城郊农田表层土壤铅潜在生态风险评价
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摘要：采集包头市南郊污灌区农田表层土样，测定样品中Pb含量，将Pb土壤背景值作为污灌区农田土壤外源Pb积累的参照基准值，分析土壤Pb空间分布规律。结果表明，研究区土壤Pb含量的平均值为19.58 mg/kg，是背景值的1.04倍，外源Pb在农田表层土壤中积累富集具有平面空间差异性。种植粮食和蔬菜的Pb单因子污染指数Ci/80和Ci/50最大值为0.48和0.77，种植粮食的Pb单因子污染指数Pi
关键词：铅；分布特征；农田表层土壤；污灌区
中图分类号：X833 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）12-3051-05
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.12.015
Abstract：The surface soils samples in stream farmland were collected in SSBT to determine the content of Pb. To analyze spatial distribution of Pb in soil，soil background value of Pb was taken as the reference value of exogenous Pb accumulation in soil of sewage irrigated farmland. The results indicated that the average content of Pb was 19.58 mg/kg，which was 1.04 times higher than that of background value in soil of HETAO. Also，the accumulation and enrichment of exogenous Pb in farmlannd surface soil showed obvious plane spatial variation. the maximum monomial pollution index of Pb in growing crop and vegetables were 0.48 and 0.77， and pollution index（Pi） of Pb in growing crop was less than 0.70. Soil quality was in clean grade； Pollution index（Pi） of Pb in growing vegetables were greater than or equal to 0.7 but less than 1 and soil quality didn’t reach clean grade. Composite index of potential ecological risk（Ei） was 188 and Ei was greater than or equal to 180 but less than 360. It indicated that potential ecological risk of heavy metal Pb in the SSBT was strong. People should pay attention to the potential ecological risk caused by exogenous Pb pollution in soil environment.
Key words：lead；distribution characteristics；farmland surface soil；sewage irrigation area
毒性重金属经食物链进入人体后，早期往往不易被人察觉，主要引起机体慢性损伤，在体内需经过一段时间积累才显示出毒性。比如毒性重金属铅进入人体后，经过主动运输和被动扩散两种方式由小肠和肺泡吸收进入血液，之后一部分沉积于骨骼，另一部分随血液分布到全身各器官和组织，从而产生毒性作用[1]。铅与人体内生物分子发生作用而损害生殖、神经、消化、免疫、肾脏、心血管等系统，影响生长发育，且具有一定致突变和致癌性[2]。
