海南岛热带作物产地土壤重金属含量特征及地积累污染评价

刘 月，林运萍，黄世清，吉家健，刘 慧，陈云虹

（1.海南省天然橡胶质量检验站，海南 海口 570206；2.海南省农垦科学院，海南 海口 570206）

海南岛热带作物产地土壤重金属含量特征及地积累污染评价

刘 月1，2，林运萍1，2，黄世清1，2，吉家健1，2，刘 慧1，2，陈云虹1，2

（1.海南省天然橡胶质量检验站，海南 海口 570206；2.海南省农垦科学院，海南 海口 570206）

以海南岛热带作物产地土壤为研究对象，对土壤中As、Hg 、Pb、Cd、Cr等5种重金属进行含量特征分析，并利用地积累污染指数法对土壤重金属污染程度进行评价。结果表明，以海南省表层土壤背景值为参照标准，As、Hg、Cr的比值分别为4.90、2.00、7.73，污染率分别为92.45%、85.53%、71.70%，表明人类活动已造成一定程度的As、Hg、Cr污染累积；部分土壤样品重金属As、Cr含量超过国家土壤环境质量标准的二级标准，其中As污染率0.63 %，Cr污染率43.40 %；地积累污染指数法表明研究区局部土壤受到重金属污染，主要表现为红明、东昌、南海、东路和南阳农场的Cr污染，其地积累污染指数分别为0.83、1.03、0.99、0.72和 0.62。

海南岛；热带作物；土壤重金属；地积累污染评价

随着人类社会大规模现代化工农业生产的迅速发展和城市化进程的不断提高，人类生产活动产生的“三废”物质和农业化学物质输入土壤圈的数量和种类日益增多，土壤环境污染问题日趋严重。重金属污染不仅能够引起土壤的组成、结构和功能的变化，还能够抑制作物根系生长和光合作用，致使作物减产甚至绝收。更为严重的是，重金属还可能通过食物链迁移到动物、人体内危害健康［1-3］。有关镉米、砷毒、血铅等重金属污染危害近年来常见诸报端，土壤重金属污染已经成为土壤污染中倍受关注的公共问题之一［4-5］。据估测，我国重金属污染农田面积已达2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5，每年因重金属污染造成粮食的直接经济损失超过 200 亿元［6］。

海南岛由于良好的气候条件和土地资源，具有发展热带作物得天独厚的条件，盛产多种热带作物，是我国主要的热带作物产地。近年来，由于工农业的飞速发展和城镇化水平的快速提高，工业废水和城市生活污水排放增多，加之农业投入品的不合理使用等原因，海南岛局部地区已经受到土壤重金属污染［7-8］。目前，世界上许多国家十分关注土壤重金属污染，对土壤重金属的污染进行深入广泛的研究［9-10］，我国关于土壤重金属污染的调查研究报道也较多［11-14］，但针对热带作物产地土壤重金属含量特征及污染评价方面的研究较少，尤其是运用地积累污染指数法进行热带作物产地土壤重金属污染评价研究鲜见报道。本研究以海南岛热带作物产地土壤为研究对象，进行重金属污染特征分析，并利用地积累污染指数法对土壤重金属污染程度进行评价，弥补热带作物产地土壤重金属污染研究方面的不足，以期为海南岛环境风险管理及进一步土壤重金属污染研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛位于我国大陆最南端，是我国最大的“热带宝地”，土地总面积344.2万hm2，占全国热带土地面积的约42.5%，下辖4个地级市、5个县级市、4个县、6个自治县，2016年末常住人口917.13万人。海南岛地处热带北缘，属热带季风气候，素来有“天然大温室”的美称。海南岛长夏无冬，年平均气温22～27℃，年均光照1 750～2 650 h，光照率50%～60%，光温充足，砖红壤、赤红壤、山地黄壤等是主要的土壤类型。海南岛入春早，升温快，日温差大，全年无霜冻，冬季温暖，适合多种热带作物的生长，主要的热带作物有天然橡胶、椰子、胡椒、菠萝蜜、芒果、荔枝、咖啡、腰果、剑麻、槟榔等。

1.2 研究方法

1.2.1 样品布点与采集 本研究以海南岛主要热带作物产地海南农垦农业标准化产业基地为研究区，参照《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T 395-2012）［15］，同时结合作物种植面积大小、土壤分布情况及土地利用类型等因素，确定布点数量和样品采集方法（表1）。各采样点均经GPS准确定位，同时对采样点灌溉水源、工厂分布、作物类型、化肥与农药使用、土地利用情况等环境状况进行记录。土壤采样用梅花布点法，于每个样点设置5个采集点，在各个采集点等量取土，取每个采集点0～40 cm表层土壤混合均匀后四分法取1 kg土壤混合样品。样品装入聚乙烯密封塑料袋中带回实验室，经风干后拣出石块等杂物，研磨，根据检测指标相应过筛，装瓶贴标签备用。

