第50卷第2期当代化工Vol.50, No.2 2021 年2 月Contemporary Chemical Industry February, 2021广东某区农田土壤重金属污染现状 及潜在生态风险分析
孙秀敏，陈琼，张键，张洋瑜，方植彬t
(工业和信息化部电子第五研究所，中国赛宝环境评估与监测中心，广州510610) 摘要：在研究区域采集45个表层土壤样品，对其含有的镉、铅、铬、铜、锌和镍6种重金属进行了全
W测定和3种形态（可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态）分布，组成特点分析，运用相关性分析法 对各形态与全量、土壤化学指标的关系进行探讨采用单因子污染指数法和内梅罗污染综合指数法对土壤中重
金M污染进行综合评价依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》表1农地上壤污染风
险筛选值判定，45个土壤样品中铅和镉的单因子污染指数较高，质M分数超标率均为6.67%, M大超标值分别
坫风险筛选值的2.03倍、丨.兄倍.6种重金属内梅罗综合污染指数为丨.26, 土壤呈现轻度污染水平镉的3种
形态质占全量比例最大，为39.58%，锌、铅、铜、镍、铬的3种形态质量占比均低于21.51%统计分析结
果M水.镉和锌各形态与令t t、有机质、阳离子交换M的相关程度较高，呈显著相关关系；6种重金属3个形
态勺土壤p H值呈负相关关系交换态镉质量分数较高，具有较高的潜在生态风险，应加强监测
关键词：农田土壤；重金属；特征分析；潜在生态风险分析
中图分类号：X53; X825 文献标识码：A文章编号：1671-0460 (2021)02-0293-05
Status of Pollution of Heavy Metals in Agricultural Soil in an Area of Guangdong and Assessment of Potential Ecological Risk
SUNXiu-miiu CHEN Qiong, ZHANG Jian, ZHANG Yang-yu, FANG Zhi-bin*
(The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology,
CEPREI Environmental Assessment and Monitoring Center, Guangzhou 510610, China) Abstract: A total of 45 soil samples were collected from the fannland of research area. Six kinds of heavy metals (Cd,
Pb, Cr, Cu, Zn, Ni) were chosen to be analyzed in order to obtain the amount and the spatial distributions of their three
states including exchange state, carbonate combination state and iron-manganese oxide state. Based on correlation
analysis, the correlation between all fonns of six heavy metals and their total content, soil properties such as pH,
organic matter and CEC was discussed. A comprehensive evaluation for the heavy metal pollution in soil was made by
the single factor pollution index and Nemero integrated pollution index. Some main conclusions were drawn as
follows: According to the risk screening values in table 1from the standard named Soil environmental
quality Risk
c o n tr o l s ta n
d a r d f o r s o il c o n ta m in a tio n o f agricultural la n d,Pb and Cd had higher singl
e pollution index and both the
standard exceeding ratios of 6.67%. The highest contents of Pb and Cd in soil were 2.03 and 1.58 times higher that of
the risk screening values. The comprehensive pollution index of Cd, Pb, Cr, Cu, Zn, and Ni in the soil was 1.26, and
the soil was mild pollution; the exchange state, carbonate combination state and iron-manganese oxide state of Cd
(39.58%) were the largest proportion in the concentration of total heavy metal. Whereas the proportions of Zn, Pb, Cu,
Ni and Cr were lower than 21.51%; The results of statistical analysis indicated that various states of Cd and Zn had
obvious correlation with the total content of heavy metal, organic matter and CEC, and three states of those six heavy
metals showed negative correlation with soil pH. The exchange state of Cd had higher mass fraction, showing a
potential risk of ecological pollution. So the monitoring of Cd should be strengthened.