有关中国对于土壤外源铅分布特征的研究内容非常丰富并已证实，外源铅属中国大陆土壤中主要污染物之一，含量在10.1～184.2 mg/kg[3]，受Pb污染严重地区的土壤铅含量远远高于当地土壤铅背景值，如新疆焉耆盆地由于人类活动影响，土壤铅含量范围是11.24～69.75 mg/kg，平均含量达到29.25 mg/kg[4]；山东省基本农田以土壤Pb的风险级别最大[5]；福建沿海地区农田土壤Pb含量与土壤全氮含量相关显著[6]；长江三角洲地区快速工业化和城市化使当地农田土壤铅含量为16.6～49.4 mg/kg，平均值达到33.9 mg/kg[7]，因为城市土壤接纳了市区90%的污染物[8]，Pb随污染物造成城市土壤铅污染。而对于包头市郊区农田土壤Pb污染程度的研究，徐清等[9]证实包头市工业区局部地区土壤已出现极强污染（Pb含量在233～313 mg/g之间，超出背景值6.6～8.9倍），其次为郊区、市区和农村地区。由于人类活动使污染范围不断扩大，表层土壤污染已呈现由点源向面源（带状）污染变化的趋势[10]，其中土壤Pb平均含量为38.31 mg/kg[11]。张庆辉等[12]详细地研究了包头南郊四道沙河主污渠滨岸泛滥区Pb含量最大值为565.40 mg/kg，其中污灌区东部农田土壤Pb含量最大值为22.12 mg/kg；而且四道沙河流域部分污灌区农田土壤Pb（含量范围为17.16～22.12 mg/kg，平均值为19.46 mg/kg）明显积累[13]，已表现出一定程度的潜在生态风险。因而本研究在此基础上对包头市南郊污灌区农田土壤进行了密度为5个/km2组合大样（每10个小样组合为1个大样）采集，以便揭示污灌区农田土壤外源铅元素在水平方向上的分布特征，以期为包头市农田土壤稀土污染预警和污染水平评价等方面提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
包头市是中国重要的基础工业基地和全球轻稀土产业中心，被誉为“草原钢城，稀土之都”。地处黄河之滨，地理坐标范围为109°15′12″-111°26′25″E，40°14′56″-42°43′49″N，属于温带季风半干燥气候。年平均气温为6.5 ℃，最热在6月底至7月初，最高温度34.7 ℃。年平均降水量为300～350 mm，7～8月降水量约占年降水量的54%，枯水年仅131.5 mm；年平均蒸发量2 094 mm。
研究区范围北起京包-包兰铁路线，南至黄河北岸（自然界限），西起昆都仑河东岸（自然界限），东至滨河开发区的西边界及小白河湿地。该区基本上从小白河西进水闸到黄河乳牛场之间的连线为界，东部为四道沙河污灌区，以自流灌溉为主；西南部为昆都仑河污灌区，以小型水泵提灌为主。昆都仑河灌溉区域地貌属于黄河冲积平原，四道沙河灌溉区域地貌为大青山山前冲积扇倾斜平原的前缘区域，海拔高度为1 011～1 003 m。
污灌区土质多为沙壤土、沙土和灌淤土，渗透力强。表层土（0～25 cm） pH 7.02[14]。研究区内种植农作物的灌溉用水在2005年以前都以污水渠污水为主，种植的粮食作物主要有玉米、小麦等。
1.2 样品采集与分析方法
1.2.1 样品采集 研究区有代表性的污水灌溉区农田地势平坦、土壤较均匀、并以当地农户为单位划分成面积较小的田块，故采用“梅花形”方法[15]取样，取样区范围见图1。每2 000 m2内的农田田块内按“梅花形”布置并采取10个土壤小样（采样深度0～20 cm），每10个土壤小样采用四分之一缩分法组合成1个土壤大样，共采集土壤大样样品36个。土壤样品带回实验室自然阴干，用尼龙筛截取0.15 mm（100目）粒级的样品，用于测定Pb元素。
1.2.2 分析方法 土壤 Pb的测定采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17137―1997）。对每个样品的目标元素进行7次平行测定，测定Pb元素含量的相对标准偏差（RSD%）范围均小于5%，分析精度达到试验要求。
1.2.3 数据处理 试验数据采用Excel软件进行分析；采用MapGIS 67软件制作空间插值样品含量等值线图。
1.3 评价模式
