中国是世界公认的 13 个贫水国之一，同时也是 水污染较为严重的国家。为缓解农业用水，引污水灌 溉田在我国北方缺水地区非常普遍 ^[1] 。污灌不仅能 显著提高土壤肥力、 促进粮食生产，还能有效缓解农 业用水紧张，解决城市污水排放等问题。 但与此同时， 伴随污灌，也造成各种重金属元素在土壤中富集，通 过土壤-作物系统中迁移和食物链传输，对人体健康 构成严重威胁 ^[2,3,4] 。

为促进区域生态环境建设和保障农产品安全，众 多学者围绕污灌区土壤重金属环境容量 ^[5,6,7] 、 重金属在 土壤-作物系统中赋存形态 ^[8,9,10] 及迁移转化 ^[11,12] 、 土壤 生物及上覆植被重金属污染响应 ^{[13,14,15,16]} 、 土壤重金属复 合污染评价 ^[17,18] 等方面开展了一系列研究，并取得丰 硕成果。但相比较而言，针对我国西北干旱半干旱地 区开展污灌田土壤重金属潜在环境风险的研究则 相对较少 ^[19] 。为此，本文以西安市某典型污灌区为研 究对象，系统分析长期污灌条件下土壤重金属 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb 和 Zn 的含量及富集状况，并采 用内梅罗指数法和 Hakanson 潜在生态危害指数法对 该区土壤重金属污染现状与潜在环境风险进行评价， 旨在为西北地区污灌田土壤重金属污染防治、区域 环境保护，以及土地利用结构调整提供必要理论及决 策依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况及数据采集

研究区位于西安市西北郊沣惠渠灌区，面积 14.27 km²，介于北纬 34°18'~34°20'，东经 108°20'~ 108°50'之间，属暖温带半干旱大陆季风性气候，年均 气温 13.4 益，平均降水量 580.17 mm，全年盛行东北 风和西南风；该区地势平坦，海拔 380~385m，成土母 质为冲积性次生黄土，土层深厚，质地匀细，以黄绵土 （按中国土壤系统分类为石灰干润雏形土，Calcaric Ustic Cambosols） 为主，土壤养分含量较高。

本研究经多次实地走访、 查阅相关资料，在当地 农 户协助下确定农田 污灌年限及离灌 渠 距 离 ，于 2010 年 5 月小麦收获前，按随机均匀布点方式采集 农田土壤样品 52 份。在每个样点周围 5m×5m 正方 形范围内设置 6~8 个样品采集点，在每个采集点用塑 料铲取表层土壤 （0~20 cm） 0.5 kg，均匀混合后取 2 kg 装袋带回，并用 GPS 记录正方形中心位置为该采样 点坐标，样点分布见图 1。采集土样在室内阴凉处自 然风干，捡出石块、 根须等异物，用木棒、 玛瑙研钵等 工具磨碎后过 100 目尼龙网筛，装瓶备用。土壤重金 属含量 （As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn） 参照国家土壤 环境质量标准 （GB 15618—1995） ^[20] 进行测定，并在测 试过程中加入标准土壤样品 （GSS17 和 GSS19） 进行 质量控制，分析过程所用试剂为优级纯； 土壤 pH 值 按土水比 1颐2.5 比例混合、 搅拌、 静置，pH 计测定。

图 1 研究样区与采样点分布 Figure 1 The study area and sampling point distribution map

图选项

本文以国家 《土壤环境质量标准》 （GB 15618— 1995） 中二级限量值作为污染评价参考值 （表 1） ，采 用单因子污染指数和综合污染指数，对 8 种土壤重金属污染进行评估。计算公式如下：

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表 1 国家土壤环境质量标准二级限量值 Table 1 The limited values of soil heavy metal in Chinese Soil Environmental Quality Standard

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污染评价等级划分见表 2 ^[21] 。

表 2 土壤重金属污染评价分级标准 Table 2 The classification standards of soil heavy metal pollution evaluation

