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2018, 35(10):910-916.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.18214

蚌埠及周边地区土壤和蔬菜的重金属污染研究


蚌埠学院材料与化学工程学院环境科学实验中心, 安徽 蚌埠 233030

收稿日期: 2018-03-18;  发布日期: 2018-11-06

基金项目: 安徽省级质量工程项目(编号:2015zy068);蚌埠学院优秀人才计划项目(编号:[2014]182);工程化教学改革试点专业项目(编号:2017GCZY2)

作者简介: 周开胜(1970-), 男, 博士, 教授; 研究方向:土壤环境污染与防治; E-mail:

[目的] 了解蚌埠市及周边地区土壤和蔬菜重金属污染状况,并对其潜在生态危害进行评价,为该地区土壤重金属污染防治及无公害蔬菜生产提供科学依据。

[方法] 以蚌埠市及周边地区土壤和蔬菜为研究对象,2013年3月采集7个不同区域的56个土样和4个不同区域的15个蔬菜样品,经四酸(HCl-HNO3-HF-HClO4)消解处理后,用原子吸收法测定土壤和蔬菜样品铬(Cr)、镉(Cd)、铜(Cu)和铅(Pb)含量,用原子荧光法测定土样砷(As)含量。采用单因子污染指数法和潜在生态风险指数法对蚌埠市及周边地区土壤进行评价。

[结果] 蚌埠市及周边地区土壤和蔬菜受到不同程度的重金属污染,其中土样Cr、Cd、Cu、Pb和As含量中位数分别为65.94(30.91~119.88)、4.39(0.74~8.84)、18.64(0.25~63.62)、90.94(48.47~171.04)和0.62(0.13~1.90)mg/kg;蔬菜(鲜重)Cr、Cd、Cu和Pb含量中位数分别为1.71(0.17~11.42)、0.97(0.08~3.78)、1.39(0.03~8.24)和1.44(0.19~5.40)mg/kg。蔬菜(鲜重)中Cr、Cd和Pb含量与标准(GB 2762—2012)中相应元素含量限值的比值分别为3.43、5.21和6.39,存在食品安全风险。蔬菜对Cr、Cd、Cu和Pb的富集系数均小于1,富集能力由大到小,叶菜类依次为Cd > Cu > Cr=Pb,块茎类依次为Cd > Cu > Cr > Pb。单因子污染指数法评价结果显示,土壤受Cd污染严重,各重金属污染程度由大到小呈Cd > Pb > Cr > Cu > As变化。潜在生态风险评价结果,土样中Cr、Cu、Pd和As均表现为轻微潜在生态危害,Cd为强潜在生态危害,各重金属潜在生态危害程度从大到小呈Cd > Pb > Cu > Cr > As变化,综合潜在生态危害为中等危害程度。

[结论] 蚌埠市及周边地区土壤和蔬菜存在重金属污染风险,所产蔬菜存在食品安全隐患。

关键词: 重金属污染;  土壤;  蔬菜;  污染指数 

土壤是人类赖以生存和发展的重要资源之一,随着城市化和工业化的发展,土壤已逐渐成为纳污的主要场所。垃圾及固体废物的堆放、大气沉降、污灌、含有重金属的农药和化肥及部分重金属含量超标的有机肥[1]的使用等,致使土壤重金属的污染日益严重,尤其以厂矿周围土壤重金属污染更为严重[2]。重金属具有难降解[3]、易累积[4]等特点,对环境可造成持久而高毒性[5]的危害,其中铬(Cr)、镉(Cd)、铜(Cu)、铅(Pb)和砷(As)的环境毒性强,尤其Cd、Pb和As是环境激素类物质[6],可经食物链进入人体,危及人体健康[7],一直是学术界研究的热点[8-10]。我国蔬菜地土壤及蔬菜重金属污染问题日益受到政府和科研人员重视,Cd等重金属污染较为严重[11-25]

