上海長興島典型農(nóng)用地土壤重金屬特征分析與生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估

于徐華， 陳怡龍

（1.中海環(huán)境科技（上海）股份有限公司環(huán)境影響評價部，上海200135；2.上海長興海洋裝備產(chǎn)業(yè)基地開發(fā)有限公司，上海201913）

0 引 言

土壤是自然環(huán)境的重要組成要素，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)生活所需的重要自然資源。隨著城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化的飛速發(fā)展，重金屬逐漸通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、污水灌溉和大氣沉降等途徑進入農(nóng)用土壤中。由于重金屬在土壤中具有較強的富集性、持久性和不可逆性，不易被生物降解，因此一旦進入土壤環(huán)境，將在很長一段時間內(nèi)影響農(nóng)用地的正常使用。土壤中的重金屬能通過食物鏈或直接與人體接觸在人體內(nèi)積累，引發(fā)一些慢性疾病[1]。因此，近些年土壤重金屬在土壤中的空間分布、污染評價、特征分析和污染來源等方面的研究得到廣泛關(guān)注[2-3]。上海已針對土壤重金屬開展眾多研究工作，研究的土地類型包括工業(yè)用地[4]、農(nóng)田[5]、果園[6]、公園[7]、公路兩側(cè)土地[8-9]和灘涂[10-11]等，研究的區(qū)域包括浦東新區(qū)[12]、寶山[13]、松江[14]和崇明[15]等。雖然有涉及長興島土壤調(diào)查的研究[5，16]，但對長興島土壤重金屬進行的專題研究較少。

本文以長興島典型的水稻田、柑橘園和林地等農(nóng)用地為研究對象，對土壤中的重金屬污染現(xiàn)狀、污染來源和生態(tài)風(fēng)險進行研究，以期在正確理解區(qū)域土壤質(zhì)量空間與時間差異性的基礎(chǔ)上，科學(xué)地利用和管理土壤資源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

長興島位于吳淞口外長江南水道，東經(jīng)121°34′～121°47′，北緯31°19′～31°26′；氣候?qū)儆诒眮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，四季分明，全年溫和濕潤；地勢低平，西部較高，中東部較低。長興島的土壤主要有黃夾沙、沙夾黃和黃泥等類型，近年來由于廣種柑橘，已逐漸向園林灰潮土轉(zhuǎn)化[16-17]。長興島因特殊的地理成因，已形成不同的土體構(gòu)形，使局部地區(qū)內(nèi)分布有多種土壤類型。

1.2 樣品采集和分析

2017年2月—2018年3月，在長興島東南部長興鄉(xiāng)典型的水稻田、柑橘園和林地等農(nóng)用地采集土壤樣品，主要采集表層土（土壤表面至表面以下0.5 m）和原狀底層土（土壤表面以下0.5 m至地下水位）。共設(shè)52個采樣點，在每個采樣點采集2份土壤樣品，共得到104份土壤樣品。采集樣品過程中均采取嚴格的防污染措施，防止發(fā)生交叉污染；樣品采集完成之后進行冷藏運輸，送往專業(yè)的實驗室進行分析。

采集的土壤樣品通過室內(nèi)風(fēng)干、研磨和過篩等工序制成樣品備用。土壤中全量Cu、Zn、Pb和Cr采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法進行分析。在分析過程中，均加入國家標準土壤樣品進行質(zhì)量控制分析，結(jié)果均符合質(zhì)量控制要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)用地土壤重金屬含量統(tǒng)計分析