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本研究采用 Hakanson 潜在生态危害指数法进行 土壤环境风险评价。 该方法综合考虑了多元素协同作 用、 毒性水平、 污染浓度以及环境对重金属污染敏感 性等因素，在环境风险评价中得到广泛应用 ^[19] 。计算 公式如下。

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表 3 重金属的毒性响应系数和评价参比值 Table 3 Reference C_nⁱ and toxic coefficient T_rⁱ of different heavy metals

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潜在环境风险指数评价结果分级见表 4 ^[24] 。

表 4 环境风险指数 E_rⁱ 和 RI 的分级标准 Table 4 Classification standard of E_rⁱ and RI

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在本研究中，对土壤重金属数据整理和描述统计 用 Excel 2010 完成，统计分析用 SPSS 19.0 软件完成， 研究区及样点分布图用 ArcGIS 9. 3.1 软件完成。 2 结果与讨论 2.1 土壤重金属含量及富集状况

表 5 为研究区污灌田土壤重金属描述统计结 果。 8 种土壤重金属平均含量分别为 As 9.88 mg · kg^-1、 Cd 1.45 mg · kg^-1、 Cr 88.41 mg · kg^-1、 Cu 52.24 mg · kg^-1、 Hg 1.38 mg · kg^-1、 Ni 34.14 mg · kg^-1、 Pb 55.01 mg · kg^-1和 Zn 151.16 mg · kg^-1。 经与当地背景值比较发现，Cd、 Cr、Cu、 Hg、 Ni、 Pb 和 Zn7 种元素的平均含量均高于自然 背景水平，其中 Cd、 Cu、 Hg 和 Zn 的富集比例达到 100%，Cr、 Ni 和 Pb 的样品富集个数也分别有 43、 42 和 51 个； 在 8 种土壤元素中，仅有 As 的平均含量略 低于背景水平；按富集比例排序为 Cd=Cu=Hg=Zn> Pb>Cr>Ni>As，前 7 种元素在表层土壤中已呈现不同 程度累积，仅有 As 保持相对清洁。此外，通过比较各 元素富集倍数还发现，土壤 Hg 和 Cd 的平均含量分 别达到西安地区背景含量的 10 倍和 5 倍，表明该区 由于长期污水灌溉，已导致农田土壤 Hg、 Cd 元素的 显著富集，应引起业环境部门重视。

表 5 污灌区农田土壤重金属含量描述统计 Table 5 Descriptive statistics of farmland soil heavy metal contents in sewage irrigation area

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在地球环境化学中，土壤元素的累积通常伴随变 异性的增强 ^[27] 。因此，作为反映环境变量总体波动特 征的参数———变异系数，在一定程度上可用于表征各 元素的累积状况 ^[27] 。 由表 5 可知，8 种土壤重金属变异 系 数介于 10% ~90% 之间，Cd 的变异 系数最大 ，为 85.84%，其次为 Zn 和 Hg，分别为64.29%和 61.68%， As 的变异系数最小，仅为 12.86%。土壤重金属按其 变异系数大小可排序为 Cd >Zn >Hg >Cu >Cr >Pb >Ni> As。其中，Ni 和 As 的变异系数介于 10%~15%之间， 属弱变异，反映该两种元素可能受自然成土因素长期 均一化作用，所受人为干扰较少，致使其变幅较小； 其 余 6 种元素的变异系数主要集中在 25%~100%之间， 属中等强度变异。 由此不难发现 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Pb 和 Zn 除了具有较高富集系数外，同时还具有较大变异 性，这预示着长期污灌对其含量分布存在更多人为因 素的扰乱。 2.2 土壤重金属污染评价

经上述统计，发现 Hg、 Cd、 Zn、 Cu、 Pb、 Cr 和 Ni 已 在表层土壤中有不同程度富集。为合理规划业生产 结构，保障土壤资源可持续利用，本研究选用国家 《 土 壤环境质量标准 》 （GB 15618—1995）作为污染评价阈 值，对 8 种重金属污染现状进行评价，结果见表 6。