本文对蚌埠市及周边地区土壤和蔬菜中重金属Cr、Cd、Cu、Pb和As污染进行调查研究,旨在了解该地区土壤和蔬菜重金属污染现状,为土壤重金属污染防治及无公害蔬菜生产提供科学依据,在保证蔬菜产量和质量、确保食品安全及保护农业环境等方面具有重要意义。

1   材料与方法

1.1   样品的采集

2013年3月分别于蚌埠市淮上区和禹都大道、凤阳县临淮镇和老城墙、怀远县、五河县临北乡等蔬菜地及蚌埠市区,共采集56个土样;于凤阳县临淮镇和老城墙、五河县临北乡、禹都大道,共采集15个蔬菜样品,均用于重金属污染研究。

1.2   样品处理与分析

将待测试土壤样品平铺在已铺好并编号的聚乙烯塑料袋上,去除土壤中的杂物及植物残体,放于通风阴凉处自然风干后,磨碎过100目尼龙筛;蔬菜样品用自来水冲洗干净,再用去离子水冲洗,除去水分,称鲜重,然后将其切碎,用玻璃棒捣碎。土壤和蔬菜样品的前处理均采用四酸(HCl-HNO3-HF-HClO4)消解法,然后用火焰原子吸收光谱法(石墨炉原子吸收分光光度计TAS-990,北京普析通用仪器有限责任公司)测定土样及蔬菜中Cr、Cd、Cu和Pb含量,原子荧光法(双轨道原子荧光光谱仪AF-640A,北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司)测定土样中As含量。

1.3   评价方法及评价标准

土壤重金属污染采用单因子指数法[26]和潜在生态危害指数法[10]进行评价。

(1) 单因子指数法

$ ${P_i} = {C_i}/{S_i}$ $

式中:Pi—土壤中污染物环境质量指数;Ci—污染物实测含量(mg/kg);Si—污染物i的评价标准值(mg/kg)。Pi < 1表示土壤未受到污染;1 < Pi ≤ 2为轻度污染,2 < Pi ≤ 3为中度污染,Pi> 3为重度污染。因本研究区域土壤pH值在6.5~7.5之间[27],污染物的评价标准采用GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[28]中的二级标准。

(2) 潜在生态风险指数法[10]

$ $\begin{array}{l}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;E_r^i = T_r^i \times C_f^i\\RI = \sum\limits_{i = 1}^n {E_r^i} = \sum\limits_{i = 1}^n {T_r^i} \times C_f^i = \sum\limits_{i = 1}^n {T_r^i} \times C_s^i/C_n^i\end{array}$ $

式中:Eri—指重金属i的潜在生态危害指数;Cfi—土壤重金属的富集系数,Csi—土壤重金属的实测值,Cni—计算所取参照值[10] (Cr、Cd、Cu、Pb、As的Cni值分别为60、0.5、30.0、25.0、15 mg/kg);Tri—重金属i的毒性系数[29](Cr、Cd、Cu、Pb、As的Tri值分别为2、30、5、5、10),主要用于反映重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度;RI—用以表征和反映多种重金属污染对生态系统造成的危害及潜在生态风险。单一重金属元素潜在生态危害指数Eri、多种重金属综合潜在生态危害指数RI及生态危害程度[29]Eri < 40,RI < 150轻微危害程度;40 ≤ Eri < 80,150 ≤ RI < 300中等危害程度;80 ≤ Eri < 160,300 ≤ RI < 600强生态危害程度;160 ≤ Eri < 320,600 ≤ RI很强生态危害程度;320 ≤ Eri极强生态危害程度。