長興島土壤重金屬含量箱線圖見圖1。土壤重金屬含量統(tǒng)計值見表1，其中：表層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的濃度含量的平均值分別為28.1 mg/kg、80.6 mg/kg、18.0 mg/kg和65.0 mg/kg，標準差分別為6.5 mg/kg、12.5 mg/kg、5.1 mg/kg和14.8 mg/kg，變異系數(shù)為Pb（0.27）＞Cu（0.23）=Cr（0.23）＞Zn（0.15）；底層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的濃度含量的平均值分別為23.2 mg/kg、73.4 mg/kg、17.0 mg/kg和59.9 mg/kg，標準差分別為7.5 mg/kg、12.3 mg/kg、5.0 mg/kg和11.8 mg/kg，變異系數(shù)為Cu（0.32）＞Pb（0.29）＞Cr（0.20）＞Zn（0.17）；表層土壤中4種重金屬的變異系數(shù)在0.15～0.27，底層土壤中4種重金屬的變異系數(shù)在0.17～0.32，說明表層土壤和底層土壤中4種重金屬的空間差異均不大，所布設(shè)采樣點的土壤重金屬含量能反映出長興島農(nóng)用地土壤重金屬含量的整體水平。

圖1 長興島土壤重金屬含量箱線圖

表1 土壤重金屬含量統(tǒng)計值

2.2 農(nóng)用地土壤重金屬污染水平

將長興島農(nóng)用地土壤中的重金屬分別與國家土壤一級標準、國家土壤二級標準和食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準相比較，結(jié)果見表2，其中：表層土壤中除Pb以外，均有個別樣品的Cu、Zn和Cr含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準；底層土壤中Pb和Cr的含量均低于國家土壤一級標準，有個別樣品Cu和Zn的含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準。

表2 長興島土壤重金屬污染水平

將崇明島土壤背景值作為污染評價參考值，采用單因子污染指數(shù)法（Pi）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（P）對土壤中4種重金屬的污染水平進行評估，計算式為

式（1）和式（2）中：Cir為土壤中重金屬濃度的實測值；Ci為污染參比值，本文采用崇明土壤背景值；P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。單因子污染指數(shù)＞1表示土壤受外界干擾，指數(shù)越大表明重金屬富集程度越高。由表2可知：土壤中4種重金屬的單因子指數(shù)均達到1，其中表層土壤中Zn的單因子指數(shù)絕大多數(shù)＞1，富集程度最高；根據(jù)表層污染指數(shù)與底層污染指數(shù)的比較，表層的單因子污染指數(shù)基本上大于底層，即表層受干擾更嚴重，重金屬富集程度更高。采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評定土壤綜合污染狀況，其中，P≤1為無污染，1＜P≤2為輕污染，2＜P≤3為中度污染，P＞3為重污染，計算結(jié)果顯示表層和底層內(nèi)梅羅綜合指數(shù)均為1.53，為輕污染，表明長興島農(nóng)用地自開展背景調(diào)查[16]以來受到輕微的污染。

2.3 農(nóng)用地土壤重金屬來源分析

利用SPSS軟件對農(nóng)用地土壤中的4種重金屬進行相關(guān)性分析，通過相關(guān)性分析檢驗農(nóng)用地土壤重金屬來源是否一致。若2種重金屬之間相關(guān)或顯著相關(guān)，則說明兩者來源可能一致，反之表明兩者來源不同。表3為土壤中4種重金屬相關(guān)性分析結(jié)果。由表3可知，不論是表層還是底層，4種重金屬之間兩兩呈顯著相關(guān)關(guān)系，說明這4種重金屬在來源上可能有很大的一致性。

表3 土壤中4種重金屬相關(guān)性分析結(jié)果

此次采集的樣品均來自于長興島水稻田、柑橘園和林地等典型農(nóng)用地，結(jié)合長興島的發(fā)展歷程和產(chǎn)業(yè)類型，分析其重金屬主要來自于自然因素和農(nóng)業(yè)污染，例如：施用的混雜重金屬的磷肥和含磷復(fù)合肥中含有一定量的Cu、Pb、Zn、Cr、Ca、Mn、B和As等元素；殺真菌劑會使土壤中的重金屬含量增加；飼料添加劑中往往含有一定量的重金屬，這些重金屬隨牲畜的糞便進入土壤，成為土壤的一種污染源。

