缙云县某复垦地块土壤环境质量调查及生态风险评价

周杨; 周文斌; 马嘉伟; 阮忠强; 叶正钱; 柳丹

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.20210289

缙云县某复垦地块土壤环境质量调查及生态风险评价

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210289

1.
缙云县农业农村局，浙江缙云 321400
2.
浙江农林大学浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江杭州 311300

基金项目: 浙江省重点研发计划项目(2018C03028)

详细信息

作者简介: 周杨(ORCID: 0000-0002-2357-8046)，从事耕地土壤质量提升研究。E-mail: 1364284769@qq.com

通信作者: 柳丹(ORCID: 0000-0003-1102-6639)，教授，博士，从事土壤污染与生态修复研究。E-mail: liudan7812@aliyun.com

中图分类号: S153；X53

Soil environmental quality investigation and ecological risk assessment of a reclamation land in Jinyun County

1.
Agriculture and Rural Bureau of Jinyun County, Jinyun 321400, Zhejiang, China
2.
Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, Zhejiang, China

摘要: 目的进一步探索浙江省缙云县某复垦地土壤环境质量。方法于2020年在缙云县某复垦地开展土壤环境质量调查，共采集17组土壤-水稻Oryza sativa籽粒复合样品，测定土壤和籽粒中镉、铅、铬、汞、砷等重金属的质量分数，利用单因子污染指数评价法、内梅罗综合指数法、潜在生态风险评价法和生态风险预警指数对土壤重金属污染程度进行评价。结果缙云县某复垦地块0~20 cm土层土壤重金属镉、铬、铅、汞、砷质量分数分别为0.33、107.74、53.40、0.03、18.42 mg·kg⁻¹。其中35.29%的点位土壤砷超标，其余4种重金属均未超过农用地土壤污染风险筛选值，镉、砷平均质量分数高于浙江省土壤背景值。复垦地块个别点位水稻籽粒铬和铅超标。该复垦地块的内梅罗综合污染指数平均值为0.69，有58.82%的点位处于警戒范围；地累积指数从大到小依次为镉(0.08)、铅(0.01)、砷(−0.32)、铬(−0.35)、汞(−3.02)；潜在生态风险指数的平均值为74.10，存在轻微生态风险；土壤生态风险预警指数达到中度预警级别。结论复垦地块个别点位水稻籽粒铬和铅超标；土壤重金属无点位超标，但具有一定的生态风险，其中重金属镉、铬、铅和砷是研究区最主要的生态风险因子，后续应加强关注。表7参24
- 水稻 /
- 重金属 /
- 土壤安全利用 /
- 生态风险评价
Abstract: Objective This study aims to explore the soil environmental quality of a reclaimed land in Jinyun County, Zhejiang Province. Method A soil environmental quality survey was carried out in the reclaimed land in Jinyun County in 2020. A total of 17 groups of soil-rice grain composite samples were collected to determine the contents of cadmium (Cd), lead (Pb), chromium (Cr), mercury (Hg), and arsenic (As) in soil and grain. The degree of soil heavy metal pollution was evaluated by single-factor pollution index evaluation method, Nemerow comprehensive index method, potential ecological risk evaluation method and ecological risk early warning index (I_ER). Result The contents of Cd, Cr, Pb, Hg, and As in 0−20 cm soil layer of the reclaimed plot in Jinyun County were 0.33 , 107.74, 53.40, 0.03, and 18.42 mg·kg⁻¹, respectively. Among them, arsenic in 35.29% of the points exceeded the standard, and the other four heavy metals did not exceed the screening value of soil pollution risk of agricultural land. The average contents of Cd and As were higher than the soil background value of Zhejiang Province. Cr and Pb contents in rice at some points of the plot exceeded the national standard. The average value of Nemeiro Comprehensive Pollution Index in the study area was 0.69, and 58.82% of the points in the study area were in the alert range. The geo-accumulation index ranging from large to small was Cd (0.08), Pb (0.01), As (−0.32), Cr (−0.35), and Hg(−3.02). The average value of potential ecological risk index (I_R) was 74.10, indicating a slight ecological risk. I_ER reached the moderate early warning level. Conclusion Cr and Pb contents exceed the national standard in rice at some points of the reclaimed land. No heavy metals exceeding the standard are observed in soil at any point, but there exists a certain ecological risk. Cd, Cr and Pb are the main ecological risk factors in the study area, which should be paid more attention to in the future. [Ch, 7 tab. 24 ref.]
- rice /
- heavy metals /
- safe use of soil /
- ecological risk assessment

随着经济和工业化的发展，酸雨污染日益成为中国重要的环境问题^[1]。ZHAO等^[2]和杨东贞等^[3]发现：1999-2006年浙江省杭州市临安地区降水中除硫酸根离子（SO₄^2-）外，硝酸根离子（NO₃^-）亦明显增加，尤其是2001年后NO₃^-对降水酸度的贡献逐步加大，降雨属于硫酸与硝酸混合型酸雨^[4]。研究认为：酸雨抑制植物养分、水分的吸收和运输，导致植物无法正常生长^[5-7]。酸雨可直接破坏叶肉细胞结构，使叶片细胞膜通透性增大，细胞膜保护酶的活性下降，膜脂过氧化作用加剧，植物体内清除活性氧平衡被打破，从而影响光合、呼吸以及代谢等生理生化进程而使植物受害^[8-10]。秃瓣杜英Eleocarpus glabripetalus系杜英科Elaeocarpaceae杜英属Elaeocarpus常绿乔木，适于中性或微酸性的山地红壤、黄壤上生长，是亚热带地区常见树种，常在评价酸雨对亚热带地区森林系统影响时作为试材。研究发现：模拟酸雨处理下秃瓣杜英的生物量积累^[11-12]、PSⅡ原初光能转化效率和PSⅡ潜在活性均有所上升^[11]。俞飞等^[13]则发现：不同酸雨处理下，杜英应对酸雨胁迫的途径不同。目前，有关酸雨影响植物生理与养分的研究较多，但对酸雨影响杜英生理和养分元素分配的协同探索较少，因此，本试验在研究不同酸雨梯度影响秃瓣杜英幼苗PSⅡ反应中心和幼苗养分分配的基础上，进一步探索秃瓣杜英幼苗响应酸雨胁迫的机制，为生物响应酸雨胁迫研究提供依据和参考。

