农田是食物和其他各种农畜产品最主要的生产 载体^[1]，为人类提供生存所必需的能量物质。近年来，农 田土壤重金属污染严重威胁农产品的产地环境，成为 影响食品质量安全与农业生态环境的突出问题^[2]。重 金属在土壤中的积累直接影响土壤的理化性质和微 生物活性，降低养分的有效吸收率和土壤微生物的生 物量，并可以从土壤迁移到其他生态系统通过污染食 物、大气和水环境间接影响环境的质量，对人类的生 存和发展有着严重的威胁^{[3, 4, 5, 6]}。因此，对土壤重金属污染 程度和危害性进行评价具有重大的意义。根据重金属 评价的结果可以了解其对环境危害程度，进而采用适 当的方法对被污染的农田土壤实施修复、治理和管 理，或者对已治理过的农田土壤的修复程度监测，防止 污染的进一步扩大和发展。

土壤中重金属污染评价的方法有很多，有单因子 污染指数法^[7]、内梅罗综合指数法^[5]、地积累指数法^{[8, 9]}、 污染负荷指数法^{[10, 11]}和潜在生态危害指数法^{[12, 13]}等。 另外，还有改性灰色聚类法、改进层次分析法^[14]、结合 模糊数学理论发展的模糊综合评价法^[15]、人体健康风险评价方法^{[16, 17, 18]}和基于GIS 技术的评价方法^[19]等。这 些评价方法都有其各自的优缺点，使用的具体范围还 没有统一的规定，而且这些评价方法没有被系统化的 分类。本文主要使用地积累指数法和潜在生态危害指 数法对广西某蔗田土壤的重金属污染程度进行评价。 1 材料与方法 1.1 采样区的概况

样品采集区域位于黔中高原南部边缘的斜坡地 带，总地势为北高南低，四周山岭绵延，中部偏南为丘 陵，东北部山地是九万山系的一部分，属于山地；西南 部则为岩溶山地，喀斯特地貌下的生态环境较为脆弱。 最高海拔为1693m，最低海拔为149m。样品采集区气 候属于亚热带季风气候区，年均气温南丘陵一带为 19.9 ℃，北部山区为了15.7 ℃。年均日照时数145.1 h， 全年太阳辐射量为98.89kcal·m^-2，年平均降雨量1 389~ 1 750 mm。 1.2 土壤样品的采集与处理

采样点集中在24°2′56″~25°3′7″N 和108°14′37″~ 108°14′42″E 的研究蔗田，土壤采样按照每667m²网格 布设1个采样点，布点网格约为25.8 m×25.8 m，使用 GPS 卫星定位仪进行定位布点。围绕每个网格布设中 心点，1个分点及四周4 个分点，采样深度20 cm，共 取5 个分点的土壤样品，组成一个约1 kg 干重的土 壤混合样品，然后用无菌的聚乙烯袋将采集的样品装 好，并贴上标注有采样序号和日期的标签，共采集了 153个样品。

将采集好的蔗田土壤样品运回实验室，并置于通 风、避光、阴凉、干燥的地方，在室温条件下将土壤样 品自然风干，剔除碎石块和植物根茎。风干土样粗磨 后用玛瑙研钵细磨，分别过20 目和100 目尼龙筛，装 瓶贴签。其中过20 目用于分析土壤pH值，过100 目 用于分析土壤重金属含量。 1.3 样品的分析

土壤样品pH值用电极法进行测定：利用pH计测 定土样的pH值，使用仪器为Seven-Easy梅特勒pH计 和FE20 梅特勒pH 计。

土样的重金属测定：按照国标上测定重金属的方 法先对土壤样品进行消解，然后将经过消解后的土样， 利用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138—1997） 测定Cu 和Zn 的含量水平，利用石墨炉原子吸收分 光光度法（GB/T 17141—1997）测定Pb 和Cd 的含量 水平，使用的仪器为德国耶拿contrAA700、德国耶拿ZEEnit700。 1.4 评价标准