綜合上述：農(nóng)用地土壤中Cu、Pb、Zn和Cr等4種重金屬除Zn以外，平均含量均低于崇明背景值，Zn的平均含量與背景值含量也相差不大；4種重金屬顯著相關(guān)，長興島農(nóng)用地土壤中的重金屬Cu、Pb、Zn和Cr主要來自于自然因素，人為影響較小，這與污染水平分析結(jié)論一致。

2.4 生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估

潛在生態(tài)危害指數(shù)法[18-19]是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的一種評價土壤和沉積物中重金屬污染程度的方法。根據(jù)該方法，某區(qū)域的土壤中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir和土壤中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可分別表示為

式（3）和式（4）中：Cir為土壤中重金屬濃度的實測值；Ci為參比值；Cif為某金屬的污染系數(shù)；Tir為各種重金屬的毒性系數(shù)。由于本文僅研究Cu、Zn、Pb和Cr等4種重金屬，因此為提高結(jié)果的精度，根據(jù)所選用重金屬的種類和數(shù)目對單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的評估域進行調(diào)整[18]，單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級標準見表4。

表4 單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級標準

根據(jù)重金屬參比值和毒性系數(shù)（見表5），采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對長興島土壤中的重金屬進行評價。結(jié)果表明：

1）長興島農(nóng)用地表層土壤中重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值由大到小依次為Cu（2.37）＞Pb（1.84）＞Cr（0.94）＞Zn（0.70）；所有表層樣品中Zn和Cr的E值均＜5，處于輕微風(fēng)險水平；Cu和Pb的部分E值在5～10，處于中等風(fēng)險水平。表層RI的平均值為11.86，變化范圍為7.23～19.60，所有表層樣品潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均呈輕微生態(tài)風(fēng)險態(tài)勢。

表5 生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果

2）長興島農(nóng)用地底層土壤中重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值由大到小依次為Cu（3.93）＞Pb（3.89）＞Cr（1.59）＞Zn（0.96）；所有表層樣品中Zn和Cr的E值均＜5，處于輕微風(fēng)險水平；Cu和Pb的部分E值在5～10，處于中等風(fēng)險水平。底層RI的平均值為10.38，變化范圍為5.57～16.36，所有樣品潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均呈輕微生態(tài)風(fēng)險態(tài)勢。

3 結(jié) 語

1）長興島農(nóng)用地表層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的平均含量分別為28.1 mg/kg、80.6 mg/kg、18.0 mg/kg和65.0 mg/kg，變異系數(shù)在0.15～0.27；底層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的平均含量分別為23.2 mg/kg、73.4 mg/kg、17.0 mg/kg和59.9 mg/kg，變異系數(shù)在0.17～0.32；這說明表層土壤和底層土壤中4種重金屬的空間差異均不大，所布設(shè)采樣點的重金屬含量能反映出長興島農(nóng)用地土壤重金屬的整體水平。

2）長興島農(nóng)用地表層土壤中除Pb以外，均有個別樣品的Cu、Zn和Cr含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準；底層土壤中Pb和Cr的含量均低于國家土壤一級標準，有個別樣品Cu和Zn的含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準。

3）根據(jù)單因子污染指數(shù)計算結(jié)果，表層土壤相比底層土壤受干擾更嚴重，重金屬富集程度更高。表層和底層內(nèi)梅羅綜合指數(shù)均＞1，表明長興島農(nóng)用地自開展背景調(diào)查以來受到輕微的污染，即長興島農(nóng)用地土壤中的重金屬主要來自于自然因素。

4）以背景值為參比值，采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對長興島土壤中的重金屬進行生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估，土壤表層和底層均呈現(xiàn)輕微的生態(tài)風(fēng)險態(tài)勢，這與污染指數(shù)法結(jié)論一致，表明重金屬在長興島農(nóng)用地中有輕度富集的現(xiàn)象。