土壤是粮食生产的基础，耕地土壤的环境质量问题不仅影响农产品的品质，也会影响人体健康^[1-2]。随着工业化进程的加快，农业投入品的大量使用以及部分地区受到地质高背景的影响，土壤重金属污染问题逐渐被社会各界广泛关注^[3-4]。全国土壤污染状况调查结果显示，我国耕地土壤点位超标率为 19.4%，主要污染物为 Cd、 Ni、Cu、As、Hg、Pb 等重金属元素，重庆等西南地区由于地质高背景及农业活动的叠加，土壤重金属污染区分布广泛，对土壤环境质量和农产品安全造成严重威胁^[5-7]，开展相应区域耕地土壤污染及安全分区研究，对土壤污染防治具有重要意义。

土壤重金属污染治理与风险管控的前提是进行科学的污染评价与等级划定，针对不同污染风险等级，采用相应的管控措施。目前最常用的污染风险评价方法包括单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态危害指数。单因子污染指数因其原理简单且易于操作，被应用于多个土壤环境质量标准中，该方法通常以“最差因子”表征土壤污染状况，忽略了其余因子对土壤环境质量的影响，缺乏整体性^[8]。内梅罗综合污染指数法同时考虑了单因子污染指数的平均值以及最大值，能够反映各污染物对土壤环境质量的影响，是目前最常用的土壤重金属污染综合评价方法^[9]。但该方法过于凸显“最差因子”，而缩小了低含量污染物的影响，导致评价结果的灵敏度不高^[10]。潜在生态危害指数法将土壤重金属的毒性、含量及背景相结合，对土壤中重金属等污染物可能造成的生态风险进行预警，是目前常用的重金属风险评价方法^[11]。目前开展的土壤重金属污染风险评价多为单个方法的平行对比^[12-15]，无法实现各评价方法取长补短、对土壤重金属污染风险进行科学的评价，为污染风险分区造成难度，亟需开展土壤污染风险综合评价方法的研究，为土壤污染风险管控提供科学依据。本研究以重庆南川区金山镇为研究对象，从突出重点污染元素、突出高含量污染物对土壤环境质量的影响及污染物的生态效应为出发点，综合单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态危害指数对耕地土壤重金属污染状况开展综合评价及等级划定，以农产品安全为验证标准，提出相应的风险管控建议，以期为耕地土壤污染防治提供新思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市南川区金山镇，距南川区人民政府驻地 45 km，区域总面积 101.27 km²。金山镇地处金佛山西南麓，地形以山岭为主，呈喀斯特地貌，海拔范围为 690～2067 m，地形落差较大。金山镇属亚热带季风气候，平均气温 15℃，无霜期年平均 240 d，年平均降水量 1200 mm，雨热同期。金山镇境内已探明地下矿藏丰富，包括有铝矿和煤等。农产品种植以玉米为主。

1.2 样品采集与分析

在耕地分布区采集表层土壤（0～20 cm）186 个，根据农产品种植情况，与土壤同点位采集玉米样品 19 个（图1）。土壤样品采集后避免阳光直射，在自然条件下阴干，待干燥后用橡胶锤将土壤样品恢复至自然粒级状态过尼龙筛，截取 2 mm 粒级的样品装瓶待测。在通风、无扬尘的场地阴干玉米样品，用玛瑙研钵将玉米籽实研碎后过 0.42 mm 尼龙筛，再将样品装瓶待测。土壤及玉米样品的分析方法及检出限见表1。

注：pH 无量纲，其余指标单位为 mg/kg。

土壤和玉米样品以随机抽取的密码样分析结果评定分析精密度，以密码插入的同类国家一级标准物质的测试结果检验分析的准确度。计算方法如下：

式中，$\overline{\mathrm{\Delta }\mathrm{l}\mathrm{g}C}$为准确度，RD 为精密度，C₁ 和 C₂ 分别为常规测试和重复样的测试分析结果；C_i 为某标准样的某次测试结果，C_r 为该标准样的标准值。

土壤及玉米样品的精密度均小于 10%，准确度均小于 0.1，样品检测结果符合《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）^[16]的要求。

1.3 耕地土壤重金属污染风险综合评价

综合单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态危害指数对耕地土壤重金属污染状况开展综合评价及等级划定^[17]，根据上述 3 种污染评价方法从单项污染、综合污染及生态风险不同角度得到的土壤污染风险评价结果，采用排列组合的方式得到 125 种结果，再对 125 种结果进行分类，得到 5 种耕地安全利用风险等级，具体分级方法见表2。