1. 材料与方法

1.1 实验地概况

试验地位于浙江省杭州市临安区浙江农林大学平山试验基地大棚（30°16′N，119°44′E）。属于中亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，年平均降水量约1 400.0 mm，全年平均气温为16.4 ℃，年无霜期250.0 d左右。区域森林覆盖率为76.5%。土壤类型为红壤。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料

选取高度为40~60 cm的1年生秃瓣杜英幼苗，于2011年1月移栽到高40 cm，直径30 cm的塑料花盆中，采用试验地红黄壤作为栽培土。幼苗随机分成10组，7株·组^-1，苗木编号、挂牌后置于智能温室大棚内，保持棚内温度23~33 ℃，湿度55%~75%。缓苗期间用自来水浇灌，常规管理，2011年3月开始模拟酸雨喷洒^[14]。模拟酸雨采用喷雾法，隔3 d喷洒1次，处理期间植物不浇水。

1.2.2 试验设计

参照该地区酸性降水中平均离子组成和试验通用配比，按V（H₂SO₄）:V（HNO₃）＝8:1配制母液，再用蒸馏水稀释成pH 2.5，pH 4.0及pH 5.6的酸雨水溶液，作为重度酸雨处理（T_2.5），中度酸雨处理（T_4.0）和轻度酸雨处理（T_5.6）^[15]。根据临安区近10 a平均降水量统计数据^[13]，计算每个酸雨等级所需的酸雨量，同时以等量的清水浇灌幼苗作为对照组（ck）。

1.3 测定方法

1.3.1 叶绿素荧光参数测定

2015年7月晴朗天气的9：00-11：00采用便携式叶绿素荧光仪（PAM-2100，Walz，德国）测定初始荧光值（F_o），黑暗中最大荧光值（F_m），实时荧光值（F_t），最大光化学量子产量光系统Ⅱ（PSⅡ）的最大光化学效率（F_v/F_m），实际光化学量子产量（Y_ield），光化学猝灭系数（q_P）等叶绿素荧光参数。随机选取5株·处理^-1，并在每株不同方位中上部随机选取5片成熟叶片进行测定。所得数据为3 d的平均值。

1.3.2 叶绿素相对含量的测定

选取进行荧光测定相同的叶片，用便携式叶绿素含量测定仪（SPAD-502，日本）测定叶绿素相对含量，测定3次·叶片^-1，以5个叶片作为各组的平均值。

1.3.3 植物矿质元素的测定

2015年8月初，选择之前进行荧光实验的5株植株，各植株上中下各部位采集秃瓣杜英叶3片。幼苗叶氮元素质量分数用半微量凯式定氮法测定，磷元素质量分数用钼锑抗比色法测定^[16-17]；钾、镁元素利用电感耦合等离子体发射光谱仪（PerkinElmer Inc.，美国）进行测定^[18]。

1.3.4 生物量的测定

2015年11月全株收获，将黏附于秃瓣杜英幼苗上的泥土和污物用水冲洗干净，105 ℃下杀青5 min后，60 ℃下于烘箱中烘至恒量，分别称量地上部分和地下部分的生物量。

1.3.5 土壤元素的测定

将取回来的土样自然风干后磨碎，过100目筛。取各处理的土壤样品0.15 g预消解过夜，移入微波消解仪中消解至变色。得到的澄清、透明溶液摇匀静置待测，同时制备空白^[19]。用电感耦合等离子体发射光谱仪测定金属铜和金属锌的质量分数，重复3次·样品^-1。

1.3.6 转移系数和生物富集系数

转移系数（TF）可以表征植物地上部分金属与根部中金属质量分数的比值^[20]，表示如下：转移系数＝地上部分金属质量分数/根部金属质量分数。生物富集系数（BCF）是植物体内某种金属元素的质量分数与土壤内该种金属元素的总质量分数之比^[20]，表示如下：富集系数＝植物体内金属元素质量分数/土壤内金属元素质量分数。

1.4 数据处理

用SPSS 16.0软件统计秃瓣杜英幼苗的生长参数、叶绿素相对含量、荧光参数以及植株和土壤元素，对所有数据进行正态性与齐性检验后，利用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差法（LSD）比较不同数据组间的差异，用Excel软件作图。

2. 结果与分析

2.1 不同酸雨梯度对幼苗叶绿素参数的影响

由图 1可知：酸雨处理组的叶绿素相对含量均高于对照组，且叶绿素相对含量随着酸雨pH值的降低而升高，但是各处理组与对照组间差异不显著（P＞0.05）。F_v/F_m的变化跟叶绿素相对含量一致，也是随着酸雨pH值的降低而升高的，但各处理组与对照组之间均有显著差异（P＜0.05），T_5.6，T_4.0和T_2.5分别较对照组升高4.22%，6.07%和6.86%，说明酸雨有利于叶片PSⅡ原初光能转化效率的提高。同样地，Y_ield和q_P也是随着酸雨pH的降低而升高，其中重度酸雨处理组Y_ield显著高于对照组（P＜0.05），重、中度酸雨处理组q_P显著高于对照组（P＜0.05）。

