改革开放40年来珠江三角洲表土养分和重金属含量变化

钟霆堃, 付淑清, 吴翼, 陈军, 陈正学, 王加昇

改革开放40年来珠江三角洲表土养分和重金属含量变化

钟霆堃1,2,3, 付淑清2,3,*, 吴翼4, 陈军2, 陈正学5, 王加昇1

1. 昆明理工大学国土资源工程学院, 昆明 650093 2. 广东省科学院广州地理研究所, 广东省遥感与地理信息系统应用实验室, 广东省地理空间信息技术与应用公共实验室, 广州 510070 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广州 511458 4. 中国科学院南海海洋研究所, 边缘海与大洋地质重点实验室，广州 510301 5. 建材昆明地质工程勘察院, 昆明 650118

主要基于上世纪八十年代以来的土壤调查报告、专著和文献资料的收集整理, 针对珠江三角洲地区表层土壤的酸碱度、土壤养分(有机质、氮、磷、钾)和重金属含量等指标做统计, 按照1980—2000年、2001—2010年和2011—2019年三个阶段, 分析改革开放以来该地区的土壤环境质量演变特征。结果显示, 近40年来, 珠江三角洲地区的表层土壤呈现了酸化的趋势, 有机质、氮、磷、钾素含量波动较大, 多数重金属元素表现出逐渐富集的特征。虽然近年的土壤环境质量在某些方面已开始呈现改观趋势, 但潜在生态风险依然较强, 土壤环境保护和修复工作依然任重道远。

表层土壤; 环境质量; 珠江三角洲; 近四十年

0 前言

珠江三角洲位于广东省中南部(图1),濒临南海, 是目前我国经济最发达和人口最密集的地区之一。改革开放之前, 珠江三角洲是广东省著名的鱼米之乡, 农业和水产养殖业等占据主导地位。改革开放以来, 凭借国家给予“先行一步”的特殊政策以及毗邻港澳的优势, 三角洲地区社会经济快速发展, 工业化与城乡一体化进展在全国遥遥领先[1]。然而, 粗放型的发展模式也引发了大气、水和土壤环境质量日益下降等“后遗症”[2,3]。

土壤环境质量是指在一定的时间和空间范围内, 土壤自身性状对其持续利用以及对其他环境要素, 特别是对人类或其他生物的生存、繁衍以及社会经济发展的适宜性[4]。处于大地表层的土壤, 长期以来一直是许多废弃物的受纳者, 如污水、垃圾、粉尘、污泥、矿渣、化肥、农药等等, 进入土壤的各种污染物会参与到土壤生态系统循环, 对环境和人体产生潜在危害[5-7]。但由于土壤环境污染的隐蔽性特点, 使其在很长一段时间以来没能引起足够的重视, 直到一些环境事件集中爆发, 土壤环境安全问题在社会经济发展中所处的重要地位开始被社会各界所认识[8]。随之, 调整产业结构、优化产业布局、强化工业污染整治、合理使用农药和化肥等一系列环保措施被逐步实施, 环境质量改善更被纳入我国“十三五”环保规划的考核目标。总之, 改革开放40年来, 社会经济发展经历了从早期的重经济轻环保到如今的环保与经济发展并重的转变, 在此过程中, 环境质量也随之发生着变化。本文主要基于数十年来珠江三角洲地区的土壤环境调查数据, 通过统计分析和分阶段比较, 以期了解改革开放40年来珠江三角洲的土壤环境质量变化情况, 进而为粤港澳大湾区的发展规划提供依据。

图1 珠江三角洲区域范围图

Figure 1 The map of the Pearl River Delta region

1 材料与方法

1.1 数据来源

土壤环境质量评价涉及土壤酸化、土壤肥力、土壤污染等诸多问题。本项工作中, 作者收集了二十世纪八十年代以来发布的珠江三角洲地区表层土壤(其中以农业土壤为主)pH值、有机质、全氮、全磷、全钾以及重金属含量数据, 数据主要来源于调查报告、专著和文献等。对收集到的全部数据进行梳理, 最终仅使用有标注样本采集时间的数据。