注：D _单、D _内和 D _潜分别表示单因子污染指数最差因子、内梅罗综合污染指数和潜在生态危害指数的污染等级。1、2、3、4、5 为污染等级。

1.3.1 单因子污染指数

单因子污染指数是指土壤中污染元素的实测浓度与相应的评价标准的比值，其计算公式如下：

式中，$P_i$ 为重金属元素 i 的污染指数；$C_i$ 为土壤重金属元素 i 含量的实测值；S_i 为《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）^[18]给出的土壤重金属污染风险筛选值。单因子污染指数法评价的最终结果根据“最差因子法”确定。单因子污染指数的分级标准见表3。

1.3.2 内梅罗综合污染指数

内梅罗指数法是基于单因子指数法而衍生出的综合性污染评价方法，既考虑了单因子污染指数的平均值以及最大值，又能够反映各污染物对土壤的影响，具有突出最大污染物对土壤环境质量影响的优点，其计算公式如下：

式中，P 为土壤内梅罗综合污染指数；P_iave 为所有单因子污染指数的平均值；P_imax 为单因子污染指数中的最大值。污染分级标准见表3。

1.3.3 潜在生态危害指数

潜在生态危害指数法是 Hakason 根据沉积学知识提出的用于土壤或沉积物中重金属污染程度及其潜在生态危害评价的一种方法。潜在生态危害指数法不仅考虑了评价介质中污染物的含量，同时也兼顾了污染物的生态效应，是目前常用的重金属风险评价方法。其计算公式如下：

式中，RI 表示潜在生态危害指数。$T_{\mathrm{r}}^i$ 为重金属 i 的毒性响应参数，Cd、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Cr 和 Zn 的毒性响应系数分别为 30、40、10、5、5、5、 2 和 1。C_i 为重金属 i 的实测含量，$C_{\mathrm{n}}^i$ 表示重金属 i 的背景值（表4）。潜在生态危害指数的分级标准见表5。

1.4 数据处理方法

利用 Excel2010 进行数据整理，利用 ArcGIS Pro 完成地统计分析，利用 GS+9.0 进行块金值计算，数据分析和图件绘制利用 SPSS 25.0 和 ArcGIS Pro 完成。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

统计了研究区 186 件表层土壤样品中重金属的含量特征，结果见表6。土壤 Cd、Hg、Pb、As、Cr、Cu、Zn 和 Ni 的含量范围分别为 0.06～2.66、 0.03～0.76、18.04～58.96、2.35～29.68、 49.68～233.28、16.28～83.58、59.02～198.00 和 19.63～89.35 mg/kg，平均含量分别为 0.60、0.11、 32.40、8.34、112.57、33.04、105.51 和 43.53 mg/ kg。土壤 Cd 超过文献^[18]给出的土壤污染风险筛选值的比例为 57.21%，说明研究区耕地土壤中 Cd 对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境存在不可忽视的生态风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施。

土壤 Cd、Hg、Pb、As、Cr、Cu、Zn 和 Ni 的变异系数分别为 0.90、0.82、0.19、0.55、0.27、0.29、 0.20 和 0.24，除 Pb、Zn 和 Ni 外，其余重金属含量均表现为空间强烈变异，其含量在空间上分布不均匀。土壤 Hg、Pb、Cr、Cu、Zn 和 Ni 的块金系数均小于 0.25，说明其含量在空间上自相关性强，主要受到自然因素的影响^[19-20]。土壤 Cd 和 As 的块金系数介于 0.25～0.75 之间，说明其空间自相关性中等，受到自然和人为因素的共同影响^[21]。

2.2 耕地土壤重金属污染风险评价

参照公式（3）～（5）进行耕地土壤重金属污染风险评价，并利用 ArcGIS Pro 进行空间插值，结果见图2。研究区单因子污染指数评价结果显示，无污染、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染的面积比例分别为 23.52%、18.18%、33.16%、 11.23% 和 13.91%。内梅罗综合污染指数的评价结果显示，无污染、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染的面积比例分别为 34.22%、20.86%、 28.88%、8.02% 和 8.02%。潜在生态危害指数的评价结果显示，轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害、很强生态危害和极强生态危害的面积比例分别为 49.2%、31.02%、17.11%、2.67% 和 0。总体而言，研究区土壤污染以轻微和轻度为主，生态风险以轻微和中等为主，主要影响因子为 Cd。从空间分布来看，研究区东北部和西南部存在大面积的中度和重度污染，风险程度以强生态风险为主。