表1 研究区基本情况

1.2.2 样品检测及数据分析 检测指标主要是对农产品质量安全影响大、持续时间长的As、Hg、Pb、Cd、Cr等5种重金属污染物，同时检测土壤pH值和阳离子交换量，检测依据国家相关标准［16-21］进行。

土壤重金属含量的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数等描述性统计分析采用SPSS和Excel等基本统计分析方法。土壤重金属污染情况分析参照标准采用海南省表层土壤重金属背景值（以2009年全国第二次土壤普查海南省生态地球化学调查之《海南岛1∶25万多目标区域地球化学调查报告》为背景值）和《土壤环境质量标准》［22］中规定的二级标准值（表2）。

表2 土壤环境质量标准值及背景值（mg/kg）

1.2.3 土壤重金属污染评价 评价方法采用地积累污染指数法。地积累污染指数法最初广泛用于研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量指标，近年来被国内外学者应用于土壤重金属污染的评价。该方法不仅考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值，还考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，计算结果按照地积累指数评价标准划分污染等级（表3）［23］。计算公式为：

式中，Cn为重金属指标的实测含量（mg/kg）；Bn为重金属元素的地球化学背景值（mg/kg），一般选择普通页岩的平均值作为重金属元素的地球化学背景值，分别为砷13 mg/kg、汞0.35 mg/kg、铅 20 mg/kg、镉 0.3 mg/kg、铬 90 mg/kg；K为考虑各岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（一般取值为1.5）。

表3 重金属地积累指数分级及污染程度之间的相互关系

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量统计特征

从海南岛主要热带作物产地海南农垦农业标准化产业基地土壤重金属含量统计分析结果（表4）可以看出，所取表层土壤样品重金属Pb、Cd含量低于海南省表层土壤背景值，而As、Hg、Cr含量高于海南省表层土壤背景值，土壤呈酸性，pH值为4.7，阳离子交换量（CEC）为 10.94 cmol（+）/kg。

变异系数在一定程度上可用于表征各元素的累积状况，变异系数越大，说明元素在空间上分布不均匀，土壤差异越大。从表4可以看出，As、Hg、Pb、Cd、Cr的变异系数均在 40% 以上，说明研究区土壤差异较大。其中，Cr的变异系数达97.78%，As达85.70%，Pb达83.97%，说明这几种重金属元素受外界干扰较大，在空间上的分布有较大差异，存在明显的局部聚集和点源污染现象。土壤pH值、阳离子交换量的变异系数分别为 11.30%和31.95%，均小于40%，说明该地区土壤理化性质稳定。

表4 土壤重金属含量统计分析

以海南省表层土壤背景值为参照标准，反映的是土壤重金属污染的累积情况，表明人类活动对土壤重金属含量的影响；以国家《土壤环境质量标准》［22］中规定的二级标准值为参照标准，反映的是土壤重金属含量是否符合国家标准的情况。不同参照标准下土壤重金属污染情况分析结果见表5，结果表明，以海南省表层土壤背景值为参照标准，As、Hg、Cr的比值分别为4.90、2.00和7.73，污染率分别为92.45%、85.53%和71.70%，表明人类活动已造成一定程度的As、Hg、Cr污染累积；Pb、Cd的比值均小于1.00，表明人类活动未造成Pb、Cd的累积，5种重金属污染累积程度依次为Cr＞As＞Hg＞Pb＞Cd。以国家土壤环境质量标准的二级标准为参照标准，As、Hg、Pb、Cd、Cr的比值均小于1，表明研究区土壤质量大体上符合国家土壤环境质量标准的二级标准要求，但部分土壤样品重金属As和Cr含量超过国家土壤环境质量标准的二级标准，其中As污染率0.63%，Cr污染率较高、为43.40%，说明研究区土壤重金属污染程度不一，部分土壤样品质量已不符合国家标准要求，主要集中在As和Cr含量超标。

表5 不同参照标准下土壤重金属污染情况

2.2 土壤重金属污染评价

对海南岛主要热带作物产地土壤重金属污染程度评价结果见表6，结果表明，土壤中 As、Hg、Pb、Cd、Cr地积累污染指数的平均值均小于0，说明研究区土壤大体上处于无污染状态，5种重金属地积累污染指数依次为Cr＞Pb＞As＞Hg＞Cd。11 个农场农业标准化产业基地土壤样品As、Hg、Cd的地积累污染指数均小于0，处于清洁无污染状态；南滨、乐光农场Pb的地积累污染指数分别为0.45和0.06，处于无污染至中污染水平；红明、南海、东路和南阳农场土壤Cr的地积累污染指数平均值分别为0.83、0.99、0.72和0.62，处于无污染至中污染水平；东昌农场Cr的地积累污染指数最高，达1.03，达中污染水平。进一步分析发现，红明、东昌、南海、东路和南阳农场采集的所有土壤样品Cr的地积累污染指数均大于0。各农场地积累污染指数依次为东昌＞南海＞红明＞东路＞南阳＞中建＞南田＞乌石＞金江＞南滨＞乐光。评价结果表明，研究区局部土壤受到重金属污染，且污染程度不均匀，特别是位于海南岛北部地区的红明、东昌、南海、东路和南阳农场的Cr污染问题应引起相关部门的关注。

