长江口新成陆区域土壤重金属分布及风险评价

韩涛

摘要：为了解长江口新成陆区域土壤中重金属污染特征及其生态风险，对上海市横沙东滩71个采样点土壤中8种重金属（铜、铬、镍、锌、铅、镉、砷、汞）的含量进行检测和统计分析，并结合蒙特卡洛模拟对其生态风险进行评价。结果表明：① 表层土壤中重金属的含量由高到低依次为锌、铬、镍、铅、铜、砷、镉、汞，其平均值均低于上海市土壤背景值。铬、镍、锌、铅、汞服从对数正态分布，铜、镉、砷既不服从正态分布也非对数正态分布。② Hakanson潜在生态风险指数法评价结果表明，各重金属潜在生态风险因子高低顺序为汞>镉>砷>镍>铅>铜>铬>锌，8种重金属的潜在生态风险指数（RI）为36.80～150.96，处于轻微至中等生态风险水平，且以轻微生态风险水平为主（概率为93.34%）。ERL/ERM法评价结果表明，8种重金属时常发生生态风险的概率极小（<0.72%），镉、铅、锌、铜、汞、铬、砷很少或者无负面生态风险，而镍则偶尔发生生态风险（概率为95.04%）。8种重金属总体发生生态风险的等级和频率均较低，但部分重金属（如汞、镍）须予以一定关注。

关 键 词：土壤; 重金属; 蒙特卡洛模拟; 风险评价; 新成陆区域; 长江口; 上海市

中图法分类号： X82

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.008

0 引 言

长江三角洲地区是中国三大经济最发达的地区之一。以2019年为例，长三角地区国内生产总值占全国的23.9%。然而在经济快速发展的同时，人为活动（高度的工业化和城市化、污水废渣排放、农业径流等）给长江带来了巨大的环境压力，长江已经遭受了各种污染物的污染[1]。这些污染物可以通过富集和生物累积对人类和野生生物造成不利影响[2]，如致癌、破坏神经系统、扰乱内分泌等。河口区域在内陆河流和海水的交互影响下，常常作为污染物的汇集地，因此也受到各项研究的关注。目前对河口地区关注较多的为沉积物[3-4]，而对新成陆区域土壤的研究则较少。

土地资源是最宝贵的资源，也是城市赖以发展的基础，随着经济社会的高速发展，上海市对土地资源需求日益增长。2003年以前，长江年输沙量约为0.48亿t，但是随着三峡大坝的建成运行，大坝下游长江泥沙明显减少，输沙量锐减至0.17亿t[5]，沙土资源的短缺愈发严重，也减缓了泥沙沉积成滩成陆过程。作为“黄金水道”，长江的货运量占全国内河货运量的80%。大量货物的运输离不开深水航道，为了维护深水航道和解决土地需求矛盾，上海市积极探索并开展航道疏浚土造陆工程[6]。横沙东滩位于长江入海口最东端，原为滩涂，是长江口的三大浅滩之一。随着长江口深水航道疏浚土上岸和促淤工程的实施，部分区域逐渐成陆。自2003年以来横沙东滩促淤围垦工程先后开展了8期，其中3期工程于2010年完成，所涉及区域已为成陆区，不受潮汐动力变化的影响，目前部分区域长有大量芦苇及其他植被，小部分区域开展粮食种植试点研究。通常航道整治工程会对生态造成一定影响[7]。重金属具有在水中沉积物（或疏浚土）中累积的特性，当其转移至陆地时，疏浚土中吸附的重金属（如汞、镉等）可以通过食物链的传递对生态系统造成危害。因此，对疏浚土壤的生态安全利用问题亟待解决。

本研究通过对长江口横沙东滩新成陆区域土壤中的8项重金属进行测定，以上海市土壤背景值作为环境基准值，对土壤重金属的分布特征进行探讨，结合蒙特卡洛模拟对其生态风险进行评价，可为长江口新成陆区域土壤的可持续开发、生态保护和污染防治提供数据和理论支持。

1 研究区域概况

研究区位于上海市横沙岛尾东侧的横沙东滩，地理位置为31°17′N～31°22′N，121°51′E～121°55′E。横沙岛地处长江入海口，四面环水，东濒东海，北与崇明岛隔水相望，西毗邻长兴岛，南与浦东新区隔江相望。全岛地貌为江口平原类型，平均海拔2.8 m。属于北亚热带季风气候，温和湿润，年平均气温16.5 ℃，年平均總日照时数约1 640 h，年平均降水量约1 280 mm。横沙岛属平原感潮河网地区，受沿海潮汐影响，周围潮汐流向基本为往复流，属不规则浅海半日潮型。