图 1 不同酸雨处理下秃瓣杜英幼苗叶绿素参数

Figure 1. Changes of chlorophyll fluorescence parameters of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

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2.2 不同酸梯度对幼苗生物量的影响

由图 2可知：地上部生物量最高的是对照组，随着酸雨pH值的降低，各处理组的地上部生物量相比对照组分别降低了29.27%，4.88%和26.83%；根系生物量最低的是对照组，随着酸雨pH值的降低，各处理组的根系生物量相比对照组分别提高了22.22%，5.56%和33.33%。但无论地上部或根系，各处理组与对照组之间差异均不显著（P＞0.05）。

图 2 不同酸雨处理下秃瓣杜英幼苗各组织生物量变化

Figure 2. Changes of each tissue biomass of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

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2.3 不同酸雨梯度对幼苗器官中元素的影响

由图 3A可知：秃瓣杜英幼苗中氮元素主要存在于叶片；与对照组相比，各处理组叶片氮质量分数均有所提高，但差异不显著（P＞0.05）；各处理组茎中氮质量分数与对照组相比，均无显著性差异（P＞0.05）；轻度酸雨处理组根氮质量分数显著大于其他组（P＜0.05）。

图 3 不同酸雨梯度下秃瓣杜英幼苗器官中的元素质量分数变化

Figure 3. Changes of N, P, K and Mg in the organs of E. glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

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图 3B显示：所有器官磷质量分数总和最高的是对照组；对照组与处理组叶中的磷质量分数均无显著性差异（P＞0.05）；茎中磷质量分数从大到小依次为对照组，T_4.0，T_2.5和T_5.6，除中度酸雨组外，其他处理组与对照组差异显著（P＜0.05）；根中磷质量分数表现为重、中度酸雨组显著高于对照组（P＜0.05）。

各处理组与对照组叶片中钾质量分数无显著差异（P＞0.05）；茎中钾质量分数最高的是对照组，显著高于重、轻度酸雨组（P＜0.05）；根中钾质量分数最低的是中度酸雨组，与对照组差异显著（P＜0.05）。

各器官中镁质量分数各组之间均无显著差异（P＞0.05），总量最高的是对照组。叶片中镁质量分数从大到小依次为T_4.0，T_5.6，T_2.5和对照，在根中排序为对照，T_5.6，T_2.5和T_4.0，在茎中排序为T_4.0，对照，T_5.6和T_2.5。

2.4 幼苗对重金属的吸收特征

由表 1可知：处理组幼苗组织中铜元素和锌元素主要集中在地上部分。重、中度酸雨处理下，幼苗地上部铜质量分数显著高于对照组（P＜0.05）；根系铜质量分数低于对照组，其中重度酸雨组与对照组差异显著（P＜0.05）。各处理组秃瓣杜英幼苗的地上部锌质量分数均高于对照组，其中，重度酸雨组与对照组之间差异显著（P＜0.05）。重、中度酸雨组根系锌质量分数显著小于对照组（P＜0.05）。

表 1 秃瓣杜英幼苗在不同酸雨酸度下各组织中铜和锌质量分数

Table 1. Heavy metal Cu and Zn concentrations in different tissues of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

试验组	w_铜/（mg·kg^-1）		w_锌/（mg·kg^-1）
试验组	地上部	根系	地上	根系
T_2.5	13.50 ± 0.55 a	5.93 ± 0.03 c	177.16 ± 6.28 a	13.50 ± 0.77 b
T_4.0	15.66 ± 1.80 a	13.71 ± 1.01 b	99.55 ± 7.33 ab	6.12 ± 0.76 b
T_5.6	11.14 ± 1.39 ab	27.15 ± 3.38 a	138.87 ± 6.85 ab	72.07 ± 6.71 a
ck	11.41 ± 0.91 b	14.83 ± 2.04 b	23.49 ± 2.21 b	68.35 ± 7.46 a
说明：表内数据为平均值±标准误。同列不同字母表示差异显著（P＜0.05）

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幼苗在酸雨处理下的转移系数值由表 2所示。幼苗中铜转移系数随酸雨pH值的降低而升高，重度酸雨处理下幼苗中铜转移系数最高，为2.27。各处理组锌转移系数均高于对照组，其中重、中度酸雨处理与对照组差异显著（P＜0.05），中度酸雨处理下锌转移系数最高，为16.79。说明酸雨处理增加了秃瓣杜英幼苗对重金属的转移能力。

表 2 不同酸雨酸度下秃瓣杜英幼苗中铜、锌的转移系数和生物富集系数

Table 2. Translocation factor and bioconcentration factor of Cu and Zn with different acid rain treatments

试验组	转移系数		生物富集系数
试验组	铜	锌	铜	锌
T_2.5	2.271 ± 0.112 a	10.837 ± 0.483 a	0.014 ± 0.001 ab	0.712 ± 0.025 a
T_4.0	1.169 ± 0.203 b	16.790 ± 0.240 a	0.019 ± 0.002 a	0.420 ± 0.035 a
T_5.6	0.423 ± 0.072 c	2.033 ± 0.081 b	0.011 ± 0.002 b	0.546 ± 0.026 a
ck	0.792 ± 0.081 bc	0.409 ± 0.011 b	0.020 ± 0.002 a	0.093 ± 0.003 b
说明：表内数据为平均值±标准误。同列不同字母表示差异显著（P＜0.05）

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酸雨处理后铜元素的生物富集系数为0.011~0.019，均小于对照组，说明酸雨处理不利于秃瓣杜英幼苗对重金属铜的积累；处理组锌的生物富集系数均显著高于对照组（P＜0.05），说明酸雨处理提高了秃瓣杜英幼苗对重金属锌的积累能力。