由于该区土壤 pH 值介于 7.91~8.89 之间，呈微 碱性环境，故选择国家土壤环境质量标准 pH > 7.5 的 二级限量值作为污染判断阈值 （表 1） 。 由表 6 可知，8 种土壤重金属中，仅有 Cd、 Hg 的单项污染指数平均 值大于 1，分别为 2.42 和 1.38，属中度污染和轻度污 染； 其余 6 种元素的污染指数均低于 0.70，总体为清 洁水平。按单因子污染指数平均值依次排序为 Cd> Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr>Pb。

表 6 污灌区土壤重金属污染状况 Table 6 The pollution status of farmland soil heavy metals in sewage irrigation area

表选项

分别将 52 份土壤样品的重金属含量与污染限量 值比较后发现：①所有样品 As、 Ni、 Pb 含量均低于国 家土壤环境质量二级标准 25、 60 mg · kg^-1和350 mg ·kg^-1，属清洁或警戒水平； ②所有样品中，有 2~3 份土 样的 Cr、 Cu 和 Zn 含量高于其对应限量值，达到污染 水平，其中有 1 份样品的 Zn 含量超过污染标准 （300 mg · kg^-1） 2 倍，属中度污染，其余为轻度污染； ③对于 Cd、 Hg 而言，则分别有 42 份和 30 份样品的污染指数 大于 1，其余未超过污染标准，在所有已污染样品中， 分别有 38.46%和 42.31%的样品 Cd、 Hg 含量达到表 2 所规定的轻度污染，19.23% 和 7.69% 处于中度污 染，剩余 23.08%和 7.69%达到重度污染； ④由于该区 土壤 Cd、 Hg 污染较为普遍，已导致所有样品综合污 染指数较高，其中 76.92%的样品受到不同程度污染， 仅有不足 5%的样品综合污染指数低于 0.7，处于安全 水平。

从评价结果来看，该区田土壤 Cd、 Hg、 Cr、 Cu、 Zn5 种元素已表现出不同程度污染，其中 Cd 和Hg 污 染尤为严重。 由于国家 《 土壤环境质量标准 》 中 Pb、 Cu 和 Zn 的污染限量值分别为 350、 100 mg · kg^-1和 300 mg · kg^-1，尽管此 3 种元素的富集比例均已超过 98%， 但其含量仍远低于污染限量值，从而导致其污染指数 普遍较低； 而对于 Ni 而言，即使其富集倍数仅为自然 背景水平的 1.09 倍，但由于其污染限量值仅为 60 mg · kg^-1，从而导致其平均污染指数仍较高于 Cu、 Zn、 Pb 等元素。 2.3 土壤重金属环境风险评价

8 种土壤重金属的环境风险系数 （E_rⁱ） 及综合危 害指数 （RI） 如表 7 所示。由表可知： ①As、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb 和 Zn6 种元素的环境风险指数 E_rⁱ 均低于 40，其污 染风险轻微； ②而对于 Cd 元素而言，仅有 30.77%的 土样污染风险处于轻微水平，其余 69.23%的 E_rⁱ ≥40， 其中，80≤E_rⁱ <160 的样品占 25.00%，E_rⁱ ≥160 的样品 达到 13.46%，总体上讲该区土壤 Cd 具有较强环境风 险； ③相对元素 Cd，Hg 的毒性响应系数则更高 （T_rⁱ = 40） ，其平均 E_rⁱ 值达到了 221.57，具有强污染风险，在 52 份土壤样品中，Hg 的 E_rⁱ 均大于 80，其中介于 80~ 160 之间的样品占 42.31%，而大于 160 的样品则有 57.69%，可见该区土壤具有极强 Hg 污染风险，应高 度重视；④按照各元素平均 E_rⁱ 大小排序为 Hg>Cd> Pb>Cu>As>Ni>Cr>Zn。

表 7 污灌区各土壤重金属的潜在环境风险指数统计 Table 7 Potential ecological risk index for each soil heavy metal in sewage irrigation area