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集

土壤样品参照HJ/T 166-2004《土壤环境监测技术规范》采集，用系统随机布点法将该新成陆区域以400 m×400 m的网格划分，每个网格内布设一个监测点位，用梅花点法采集混合样（即每个点位设置5个分点，各分点混合均匀后用四分法采集相应样品）。2020年10～11月，于长江入海口横沙新成陆区域采集深度为0～0.2 m土壤样品71个（见图1），同时采集了13个深度为0.8～1.0 m土壤样品，13个深度为1.3～1.5 m土壤样品（土壤剖面样品自下而上依次采集1.3～1.5，0.8～1.0，0～0.2 m样品，土壤剖面点根据分割的田块布设且相邻两个土壤剖面点位的间隔不小于600 m），以及相应的质量控制样。每个样品用竹刀切除与金属采样器接触的部分土壤后再采集，其原始质量不少于2 kg。样品采集完毕后，封装于棕色玻璃瓶中，置于4 ℃以下的冰箱中保存运送至实验室分析检测。

2.2 分析方法

分析指标为8项重金属（砷、铜、汞、镉、铅、锌、铬、镍）和土壤颗粒组成。其中pH采用HJ962-2018《土壤pH值的测定电位法》分析检测;镉、铅采用GB/T 17141-1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》分析检测;铬、镍、铜、锌采用HJ491-2019《土壤和沉积物铜、锌、铅、镍、铬的测定火焰原子吸收分光光度法》分析检测;汞、砷采用HJ680-2013《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》分析检测;土壤颗粒组成采用LY/T 1225-1999《森林土壤颗粒组成（机械组成）的测定密度计法》分析检测。647D1A98-8E9A-48E5-AA3B-BE2BCD2E46DB

2.3 评价与分析方法

2.3.1 Hakanson潜在生态风险指数法

Hakanson潜在生态风险指数法[8]的计算过程如下：

（1） 首先计算单个重金属污染系数（Cif），计算公式为

Cif=CiD/CiB（1）

式中：CiD为土壤样品中重金属的检测值，CiB为上海市土壤环境背景值。

（2） 计算单个重金属潜在生态风险因子（Eir），计算公式为

Eir=Tir×Cif（2）

式中：Tir为污染物毒性响应系数，铜、铬、镍、锌、铅、镉、砷、汞的毒性响应系数分别为5，2，5，1，5，30，10，40[9]。根据Eir值的大小，单一污染物的生态环境风险从低到高分为轻微（Eir<40）、中等（40≤Eir<80）、强（80≤Eir<160）、很强（160≤Eir<320）、极强（Eir≥320）生态危害5个等级。

（3） 计算多个重金属潜在生态风险指数（RI），其公式为

RI=ni=1Eir（3）

根据RI值的大小，多个重金属的潜在生态风险划分为轻微（RI<110）、中等（110≤RI<220）、强（220≤RI<440）、很强（RI≥440）生态危害4个等级。

2.3.2 效应区间低值及效应区间中值法

效应区间低值（Effect Range Low，ERL）及效应区间中值（Effect Range Median，ERM）法，即ERL/ERM法，常用于土壤和沉积物生态风险评价，若重金属的浓度低于ERL，可认为很少或者无负面生态风险。若重金属的浓度等于或者高于ERL但是低于ERM，可认为偶尔会发生生态风险;如果重金属的浓度大于ERM则认为生态风险会时常发生[10]。

2.3.3 蒙特卡洛法

蒙特卡洛（Monte-Carlo）法[11]是以数理统计和概率论为基础构建概率模型的随机抽样数值模拟方法，常用于生态风险评价中的不确定性分析。该方法基于变量的密度函数进行大量重复随机抽样，经模型计算可得到生态风险的概率分布及参数的敏感性等信息。

3 结果与讨论

3.1 土壤中重金属含量水平及分布特征

该长江口新成陆区域土壤样品的pH范围为8.00～9.34，为碱性-强碱性。由表1可以看出，表层土壤中重金属的含量由高到低依次为锌、铬、镍、铅、铜、砷、镉、汞，其平均值分别为61.758，54.828，27.352，13.879，13.445，6.109，0.081，0.061 mg/kg，均低于上海市土壤背景值。各重金属的最大检出值也低于GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中相应的风险筛选值。除铅外，其他7种重金属均有样品超过背景值，镍的超背景率最高（29.6%），这表明该长江口新成陆区域土壤可能受到外源性污染。

