湛江東北部農(nóng)用地土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

孫志佳，李保飛，陳玉海，袁慶政，閆興國,趙明杰

（中國地質(zhì)調(diào)查局 煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，山東 煙臺 264004）

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，農(nóng)用地承受著越來越大的壓力。重金屬是典型的土壤污染物，具有不易降解、持久性強(qiáng)的特點(diǎn)［1-2］。土壤是農(nóng)作物的生長載體［3］，農(nóng)用地土壤重金屬污染會影響農(nóng)作物產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、人類健康［4-5］。

近年來，農(nóng)用地環(huán)境質(zhì)量研究受到了廣泛關(guān)注。李瑞等［6］運(yùn)用潛在生態(tài)指數(shù)法分析了2008—2014年東北及黃淮海平原農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明Cd、Hg 污染風(fēng)險(xiǎn)偏高。李有文等［7］研究分析了新疆喀什地區(qū)土壤重金屬的分布、富集特征并對來源進(jìn)行了解析。張俊麗等［8］采集土壤、肥料、玉米籽粒樣品對陜西省潼關(guān)縣農(nóng)田重金屬污染狀況進(jìn)行了評價(jià)，認(rèn)為農(nóng)作物籽粒重金屬污染受土壤污染影響明顯?；≠澋龋?］以太原市7 個(gè)農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)為研究對象分析了重金屬的累積特征及環(huán)境影響，認(rèn)為重金屬Hg、Pb 含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，估算出了土壤環(huán)境安全閾值。肖武等［10］認(rèn)為巢湖流域農(nóng)田土壤重金屬污染以Cd、Hg污染為主，2 種元素均來源于人為因素，但具體污染源存在差別。

目前，針對土壤重金屬環(huán)境研究評價(jià)多集中在對某一流域或行政區(qū)域農(nóng)用地的整體分析，或針對某一類型農(nóng)用地的分析［10-15］，缺少對多種用地類型之間的對比分析。而長期種植同一類作物的農(nóng)用地會加劇重金屬累積［16］。因此，有必要對同一區(qū)域內(nèi)不同類型農(nóng)用地的土壤重金屬特征進(jìn)行對比分析，掌握不同類型農(nóng)用地生態(tài)狀況。

本研究工作集中在湛江市坡頭區(qū)至吳川市一帶，該區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地分布面積廣，有耕地（水田、水澆地、旱地）、林地、園地等多種類型，具有一定的代表性。本研究針對目前農(nóng)用地管控中重點(diǎn)關(guān)注的問題，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價(jià)研究區(qū)重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，掌握區(qū)內(nèi)重金屬污染的現(xiàn)狀及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為該地區(qū)農(nóng)用地評價(jià)、治理、管理提供科學(xué)依據(jù)，有助于綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湛江市東北部，包括市郊和吳川市，北與茂名市接壤，東南瀕臨南海，地勢平緩，屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候，夏季長冬季短、氣候溫和、雨量豐沛。年平均氣溫22.7 ℃，區(qū)內(nèi)土壤類型主要為磚紅壤、水稻土和濱海鹽土。研究區(qū)耕地主要種植水稻、蓮藕、番薯、花生等；園地主要種植火龍果、荔枝、龍眼、香蕉等，果園分布最廣，占78%；林地主要生長桉樹、木麻黃、相思、榕樹等，喬木林地分布最廣，占90%。

1.2 樣品采集與處理

本研究依據(jù)圖斑布設(shè)樣品，樣品總體均勻分布（圖1），布樣時(shí)充分考慮樣點(diǎn)的代表性和典型性，確保每種土地類型均有樣品覆蓋，同時(shí)，對一年三熟的耕地加密布點(diǎn)，共布設(shè)樣品點(diǎn)189 個(gè)，其中水田31 個(gè)，水澆地65 個(gè)，旱地34 個(gè)，果園14 個(gè)，喬木林地45 個(gè)。依據(jù)布設(shè)點(diǎn)位，2020 年7 月采集了表層0 ～20 cm 的土壤樣，采用梅花取樣法采集5 個(gè)子樣，組成1 個(gè)混合樣，子樣間隔約20 m，利用四分法獲取重量大于1 kg 的土壤樣品裝入樣袋。樣品經(jīng)自然風(fēng)干，剔除根系及雜質(zhì)并過100 目篩，初步處理后送往實(shí)驗(yàn)室。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Geographic location and distribution of sampling point in the study area

1.3 樣品分析

土壤pH 值用酸度計(jì)測定，樣品用鹽酸-硝酸混合液體系經(jīng)水浴法消解，通過原子熒光光度計(jì)（AFS-8220，北京吉天）測定As、Hg 含量（檢出限10 ng/g）；樣品用鹽酸-高氯酸-硝酸-氫氟酸體系經(jīng)石墨爐消解，通過電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS，Elan DRII，美國PerkinElmer）測定Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd 含量（檢出限0.05 μg/g）。樣品測試中設(shè)置重復(fù)樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（國家土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品GSS-2 和GSS-7）進(jìn)行質(zhì)量控制，標(biāo)樣回收率為81%～117%，符合質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）給出了不同pH 值農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管控值［17］，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)篩選值和風(fēng)險(xiǎn)管控值對土壤重金屬進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。本研究針對給出風(fēng)險(xiǎn)管控值的5 種重金屬元素進(jìn)行單項(xiàng)污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