3. 结论与讨论

测定植物叶片的叶绿素相对含量可以间接反映植物叶片叶绿素的情况^[21-24]，叶绿素荧光动力学技术可以获得植物耐受环境胁迫的能力和各种胁迫已经损害光系统的程度等信息^[25]。研究发现：重度酸雨下，杨梅Myrica rubra叶绿素各荧光参数均降低^[26]；在pH 2.5条件下，水稻Oryza sativa叶片质膜（H⁺-ATPase）活性，细胞渗透势和钾离子（K⁺）和镁离子（Mg²⁺）明显下降^[27]；五爪金龙Ipomoea cairica叶片净光合速率随酸雨pH值的下降而降低^[28]。也有得出相反结论。田大伦等^[29]发现：pH 3.0和pH 4.0的酸雨提高了樟树Cinnamomum camphora最大净光合速率和表观量子效率；在pH 2.5的酸雨强度下，青冈Quercus glauca幼苗的光合参数、叶绿素荧光参数与对照组相比，明显增加^[30]。

本研究发现秃瓣杜英幼苗叶绿素参数随不同酸雨变化而变化。随着酸雨pH值降低，叶绿素相对含量，F_v/F_m，Y_ield和q_P均升高，说明酸雨提高了幼苗的叶绿素含量，增强秃瓣杜英幼苗的光合能力。

对各试验组幼苗组织生物量的测定可知：所有酸雨处理组地上部生物量均小于对照组，而根系生物量大于对照组，说明酸雨导致植物生物量重新分配，使秃瓣杜英幼苗根系更加健壮；根系通过吸收土壤中的矿质元素，使植物的生长效能提高，植物对环境胁迫的抵抗力增强，由此认为：秃瓣杜英具有一定的抗酸特性，即酸雨促进秃瓣杜英幼苗的生长，提高幼苗适应不良环境的能力。

氮是构成蛋白质的重要元素，对植物的光合作用起着重要的影响。研究发现：秃瓣杜英幼苗中氮元素主要存在于叶片，酸雨处理组叶片中氮质量分数均高于对照组，说明酸雨促进秃瓣杜英叶片对氮元素的吸收，有利于秃瓣杜英的光合作用，与WOOD等^[31]在北美乔松Pinus strobus的模拟酸雨试验中发现pH 4.0以下的模拟酸雨可促进幼苗生长的结论一致，并指出是由于酸雨中硝酸根（NO₃^-）的施肥作用的效果，即酸雨处理后对秃瓣杜英幼苗起到一定的氮补给作用。磷、钾作为植物各种生理代谢活动的重要参与者，对植物同化力的形成非常重要。酸雨处理组茎、叶部磷钾质量分数均小于对照组，而重、中度酸雨处理组根部磷钾质量分数大于对照组，表明酸雨抑制秃瓣杜英茎、叶对磷钾元素吸收的同时促进根系对磷钾元素的吸收，这可能是导致酸雨处理组的地上部生物量小于对照组，而酸雨组根部生物量大于对照组的原因。镁是组成叶绿素的重要成分，对植物光合作用非常重要，酸雨组叶片镁质量分数均大于对照组，但酸雨组与对照组各器官中镁质量分数无显著差异，这与段小华等^[32]研究模拟酸雨对茶树根茎和叶中镁含量没有明显影响的结果是一致的。

铜和锌是植物正常生长和发育所必需的元素，但土壤中过量的锌和铜会抑制植物的生长。LEVY等^[33]报道称，植物中铜质量分数正常范围为3~30 mg·kg^-1，锌为10~150 mg·kg^-1；本试验发现：各组织中铜质量分数的变化为5.93~27.15 mg·kg^-1，锌为6.12~177.16 mg·kg^-1，说明铜没有对秃瓣杜英产生毒害，而是作为必要元素用以构成铜蛋白，参与植物光合作用和氮素代谢，提高了叶绿素的稳定性。重度酸雨处理后，植物中铜转移系数增大，说明叶片获得了更多铜元素，从而提高叶片叶绿素含量。相比之下，酸雨处理后秃瓣杜英幼苗叶片锌质量分数超出了正常范围，根部尽管属于正常范围内，但转移系数和富集系数均高于对照组，说明秃瓣杜英通过迅速转移根部的锌到地上部分来避免根系受到锌的毒害，秃瓣杜英在酸雨刺激下对重金属锌的忍耐作用得到了提高。王菊等^[34]和严明理等^[35]研究均发现：酸雨促进重金属的转移和释放，但地下部重金属含量较地上部多，与本研究结果相反，说明重金属的转移和释放不仅取决于酸雨pH值，可能还与植物本身有关。

综上所述：模拟酸雨处理秃瓣杜英幼苗后，幼苗没有受到酸雨的极度危害；随着酸雨pH值的降低，酸雨各叶绿素荧光参数有所增加，说明酸雨提高了秃瓣杜英幼苗的光合能力。幼苗对酸雨的忍耐性主要表现在：浇酸之后，酸雨进入土壤，受土壤本身理化特性的缓冲作用，未对根系造成直接危害；其中的氮元素被植物逐渐吸收，使得幼苗叶片氮质量分数增加。酸雨对土壤中某些元素的活化作用，使得酸雨处理增加了幼苗叶片镁元素和地上部铜元素，对植物生长有利。随着酸雨pH值的降低，秃瓣杜英幼苗地上部生物量积累下降，根系生物量积累增加，与对照组存在显著差异；其原因首先是叶片磷、钾元素的减少，对幼苗的新陈代谢造成影响，其次则可能是为避免锌对秃瓣杜英根系产生毒害，部分能量用于转移根系锌元素。这也是秃瓣杜英耐酸的一种机理，因此，今后可加强对秃瓣杜英耐酸性机制的研究。