1.2 统计与分析方法

将数据集划分出1980–2000年、2001–2010年和2011–2019年三个阶段, 阶段归属按照样本采集时间(非文献出版时间)划定。文中分别用散点图、阶段平均值反映各阶段的土壤环境指标特征, 并参照第二次全国土壤普查标准值(表1)和2018年生态环境部发布的土壤环境质量新标准《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中土壤污染风险筛选值和管制值(表2), 分析近40年来的土壤环境质量变化。鉴于珠江三角洲的土壤pH值以5.5–6.5为主, 参照标准文件, 表2中土壤重金属污染风险筛选值和管控制值选取pH值为5.5–6.5条件下其他土壤的标准值。

表1 第二次土壤普查广东土壤分级标准[5]

2 结果与分析

2.1 土壤酸碱性变化

土壤的酸碱性一般以pH值表示。按照pH值大小, 一般将土壤酸碱度分为强酸性、酸性、中性、碱性和强碱性五个等级(表1)。土壤养分的形成、转化和有效性、土壤微生物活动、植物的生长发育均与土壤的酸碱度密切相关, 同时pH值也是影响土壤中重金属迁移的主要因素[5,9], 因此, 土壤酸碱性是影响土壤质量的重要因素。

上世纪七八十年代的第二次土壤普查结果表明, 珠江三角洲地区的土壤pH值多在5.5–6.5之间[5]。本次数据统计结果显示, 该地区近40年间表层土壤的pH值平均在4–7.5之间, 其中又以5–6.5居多(图2, 数据来源于文献[10-23]), 反映区内始终以酸性土壤为主。分阶段对比发现, 1980–2000年pH值平均为6.06, 为三个阶段中最高; 2000年后, 土壤pH值平均水平降低, 指示土壤出现了酸化的趋势(表3)。三个阶段中, 尤其以2001–2010阶段的pH值最低, 之后又有所上升。

2.2 土壤养分含量变化

土壤养分泛指土壤中被植物生长所必须的营养成分, 包括有机质、氮、磷、钾素等。按照第二次土壤普查标准, 广东省土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量分别被分为六个等级(见表1)。

2.2.1 土壤有机质含量变化

土壤中的有机质是土壤的重要组成部分, 是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源, 也是改善土壤理化性质的重要因素[5,24-25]。据第二次土壤普查结果, 珠江三角洲地区的土壤有机质含量在1%–3%之间[5]。本次统计结果显示, 近40年来, 该地区表层土壤中有机质的平均含量一直在1%–3%之间波动, 且以2%–3%(三级)的占据绝对优势(图3,数据来源于文献[10-13],[15-16],[18-20],[23],[26-28])。分阶段对比则发现, 在1980–2000和2011–2019两个阶段中, 区内表层土壤的有机质平均含量均在2%以上, 且后者相对前者略有增长。中间阶段(2001–2010)的平均水平相对较低, 平均仅为1.76%。

2.2.2 土壤氮、磷、钾含量变化

土壤中的氮、磷、钾是植物生长所需的三大营养元素, 其含量特征也是评价土壤质量的重要因素。据第二次土壤普查统计, 广东省全省的土壤全氮含量平均为1.24 mg·kg-1, 全磷含量平均为0.87 mg·kg-1, 全钾含量平均为21.6 mg·kg-1, 其中珠江三角洲地区的土壤全氮、全磷和全钾含量分布极不均匀, 从一级到六级均有分布[5]。由图2可见, 在近40年间, 三角洲表层土壤的全氮平均含量主要介于1 mg·kg-1– 1.5 mg·kg-1之间, 以三级为主; 全磷的平均含量多在0.4 mg·kg-1–0.8 mg·kg-1之间, 以五级为主; 全钾的平均含量介于10 mg·kg-1–25 mg·kg-1之间, 但以15 mg·kg-1–20 mg·kg-1占据多数。分阶段来看(表3),其中1980–2000与2011–2019两个阶段的全氮平均含量相当, 均在1.5 mg·kg-1左右; 2001–2010阶段最低, 平均含量仅1.06 mg·kg-1。三个阶段中表层土壤的全磷含量平均水平均在五级范围, 未发生显著变化。全钾含量在1980–2000和2001–2010两个阶段相当, 均在20 mg·kg-1左右, 应以二级和三级为主; 2011–2019阶段土壤含钾量发生较明显降低, 平均仅为15.62 mg·kg-1。