Key words: Agricultural soil; Heavy metals; Feature analysis; Assessment of potential ecological risk
土壤污染问题一直备受关注，尤其是2018年8 月1H《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准 (试行）》（GB15618—2018 )111的实施，对于贯彻落 实《土壤污染防治行动计划》、保障农产品质量和人 居环境安全具有重要意义，开展农用地管理分类和 调查、保护农用地土壤环境、管控农用地土壤污染风险十分必要：近年来有诸多学者，结合大量数据 进行系统的区域性研究|2'以评估农田土壤生态风险，保障农产品质量安全研究表明，土壤中重金 属会转运和富集到农作物中，进而可能进人到人体, 累积后危害人体健康'因此重金属污染是生态风 险评佔的E要对象：金晓丹|h|等在研究土壤中重金
基金项目：广东省科技计划项目（项目编号：2016A040403039 )
收稿日期：2020-09-21
作者简介：孙秀敏（1987-)，女，吉忭省长春市人，工程师，硕士，2012年毕业于吉林大学分析化学专业，研究方向：土壤肥力调查和污染物检 :?1方法开发 E-m ail:siinxm@ceprei
通信作者：d丨K(1981-)，考，工裎师，顼士，研究方向：土壤肥力f‘x发E-m ail:fangzb@ceprei
雇水稻重金属的影响时发现，农作物富集重金属 的生物效应不仅与重金属全量有关，更与其赋存形
态有关。TESSIER 171将重金属在土壤中的赋存形态分 为5种：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结 合态、有机结合态和残渣态。其中，可交换态和碳 酸盐结合态重金属较活泼，易被农作物吸收|8|；铁 锰氧化物结合重金属在还原条件下较易释放为可溶 解性重金属|9i n |；有机结合态和残渣态属于较稳定的 难迁移态|N 1。研究可交换态、碳酸盐结合态、铁锰 氧化物结合态的组成特征和分布对了解重金属的迁 移和潜在危害更具有实际意义"2|。另外，协同研究 土壤的化学性质（pH 值、有机质和阳离子交换量） 对重金属各形态分布影响程度，更有利于分析和评 估重金属形态发展趋势181。
本文研究区域为广州市农用土地，是广州市著 名的粮仓之一。近年来，随着农业结构的进一步调 整，该区域内农业逐步由单纯产品向商品化的城郊 农业转化，经济快速发展的同时，人类活动对土壤
的影响也越来越强烈。同时研究区域周边早年还存 在多家重金属冶炼企业、纺织企业、化妆品企业、 皮革企业等，所产生的重金属排放物可能会遗留在 土地上，对土壤造成影响[13]，所以摸查该区域土壤 重金属污染现状十分必要，对评估重金属潜在生态 风险提供依据。
本文通过布设具有代表性的采样点位，采集45 个土壤样品进行化学分析，探讨镉、铅、铬、铜、 锌和镍等6种重金属3种形态（可交换态、碳酸盐 结合态、铁锰氧化物结合态）与全量及pH 值、有 机质和阳离子交换量的关系，评估该区域农田土壤 重金属质量现状和潜在生态风险，为该区域土壤监 管和污染防治提供科学依据。
1材料与方法
1.1研究地概况
研究区域位于广州市北部，珠江三角洲的中北 部，属亚热带，气候温湿，雨量充沛，年均气温21.2
年均相对湿度75% ~ 85%，年降水量
1 823.6 mm 。地处华南褶皱系粤中坳陷中部，平原 与山地丘陵交错分布，土地类型为赤红壤、水稻土。1.