表 1 复垦地块土壤pH和养分质量分数

Table 1. Status of soil pH and nutrient content in reclaimed land

项目	pH		有机质/(g·kg⁻¹)		全氮/(g·kg⁻¹)		有效磷/(mg·kg⁻¹)		有效钾/(mg·kg⁻¹)
项目	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40 cm
最小值	6.73	7.42	3.98	4.79	189.90	205.00	4.99	5.31	205.00	207.80
最大值	8.53	8.52	9.94	10.10	406.90	431.40	37.78	24.24	431.40	293.40
平均值	8.15	8.24	6.51	6.97	284.04	288.85	14.54	12.70	288.85	245.79
标准差	0.48	0.30	1.70	1.34	57.38	59.32	8.55	5.59	59.32	23.73
变异系数/%	5.85	3.68	26.12	19.23	20.20	20.54	58.77	44.05	20.54	9.65

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表 2 复垦地块土壤重金属质量分数

Table 2. Soil heavy metal content of reclaimed land

项目	镉/( mg·kg⁻¹)		铬/( mg·kg⁻¹)		铅/( mg·kg⁻¹)		汞/( mg·kg⁻¹)		砷/( mg·kg⁻¹)
项目	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40 cm
最小值	0.209	0.240	71.80	72.80	43.10	44.60	0.021	0.029	8.61	7.39
最大值	0.598	0.497	145.00	139.00	67.10	65.30	0.034	0.058	23.70	21.40
平均值	0.330	0.310	107.74	106.67	53.40	54.06	0.030	0.040	18.42	16.67
标准差	0.098	0.064	22.17	20.28	6.90	6.37	0.004	0.014	3.46	3.95
变异系数/%	30.05	20.61	20.58	19.01	12.93	11.79	14.81	35.12	18.77	23.72
超标率/%	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

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表 3 复垦地块水稻籽粒重金属质量分数

Table 3. Heavy metal content of rice in reclaimed land

项目	镉/(mg·kg⁻¹)	铬/(mg·kg⁻¹)	铅/(mg·kg⁻¹)	汞/(mg·kg⁻¹)	砷/(mg·kg⁻¹)
最小值	0.019	0.30	0.04	0.01	−
最大值	0.072	1.60	0.31	0.02	−
平均值	0.037	0.74	0.11	0.01	−
标准差	0.015	0.37	0.09	0.00	−
限量值	0.200	1.00	0.20	0.02	0.50
变异系数/%	40.71	49.57	82.05	24.75	−
超标率/%	0	18.75	12.50	0	0
说明：−表示未检测出，其中检测限制镉为＜0.003 mg·kg⁻¹，铬为＜0.03 mg·kg⁻¹，铅为＜0.04 mg·kg⁻¹，汞为＜0.01 mg·kg⁻¹，　　　　　砷为＜0.04 mg·kg⁻¹

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表 4 水稻土壤重金属污染指数

Table 4. Heavy metal pollution index of paddy soil

项目	单因子污染指数					综合指数
项目	镉	铅	汞	砷	铬	综合指数
最大值	0.75	0.36	0.05	1.19	0.47	0.88
最小值	0.26	0.18	0.00	0.43	0.21	0.37
平均值	0.43	0.24	0.01	0.90	0.32	0.69
标准差	0.14	0.05	0.02	0.18	0.08	0.11
变异系数/%	32.77	21.96	145.97	20.42	24.02	17.70

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表 5 基于污染指数法重金属污染点位分布

Table 5. Distribution of heavy metal pollution points based on pollution index method

单因子指数	污染等级	点位占比/%					综合指数	污染等级	点位占比/%
单因子指数	污染等级	镉	铅	汞	砷	铬	综合指数	污染等级	点位占比/%
P_i≤1	清洁	100	100	100	64.71	100	P_综≤0.7	安全	41.18
1＜P_i≤2	轻度污染	0	0	0	35.29	0	0.7＜P_综≤1.0	警戒	58.82
2＜P_i≤3	中度污染	0	0	0	0	0	1.0＜P_综≤2.0	轻度污染	0
P_i＞3	重度污染	0	0	0	0	0	2.0＜P_综≤3.0	中度污染	0

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表 6 重金属元素地累积指数评价特征值统计表

Table 6. Statistical table of evaluation characteristic values of accumulation index of heavy metal elements

元素	I_geo		I_geo≤0		0＜I_geo≤1		1＜I_geo≤2		2＜I_geo≤3		3＜I_geo≤4
元素	变化范围	平均值	样品数	比率/%	样品数	比率/%	样品数	比率/%	样品数	比率/%	样品数	比率/%
镉	−0.52~1.00	0.08	10	58.82	7	41.18	0	0	0	0	0	0
铅	−0.28~0.35	0.01	10	58.82	7	41.18	0	0	0	0	0	0
汞	−3.40~−2.72	−3.02	6	35.29	0	0	0	0	0	0	0	0
砷	−1.39~0.07	−0.32	16	94.12	1	5.88	0	0	0	0	0	0
铬	−0.91~0.10	−0.35	15	88.24	2	11.76	0	0	0	0	0	0

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表 7 水稻土重金属潜在生态风险评价

Table 7. Evaluation of potential ecological risks of heavy metals in paddy soils

项目	E_r					I_R	I_ER
项目	镉	铅	汞	砷	铬	I_R	I_ER
最大值	89.7	9.59	9.09	15.80	3.22	121.15	4.02
最小值	31.35	6.16	0.00	5.74	1.60	52.96	3.22
平均值	49.16	7.63	2.64	12.28	2.39	74.10	3.67
标准差	14.77	0.99	3.73	2.31	0.49	17.19	0.21
变异系数/%	30.05	12.93	141.53	18.77	20.58	23.19	5.68