1.4   皮尔逊相关分析

皮尔逊相关分析可用于确定沉积物中污染物来源及迁移路径[22, 30],存在相关关系的元素可能具有相同的来源[22]。检验水准α=0.05。

2   结果

2.1   土壤重金属污染状况

2.1.1   土壤重金属含量

蚌埠市及周边地区土壤重金属含量见表 1,Cr、Cd、Cu、Pb和As含量中位数(变化范围)分别为65.94(30.91~119.88)、4.39(0.74~8.84)、18.64(0.25~63.62)、90.94(48.47~171.04)和0.62(0.13~ 1.90)mg/kg;标准偏差分别为18.00、1.80、12.32、23.68、0.33 mg/kg。变异系数可以反映总体样品中各采样点的平均变异程度[12],本地区土壤重金属含量变异系数分别为26.80%、39.63%、61.65%、26.23%和52.63%;除As外,Cr、Cd、Cu和Pb含量高出安徽省土壤背景值的样品分别占58.93%、100%、46.43%和100%,且按各元素含量与安徽省土壤背景值的比值由大到小,污染程度由高到低依次为Cd > Pb > Cr > Cu > As。

表1

蚌埠市及周边地区土壤重金属含量(mg/kg)

2.1.2   单因子污染指数评价

蚌埠市及周边地区土壤中Cd含量均在GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[28]中的二级标准规定的土壤最高允许含量之上,其单项污染指数在2.48~29.46之间变化,均值为15.14,其中轻度污染占3.57%,中度污染占3.57%,重度污染占92.86%,指示蚌埠市及周边地区土壤Cd污染严重;Cr、Cu、Pb和As的单因子污染指数均值都小于1,蚌埠市及周边地区土壤重金属污染程度由大到小依次为Cd > Pb > Cr > Cu > As(表 2)。

表2

土壤单因子污染指数分析结果[M(Min-Max)]

2.1.3   土壤重金属潜在生态风险评价

蚌埠市及周边蔬菜地土壤Cr、Cd、Cu、Pb和As的富集系数Cfi均值(变化范围)分别为1.12(0.52~2.00)、9.08 (1.49~17.67)、0.67(0.01~2.12)、3.61(1.94~6.4)和0.042 (0.009~0.127),由高至低呈Cd > Pb > Cr > Cu > As变化。Cr、Cd、Cu、Pb和As的Eri均值(变化范围)分别为2.24 1.03~4.00)、272.51(44.58~530.19)、3.33(0.04~10.60)、18.05(9.69~34.21)和0.42(0.09~1.27)(表 3),各元素潜在生态危害程度由高到低呈Cd > Pb > Cu > Cr > As变化;RI均值(变化范围)为296.56(55.43~580.27),其中综合危害程度为轻微、中等和强的土样分别占8.93%、48.21%和42.86%,蚌埠市及周边地区总的综合潜在生态危害程度为中等(表 3)。

表3

蚌埠市及周边地区土壤重金属潜在生态危害指数(Eri)与多种重金属综合危害指数(RI)[M(Min-Max)]

2.2   蔬菜重金属污染状况

2.2.1   蔬菜重金属含量

蚌埠市及周边地区蔬菜(鲜重)中Cr、Cd、Cu和Pb含量中位数(变化范围)分别为1.71(0.17~11.42)、0.97(0.08~3.78)、1.39(0.03~8.24)和1.44(0.19~5.40) mg/kg,蔬菜样品未做As检测;不同蔬菜以及它们的根、茎、叶不同部位的重金属含量不同,各蔬菜的根部重金属含量相对较高,其中蒜和萝卜的根部对Cr的吸收最强,蒜和芹菜的根茎叶中Cd的含量无明显差别,而青菜的重金属含量呈现叶 < 根 < 茎(图 1图 2图 3)。