2 土壤样品的采集和制备
在研究区域的农田内布设土壤采样点位45个， 系白菜、水稻、荔枝等农作物表层土壤。按照《土 壤环境监测技术规范》（H jA T 166—2004 )进行采样 和制样，制备 10 目（1.70 m m )、60 目（0.25 mm ) 和100目（0.15 m m )样品备用。
294 1.3 土壤样品的分析测试
土壤重金属全量采用王水提取-电感耦合等离 子质谱法测定（H J 803—2016 ), pH 值采用玻璃电 极法测定（NY/T 1121.2—2006)，有机质采用重铬 酸钾-硫酸氧化法测定（N Y A T 85 —1%8 )，阳离子交 换量采用乙酸铵交换法测定（N Y A T 295—1995 )，重 金属形态分析采用Tassier 法[7]提取-电感稱合等离 子体发射光谱法测定。
1.4数据分析
数据处理分析在M icrosoft Excel 2003平台上完 成。
2结果与讨论
2.1 土壤重金属全量特征
供试土壤样本的重金属全量分布范围和平均 值详见表1。考虑土壤的利用类型和PH 值，对照《土 壤
环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行）》 (GB 15618—2018 )表I 农用地土壤污染风险筛选 值，45个土壤样品中镉、铅两个元素超标，超标率 均为6.67%，最大超标值分别是限值的1.58倍、 2.(B 倍，这与已有的附近区域土壤重金属状况调查 研究得出的结果相近。6种重金属各形态的平均质 量分数及其在全量的分配比例差异较大，详见表1。 对于父换态，锡兀素占比最局，为25.8%，其他 5种重金属质量都在5.61%以下，镍元素最低，为 2.03%；碳酸盐结合态也以镉元素最高，其他元素 数值稍低；铁锰氧化物结合态比例以锌元素最高， 占全量的12.94%，其次是铅和镍2种元素，分别为 12.93%和9.64%。综上，各金属的3种形态之和占 全量百分比大小为镉>锌>铅>铜>镍>铬，其中 镉占其全量比例达到39.58%，说明其易释放，被植 物吸收的风险最大。
通过变异系数表征数据波动大小特征，可在一 定程度上描述重金属的污染状况。如表1所示，镉、 铅、铬、锌、镍和铜的3个形态变异系数均较大， 铜的碳酸盐结合态甚至为249.2%；重金属全量的变 异系数也在47.87%~81.64%之间。以上两种现象说 明，各形态具有较大的空间分布差异，各点位间污 染程度大不相同。2.2 土壤污染评价
采用单因子污染指数（P ,)评价土壤中单一重 金属的污染程度[^15]，选用《土壤环境质量农用地 土壤污染风险管控标准（试行）〉X GB 15618—2018 ) 表1农用地土壤污染风险筛选值作为污染评价的参 比值，得到镉、锌、铅、铜、镍、铬的严，详见表
定位装置
2021年2月大锅天线
当 代化工
第50卷第2期 孙秀敏，等：广东某区农田土壤重金属污染现状及潜在生态风险分析295 2和表3。
表1土壤中重金属元素不同形态统计参数（〃=45 )
Table 1Statistical parameters of different forms of heavy
metal elements in soil (/i=45)
元素参数交换态碳酸盐
结合态
铁锰氧化物
结合态
全量
Cd范围/(m g k g1)0.014-0.106 0.004-0.0160.004-0.0440.02-0.47平均值/(m g k g1)0.0340.0060.0120.13
标准差/(mg kg ')0.0260.0040.0110.09变异系数/%76.6469.0793.0771.06
占全董百分比/%25.8 4.908.88-
Pb范围/(m g k g1)0.04-9.300.15-6.930.04-19.8613.6-141.9平均值/(m g'kg， 1.28 1.54 5.7544.4
标准差/(m gk g ’ 1.87 1.56 4.6924.7变异系数/%145.6198.2181.6455.49
占全量百分比/% 2.89 3.5212.93-
Cr范围/(m gk g ’ND ND0.02-3.730.04-19.9平均值/(m g k g1)-- 1.26 5.75
标准差/(mg kg’--0.83 4.69变异系数/%--66.2681.64