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表(7)

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1. 材料与方法
1.1 实验地概况
1.2 试验方法
1.3 测定方法
1.4 数据处理
2. 结果与分析
2.1 不同酸雨梯度对幼苗叶绿素参数的影响
2.2 不同酸梯度对幼苗生物量的影响
2.3 不同酸雨梯度对幼苗器官中元素的影响
2.4 幼苗对重金属的吸收特征
3. 结论与讨论

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近年来，由于工业、交通等多重因素的影响，使得土壤环境遭受重金属污染的威胁^[1]。重金属污染不仅会导致土壤质量退化，降低作物品质和粮食产量，从时间尺度上来看，还会通过食物链危害人类和动物的健康^[2]。重金属流入土壤后很难被发现，其长期性、不可逆性等特性也导致重金属污染极难从土壤中完全去除，极大限制了中国的农业发展^[3]。作为中国主要的粮食作物之一，水稻Oryza sativa占据了中国55%的谷物年消耗量，其安全问题受到许多学者的关注^[4]。研究发现：水稻对土壤中的镉、铬、铅、砷和汞等重金属元素均具有吸收作用^[5]，而水稻植株累积重金属会抑制其对营养元素锌、铁、镁等的吸收^[6]，降低水稻籽粒品质。中国南方的水稻土壤重金属污染较为普遍，严重威胁中国的粮食安全。因此，评估重金属污染土壤所产水稻对人体健康产生的风险，研究稻田土壤-水稻系统重金属的健康风险具有重要意义。

土壤复垦指在矿产资源开采、化工产业和燃煤发电等生产过程中被破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可利用状态。复垦地具有基质复杂、干扰因素较多、前处理困难、污染物种类多等特点^[7-8]。本研究区域(浙江省缙云县某自然村废弃场地复垦点，以下称复垦地块)原为金属镍提炼点。调查显示：复垦地块部分地区存在重金属超标现象，因此复垦后有必要对农产品的安全风险进行评估。早期的研究在进行重金属健康风险评价时，或只考虑土壤直接暴露途径^[9-10]，或只考虑稻米途径^[11-12]，评价结果可能被低估。本研究共采集复垦地块17组土壤-水稻籽粒复合样品(其中有1地块无水稻样品)，研究水稻籽粒及根际土中重金属分布特征，结合GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》、GB/T 36869—2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》等相关标准，评价重金属污染土壤所产水稻的健康风险，为土壤污染防控及农产品质量安全提供科学依据。

2. 结果与讨论

2.1. 土壤pH和养分状况

土壤pH和有机质质量分数对土壤重金属有效性均具有较大的影响。在相同的重金属污染水平下，土壤高pH、高有机质质量分数有利于降低重金属生物有效性，抑制作物对重金属的吸收和积累，降低其重金属污染风险^[21]。根据调研结果，复垦地块0~20 cm土层土壤pH为6.73~8.53，平均为8.15，属于碱性土壤；土壤有机质为3.98~9.94 g·kg⁻¹，平均为6.51 g·kg⁻¹。20~40 cm土层土壤pH为7.42~8.52，平均为8.24；土壤有机质质量分数为4.79~10.10 g·kg⁻¹，平均为6.97 g·kg⁻¹(表1)。

表 1 复垦地块土壤pH和养分质量分数

Table 1. Status of soil pH and nutrient content in reclaimed land

项目	pH		有机质/(g·kg⁻¹)		全氮/(g·kg⁻¹)		有效磷/(mg·kg⁻¹)		有效钾/(mg·kg⁻¹)
项目	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40 cm
最小值	6.73	7.42	3.98	4.79	189.90	205.00	4.99	5.31	205.00	207.80
最大值	8.53	8.52	9.94	10.10	406.90	431.40	37.78	24.24	431.40	293.40
平均值	8.15	8.24	6.51	6.97	284.04	288.85	14.54	12.70	288.85	245.79
标准差	0.48	0.30	1.70	1.34	57.38	59.32	8.55	5.59	59.32	23.73
变异系数/%	5.85	3.68	26.12	19.23	20.20	20.54	58.77	44.05	20.54	9.65

复垦地块0~20 cm土层土壤有机质质量分数＜10.00 g·kg⁻¹，全氮平均值为284.04 mg·kg⁻¹，有效磷平均质量分数为14.54 mg·kg⁻¹。从总体来看，调查地块养分质量分数偏低。

2.2. 土壤重金属质量分数

复垦地块0~20 cm土层土壤重金属镉、铬、铅、汞、砷的质量分数分别为0.209~0.598、71.80~145、43.10~67.10、0.021~0.034、8.61~23.70 mg·kg⁻¹，均值分别为0.330、107.74、53.40、0.030 mg·kg⁻¹、18.42 mg·kg⁻¹。20~40 cm土层土壤镉、铬、铅、汞、砷的质量分数分别为0.240~0.497、72.80~139.00、44.60~65.30、0.029~0.058、7.39~21.40 mg·kg⁻¹，均值分别为0.310、106.67、54.06、0.040、16.60 mg·kg⁻¹(表2)。2层土壤中重金属质量分数从高到底依次为为铬、铅、砷、镉、汞。