表选项

本区土壤 Cd、 Hg 具有较强污染风险，从而导致 其综合环境风险增强，平均 RI 值达到 335.16，总体处 于强风险水平； 在 52 份土壤样品中，51.93%的样品呈 现 “强” 或 “极强” 环境危害。可见，长期污水灌溉已对 当地农业安全生产构成严重威胁。

在本研究中，土壤重金属污染评价结果与环境风 险评价结果之间存在一些差异，主要区别在 As、 Pb 和 Zn3 种元素。 As 虽在本研究中富集倍数最低，尚未受 到污染，但由于其生物毒性效应较高 （T_rⁱ =10） ，其环境 风险也随之上升； 反之，由于 Zn 是一种重要的植物营 养元素，其毒性响应系数最小 （仅为 1） ，其环境风险 亦降至最低；而元素 Pb 由于其风险评价参比值较低 （C_nⁱ =25 mg · kg^-1） ，导致其在环境风险中的排序相对污 染排序有所上升。

在本研究中，污染评价是通过实测值与国家土壤 环境质量标准限量值比较而实现的，主要侧重揭示外 源重金属的土壤累积程度，强调农田土壤按照国家限 量标准是否达到污染水平； 而环境风险评价则除了考 虑工业化以来各种人为因素引起表层土壤重金属累 积程度外，还侧重考虑了不同元素对生物的毒性影 响，并通过加权求和突出了多元素污染风险的协同效 应，这为决策者从作物安全角度理解重金属污染、进行科学决策提供了更丰富的信息 ^[28,29] 。 2.4 污灌年限及距离灌渠远近的影响

由于污灌史长短不同，土壤重金属污染及其环 境风险存在较大差异。 图 2 为不同污灌年限的农田土 壤重金属污染指数及风险指数的多重比较结果。 由图 可知，污灌 20 年的土壤重金属平均污染指数仅为 1.04，远低于污灌 40 年和 50 年的土壤重金属污染指 数 1.68 和 2.58，并且存在显著性差异； 同样，具有 20 年污灌史的农田土壤重金属也仅表现出“中等” 环 境风险，而污灌 40 年、 50 年的农田土壤则表现出 “强” 等级生态危害。可见，污灌史长短对土壤重金 属的累积及环境风险存在明显差异性影响。

图 2 不同污灌年限农田土壤重金属污染及环境风险比较 Figure 2 The pollution status and its environment risk of soil heavy metals under different sewage irrigation history

图选项

除污灌年限外，离灌渠远近也对土壤重金属污染 及其环境风险存在显著影响。图 3 为土壤重金属污 染、 环境风险与灌渠距离间的相关性分析结果。由图 可知，该区土壤重金属污染指数、 环境风险指数分别 与灌渠距离远近之间存在显著或极显著负相关，相关 系数分别为-0.307* 和-0.385** （** 为 0.05 显著水 平）；并且与灌渠距离之间存在显著的指数非线性回 归关系 （图 3） 。这表明距离污灌渠越近，农田土壤的 污染程度及环境风险越高，当距离灌渠大于 1200m 时，其污染指数接近于 1，具有 “中等程度” 潜在生态 危害。

图 3 不同离渠距离农田土壤重金属污染及环境风险 Figure 3 The pollution status and its environment risk of soil heavy metal under different distances from sewage irrigation canal

图选项

（1） 在长期污灌条件下，灌区土壤重金属按污染 指数由强至弱依次为 Cd>Hg>Ni>Cu>Zn>As>Cr >Pb， 其中，Cd 和 Hg 污染尤为严重。

（2） 各种重金属污染对灌区农田土壤构成潜在环 境风险由强至弱排序为 Hg >Cd >Pb >Cu >As >Ni >Cr> Zn； 其中 Cd 和 Hg 的影响占据主导，导致该区总体上 具有很强环境风险，对农业安全生产构成严重威胁。

（3） 污灌史、 与渠距离远近均对土壤重金属的 污染状况及潜在环境风险构成显著影响。 鉴于该区土 壤重金属已表现出较强生态危害性，应及时采取必要 防治措施，调整土壤利用结构，确保田环境及农产 品安全生产。