占全量百分比/%-- 5.09-
Cu范围/(m g k g1)0.02-1.910.02-8.740.02-2.54 2.21-43.5平均值/(m g k g’0.290.530.8214.0
标准差/(mg kg ')0.35 1.310.667.91变异系数/%119.9249.280.1756.49
占全量百分比/% 2.09 3.77 5.84-
Zn范围/(m gk g ’0.004-30.60.18-10.50.004-34.821.8-199.1平均值/(mg. k g1) 4.14 2.189.5373.7
标准差/(mg k g、 6.12 2.518.5335.7变异系数/%148.0114.989.5148.40
占全量百分比/% 5.61 2.9612.94-
Ni范围/(mg kg0.02-0.56ND0.02-1.70 1.40-32.1平均值/(m g k g1)0.19-0.929.50
标准差/(m g’kg ')0.14-0.42 4.55变异系数/%73.00-46.2547.87
占全量百分比/% 2.030.219.64-表2重金属单因子污染指数法评价结果
Table 2 Evaluation result of heavy metal concentrations in soils by single factor contaminant index
元素数
量
I级
(无污染）
n级（轻
微污染）
in级（轻
度污染）
IV级（中
度污染）
V级（重
度污染）P.^l1<P,^22<P，在 33<P•彡 5P,>5
Cd4593.33% 6.67%---
Ph4593.33% 4.45% 2.22%--
Cr45100%----
e通话
Cu45100%----
Zn45100%----
Ni45100%----
45个样品中，6.67%的点位镉和4.45%的点位 铅处于轻微污染水平，2.22%的点位铅处于轻度污 染水平，其余都处于无污染水平，综上可得出研究 区域单项重金属污染程度较轻。同时由表3可知，6 种重金属对土壤污染的强度顺序为铅 > 镉 > 锌 > 铜
>铬>镍，其中铅和镉单项污染指数明显高于其他4种重金属。
采用内梅罗污染综合指数（A)全面分析土壤 重金属污染状况1161，可兼顾各种重金属的平均污染 状况和污染最严重的因子的影响：评价结果如表3 所示，综合污染等级表现为轻度污染，这更加突出 了污染指数较高的铅和镉对土壤质量污染的贡献：分析铅和镉的污染来源，考虑到超标点位较少、区 域内质量分数变异系数较大，这种空间差异说明镉、铅的超标主要由外界干扰影响，如农田耕作、种植 分布、附近的企业大气沉降、汽车尾气[11]等强烈的 人为活动|171。
表3重金属综合污染指数法评价结果
Table 3 Evaluation result of heavy metal concentrations in soils by comprehensive pollution index
元素数量
单因子污染指数综合污
污染度
平均值最小值最大值染指数
Cd450.440.07 1.58
Pb450.550.15 2.03
Cr450.160.220.41
1.26
轻度污染(DI级} Cu450.280.040.87(1.0</5…^2.0)
Zn450.370.11 1.00
Ni450.140.020.46
2.3土壤重金属交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化
物结合态特征
试验结果表明，土壤中铬元素的交换态和碳酸 盐结合态并未检测到；土壤中镍元素的碳酸盐结合 态也未检测到，且检测到交换态仅占全量2.03%, 可见铬和镍主要以稳定的其他形态存在，与文献报 道一致|181。研究土壤中各重金属的3种形态的组成，见表4。镉的交换态占比最大，其次为铁锰氧化物 结合态。铅、铬、铜、锌、镍的铁锰氧化物结合态 占比最大。有文献报道，铁锰氧化物结合态相比其 他两种形态稳定，在还原条件下才会释放重金
属|191。结合全量超标结果可以得出，铬、镍、铜均 以稳定形态存在，表明这3种元素稳定性较强，潜 在危害性较小。
2.4 土壤化学指标对土壤重金属3种形态的影响
