10个土样做一个平行并加入空白样和国家标准样品（GBW07456）进行质量分析控制，质控样测定均值和偏差都在规定要求范围内，平行样测定含量相对偏差均在10%以内［10］。为保证精度，试验中所有玻璃器皿均利用10%硝酸浸泡一夜，然后用去离子水清洗干净。试验中所用试剂均为优级纯。

1.4 耕地土壤重金属污染评价方法

1.4.1 单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法。

单因子污染指数法是以污染物的环境质量标准为基准的一种评价方法，该方法针对单一重金属污染因子进行评价，不能反映多个污染因子导致的整体污染水平［11］，表达式如下：

Pi=Ci/Si（1）

式中：Pi为 i 重金属元素的污染指数；Ci为重金属含量实测值（mg/kg）；Si为污染物i的评价标准（国家风险筛选标准值），mg/kg。Pi≤1.0 时表示样品未受污染，Pi＞1.0 时表示样品受到污染，其Pi 值越大说明样品受污染的程度越高。

当土壤同时被多种重金属污染时，需要将单因子污染指数按一定方法综合运用进行评价。内梅罗综合污染指数法就是将单因子污染指数的平均值和最大值归纳到一起进行综合污染评价的方法［12-13］，表达式如下：

式中：PN为综合污染指数；Pimax 为土壤重金属元素中污染指数Pi的最大值；Piave为土壤重金属元素中污染指数Pi的平均值。PN≤0.7时土壤样品为清洁，0.7＜PN≤1.0 时土壤样品尚为清洁，1.0＜PN≤2.0时为轻度污染，2.0＜PN≤3.0时为中度污染，PN＞3.0时为重度污染。

1.4.2 潜在生态危害指数法 。

潜在生态危害指数法是1980年瑞典科学家Hakanson提出，评价重金属污染程度和潜在生态危害的一种方法［14］。这种方法除了考虑重金属的含量之外，还考虑了污染物的类型、浓度、毒性水平和环境响应［15］。采用具有可比的、等价指数分级法进行评价，表达式如下：