表 2 复垦地块土壤重金属质量分数

Table 2. Soil heavy metal content of reclaimed land

项目	镉/( mg·kg⁻¹)		铬/( mg·kg⁻¹)		铅/( mg·kg⁻¹)		汞/( mg·kg⁻¹)		砷/( mg·kg⁻¹)
项目	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40	0~20	20~40 cm
最小值	0.209	0.240	71.80	72.80	43.10	44.60	0.021	0.029	8.61	7.39
最大值	0.598	0.497	145.00	139.00	67.10	65.30	0.034	0.058	23.70	21.40
平均值	0.330	0.310	107.74	106.67	53.40	54.06	0.030	0.040	18.42	16.67
标准差	0.098	0.064	22.17	20.28	6.90	6.37	0.004	0.014	3.46	3.95
变异系数/%	30.05	20.61	20.58	19.01	12.93	11.79	14.81	35.12	18.77	23.72
超标率/%	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

依据农用地土壤污染风险筛选值，耕层土壤砷有35.29%的点位超标，镉、铬、铅和汞4种重金属质量分数均未超标；但以GB/T 36869—2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》作为对比，有少数点位的镉元素超出安全阈值，同时有88.24%点位的耕层土壤砷元素超出安全阈值，从长期来看，对水稻安全生产而言，重金属镉与砷仍然具有一定的风险。这是因为土壤pH会随着作物种植年份的延长而逐渐下降^[22-23]，而重金属的绝对值不会降低，重金属的生物有效值就会随之增加^[24]。因此，镉和砷为复垦地块需要重点关注的重金属元素。试验测定重金属元素质量分数变异程度较低，变异系数均小于40%，说明复垦后人为活动对该区域的重金属影响不大，5种重金属元素在空间上存在相似的污染程度。

2.3. 水稻籽粒重金属质量分数

根据GB 2762—2017 《食品安全国家标准食品中污染物限量》可知：复垦地块水稻个别点位铬和铅超标，超标率为12.50%~18.75% (表3)，可能原因是土壤中重金属铬和铅质量分数分别为71.80~145.00和43.10~67.10 mg·kg⁻¹，虽然未超出风险筛选值，但其质量分数相对比较高，从而导致水稻吸收的铬和铅超出限量值。

表 3 复垦地块水稻籽粒重金属质量分数

Table 3. Heavy metal content of rice in reclaimed land

项目	镉/(mg·kg⁻¹)	铬/(mg·kg⁻¹)	铅/(mg·kg⁻¹)	汞/(mg·kg⁻¹)	砷/(mg·kg⁻¹)
最小值	0.019	0.30	0.04	0.01	−
最大值	0.072	1.60	0.31	0.02	−
平均值	0.037	0.74	0.11	0.01	−
标准差	0.015	0.37	0.09	0.00	−
限量值	0.200	1.00	0.20	0.02	0.50
变异系数/%	40.71	49.57	82.05	24.75	−
超标率/%	0	18.75	12.50	0	0
说明：−表示未检测出，其中检测限制镉为＜0.003 mg·kg⁻¹，铬为＜0.03 mg·kg⁻¹，铅为＜0.04 mg·kg⁻¹，汞为＜0.01 mg·kg⁻¹，　　　　　砷为＜0.04 mg·kg⁻¹

2.4. 水稻土壤重金属污染评价

2.4.1. 单因子污染指数评价和内梅罗综合指数评价

以GB 15618—2018《农用地土壤污染风险筛选值》为依据，计算复垦地块土壤重金属的单因子污染指数和综合污染指数。以0~20 cm耕层土壤进行评价，重金属镉、铅、汞、砷、铬的单因子污染指数平均值分别为0.43、0.24、0.01、0.90、0.32 (表4)，部分点位重金属砷单因子污染指数大于1.00，其余4种重金属单因子污染指数平均值均小于1.00。

表 4 水稻土壤重金属污染指数

Table 4. Heavy metal pollution index of paddy soil

项目	单因子污染指数					综合指数
项目	镉	铅	汞	砷	铬	综合指数
最大值	0.75	0.36	0.05	1.19	0.47	0.88
最小值	0.26	0.18	0.00	0.43	0.21	0.37
平均值	0.43	0.24	0.01	0.90	0.32	0.69
标准差	0.14	0.05	0.02	0.18	0.08	0.11
变异系数/%	32.77	21.96	145.97	20.42	24.02	17.70

根据重金属元素不同污染级别点位数占比可知(表5)：有64.61%的点位土壤砷单因子污染指数小于1.00，其余35.29%的点位土壤砷超标。镉、铅、汞、铬等4种元素的单因子污染指数全部都小于1.00，无超标点位。从内梅罗综合指数(表5)看，复垦地块土壤镉、铅、汞、砷、铬综合指数为0.37~0.88，其中41.18%的点位处于安全范围，58.82%的点位处于警戒线。总体来看，复垦地块土壤环境受到重金属威胁，后续应加大保护修复力度，防止重金属污染，保护农产品安全。

表 5 基于污染指数法重金属污染点位分布

Table 5. Distribution of heavy metal pollution points based on pollution index method

单因子指数	污染等级	点位占比/%					综合指数	污染等级	点位占比/%
单因子指数	污染等级	镉	铅	汞	砷	铬	综合指数	污染等级	点位占比/%
P_i≤1	清洁	100	100	100	64.71	100	P_综≤0.7	安全	41.18
1＜P_i≤2	轻度污染	0	0	0	35.29	0	0.7＜P_综≤1.0	警戒	58.82
2＜P_i≤3	中度污染	0	0	0	0	0	1.0＜P_综≤2.0	轻度污染	0
P_i＞3	重度污染	0	0	0	0	0	2.0＜P_综≤3.0	中度污染	0