土壤p H值、有机质、阳离子交换量对重金属 形态变化有重要影响|81。土壤酸碱性影响土壤营养 成分的供给和有效性|2()|。测试土壤样品的p H值、有机质和阳离子交换量，结果详见表53 土壤p H值 与各元素形态的相关性见表6, p H值与锌和镍元素 的交换态呈负相关关系，有显著影响；与其他形态 虽相关性均不明显，大部分呈现负相关。此研究表 明，土壤偏酸，重金属3种形态的质量分数会增加
这与黄碧捷等的研究结论一致若土壤继续酸化，则土壤中的重金属溶解度和解吸度可能会增加，重金属各形态之间的相互转化也会加速"1_1218|:
296_________________________________________当代
表4 6种重金属元素各化学形态的组成
防火门铰链
Table 4 The composition of chemical forms of
six heavy metals
元素参数交换态碳酸盐
结合态
铁锰氧化物
结合态
C(1范围/%22.3-91.0 4.51-55.4 4.52-38.35平均值/%60.216.923.0
变异系数/%30.0468.839.95 P l>范围/漆0.35-46.1 5.22-86.00.92-90.2
平均值/%12.322.265.2
变w••系数/%89.7188.239.5 (：!•范围/%--33.3~98.94平均值/%--90.7
变异系数/%--20.09 (；u范围/% 1.00-80.9 3.44-93.1 2.57-83.3平均值/%20.925.853.4
变异系数/%91.479.846.83 V.n范闱/%0.02-88.20.94-95.620.01-91.4平均值/%24.513.661.9
变异系数/%84.8108.938.97 Ni范围/% 1.54-91.3- 4.35-96.9平均值/%20.1-76.9
变异系数/%94.24-27.30
土壤有机质均值为22.32 g.k g-'(表5 )，按照全 _第二次土壤普查的有机质分级标准划分，研究区 域的有机质质量分数主要处于二级水平(30.0~40.0 g.k g'丰富）的点位占比为20%、三 级水平（20.0 ~30.0 g.k g-1，中等）的点位占比为42%、四级水平（丨0.0〜20.0 g'k g1，较低）的点位占比为 36%，总体偏中等以上：有研究表明，有机质与重 金属离子可形成不易被矿物表面吸附的可溶复合 物，能增加生物有效性|121：从表6可以看出，有机 质与铅的3种形态、铬和铜的铁锰氧化物结合态呈 负相关，原因是组成有机质的腐殖质对铅、铬、铜 具有强烈的吸附和络合作用。除此之外，有机质与 镉、锌、镍的各形态均为正相关，其中相关性以镉 和锌最为显著，进一步说明了土壤中有机质较高时，有利于重金属转向活泼形态^251在监测重金属形 态分布时，同时考虑有机质质量分数十分必要：
土壤阳离子交换量作为土壤肥力指标，是土壤 改良和修复的主要依据|261。45个测试点位中，阳离 子交换量平均值为9.29 r.m o P k g—1(表5 )，按照全_
第二次土壤普查分级标准划分，研究区域的阳离子 交换量含量主要处于二级（10〜15r m o l_k g_l )和二级 (5〜10 r m o l'k g1)，点位占比均为44%，总体呈中 下水平表3中还可以看出，研究区域内空间变异很大，这可能是受改土、施肥、附近企业排放的酸 雾沉降等人为活动影响l:T.与6种重金属的形态大 多数呈现正相关关系（表6)，但是相关性较差：其 中，与阳离子交换量呈显著相关的为镉的3种形态 和锌的碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态，相关系 数在0.416〜0.612范围内，这勺安永龙1121对北京平原 区土壤中阳离子交换量与土壤中镉、锌影响的研究 结果相一致在土地利用规划中，可以考虑降低土 壤阳离子交换量，来抑制重金属3种形态的转化：
表5供试土壤化学性质
化工_________________________________2021年2月
Table 5 Basic chemical properties of studied soil
化学性质范围平均值标准差变异系数/% pH 4.49-6.63 5.590.498.81心机质/(g.kg’7.7-35.522.327.4733.25
阳离子交换M_ __ ___ .