1.3.1 单因子污染指数法[16]
Pi=Ci/Si
式中，Pi为污染物i的单项污染指数；Ci为污染物i的实测浓度；Si为污染物i的评价标准。Pi≤0.7表示土壤为清洁级；0.7≤Pi1.0表示土壤为污染级，应进行综合污染指数评价[17]。
1.3.2 Hacanson潜在生态风险指数法[18]
1）单项污染系数：Cfi=C表层i/Cni
2）潜在生态风险单项系数：Eir=Tir×Cfi
3）潜在生态风险综合指数：Ei=ΣEir
式中，C表层i为土壤重金属的实测浓度；Cni为计算所需的参比值，即研究区域的背景值；Cfi为单项污染系数；Tir为单个污染物的毒性响应参数；Eir为单项潜在生态风险系数；Ei为潜在生态风险综合指数。土壤重金属的潜在生态风险分级标准见表1。
2 结果与分析
2.1 土壤Pb含量
本项目实施过程中，在研究区（图1中的K和S研究区）共取土壤组合样品36个，样品分析结果见表2。
由表2可知，在南郊污灌区整个研究区土壤Pb含量Ci范围为15.69～38.60 mg/kg，是河套土壤Pb背景值18.76 mg/kg（Cni）的0.84～2.06倍[19]，其中最大值是最小值的2.46倍；整个研究区土壤Pb含量的平均值为19.58 mg/kg，是背景值Cni的1.04倍。
根据表2的数据作研究区农田土壤Pb等值线分布图（图1）。
昆都仑河污灌区（表1中1～9号样，图1中的K研究区）土壤Pb含量范围为15.91～22.75 mg/kg，是河套土壤Pb背景值Cni的0.85～1.21倍，平均含量18.63 mg/kg，为河套土壤Pb背景值Cni的0.99倍，基本接近于背景值。大于背景值的样品（1、2和5、6号样）平均含量为21.29 mg/kg，是背景值Cni的1.13倍，下一步研究中对于这两处样点区域需要再扩展取样范围，准确界定异常区域面积的大小并查明其原因。
四道沙河污灌区（表1中10-36号样取样范围，图1中的S研究区）土壤Pb含量范围为15.69～38.60 mg/kg，是河套土壤Pb背景值Cni的0.84～2.06倍；平均含量19.89 mg/kg，是河套土壤Pb背景值Cni的1.06倍。
2.2 土壤Pb污染评价
2.2.1 评价标准 因取样研究区pH 7.02，种植土壤质量评价依据文献[17]，指标限值为旱作果树等和蔬菜土地的二级质量评价指标分别为Pb≤80 mg/kg和Pb≤50 mg/kg。河套地区土壤Pb背景值Cni为18.76 mg/kg。单个污染物Pb毒性响应参数为5[20]。
2.2.2 评价结果 研究区内种植粮食和蔬菜的Pb单因子污染指数Ci/80和Ci/50范围分别为0.20～0.48和0.31～0.77（仅15号样1个点），研究区内单因子综合污染指数（单因子污染指数的算术平均值）为0.24和0.39。可见，研究区内种植粮食的Pb单因子污染指数小于0.7，表明土壤质量状况为清洁级；而种植蔬菜的Pb单因子污染指数大部分取样点在0.7≤Pi
3 小结与讨论
3.1 铅对土壤微生物的影响
根际是植物-土壤-微生物三者互作的场所，生活在植物根际的微生物通过螯合剂、生物表面活性剂、酸化、溶磷或氧化还原作用，使毒性重金属活化而转变为植物有效态被植物吸收[21]。试验证实[22]，随着铅添加浓度的增加，小白菜根际土壤中细菌、真菌、放线菌以及总菌数均呈现先升后降的变化趋势，峰值所对应的铅浓度分别为300、300、600 mg/kg，对铅耐受能力表现为真菌>放线菌>细菌。当土壤铅浓度超过1 200 mg/kg时，则出现显著的微生物群落结构和功能的退化，导致土壤肥力水平降低，进而影响农作物的正常生长。如黑龙江省某铅锌矿区外源重金属Pb抑制了过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性，导致土壤环境质量发生变化[23]，严重影响土壤中细菌群落结构多样性。本项目研究区土壤Pb平均值为19.58 mg/kg，大于平均值的样品为14个，占取样总数的39%，因而高于背景值的样点地区应该重视铅对土壤微生物活性的影响。
3.2 铅对粮食的影响