图 1

禹都大道不同蔬菜根茎叶重金属含量

图 2

凤阳不同采样点蔬菜根茎叶重金属含量

图 3

五河不同采样点蔬菜根茎叶重金属含量

2.2.2   蔬菜重金属污染评价

蚌埠市及周边地区蔬菜中Cr、Cd和Pb含量与GB 2762—2012《食品中污染物限量》[31]中相应元素含量限值比值分别为3.43 (0.34~3.43)、5.21(0.40~18.90)和6.39(0.63~31.10),存在食品安全风险。其中,凤阳、禹都大道和五河县临北乡蔬菜中Cr、Cd和Pb的含量与标准[31]中规定限值的比值分别为3.10(0.34~5.72)、9.18(0.40~17.05)、8.53(0.63~18.00),4.00(0.78~22.84)、5.09(0.75~18.90)、6.30(0.97~31.10)和2.18(0.84~4.90)、2.59(1.00~3.65)、3.85(1.40~6.23)。

2.2.3   蔬菜重金属富集系数

富集系数是植物体内某种重金属含量与土壤中同种重金属含量的比值,蔬菜重金属含量及其富集土壤重金属的能力与蔬菜生产和食品安全直接相关[29]。叶菜类和块茎类蔬菜对Cr、Cd、Cu和Pb富集系数分别为0.02(0.003~0.08)、0.43(0.08~ 0.92)、0.04(0.002~0.10)、0.02(0.002~0.10)和0.013 (0.008~0.021)、0.148(0.137~0.160)、0.027(0.018~ 0.022)、0.010(0.006~0.010)。富集能力由大到小,叶菜类依次为Cd > Cu > Cr=Pb,块茎类依次为Cd > Cu > Cr > Pb。

2.3   土壤重金属相关系数矩阵分析结果

蚌埠地区土壤重金属相关系数矩阵分析结果见表 4。蚌埠地区土壤Cd与Pb相关性显著,具有相同的来源;其中,怀远县Cd与Pb,老城墙Cd与Cu,临淮镇Cd与Pb,临北乡Cr与Cd、Cd与Cu、Cr与Cu,淮上区Cd与As,禹都大道Cd与Pb,市区Cd与Pb、Cr与Cu存在相关关系,揭示怀远县、临淮镇、禹都大道和市区土壤Cd与Pb具有相似的来源,老城墙、临北乡Cd与Cu具有相似的来源,临北乡Cr与Cd具有相似的来源,淮上区Cd与As具有相似的来源,其他元素间相关性弱,同源性差。

表4

不同采样区及本研究整个区域各元素相关系数

3   讨论

蚌埠市及周边地区的7个采样区域中,5种金属总含量由大到小依次为凤阳老城墙(232.18 mg/kg) > 淮上区(188.71 mg/kg) > 凤阳临淮镇(186.53 mg/kg) > 市区(174.14 mg/kg) > 禹都大道(164.14 mg/kg) > 五河临北乡(156.92 mg/kg) > 怀远县(145.80 mg/kg)。禹都大道、淮上区、凤阳临淮镇、凤阳老城墙蔬菜基地均位于城镇近郊且邻近交通干道,受人类活动影响大,土壤重金属含量较高;怀远县和五河临北乡蔬菜基地离城镇较远,土壤重金属含量较其他5个区域低。

蚌埠市及周边地区土壤重金属含量与国内部分城市的26个区域土壤含量相较,除杭州市西湖区、富阳市、临安市[13]及昆山市[16]、泸州市[17]、南京[18]、上海松江[20]、芜湖三山区[21]和郑州市郊[24]土壤Cr含量高于蚌埠地区外,其他区域[12-15, 19, 22-23, 25]均低于蚌埠地区;除杭州江干区、滨江区、萧山区、建德市[13]和合肥市[14]、泸州市[17]、义乌市[23]土壤Cu含量低于蚌埠地区外,其他区域[12-13, 15-16, 18-22, 24-25]均高于蚌埠地区;26个区域土壤Cd和Pb含量均低于蚌埠地区,As含量均高于蚌埠地区(合肥市缺数据除外)(表 5)。

表5

国内不同城市的土壤重金属含量比较(mg/kg)