表6 土壤重金属地积累污染指数法评价结果

3 结论与讨论

本研究结果表明，海南岛主要热带作物产地土壤存在一定程度的重金属污染累积，主要表现为As和Cr污染的累积，且重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr在空间分布上均有较大差异，存在明显的局部聚集和点源污染现象；地积累污染指数法表明，研究区局部土壤受到重金属污染，主要来自于海南岛北部的红明、东昌、南海、东路和南阳农场Cr的轻度污染。

研究区As、Hg、Cr平均含量高于海南省表层土壤背景值，特别是部分土壤样品As和Cr含量超过国家土壤环境质量标准的二级标准。所选研究区均为传统农作区，周边多为农业种植区或橡胶林段，天然隔离条件良好，远离居民区、场镇、学校等人口聚集地，无大型的工业企业，采集研究区灌溉水检测结果表明As、Hg、Pb、Cd、Cr等5种重金属含量均未超过国家相关标准要求限值，重金属来源于工业污染、城镇生活污染或污水灌溉的可能性较小。土壤重金属来源非常广泛，农业行为本身也会带入一定量的重金属进入土壤。通过对研究区作物种植情况调查发现，在作物生长过程中均使用一定剂量的农药、化肥等投入品，而农药、化肥中含有一定量的As［6］。对研究区种植户常用肥料重金属检测，结果也表明所施用肥料中均含有一定量的As，最高达36.5 mg/kg。因此，化肥、农药等农业投入品的不合理使用可能是导致重金属As累积的主要原因。重金属Cr广泛分布于地壳中，是土壤中丰度较高的微量元素之一，其背景含量与成土母质有密切关系［6］。海南岛的地带性土壤为砖红壤，位于北部地区的红明、东昌、南海、东路、南阳等农场土壤主要是由玄武岩母质发育的砖红壤，呈暗红色，土层深厚，质地粘重。王景华等［24］、郭宇等［25］、廖香俊等［26］研究认为，海南岛玄武岩母质发育的砖红壤中Cr超标。因此，海南岛北部地区红明、东昌、南海、东路和南阳农场土壤中Cr的高含量主要是玄武岩母质发育的土壤中元素高背景值所致。

地积累污染指数法评价结果表明，研究区局部土壤受到重金属污染，主要表现为红明、东昌、南海、东路和南阳农场重金属的Cr污染问题。这与使用单因子及内梅罗污染指数法评价结果基本一致［27］。地积累污染指数法是一种综合评价土壤重金属污染的方法，同时考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值以及由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，弥补了其他评价方法的不足。

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Concentration characteristics and geoaccumulation index assessment of soil heavy metals in tropical crops producing areas of Hainan Island

LIU Yue1，2，LIN Yun-ping1，2，HUANG Shi-qing1，2，JI Jia-jian1，2，LIU Hui1，2，CHEN Yun-hong1，2
（1.Hainan Natural Rubber Quality Inspection Station，Haikou 570206，China；2.Academy of Hainan State Farms，Haikou 570206，China）

Investigation and assessment of pollution in heavy metals such as As，Hg，Pb，Cd and Cr in tropical crops producing areas of Hainan Island were carried out. The concentration characteristics of heavy metals were evaluated，and the degree of heavy metals pollution was evaluated by means of Geoaccumulation Index. The results showed that the background value of surface soil in Hainan was taken as the reference standard，and the ratio of As，Hg and Cr was 4.90，2.00 and 7.73 respectively. The pollution rate was 92.45%，85.53% and 71.70% respectively，which showed that human activities had caused a certain degree of pollution accumulation of As，Hg and Cr. The concentration of heavy metals such as As and Cr in some soil samples exceeded the secondary standard of national soil environmental quality standard. The pollution rate of As and Cr was 0.63% and 43.40% respectively. The Geoaccumulation Index indicated that some of the soils in the study areas were polluted by heavy metals. The main manifestation was the Cr pollution in Hongming，Dongchang，Nanhai，Donglu and Nanyang. The Geoaccumulation Index was 0.83，1.03，0.99，0.72 and 0.62 respectively.

Hainan Island；tropical crops；soil heavy metal；Geoaccumulation index assessment

X53

A

1004-874X（2017）07-0059-06

刘月，林运萍，黄世清，等. 海南岛热带作物产地土壤重金属含量特征及地积累污染评价［J］.广东农业科学，2017，44（7）：59-64.

2017-05-15

海南省重点研发计划项目（ZDYF2016061）

刘月（1985-），女，硕士，工程师，E-mail：114006628@qq.com

（责任编辑 邹移光）