通辽市红干椒农田土壤重金属元素测量研究

李 雪，国大旺，张苏雅拉吐

（1.内蒙古民族大学 数理学院，内蒙古 通辽 028043；
2.内蒙古民族大学 核物理研究所，内蒙古 通辽 028043；
3.内蒙古民族大学 化学与材料学院，内蒙古 通辽 028043）

土壤是农业生产的基础，也是生态环境的重要组成部分[1-2］。近些年，土壤重金属污染引起了全球范围环境科研人员的高度关注[3-4］。农业生产中，使用农药化肥、污水灌溉或汽车尾气排放等高强度的人类活动[5-10］，使重金属等污染物质通过大气沉降等途径富集于农田土壤生态系统，导致严重的生态环境问题。土壤中的重金属有不可降解性、高毒性、持久性、生物体内蓄积性等特点，重金属浓度超过一定剂量，会使农作物的产量及质量下降，直接或者间接地通过食物链影响人体健康[11］。重金属进入人体后，与体内蛋白质和酶发生相互作用，从而使这些蛋白质和酶失去活性；
体内重金属含量超过一定剂量时，人会出现中毒等症状[12-13］。农田土壤重金属污染物主要有铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）等，对人体健康危害比较明显。铅（Pb）可以通过人体皮肤、呼吸道等途径进入人体多种器官，可引起肾损伤、贫血、神经机能失调等，并且免疫力低的幼龄儿童、大龄老人、免疫力缺陷等人群更易受害[14］。镉（Cd）的毒性很大，积蓄在肾脏会引起泌尿系统的功能变化；
也会使骨骼严重软化，骨头寸断[15］。汞（Hg）及其化合物属于剧毒物质，进入脑组织到一定量时会对脑组织造成损害；
转移到肾脏也会引起病变[16］。铬（Cr）中毒可能引起腹痛、腹泻或过敏性鼻炎及湿疹等症状；
其对呼吸道同样具有腐蚀、刺激作用，还可能引起支气管炎、咽炎等疾病[17］。因此，对重金属污染土壤的环境风险评估至关重要，对农田重金属的监测、修复及治理迫在眉睫。

通辽市开鲁县是红干椒主要种植区域，笔者以开鲁红干椒农田土壤为研究对象，通过样点布设，采集分析土壤，得到Cd、Pb、Cr、Cu元素含量，采用采样地质累积指数（Index of geoaccumulation，Igeo）、污染负荷指数（Pollution Load Index，PLI）和潜在生态风险指数（potential ecological risk index，PERI）对其污染风险进行评价[18-20］。通过对通辽市红干椒农田土壤重金属元素的测量研究，结合当地种植习惯、特点，为通辽市红干椒农田土壤污染治理提供科学依据，为生态环境保护提供一定的理论参考。

1.1 样品采集与制备

依据《土壤环境监测技术规范（HJ/T166-2004）》[21］，于2021年10月在通辽市开鲁县红干椒农田共采集10个土壤样品，土壤样品详情见表1。按照梅花采样法取表层土壤，先用铁锹除去土壤表面杂草，将采样点标记出1 m直径的正方形，将四角及中心深度为10 cm的表层土壤混合后取2 kg装袋，标记好样品编号、日期、时间以及采样点的纬度和经度坐标。

表1 土壤样品详情Tab. 1 Details of soil sample

采集样品带回实验室自然风干并去除杂草等异物，置于干燥、通风且无任何放射性核素污染的实验台上剔除石子、杂草等异物后将样品装入盘中放在干燥箱中100 ℃烘干24 h。将样品充分研磨至可通过0.15 mm孔径的尼龙筛网，并将其存放在聚氯乙烯袋子中等待下一步试验。

依照国家标准中的湿法消解，加水润湿后加入10 mL盐酸，在通风橱内的电热板上低温加热。蒸发到3 mL左右时，取下稍微冷却，然后加入5 mL硝酸，5 mL氢氟酸，3 mL高氯酸，盖上盖子，置于电热板上中温加热约1 h，再打开盖子，继续加热除硅。将坩埚的内壁和盖子用清水冲净，加入1 mL硝酸溶液，加热使其融化。将该溶液放入50 mL容量瓶中，待冷却后进行定容并摇匀，以待测试。待所有样品处理完成，吸入火焰原子吸收光谱仪中依次进行重金属元素测量[22-24］。

