湖南省某地农田土壤重金属生态风险评价研究_陆泗进

《环境科学与技术》编辑部：（网址）ｈｔｔｐ：／／ｆｊｋｓ．ｃｈｉｎａｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ．ｃｎ（电话）０２７－８７６４３５０２（电子信箱）ｈｊｋｘｙｊｓ＠１２６．ｃｏｍ 收稿日期：2014-07-04；修回 2014-10-16 基金项目：国家自然科学基金项目资助（41303069） 作者简介：陆泗进（1979-），男，高级工程师，博士，主要从事土壤环境质量监测与评价研究，（电话）010-84923693（电子信箱）lusj@；* 通讯作 者，男，研究员，（电话）010-84943693（电子信箱）wangyy@。
渣态（F4）存在。重金属风险评价代码评价结果表明，该研究区土壤 Cd 和 Zn 的生态风险最高。潜在生态风险评价表明研究区域农田土壤
存在很高的生态风险，86.7%的采样点都处于中等及以上的风险水平。重金属 Cd 是在潜在生态危害中贡献率较大，该地区土壤 Cd 的危害
应引起高度关注。聚类分析等结果表明，As、Cd、Cu 和 Zn 之间的相关性较强，表明其来源基本一致，可能主要来源于附近工业“三废”的排
本次研究所测试的元素有 As、Cd、Cu 和 Zn 等 4 种重金属元素总量。土壤重金属总量前处理采用 盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸消解。其中 Cu、Zn、Cr
采用 ICP-AES（Perkin-Elmer 3300 DV）测定 ，As 采 用 AFS （AFS 1201）测定 。 [13] 分析中同时包含 3 个土壤国标样的 质量控制，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。 1.4 重金属有效态的测定
其是农田土壤重金属分布特征，并对土壤重金属进 行 生 态 风 险 评 价 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 目 前 ，已 经 有研究人员开始采用地质累积指数法、Hakanson 潜 在 生 态 风 险 指 数 法 污 染 指 数 法 、回 归 过 量 分 析 法 等 对土壤重金属的生态风险进行评价，但涉及具体的 农村耕作土壤的研究国内尚不多见[5-9]。同时，土壤
放，受人为影响较大。
关键词：农田土壤； 重金属； 形态分布； 潜在生态风险
中图分类号：X53 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2014.12.020
文章编号：1003-6504(2014)12-0100-06
Ecological Risk of Heavy Metals on the Paddy Soils at a Village in Hunan
该区域为河流冲积型小平原和由丘岗构成的 丘 陵 区 ，海 拔 较 低 ，土 壤 特 征 以 沙 壤 和 第 四 纪 红 壤 为主。 1.2 样品的采集
在该农村的菜地、稻田等耕作土壤布设采样点 位，共采集土壤样品 15 个，采样深 度 为 0 ～20 cm， 在小范围内多点采样后混合为一个样，然后用四分 法选取 1 kg 土壤。为防止样品间的交叉污染以及 采样工具之间的污染，采样中一律使用塑料工具操 作。土壤样品最终密封保存在塑料袋中待测。样品 采集后过 2 mm 的筛，剔除石块、生物残骸与植物 碎片，置于阴凉干燥处风干后，磨 细 至 0.063 mm， 供分析测试用。 1.3 重金属总量的测定
超标最严重的为 Cd，超标率为 100%，最大超标倍数达 35.7 倍。不同重金属存在不同的形态分布特征，Cd 的水溶态和可提取态最高（F1），
平均值达到 42%；Cu 和 Zn 可还原态（F2）、可氧化态（F3）这两部分含量较高，两部分之和的平均值分别达到 50.9%和 39.7%；As 主要以残
第 12 期
陆泗进，等 湖南省某地农田土壤重金属生态风险评价研究
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中的重金属具有各种不同的存在形态。这些不同形 态的重金属可能会产生不同的环境效应，并直接影 响 到 重 金 属 的 生 物 有 效 性 、毒 性 、迁 移 以 及 在 自 然 界的循环[10]。研究重金属的形态分布可以提供更为 详细的重金属元素生物可利用性和潜在生态风险 信息[10-11]。目前，开展基于重金属形态的生态风险评 价的研究也正在逐步开展中。
第 37 卷 第 12 期 2014 年 12 月
Environmental Science & Technology
VoDl. e3c7.第N230o7.11卷24
陆泗进，王业耀，何立环． 湖南省某地农田土壤重金属生态风险评价研究［Ｊ］． 环境科 学与技术，２０１４，３７（１２）：１００－１０５． Ｌｕ Ｓｉｊｉｎ，Ｗａｎｇ Ｙｅｙａｏ， Ｈｅ Ｌｉｈｕａｎ． Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｄｄｙ ｓｏｉｌｓ ａｔ ａ ｖｉｌｌａｇｅ ｉｎ Ｈｕｎａｎ［Ｊ］． Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３７（１２）：１００－１０５．
分别采用 Hakanson 提出的潜在生态风险评价 （the potential ecological risk index）方法开展了潜在 生态风险评价[18]。参比值采用湖南省土壤重金属的 背 景 值 [ 19 ] 。毒 性 系 数 采 用 Zn = 1 < Cu = 5 < As = 10 < Cd = 30 [ 20 ] 。土 壤 重 金 属 的 潜 在 生 态 风 险 分 级 标 准 见 表 1 。 [21]
LU Sijin， WANG Yeyao*， HE Lihuan
（China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China）