表1 土壤重金屬單項(xiàng)污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criteria for single pollution risk assessment of heavy metals in soil

1.5 評價(jià)方法

1.5.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（Nemerow index）是將單因子污染指數(shù)平均值和最大值歸納到一起的綜合污染評價(jià)方法［18］，是應(yīng)用于土壤重金屬污染評價(jià)的傳統(tǒng)指數(shù)評價(jià)法［19］。計(jì)算公式如下：

表2 污染指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of pollution index

1.5.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法（The potential ecological risk index）是1980 年Hakanson 提出的一種評價(jià)重金屬潛在生態(tài)危害的方法［7,18］。很多學(xué)者將其用于土壤重金屬污染評價(jià)［19］。計(jì)算公式如下：

表3 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of heavy metals potential ecological risk index

1.6 數(shù)據(jù)處理

描述性統(tǒng)計(jì)分析利用Excel 2016 和SPSS 22.0軟件完成，用MAP GIS 6.7 進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

如表4 所示，研究區(qū)土壤pH 值的范圍為4.56 ～7.72，平均值為5.77，整體屬于酸性土壤；8種土壤重金屬元素中除Cd 和Hg 外，其他元素的平均含量均低于廣東省土壤元素背景值。元素Cd 和Hg 的平均含量為分別為廣東省背景值的3.57 和1.96倍，其在研究區(qū)表現(xiàn)出了明顯的富集現(xiàn)象。

表4 研究區(qū)土壤重金屬含量特征Table 4 Characteristics of heavy metal contents in soil mg/kg

重金屬元素變異程度表現(xiàn)為Cu ＞As ＞Cr ＞Pb ＞Zn ＞Ni ＞Cd ＞Hg，均為中等變異。其中元素Cu 的變異系數(shù)為99.45%，十分接近強(qiáng)變異水平，表明研究區(qū)表層土壤中Cu 分布不均勻，受人為影響較大。元素Hg 的變異系數(shù)最小，表明Hg 相對于其它元素受外界干擾偏小。

2.2 土壤重金屬單項(xiàng)污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

對研究區(qū)內(nèi)8 種元素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)篩選，對Cd、Hg、As、Pb、Cr 進(jìn)行單項(xiàng)污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)果顯示 （表5），在189 件樣品中，有86.77%的樣品污染風(fēng)險(xiǎn)處于1 級水平，重金屬含量小于等于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其中Hg、As、Ni、Zn 含量均低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，表明土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低。所有樣品重金屬含量低于風(fēng)險(xiǎn)管制值，污染程度均未達(dá)到3 級。有13.2%的樣品污染風(fēng)險(xiǎn)等級處于2 級，表明可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤風(fēng)險(xiǎn)，原則上應(yīng)當(dāng)采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控。樣品中Cd 元素的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度明顯高于其他重金屬。

表5 土壤重金屬單項(xiàng)污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Table 5 Single pollution risk assessment of heavy metals in soil

2.3 土壤重金屬綜合污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

研究區(qū)重金屬綜合污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的結(jié)果顯示（表6），約93.12%的土壤樣品綜合污染指數(shù)在警戒線以下，安全的樣品占82.54%，輕污染和中污染分別占6.35%和0.53%，整體來看研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)較小。不同的土地類型綜合污染風(fēng)險(xiǎn)差異較大，其中以旱地污染風(fēng)險(xiǎn)最低，樣品全部處于安全狀態(tài)，果園狀況最差，有21.43%樣品存在輕污染。綜合污染風(fēng)險(xiǎn)從低到高整體排序?yàn)椋汉档?、水澆地、喬木林地、水田、果園。

表6 不同土地類型重金屬綜合污染風(fēng)險(xiǎn)Table 6 Comprehensive pollution risk of heavy metals in different land types

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

用潛在生態(tài)危害指數(shù)法來評價(jià)重金屬的污染程度，結(jié)果如圖2 所示。土壤樣品中7 種重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由高到低依次為Cd、Hg、Cu、As、Pb、Cr、Zn，其中Cu、As、Pb、Cr、Zn 處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，Cd 和Hg 主要集中在中等到強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，個(gè)別樣品Cd 元素處于極強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征Figure 2 Potential ecological risk characteristics of heavy metals in soil

研究區(qū)農(nóng)用地綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如表7 所示，區(qū)內(nèi)土壤樣品以輕微和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主，分別為37.57%、50.26%，強(qiáng)和很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占比偏小，分別為11.64%和0.53%。不同土地類型潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)差異較大，水澆地、旱地、喬木林地以輕微和中等風(fēng)險(xiǎn)為主，并且這兩種等級樣品數(shù)量較為接近。水田主要為中等風(fēng)險(xiǎn)，占比分別為67.74%，果園主要為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，占比為64.28%。僅有喬木林地個(gè)別樣品達(dá)到了很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級。