通过Crystal ball 11.1拟合，本次调查铬、镍、锌、铅、汞服从对数正态分布，汞的分布情况与上海市农田土壤的调查结果一致[12]。变异系数可以反映环境变量因人为因素影响的程度，根据数值大小可分为小变异（<15%）、中等变异（15%～36%）以及高度变异（>36%）[13]。本次调查的8种重金属的变异系数在18.3%～100.9%之间，其中铬、镍、锌、铅、镉、砷属于中等变异;铜、汞属于高度变异。汞的变异系数最高，为100.9%，这说明该长江口新成陆区域土壤中汞受人为因素影响程度最大，分布最不均匀。

除汞外，土壤中锌、镍、铜、铅、砷、镉、铬的含量均在0.8～1.0 m深度处最高，这可能是该层土壤（0.8～1.0 m）的粒度较小的缘故，土壤粒径的测试结果表明：0.8～1.0 m土壤、0～0.2 m土壤、1.3～1.5 m土壤中，黏粒粒径小于0.002 mm的百分比分别为20.8%，20.0%，18.1%;粉（砂）粒粒径为0.002～0.05 mm的百分比分別为64.4%，51.3%，45.8%。粒径越小，比表面自由能越强，对重金属的吸附容量也越大[14]。

3.2 土壤重金属污染状况及生态风险评价

Hakanson潜在生态风险评价结果见表2，铜、铬、镍、锌、铅、砷的潜在生态风险因子均小于40，仅为轻微生态风险等级;镉的潜在生态风险因子为8.70～45.65，为轻微-中等生态风险等级;而汞的潜在生态风险因子为8.00～120.84，为轻微-强生态风险等级。汞的潜在生态风险因子平均值最高（25.88），镉的潜在生态风险因子平均值次之（17.67），其他6种不同重金属的潜在生态风险因子由高到低依次为砷>镍>铅>铜>铬>锌，均为轻微生态风险。汞和镉的潜在生态风险系数变化区间较大，主要原因可能是汞和镉的污染物毒性响应系数较高。8种重金属综合潜在生态风险指数范围为36.80～150.96，对应的生态风险为轻微至中等，仅有6个点位存在中等风险（110≤RI<220）。根据RI平均值的计算结果（62.40）可知，该长江口新成陆区域土壤主要存在轻微生态危害。

采用Crystal ball 进行300 000次随机模拟抽样，基于蒙特卡洛模拟的综合潜在生态风险指数（RI）概率分布如图2所示，在95%置信水平下，拟合结果呈现对数正态分布。由表3可以看出，RI存在轻微生态风险的概率为93.34%，中等生态风险的概率为5.02%，强生态风险的概率为1.24%，而存在很强生态风险的概率仅为0.40%。根据每项重金属潜在生态风险因子的蒙特卡洛模拟结果，铜、铬、镍、锌、铅、砷存在轻微生态风险的概率为100%，而镉存在轻微生态风险的概率为99.67%，存在中等生态风险的概率为0.33%。汞存在轻微、中等、强、很强、极强生态风险的概率分别为85.31%，8.82%，3.74%，1.48%，0.65%。647D1A98-8E9A-48E5-AA3B-BE2BCD2E46DB

根据潜在生态风险指数RI预测值的敏感度分析结果（见图3），对RI起主导作用的是汞和镉，其敏感度分别为74.65%，20.67%。这可能与不同重金属的毒性响应系数有关，汞、镉的毒性响应系数分别为40，30，均高于其他几种重金属。因此，控制该新成陆区域土壤生态风险的关键在于降低土壤中汞、镉的含量，可以通过种植汞、镉富集植物如苎麻[15]、伴矿景天[16]等方式实现调控。

对于该长江口新成陆区域土壤，69个样品中镍的检测值位于ERL～ERM之间;16个样品中铬的检测值在ERL～ERM之间;对于砷、汞、铜，分别有11，10和1个样品的检测值位于ERL～ERM之间，但所有样品8种重金属的检测结果均小于ERM（见表4）。因此，基于实测结果，镍、铬、砷、汞、铜可能会偶尔发生生态风险，锌、铅、镉很少存在生态风险，8种重金属均不存在时常发生生态风险的情况。