根据《土壤环境质量标准》GB 15618—1995 中的 分级和分类原则，水田、旱地和蔬菜地执行二级标准 （表 1），并按照pH值范围执行不同标准值。

表 1 土壤环境质量标准（mg·kg^-1） Table 1 Standard of soil environment quality（mg·kg^-1）

表选项

地积累指数法（I_geo）是由德国海德堡大学沉积物 研究所的科学家Muller 在1969 年提出的一种研究 水环境中重金属污染的一个定量指标^[20]。利用地积累 指数法评价土壤中重金属污染状况及程度较为科学 和直观。因为该方法不但考虑了人为污染因素和环境 地球化学对背景值的影响，还考虑了由于自然成岩作 用可能引起的背景值的变动的影响。地积累指数法常 被用来分析土壤重金属污染的评价，其一共分为7 级，见表 2，其计算的公式为：

表 2 地积累指数与污染程度分级 Table 2 The geo-accumulation index and classification of pollution degree

表选项

潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson 于 1980 年建立的一套应用沉积学原理评价重金属污染及生态危害的方法^[21]。该方法不仅考虑了重金属含量， 还将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一 起，采用了具有可比性、等价属性指数分级进行评价^[22]， 进而对其潜在的生态危害进行评价。在为环境改善提 供科学依据的同时还能为人们健康生活提供科学参 照。潜在生态危害指数法是按照单因子污染物生态风 险指标E_rⁱ和总的潜在生态风险RI指标进行生态风 险分级的，详见表 3。其计算公式为：

表 3 重金属污染潜在生态危害指标与分级关系 Table 3 The relation between heavy metals potential pollution and classification

表选项

关于研究地区蔗田土壤的pH值及重金属元素含 量的结果，详见表 4。从表 4中可以看出研究地区土壤 的pH 值范围为2.96耀7.32。研究地区土壤重金属元 素的含量（mg·kg^-1）范围分别为Cu 是8~42；Zn 为40~ 1 074；Pb 为20~885；Cd 为0.07~3.48。研究地区土壤中重金属元素，Cu、Zn、Pb、Cd 含量的平均值分别为 17、106、164、0.18 mg·kg^-1，其平均值都在国标规定的 指标范围内。该区域的pH 值和Cu 的变异系数分别 为0.19%和0.37%，其余的3 种重金属元素的变异系 数均较大，表明Zn、Pb和Cd 的空间差异较大。

表 4 土壤pH 值及重金属元素含量（mg·kg^-1） Table 4 Heavy metals contents and pH values in the study area（mg·kg^-1）

表选项

研究地区蔗田土壤4 种重金属元素的地积累指 数计算统计结果，详见表 5。从表 5 可以得到，从平均 地积累指数来看，研究蔗田土壤中的Cu、Zn、Pb 和Cd 4 种元素不存在污染的情况，其污染程度由强到弱依 次为：Cd>Zn>Pb>Cu。

表 5 地积累指数（I_geo）评价结果 Table 5 Evaluation results of geo-accumulation index

表选项

为进一步了解研究蔗田地积累污染的级别，计算 并统计了该区域的重金属元素的地积累指数分级频 率，其统计结果详见表 6。从表 6 污染分级频率的结 果可得到：该区域样品中Cu、Zn、Pb 和Cd 的污染频 率分别为0%、2.62%、11.11%、和3.91%，其中1.31% 的Zn、9.15%的Pb 和2.61%的Cd 受到了轻度-中等 污染，1.31%的Zn、1.96%的Pb 和0.65%的Cd 受到了 中等污染，0.65%的Cd受到了中等-强污染。

表 6 地积累指数分级频率分布表（%） Table 6 The distribution of geo-accumulation index grading frequency（%）

表选项

以上的评价结果表明该蔗田受重金属污染的频 率除Pb外都较小，但是随着广西城镇整体经济不断 推进，农村环境污染问题日益凸显：生活污水产生量 呈现递增趋势；生活垃圾就地堆放、填埋、焚烧，甚至 就近丢到河里；农药化肥过量使用，使无机污染物和 有机污染物残留在土壤；企业三废随意排放以及当地 矿产资源开采量逐年增加，对蔗田的重金属污染加重 造成威胁。 2.3 潜在生态风险指数法的评价结果

研究地区蔗田土壤4 种重金属元素的潜在生态 风险指数的计算统计结果，见表 7。从表 7可以得到， 从平均潜在风险指数来看，单个重金属潜在风险指数 Cu、Zn、Pb和Cd都为低度污染，综合所有元素的潜在 生态危害指数（RI）级别为低度污染，其污染程度由强 到弱依次为：Cd>Pb>Cu>Zn。