Abstract：In order to investigate the soil pollution situation，15 topsoil samples were collected from agricultural soil at some villages，northeast of Hunan Province. The concentrations of 4 elements including As，Cd，Cu and Zn were determined. Results indicated that research area is seriously polluted by heavy metals，especially by Cd and Zn. The modified BCR sequential extraction method was applied to evaluate the mobility and bioavailability of the heavy metals. Among metals，Cd poses a serious threat to human health and the environment due to the calculated high percentage of mobility. Cu and Zn were distributed mainly in acid extractable fractions and Fe/Mn oxide fractions，and As was mainly associated with residual fraction. Risk assessment of soil pollution by risk assessment code and environmental risk index was also calculated. Calculated environmental risk index reveal a high ecological risk in mostly sites （86.7%）. Additionally，cluster analyses suggested that metals such as As，Cd，Cu and Zn could be from the same sources probably related to acid mine drainage and the industry complexes located in the area aside from the natural source characteristics of the zone. Key words：agricultural soil; heavy metal; chemical speciation; potential ecological risk
鉴于此，本文以湖南省受人为影响较重的某村 庄农田土壤为研究对象，对其土壤中 As、Cd、Cu 和 Zn 的含量、存在形态进行研究，并采用风险评价代 码（risk assessment code，RAC）和 潜 在 生 态 风 险 指 数 法 进 行 生 态 风 险 评 价 ，同 时 ，通 过 聚 类 分 析 等 数 量统计方法对土壤重金属的可能来源进行分析。通 过本研究以探讨和说明因农业和工业的发展引起 的农田土壤重金属的潜在生态风险，以期为我国南 方地区的农田土壤保护和修复提供理论依据。
分别称取 1.000 g 风干土样进行 BCR 提取，进行 重金属的化学形态研究。BCR 法的提取步骤如下[11]： （1）采 用 40 mL 0.1 L mol/L 的 醋 酸（HOAc）在 室 温（25 ℃）下提取，提取液中重金属含量表示可溶态 和交换态部分的重金属总和，文中以 F1 表示；（2）上 一步提取残留物继续用 40 mL 0.1 mol/L 盐酸羟胺 （NH2OH·HCL）（pH=2.0）在室温（25 ℃）下提取，提 取液中重金属含量表示可还原态部分的重金属，文 中以 F2 表示；（3）上一步提取残留物继续用 20 mL 8.8 mol/L 双 氧 水（H2O2）分 2 次 在 室 温 下 消 化 1 h 后，恒温水浴（85+2） ℃消化 1 h，冷却至室温后，用 50 mL 0.1 mol/L 醋酸铵（NH4OAc）（pH=2.0）在室温 （25 ℃）下提取，提取液重金属浓度代表可氧化态部分 的重金属，文中以 F3 表示；剩下的部分即为残渣态，文中 以 F4 表示。详细步骤及计算见参考文献[11，14-15]。 本 次 研 究 采 用 的 BCR 连 续 提 取 方 法 得 到 的 As、 Cd、Cu 和 Zn 的回收率范围为 91%~94%。基于 F1 的 值，采用风险评价代码（risk assessment code，RAC）对 四种重金属生态风险进行了评价[16-17]。 1.5 潜在生态风险评价
湖南省某地农田土壤重金属生态风险评价研究
陆泗进， 王业耀 *， 何立环
（中国环境监测总站，北京 100012）
摘 要：以湖南省某典型村庄农田土壤为研究对象，分析了其土壤中 As、Cd、Cu 和 Zn 的含量及其形态分布特征，在此基础上开展了
潜在生态风险评估，并探讨了土壤中重金属的可能来源。结果表明，该研究区域土壤，除 As 外，Cd、Cu 和 Zn 都存在不同程度的超标。其中
1 材料与方法
1.1 研究区概况 研究区为湖南省某农村农用耕种土壤。研究区
域地处湘江河畔，位于某工业区和某火力发电厂下 风向，受上述两个污染源的影响较大。同时，湘江是 其主要的农业灌溉水源。湘江流域因受矿产开采、 金 属 冶 金 的 影 响 污 染 严 重 。 目 前 ，湘 江 水 污 染 中 的 主要重金属污染为 Cd、As 和 Hg 等[12]。采用湘江水 灌 溉 也 会 导 致 土 壤 重 金 属 含 量 增 加 。 因 此 ，该 区 域 土壤污染总体受人为影响较大。
近 年 来 ，在 农 业 生 产 迅 速 发 展 的 同 时 ，我 国 的 农 业 生 态 环 境 也 遭 到 了 一 定 程 度 的 污 染 和 破 坏 [1]。 农 村 工 业 的 高 速 发 展 、农 用 化 学 品 的 不 合 理 使 用 、 污灌、规模化畜禽养殖等都会对土壤环境带来的污 染 ，进 而 对 农 田 土 壤 及 农 产 品 品 质 造 成 污 染 ，并 对 畜禽及人体构成威胁和危害 。 [2-4] 因此，研究土壤尤