/(cmol kg ')
2.72-16.129.29
3.193
4.29
表6重金属元素各化学形态质量分数
与土壤化学性质的相关性
Table 6 Coefficient of correlation between heavy metals
concentrations in various forms and
chemical properties of soil
元素土壤化学性质交换态
碳酸盐
结合态
ccty
铁锰氣化物
结合态
(a\PH-0.0660.1220.161
有机质0.555**0.460*0.510**阳离子交换量0.612**0.444*0.465*
全Cd0.580**0.613**0.663** 1)1，pH-0.184-0.057-0.181
有机质-0.222-0.101-0.271阳离子交换量-0.1010.0650.013
全Cd0.1540.2920.547** (：r PH--0.114
有机质---0.278阳离子交换量---0.258
全Cd--0.196
(In pH-0.122-0.051-0.184
有机质0.1080.050-0.200阳离子交换量0.0550.0450.181
全C rl0.108-0.0880.042
Zn pH-0.462*0.1810.078
有机质0.427*0.429*0.377阳离子交换量0.3980.416*0.437*
全Cd0.471*0.594**0.472*
Ni pH-0.580**—0.173
有机质0.194—0.182阳离子交换最0.257-0.273
全0.010-0.233
注：《=45; *和**分别表示0.05和0.01水平上显著相关。
2.5 土壤重金属3种形态对土壤重金属潜在风险
的影响
不同形态的重金属被生物吸收程度不同，产生 的生态风险也不同。关注重金属全量与形态的相关 性，有助于准确分析重金属潜在危害性，可制定针
第50卷第2期
对性的治理技术。
对土壤样品6种重金属的3种形态和其全量进
行了相关性分析（表6 )镉的交换态、碳酸盐结合
态和铁锰氧化物结合态均^'全量呈现显著性正相关，
相关系数分別为0.580、0.613和0.663铅与全量呈
显著性相关的为铁锰氧化物结合态，相关系数为
0.547；而铅的交换态和碳酸盐结合态与其全量的相
关系数为().丨54和0.292，相关性不明显；铬的铁锰
氧化物结合态虽与全量呈正相关，但是相关性不大，
相关系数为0.1%锌的夂换态、碳酸盐结合态和铁
锰氧化物结合态与其全量的相关系数分别为0.471、
0.594和0.472，均呈显著正相关关系铜和镍的3
种形态与其全量的相关性均较小。
从数据分析结果来看，6种重金属3种形态与
全量之间呈现不同的相关性，可能与重金属自身的
覆膜胶地球化学参数和外部环境的影响程度有关1271：镉和
锌的3种形态均与全量具有显著相关关系，比其他
元素明显：这表明随着土壤中镉和锌全量的增加，3
种形态会有不同程度的增量，生物有效性也会增强，
潜在的危害性也会随之加大，该区域的土壤总量变
化应值得注意"8|。
3结论
通过对研究区域农W土壤6种重金属全量和可
交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态分析得
以下结论：
1)依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》表1农用地土壤污染风险筛选值
判定，45个土壤样品中铅、镉2个元素超标率均为
6.67%，最大超标值分别是限值的2.03倍、丨
.58倍
单因子污染指数法和内梅罗污染综合指数法评价表
明，该区域土壤重金属污染呈轻度污染污染来源
主要由外界干扰影响，原因还需进一步探究
2) 土壤中镉、锌、铅、铜、镍、铬6种重金属 可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态中，
镉的可交换态和碳酸盐结合态质量分数最高，其余
5种均较低镉和锌的3种形态与其全量、土壤有
机质和阳离子交换量呈显著正相关，6种重金属各
形态与土壤PH值呈负相关关系。
3 )该区域土壤p H值范围为4.49~6.63，平均值
5.59，属于弱酸性环境，应密切关注p H值，防止进
一■步酸化
4 )镉的限值较低，该区域土壤中镉元素存在较
高潜在风险，易被玉米等植被吸收"6|，建议合理规
划土地利用，保障农产品安全。297
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