2.4.2. 地累积指数法

以浙江省土壤背景值为参比，对镉、铅、汞、砷、铬等5种重金属元素进行地累积指数评价(表6)。可以得出：5种重金属元素的I_geo从大到小依次为镉(0.08)、铅(0.01)、砷(−0.32)、铬(−0.35)、汞(−3.02)。在所有采样点位中，汞的I_geo均小于0，呈现出无污染状态，污染最严重的为镉，其次为铅，地累积指数分别为0.08和0.01，呈现出轻微污染的状态。铅和镉在复垦地块仅有58.82%的点位处于未被污染状态，其余41.18%的点位处于轻微富集状态，个别样点的砷、铬元素存在轻微富集现象(表6)。

表 6 重金属元素地累积指数评价特征值统计表

Table 6. Statistical table of evaluation characteristic values of accumulation index of heavy metal elements

元素	I_geo		I_geo≤0		0＜I_geo≤1		1＜I_geo≤2		2＜I_geo≤3		3＜I_geo≤4
元素	变化范围	平均值	样品数	比率/%	样品数	比率/%	样品数	比率/%	样品数	比率/%	样品数	比率/%
镉	−0.52~1.00	0.08	10	58.82	7	41.18	0	0	0	0	0	0
铅	−0.28~0.35	0.01	10	58.82	7	41.18	0	0	0	0	0	0
汞	−3.40~−2.72	−3.02	6	35.29	0	0	0	0	0	0	0	0
砷	−1.39~0.07	−0.32	16	94.12	1	5.88	0	0	0	0	0	0
铬	−0.91~0.10	−0.35	15	88.24	2	11.76	0	0	0	0	0	0

2.4.3. 潜在生态风险评价和生态风险预警

重金属元素铅、汞、砷、铬在研究区域的E_r平均值均小于40，表明这4种重金属元素均处于轻度生态危害程度且各个采样点生态危害程度相差不大。5种重金属元素潜在危害程度从高到低排序为镉(49.16)、砷(12.28)、铅(7.63)、汞(2.64)、铬(2.39)，镉的潜在生态风险指数最高。这说明镉是复垦地块最主要的生态风险因子，主要在“中等”生态危害等级中分布，占比64.71%，其次为轻微生态风险点位，占比29.41%。依据I_R进行评价，复垦地块总体处于轻微生态风险状态。研究区域土壤生态风险预警指数(I_ER)变化范围为3.22~4.02，平均值为3.67，达到中度预警级别(表7)。

表 7 水稻土重金属潜在生态风险评价

Table 7. Evaluation of potential ecological risks of heavy metals in paddy soils

项目	E_r					I_R	I_ER
项目	镉	铅	汞	砷	铬	I_R	I_ER
最大值	89.7	9.59	9.09	15.80	3.22	121.15	4.02
最小值	31.35	6.16	0.00	5.74	1.60	52.96	3.22
平均值	49.16	7.63	2.64	12.28	2.39	74.10	3.67
标准差	14.77	0.99	3.73	2.31	0.49	17.19	0.21
变异系数/%	30.05	12.93	141.53	18.77	20.58	23.19	5.68

3. 结论

在整体空间内，复垦地块土壤砷元素有35.29%的点位超标，镉、铬、铅和汞4种重金属均未超过土壤重金属污染筛选值，但以GB/T 36869—2018《水稻生产的土壤镉、铅、铬、汞、砷安全阈值》作为参比，少数点位镉元素超出安全阈值，砷元素有88.24%的点位超出安全阈值。在对应的水稻籽粒样品中，复垦地块个别点位有铬和铅超标。根据生态风险评价结果，镉的潜在生态风险指数最高，是研究区最主要的生态风险因子。从总体来看，复垦地个别点位水稻籽粒铬和铅超标；土壤砷元素有部分点位超标，其他重金属存在着一定的生态风险。由于土壤pH会随着种植年限的延长而下降，可能会导致重金属超标。因此，重金属镉、铬、铅和砷是研究区最主要的生态风险因子，后续需要进一步加强农田土壤环境监管，保障土壤环境安全和农产品安全。

参考文献 (24)

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缙云县某复垦地块土壤环境质量调查及生态风险评价

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210289

作者简介: 周杨(ORCID: 0000-0002-2357-8046)，从事耕地土壤质量提升研究。E-mail: 1364284769@qq.com

通信作者: 柳丹(ORCID: 0000-0003-1102-6639)，教授，博士，从事土壤污染与生态修复研究。E-mail: liudan7812@aliyun.com

Soil environmental quality investigation and ecological risk assessment of a reclamation land in Jinyun County

1. 材料与方法

1.1 实验地概况

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料

1.2.2 试验设计

1.3 测定方法

1.3.1 叶绿素荧光参数测定

1.3.2 叶绿素相对含量的测定

1.3.3 植物矿质元素的测定

1.3.4 生物量的测定

1.3.5 土壤元素的测定

1.3.6 转移系数和生物富集系数

1.4 数据处理

2. 结果与分析

2.1 不同酸雨梯度对幼苗叶绿素参数的影响

2.2 不同酸梯度对幼苗生物量的影响

2.3 不同酸雨梯度对幼苗器官中元素的影响

2.4 幼苗对重金属的吸收特征

3. 结论与讨论

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计量

出版历程

缙云县某复垦地块土壤环境质量调查及生态风险评价

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210289

1. 缙云县农业农村局，浙江 缙云 321400 2. 浙江农林大学 浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江 杭州 311300

作者简介: 周杨(ORCID: 0000-0002-2357-8046)，从事耕地土壤质量提升研究。E-mail: 1364284769@qq.com

通信作者: 柳丹(ORCID: 0000-0003-1102-6639)，教授，博士，从事土壤污染与生态修复研究。E-mail: liudan7812@aliyun.com

English Abstract