1.2 测量仪器

土壤Cd、Pb、Cr、Cu含量采用上海精密科学仪器有限公司生产的火焰原子吸收光谱仪AAS6810原子分光光度计进行测量。

1.3 数据分析

1.3.1 农田土壤重金属污染状况评价

利用Igeo和PLI方法研究通辽市红干椒农田土壤重金属污染情况。Igeo通过比较采样区土壤中的重金属浓度和自然情况下地球化学背景值进行分级，计算公式如下[15］：

不同元素对采样区综合污染的影响程度可以用PLI表达，其计算公式如下[16］：

其中，Cnx是重金属i的浓度在样品x中测得的结果，Cib是自然情况下的土壤环境背景值。常数k取值为1.5。参照《中国土壤元素背景值》[25］中土壤环境背景值和国家土壤环境质量标准（GB15618-2018）[26］作为评估标准，见表2。

表2 Igeo值、PLI、Eri 及其评估标准Tab. 2 Igeo values，PLI，Eir and its evaluation criteria

1.3.2 农田土壤重金属生态风险评价

采用Hakanson 指数模型进行了PERI 评估，潜在生态风险指数（Eir）和采样累积风险（RI）的表达公式为：

式（3）、式（4）中，单个重金属（i）的毒性响应系数用Tri表示，其中，Cu、Pb数值为5，Cd为30，Cr为2[20］。生态风险因子及评估标准见表2。

土壤样品重金属元素测量结果及内蒙古土壤背景本底平均值、中国土壤背景值[27］见表3。由表3可知，开鲁红干椒田土壤重金属元素Cd、Cu、Pb和Cr的浓度分别为0.026、0.64、0.62和1.20 mg∙kg-1，均低于内蒙古土壤中本底平均值0.053、14.10、17.20和41.40 mg∙kg-1，低于我国土壤背景值0.097、22.60、26.00、61.00 mg∙kg-1及我国土壤环境质量标准1类土壤（自然背景）浓度值0.3、50、70和150 mg∙kg-1[24］。对不同深度土壤样品重金属浓度分析发现，除了3号和4号Cd、Pb浓度、9号和10号Cd、Cu浓度外，其余0~20 cm土壤样品重金属浓度均高于20~40 cm土壤样品。对农田区和非农田区域土壤样品重金属含量分析发现，农业生产中使用农药化肥、污水灌溉对土壤中重金属含量影响较少，尚未构成重金属污染。

表3 采样区土壤重金属元素测量结果Tab. 3 Measurement results of soil heavy metal elements in the sampling area mg∙kg-1

为了定量评估该地区内的污染状况及风险程度，分别计算Igeo和PLI，结果见图1。Igeo平均值为Cd>Pb>Cu>Cr，Igeo均小于1（图1（1））。通过计算结果可知，研究区土壤PLI值小于1，这说明人类活动对通辽市红干椒土壤重金属污染影响较小。采用Hankanson 的PERI进行再一次的评价（图1（2）），进一步明确红干椒土壤中重金属的潜在风险。可以看出PERI按照Cd>Cu>Pb>Cr的顺序减小，最大风险指数均小于40。以上评估结果表明，通辽市红干椒种植地农田土壤重金属对当地环境没有构成潜在生态风险。

图1 重金属地累积指数与潜在风险指数Fig. 1 Heavy metal accumulation index and potential risk index

（1）通辽市红干椒种植地土壤重金属浓度符合土壤环境质量标准，该地区受人类活动影响较低。除少数样品外，其余0~20 cm土壤样品重金属浓度高于20~40 cm土壤样品。

（2）通辽市红干椒区域的污染状况和风险评估的结果说明，研究区土壤累积程度很低，人类活动对重金属污染影响很小，未发现潜在生态风险。

（3）对农田区和非农田区域土壤样品重金属含量分析发现，农业生产中使用农药化肥、污水灌溉对土壤中重金属含量影响较少，尚未构成重金属污染。

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