土壤中过量的铅不但胁迫植物生长，且一旦进入食物链会对人体健康造成一定危害。杨惟薇等[24]选择山东、河南、甘肃、陕西、山西、广西、云南、贵州等全国玉米主要产区的10个代表性玉米品种研究证实，重金属铅（400 mg/kg） 和镉（10 mg/kg）复合胁迫条件下，供试的10个玉米品种子粒中铅含量均超过GB 2715-2005《粮食卫生标准》中的规定。且大气Pb通过叶面传输也是玉米子粒吸收Pb的重要途径，大气Pb对玉米子粒的贡献率为53.7%，土壤Pb对玉米子粒的贡献率为46.3%[25]。研究区种植的粮食以玉米为主，外源铅对当地玉米产量的影响及对玉米子粒铅的贡献率大小，是本项目需要进一步详细研究的内容。
3.3 铅对蔬菜的影响
蔬菜是人们日常饮食中必不可少的食物之一，可提供人体所必需的多种维生素（如人体必需的VC的90%、VA的60%）和矿物质等营养物质；但是蔬菜对重金属的富集量一般比其他作物要大，而土壤重金属污染是导致蔬菜重金属含量超标的主要原因。如长沙城郊农田[26]有43%的土壤样本中重金属浓度超过背景值，长期种植蔬菜的土壤中Pb浓度为20.90～64.70 mg/kg；南京沿江典型蔬菜生产区表层土壤Pb平均含量均高于南京市土壤背景值，土壤Pb累积除自然背景原因外，农业施肥和大气沉降对土壤Pb累积具有非常重要的贡献[27]；浙江杭州、长兴、上虞等经济发达区[28]油菜、芹菜、卷心菜、胡萝卜、芦笋、生菜、豇豆、西红柿和辣椒等种植区土壤Pb含量平均高达70.36 mg/kg，蔬菜中的Pb含量依次为叶菜类>根茎类>茄果类>豆类，与吴双桃等[29]研究成果类似，即土壤和食用作物Pb已对当地居民的健康构成威胁。所以研究区取样点土壤Pb大于背景值的农田块中，种植对土壤铅富集度低的蔬菜或最好不要种植蔬菜。至于研究区种植的蔬菜Pb含量及其与当地居民血铅的相关性，还有待于进一步研究。
3.4 铅对试验鼠的影响
依据《我国工业化学物急性毒性分级标准》，醋酸铅[（CH3COO）2Pb・3HO]是低毒化合物，但对小鼠用醋酸铅灌胃急性染毒后[30]，染毒组小鼠反应迟钝，行动缓慢。随着铅剂量由4.8 mmol/L增至9.6 mmol/L，染毒小鼠大脑皮层颗粒细胞数量减少，心肌纤维出现断裂。高铅组（醋酸铅浓度≥9.6 mmol/L）小鼠肺泡壁有聚集黏连现象；肝脏小叶结构紊乱；脾脏巨噬细胞数量减少，肾脏近曲小管管腔收缩。田振永等[31]证实，进入肺脏的硫酸铅导致Th1和Th2相关细胞因子水平改变是造成心肌损伤的机制之一；王苗苗等[32]证实，铅对大鼠染毒效应为中枢神经系统损伤。由于Pb元素在试验鼠体内表现出的毒性效应与人体非常相似，这对污灌区居民正确认识Pb元素对人体健康的危害，预防通过粮食、蔬菜等生物链传导而危害人体健康具有重要的理论借鉴意义。
3.5 铅对儿童健康的影响
铅对发育中的儿童危害最大，包括体格发育、智力发展以及社会行为等，这些损害不可逆转。儿童铅暴露45%来源于室内外灰尘与土壤，47%来源于食物，6%来源于饮水，1%来源于空气，儿童血铅含量与其生活的环境中尘土的铅含量具有很好的相关关系[33]；当土壤含铅量超过500～600 mg/kg[34]时，长期暴露在这种土壤环境下的儿童血铅浓度超过阀浓度10 μg/dl是可以预期的，但大量流行病学和临床研究证实儿童血铅量在10 μg/dl以下也并非绝对安全，血铅（≥10 μg/dl）导致儿童产生生理缺陷、认知能力下降及社会情绪等症状，对处在生长发育重要时期的儿童影响更长远，甚至具有持久性的特点[35]。因此，污灌区居民预防灰尘铅对儿童的影响，是应该认真对待的问题。
在南郊污灌区整个研究区第一阶段采取土壤样品总数36个，土壤Pb含量范围15.69～38.60 mg/kg，是河套土壤Pb背景值18.76 mg/kg的0.83～2.06倍，其中最大值是最小值的2.46倍；整个研究区土壤Pb含量的平均值为19.58 mg/kg，是背景值18.76 mg/kg的1.04倍。Pb在空间上具有明显的带状富集分布特征，表现为平面空间差异性。种植粮食和蔬菜的Pb单因子污染指数Ci/80和Ci/50最大值为0.48和0.77（仅15号样1个点），研究区内单因子综合污染指数（单因子污染指数的算术平均值）为0.24和0.39。种植粮食的Pb单因子污染指数Pi
致谢：感谢郭殿繁、王铭、杨德彬、皇学良、穆卓宇、刘媛媛、冯林婷、金慧亮、苏龙、高文邦、杭韦韦、刘强、吕伟、安呈祥等在野外采样、室内样品制作及数据处理等工作过程中的积极参与和辛勤劳动！
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