蚌埠地区各采样区域综合潜在生态危害程度由强到弱变化呈:禹都大道(强) > 五河临北乡(强) > 淮上区(强) > 市区(中等) > 凤阳临淮镇(中等) > 凤阳老城墙(中等) > 怀远县(中等)变化。蚌埠地区土壤各重金属潜在生态危害程度与国内部分城市的26个区域相比较,Cr低于杭州富阳市、临安市、西湖区[13]及昆山市[16]、泸州市[17]、南京[18]、上海松江区[20]、芜湖三山区[22]和郑州市郊[24],高于其他区域[12-15, 19, 21, 23, 25];Cu高于杭州江干区、滨江区、萧山区、建德市[13]和合肥市[14]、泸州市[17]、浙江义乌市[23],低于其他区域[12-13, 15-16, 18-22, 24-25];Cd和Pb均高于国内其他26个区域[12-25],As低于国内其他26个区域[12-25];综合潜在生态危害程度高于国内其他26个区域[12-13, 15-25](表 6)。可见,蚌埠地区土壤重金属较国内其他区域污染严重,存在潜在生态危害风险。

表6

国内不同城市的土壤重金属潜在生态风险比较

蔬菜中Cr、Cd和Pb污染由强到弱均依次为禹都大道 > 凤阳 > 五河,可能与禹都大道各采样点位于蚌埠市近郊,紧靠交通干线禹都大道,禹都大道北侧又是小蚌埠工业园区,受到人类活动影响强烈有关,故蔬菜中Cr、Cd和Pb污染最重;凤阳各采样点位于老城墙和临淮镇地区,受人类活动影响较弱,故蔬菜中Cr、Cd和Pb污染程度较禹都大道低;而五河临北乡各采样点远离城镇,故五河临北乡各采样点蔬菜中Cr、Cd和Pb污染程度轻于禹都大道和凤阳各采样点。

综上分析,蚌埠地区土壤Cr、Cu、Pb和As含量均低于标准[28]中二级标准规定的限值,Cd含量高于标准[28]中二级标准规定的限值。单因子污染指数评价结果,土壤Cd污染严重,各重金属污染程度由大到小呈:Cd > Pb > Cr > Cu > As;Cd潜在生态危害程度为很强,Cr、Cu、Pb和As均为轻微,各元素潜在生态危害程度从大到小呈:Cd > Pb > Cu > Cr > As变化,综合潜在生态危害程度为中等。蔬菜中Cr、Cd和Pb含量高于标准(GB 2762—2012)[31]规定的限值,存在食品安全风险,蔬菜中Cr、Cd和Pb污染程度由强到弱均依次为禹都大道 > 凤阳 > 五河;无论叶菜类还是块茎类蔬菜,对Cu、Cr、Cd和Pb的富集的富集系数均小于1。蚌埠地区土壤Cd与Pb具有相似的来源。

表1

蚌埠市及周边地区土壤重金属含量(mg/kg)

Table 1
表2

土壤单因子污染指数分析结果[M(Min-Max)]

Table 2
表3

蚌埠市及周边地区土壤重金属潜在生态危害指数(Eri)与多种重金属综合危害指数(RI)[M(Min-Max)]

Table 3
图 1

禹都大道不同蔬菜根茎叶重金属含量

Figure 1
图 2

凤阳不同采样点蔬菜根茎叶重金属含量

Figure 2
图 3

五河不同采样点蔬菜根茎叶重金属含量

Figure 3
表4

不同采样区及本研究整个区域各元素相关系数

Table 4
表5

国内不同城市的土壤重金属含量比较(mg/kg)

Table 5
表6

国内不同城市的土壤重金属潜在生态风险比较

Table 6

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[基金项目] 安徽省级质量工程项目(编号:2015zy068);蚌埠学院优秀人才计划项目(编号:[2014]182);工程化教学改革试点专业项目(编号:2017GCZY2)

[作者简介] 周开胜(1970-), 男, 博士, 教授; 研究方向:土壤环境污染与防治; E-mail: zks606@sina.com

[收稿日期] 2018-03-18 00:00:00.0

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