表 7 潜在生态风险指数评价结果 Table 7 Evaluation results of potential ecological risk index

表选项

为进一步了解研究蔗田潜在生态风险污染的级 别，计算并统计了该区域的重金属元素的潜在生态风 险指数分级频率，其统计结果详见表 8。从表 8污染分 级频率的结果可得到：在研究蔗田土壤中Cu、Zn和Pb 都是低度污染，潜在生态危害较小；重金属Cd 在该 研究区的潜在生态危害性较大，其中低度危害、中度 生态危害、较重生态危害、重度生态危害、严重生态危 害的百分比分别为：96.09%、2.61%、0.65%、0%、 0.65%，整体为低度污染。综合考虑所有重金属元素 的潜在生态危害，该区域内潜在生态危害的综合评价 的结果，低度危害、中度生态危害、较重生态危害、重 度生态危害、严重生态危害的百分比分别为：93.47%、 3.92%、1.96%、0%、0.65%，整体为低度潜在生态危害。

表 8 潜在生态风险指数分级频率分布表（%） Table 8 The distribution of potential ecological risk index grading frequency（%）

表选项

以上评价结果表明：该蔗田有局部地区已受到了 Cd的污染，且该地区水流域上游有色金属矿区分布较 多，从长远发展角度分析具有潜在加重危害的可能。此 外，甘蔗可以多年留根种植，甘蔗根系能够吸收并富 集Cd元素，随着种植年限的增加，土壤中重金属元素 的富集增加。为确保该蔗田的可持续发展，应对该污染 问题加以重视，采取相应措施以控制土壤中的重金属 污染。 2.4 2种方法评价结果比较分析

该研究区域蔗田土壤4 种重金属的地积累指数 和潜在生态危害指数的平均值的污染级别见表 9。由 表 9可见，两评价方法的结果存在差异。该区域用地积 累指数法评价土壤Cu、Zn、Pb 和Cd 4种元素时不存 在污染情况，而用潜在生态危害指数法评价时存在 低度污染情况，其原因可能是前者主要考虑外源重金 属的富集程度，而后者在此基础上还考虑了不同重金 属的生物毒性的影响。此外，在4种元素污染程度强弱 的比较中，Zn 的强弱排序也存在差异。对于Zn 污染 强弱排序的差异，是Zn 的重金属毒性系数最低，计算 出的潜在生态危害系数最小，因而其潜在生态危害程 度最低。

表 9 4种重金属元素在2 种评价方法的污染评级 Table 9 Pollution rating of four heavy metals by two evaluation methods

表选项

（1）在该研究区域的样点中，4种重金属元素含量 的变异系数存在较大的差异，变异程度的强弱为：Cd> Pb>Zn>Cu。其中蔗田土壤中Cd、Pb、Zn 的样点变异程 度大，变异系数都大于1。其原因可能是研究区域邻近水流域，上游分布着众多的有色金属矿区，导致水流 域中的重金属含量增加，且该区域之前有受到垮坝事 故的影响也受到重金属污染，距离污染地区的远近程 度使重金属含量存在差异。此外人们的生产活动的影 响也不可忽略。

（2）该研究区域内Cd 受污染的程度相对高，有 小部分地区受到重度及以上的污染。

（3）该研究区域土壤重金属的潜在生态危害指数 （RI）大部分处于低度污染程度，小部分处于中度以 上污染，这主要是由于Cd 潜在生态危害系数高的缘 故，Cd的作用占主导地位。

（4）地积累指数评价主要考虑了外源重金属的富 集程度，而潜在生态危害指数在此基础上还考虑了不 同重金属的生物毒性的影响。相比之下，潜在生态危 害指数的评价结果更加全面和准确，即该研究蔗田土 壤的重金属污染程度为低度污染。

（5）虽然潜在生态危害指数的评价结果比地积 累指数的评价结果更准确，但是土壤中重金属的含量 是多种因素共同作用的结果，如：pH 值、有机质成分 和含量、元素的价态和化合态等，此外还有各种重金 属间的生物毒性作用的加权和拮抗作用的影响。因 此，在使用以上方法进行土壤重金属污染程度评价 时，对其进行改良或参数修正后再综合使用，结果会 更合理。