2.3 土壤重金属含量变化

2.3.1 重金属含量40年变化

土壤环境中的重金属污染通常指Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg等元素的污染。重金属在土壤中具有累积性且难以在短时间内修复, 潜在危害性强, 因而受到越来越多的关注[30]。珠江三角洲的土壤已受到不同程度的重金属污染[31], 土壤重金属安全也是该区域农业可持续发展和环境质量改善中的重要问题[32-36]。

珠江三角洲表层土壤40年重金属元素含量数据统计结果见表3和图4(数据来源于文献[6],[10],[13-14],[22-23],[29],[37-39],[41-49])。结果显示, 区内表层土壤中重金属元素的含量始终表现为Zn >(Cr/ Pb)> Cu > Ni > As >(Cd / Hg), Cr与Pb、Cd 与 Hg的含量常常相当。从图3可见, 近40年间, 三角洲表层土壤中的Pb、Cr和Hg平均含量变化幅度相对较小, 且平均含量均低于土壤污染风险筛选值; Zn、Cu、Ni、As和Cd有逐渐累积的趋势, 但Ni和As的平均含量仍低于污染风险筛选值, Zn、Cu和Cd的平均含量部分超过了污染风险筛选值, 且主要发生在近十年间, 但尚低于风险管制值。另外, 在表3当中, 2001– 2010阶段的重金属平均含量明显较前后两个阶段偏低的现象, 很可能与珠江三角洲经济区多目标区域地球化学调查数据统计中去除了异常值有关[13]。

注: 数据来源于文献[10-23]。

Figure 2 The variations of pH of surface soil in the Pearl River Delta region for 40 years

表3 近40年珠江三角洲表层土壤环境指标统计表

注: 数据来源于文献[10-13],[15-16],[18-20],[23],[26-28]。

Figure 3 The variations of contents of surface soil nutrients in the Pearl River Delta region in recent 40 years

注: 数据来源于文献[6],[10],[13-14],[22-23],[29],[37-39],[41-49]。

Figure 4 The Variation characteristics of heavy metal contents of surface soil in the Pearl River Delta region in recent 40 years

2.3.2 近10年间的表层土壤重金属富集状态

据以上的统计分析, 2011–2019近十年间的珠江三角洲表层土壤中多数重金属元素已较前期发生了一定程度的累积。将该阶段表土中各重金属元素的平均含量与广东省土壤背景值[5]和中国土壤背景值[50]相比较发现, 除Cr、Ni的平均含量低于广东省土壤背景值和中国土壤背景值之外, As、Hg、Cd、Pb、Zn和Cu在珠三角表土中的含量均高于广东省和中国的土壤背景值, 特别是Cd、Hg、Zn和Cu。以区域内深层土壤的重金属含量[13]作为母质层本底值, 对比则发现, As、Hg、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni八个重金属元素在表层土壤中的含量均高于母质层, 即, 外源输入已导致了表土中的重金属发生明显富集。

3 讨论

对于人类而言, 土壤是一种极为重要且富有生命的有限资源, 土壤环境质量保护是社会经济持续发展和人类生存所面临的一项重要任务[4]。在自然状态下, 土壤的酸碱性、养分含量、化学元素丰度等主要受土壤发育基质、气候、植被、地形地貌等条件的影响, 而在有人类活动参与的情况下, 土地利用方式的改变、耕作措施、施肥与灌溉、污染物排放等, 都会对土壤的理化性质产生影响并使其发生变化[51]。人为因素造成的土壤环境恶化已成为越来越不容忽视的环境问题。