表7 不同土地類型重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Table 7 Potential ecological risk of heavy metals in different land types

2.5 土壤重金屬元素相關(guān)性和主成分分析

在同一研究區(qū)，如果重金屬元素之間存在相關(guān)性，表明它們可能具有相同的來源，否則來源可能不同［22］。從Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果來看（表8），除Hg 以外的7 種重金屬之間表現(xiàn)出了中等相關(guān)（0.50 ≤r＜0.8），其中Zn 與Cd、Pb、Cu 之間的相關(guān)系數(shù)r在0.8 以上，表現(xiàn)出了強(qiáng)相關(guān)，表明這7 種重金屬元素具有相近或者相同的來源。Hg 與各元素之間的相關(guān)性并不明顯，表明其來源并不相同。

表8 土壤中8 種重金屬之間的相關(guān)性分析Table 8 Correlation analysis of 8 heavy metals in soil

為進(jìn)一步查清重金屬來源，通過主成分分析法（PCA）做進(jìn)一步分析。主成分分析中KMO 檢驗(yàn)值為0.777，表明結(jié)果適合做主成分分析。主成分分析共提取出特征值大于1 的2 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)為76.58%，能夠反映出8 種重金屬數(shù)據(jù)的大部分信息，旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果如表9 所示。

表9 主成分分析結(jié)果及各變量的主成分載荷Table 9 The results of principal component analysis(PCA) and component loadings of the variables

主成分1 的貢獻(xiàn)為63.39%，主要包括Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 等7 種重金屬，主成分2 的貢獻(xiàn)度為13.19%，主要為Hg。分析結(jié)果表明8種重金屬的來源大體可以分為2 種，該結(jié)果與相關(guān)性分析的結(jié)果較為一致，其中主成分1 是當(dāng)?shù)剞r(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要影響因子。

3 討論

有研究表明，化工行業(yè)、金屬冶煉加工、礦產(chǎn)開采、交通運(yùn)輸、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)活動對土壤污染有一定貢獻(xiàn)［5-7］。湛江市東北部地區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬元素含量普遍低于廣東省土壤元素背景值，這與區(qū)內(nèi)農(nóng)用地附近礦產(chǎn)、化工產(chǎn)業(yè)偏少有一定關(guān)系。

研究區(qū)不同類型農(nóng)用地其重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有明顯的差別，以耕地里面的旱地狀況最好，以果園狀況最差，水田次之。區(qū)內(nèi)旱地土質(zhì)疏松，土壤空隙大，且降雨較多，有利于重金屬元素滲漏至深層土壤，加之當(dāng)?shù)睾档馗鞒潭鹊?，施肥量偏少，因此旱地生態(tài)狀況最好。果園主要種植荔枝和龍眼，在果樹生長、開花、結(jié)果、養(yǎng)護(hù)的過程中需要施用大量的肥料。盡管大部分常用肥料中重金屬含量不超標(biāo)［8］，但長期大量施用會加劇重金屬的富集，引起生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。水田中重金屬含量偏高，原因在于其土壤含水量高，顆粒偏細(xì)，透水性差，對重金屬的吸附能力較強(qiáng)。

Cd 和Hg 元素在研究區(qū)內(nèi)存在明顯的富集，由于其毒性系數(shù)大，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較其他元素明顯偏高，農(nóng)用地綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)偏高很大程度上是由于Cd、Hg 的富集引起的。有學(xué)者認(rèn)為農(nóng)用地Cd、Hg 污染來源包括施有機(jī)肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、大氣沉降、污水灌溉等［5,11-13,15］。研究區(qū)農(nóng)用地的耕作程度高，農(nóng)業(yè)活動較多，相關(guān)性和主成分分析顯示研究區(qū)Cd、Hg 的來源并不相同，Hg 變異系數(shù)低，受人為活動影響小，因此初步認(rèn)為Cd 主要來源于化肥、農(nóng)藥、有機(jī)肥的過量施用，Hg 主要來源于大氣沉降。

重金屬Cd 和Hg 應(yīng)作為當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)關(guān)注的污染元素，對生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)偏高的果園和水田，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)管控，采取合理的修復(fù)措施，改善土壤環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤pH 平均值為5.77，呈酸性，重金屬元素Cd 和Hg 存在明顯的富集，平均值分別為廣東省土壤元素背景值的3.57 和1.96 倍，As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 平均值低于廣東省背景值。

（2）研究區(qū)農(nóng)用地土壤樣品重金屬綜合污染指數(shù)在警戒線以下的占93.12%，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為輕微和中等的占87.83%；Cd 和Hg 是引起生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要元素，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)管控。

（3）相關(guān)性和主成分分析表明，研究區(qū)Cd、Hg 元素的來源不同，Cd 主要來源于化肥、農(nóng)藥、有機(jī)肥的過量施用，Hg 主要來源于大氣沉降。