2.3 耕地土壤重金属污染风险综合评价

将研究区单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态危害指数的评价结果进行空间叠加，利用 ArcGIS Pro 中的数据转换工具将叠加结果由栅格文件转为点文件，将生成点位与研究区耕地地块进行空间叠加，并按照如下规则进行耕地地块赋值：（1）当单一地块内有 1 个数据时，该数据即为该地块的数据；（2）当单一地块有 2 个及以上的数据时，用数据的平均值对地块进行赋值^[16]。赋值完成后，按照表2 给出的分级方法进行耕地土壤重金属污染风险分区，结果见图3。

研究区耕地面积共计 8.31 km² ，Ⅰ级（安全区）、Ⅱ级（基本安全区）、Ⅲ级（低风险区）、 Ⅳ级（中风险区）和Ⅴ级（高风险区）所占面积分别为 0.93、0.87、2.62、1.57 和 2.32 km²，所占面积比例分别为 11.2%、10.46%、31.51%、18.9% 和 27.93%，研究区耕地土壤重金属污染风险较高，Ⅳ 级（中风险区）和Ⅴ级（高风险区）主要分布在研究区东北部和西南部。

3 讨论

研究区土壤 Hg、Pb、Cr、Cu、Zn 和 Ni 含量主要受到自然因素的影响，土壤 Cd 和 As 的含量受到自然和人为因素的共同影响。图4 为研究区地层分布图，可以看出，研究区分布有二叠系梁山组、栖霞组、茅口组地层，现场调查发现，上述地层岩性以炭质灰岩、炭质页岩（夹煤线）为主，属于典型的地质高背景区^[22]，成土母质中重金属含量较高，因此，对母质地球化学特征的继承是研究区土壤重金属的主要来源。此外，本研究所取样品均来自耕地土壤，农药化肥、禽畜粪肥等农业投入品的使用可能是土壤 Cd 和 As 的来源之一^[23-25]。

将研究区地层分布与耕地土壤重金属污染风险评价结果进行对比发现，耕地土壤重金属中-重度污染及强生态风险区均与二叠系地层在空间上重叠，进一步说明了研究区耕地土壤污染及风险主要与地质背景有关。此外，研究区东北部土壤重金属污染分布区面积显著大于二叠系地层分布区，可能与该部分地形以山间梯田为主，坡度较陡，土壤中 Cd 随地表径流等方式向下迁移^[26]，导致污染土壤面积增大。而研究区西南部由于地形平坦，土壤污染风险分布与地层契合度较好。说明地形地貌也是研究区土壤重金属污染分布的主要影响因素之一。

在研究区共采集了 19 个玉米样品，其中 5 个玉米中 Cd 含量超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2022）^[27]给出的食品安全国家标准，超标率为 26.31%（图3）。从分布情况来看，农产品超标点位主要集中在高风险区。说明本研究方法划定的耕地土壤重金属污染风险综合等级具有较强的指示性，风险程度越高，农产品超标概率越大。建议在研究区中-高风险区加强对农业投入品的监测，采取农艺调控、土壤改良、植物修复等措施，减少耕地土壤中污染物的输入总量或降低其活性，从而降低农产品污染物超标风险，改善受污染耕地土壤环境质量，提高农产品的安全^[28-31]。

4 结论

（1）研究区土壤 Cd 的含量范围为 0.06～2.66 mg/kg，平均含量为 0.60 mg/kg。超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》 （GB 15618—2018）给出的土壤污染风险筛选值的比例为 57.21%，其余重金属均未超标。

（2）土壤 Hg、Pb、Cr、Cu、Zn 和 Ni 含量主要受到自然因素的影响。土壤 Cd 和 As 含量受到自然和人为因素的共同影响。对炭质页岩等母岩地球化学特征的继承是研究区土壤重金属的主要来源。此外，农药化肥、禽畜粪肥等农业投入品的使用可能是土壤 Cd 和 As 的来源之一。

（3）研究区土壤污染以轻微和轻度为主，面积占比分别为 20.86% 和 28.88%，生态风险以轻微和中等为主，面积占比分别为 31.02% 和 17.11%，影响因子为 Cd。污染风险区主要分布在研究区东北部和西南部。地质背景和地形地貌也是研究区土壤重金属污染分布的主要影响因素。

（4）研究区耕地Ⅰ级（安全区）、Ⅱ级（基本安全区）、Ⅲ级（低风险区）、Ⅳ级（中风险区） 和Ⅴ级（高风险区）所占面积比例分别为 11.2%、 10.46%、31.51%、18.9% 和 27.93%，中-高风险主要分布在研究区东北部和西南部。研究区玉米 Cd 超标率为 26.31%，集中分布在耕地高风险区 （Ⅴ级）。

参考文献