上述的统计分析结果显示, 近40年来, 珠江三角洲地区的表层土壤呈现出了酸化的趋势, 有机质、氮磷钾素含量发生较大波动, 重金属元素发生富集, 这些变化的产生, 更多的应是人为因素影响的结果。改革开放以来, 三角洲地区的人口数量急剧增加, 人类活动区域大幅扩张, 生产活动强度增大, 植被破坏, 大量原有耕地被改造成工业和住宅用地, 工业和交通业的快速发展导致大量污染物排放, 农业生产中大量化肥和农药的施用以及不合理的耕作管理措施等等, 都是导致土壤环境质量下降的重要因素[52-56]。早期的粗放型发展模式和薄弱的环保意识, 最终导致土壤环境严重恶化。随着社会经济向纵深推进, 社会各界对生态环境保护的认知不断加深, 一系列的环保政策和措施逐步出台并被落实, 土壤环境质量开始呈现改观趋势, 例如, 据以上统计, 2011–2019阶段的土壤酸度、有机质平均含量都较2001–2010阶段有所改善, 土壤中部分重金属元素的含量也得到了一定程度的控制, 没有发生明显的再累积。但这并不意味着土壤环境质量已得到有效改善, 多数重金属元素仍然表现出了逐渐累积的特征, 虽然目前表土重金属平均水平尚低于污染风险管控值或筛选值, 但潜在生态风险依然较强。

图5 2011–2019阶段珠江三角洲表层土壤重金属含量的平均状态

Figure 5 The average conditions of heavy metal contents in surface soil of Pearl River Delta region during 2011–2019

最后, 由于三角洲地区的地形及母质变化复杂, 土壤的自然理化特征存在显著的区域差异, 加之人类活动范围和强度分布的不均匀性, 导致土壤质量也具有明显的区域不均一性。不同时期的土壤调查工作, 也会在采样密度、样品加工均匀性、分析测试准确度、精度等方面存在一定的差异。此外, 几十年来, 大量农用和林业土地被作为工业和商住用地, 也不利于土壤环境质量的原位纵向对比, 因此, 以上基于有限的文献数据的整理和统计分析结果, 依然存在很大的不足。土壤环境监测、保护和修复工作依然任重道远。

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Variations of the contents of surface soil nutrition and heavy metals in the Pearl River Delta in the past 40 years of reform and opening up, China

ZHONG Tingkun1,2, FU Shuqing2,3,*, WU Yi4, CHEN Jun2, CHEN Zhengxue5, WANG Jiasheng1

1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2.Key Lab of Guangdong for Utilization of Remote Sensing and Geographical Information System, Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510070, China 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China 4. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China 5. Kunming Building Materials Institute of Geological Engineering Investigation, Kunming 650118, China

The main purpose of this article is to analyze the changes in soil environmental quality in the Pearl River Delta region during the last 40 years of reform and opening-up. Data including pH, soil nutrients (organic matter, total nitrogen, total phosphorus, and total potassium) and heavy metal contents since the 1980s were mainly from soil survey reports, monographs, and research papers. The statistics and analysis were based on three stages of the 1980-2000, 2001-2010, and 2011-2019. The results demonstrate that in the last 40 years, there was a trend towards acidification of surface soil in the Pearl River Delta area and the soil nutrients contents fluctuated obviously. Besides, most heavy metals showed the characteristic of gradual enrichment. Even though soil environmental qualities have begun to become better in some aspects in recent years, the potential ecological risk remains strong and more effort should be paid in soil environment protection and remediation.

surface soil; environmental qualities; Pearl River Delta; 40 years

钟霆堃, 付淑清, 吴翼, 等. 改革开放40年来珠江三角洲表土养分和重金属含量变化[J]. 生态科学, 2021, 40(4): 19–26.

ZHONG Tingkun, FU Shuqing, WU Yi, et al. Variations of the contents of surface soil nutrition and heavy metals in the Pearl River Delta in the past 40 years of reform and opening up, China[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 19–26.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.003

X825

A

1008-8873(2021)04-019-08

2020-01-03;

2020-02-18

广州市科技计划项目(201707010417); 广东省自然科学基金项目(2017A030311020; 2016A030313160); 广东省科学院项目(2016GDASRC- 0209; 2020GDASYL-20200401001; 2020GDASYL-20200301003); 广东省科技计划项目(2018B030324002); 南方海洋实验室人才项目(GML2019ZD0301)

钟霆堃(1994—), 男, 四川内江人, 在读硕士研究生, 主要从事环境地质研究, E-mail:1719714163@qq.com

付淑清, 女, 博士, 副研究员,主要从事环境地质研究, E-mail:fsq519@163.com