基于蒙特卡洛模拟的ERL/ERM法评估结果表明，汞时常发生生态风险的概率最大，为0.72%;其次是镍和铬，分别为0.17%，0.01%;铜、锌、铅、镉、砷时常发生生态风险的概率则为0。镍、砷、铬、汞、铜、锌、铅、镉偶尔发生生态风险的概率分别为95.04%，11.72%，9.92%，7.43%，1.06%，0.11%，0.03%，0。镉、铅、锌、铜、汞、铬、砷、镍很少或者无负面生态风险的概率分别为100%，99.97%，99.89%，98.94%，91.85%，90.07%，88.28%，4.79%。因此，该长江口新成陆区域土壤中8种重金属时常发生生态风险的概率极小;镍、砷、铬、汞偶尔发生生态风险概率不容忽视（均大于5%），需予以关注;镉、锌、铅、铜则很少发生生态风险。

对比两种生态风险评价方法，Hakanson潜在生态风险指数法将重金属的背景值和毒性[17]纳入了评估计算，考虑了研究区域的地域特征，具有一定的针对性，而ERL/ERM法则采用固定值進行评判，评价方式简单明了，在一定程度上较客观地反映生态风险。Hakanson潜在生态风险指数法可反映土壤中污染物发生生态风险的等级，ERL/ERM法则侧重土壤发生生态风险的频率，采用实测数据两种方法均可以实现对个别点位的生态风险评价，有利于具体区域土壤修复的开展，但是由于土壤是非均质多相体系，实际样品采集过程中存在随机性，样品采集的数量也有限，因此在采用实测数据进行评价时，可能疏漏极端状况，同时也缺乏对研究区域整体状况的把握，而两种方法与蒙特卡洛模拟相结合可以在一定程度上弥补这方面的不足，并可以给出发生相应生态风险等级的概率。

4 结 论

该长江口新成陆区域土壤中不同重金属的含量存在差异，铬、镍、锌、铅、汞服从对数正态分布。由于毒性的差异，重金属含量的高低与其所造成的生态风险的大小并不一致。Hakanson潜在生态风险指数法评估结果表明，土壤中各重金属以轻微生态风险为主（概率为93.34%），其中汞对生态风险的贡献最大（敏感度为74.65%），而其处于中等-极强生态风险水平的概率为14.69%。ERL/ERM法评价结果则表明8种重金属时常发生生态风险的概率极小（概率均不大于0.72%），其中汞时常发生生态风险的概率最大（0.72%），镍偶尔发生生态风险的概率较大（95.04%）。两种方法与蒙特卡洛模拟相结合均可以识别出潜在的生态风险，得到对应生态风险等级发生的概率。由于该新成陆区域后期规划为耕地，建议通过替代种植（如种植重金属积累能力弱的果菜类和豆类作物）、轮间套作等农艺调控措施实现地块的安全利用，或者通过用富集植物修复的方式降低土壤中汞、镍等重金属的生态风险。

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（编辑：刘 媛）

Distribution of heavy metals in soil of newly formed land area at Yangtze River Estuary and risk assessment：case of East Hengsha Shoal，Shanghai City

HAN Tao1，2

（1.Shanghai Geotechnical Engineering and Geology Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200072，China; 2.Technology Innovation Center for Land Spatial Eco-Restoration in Metropolitan Area，Ministry of Natural Resources，Shanghai 200003，China）

Abstract：

In order to understand the characteristics and ecological risks of heavy metal pollution in the soil of the newly formed land areas at the Yangtze River Estuary，8 kinds of heavy metals （Cu，Cr，Ni，Zn，Pb，Cd，As，and Hg） in the soil of 71 sampling points in East Hengsha Shoal of Shanghai City were detected and statistical analyzed，combined with Monte Carlo simulation to estimate the ecological risk.The results showed that：① The concentration levels of heavy metals in the surface soil followed the sequence from highest to lowest as Zn，Cr，Ni，Pb，Cu，As，Cd，and Hg，and their average values were all lower than the soil environmental background values of Shanghai City.The concentrations of Cr，Ni，Zn，Pb，and Hg obeyed a lognormal distribution，while Cu，Cd，and As did not obey a normal distribution nor a lognormal distribution.② The evaluation results of the Hakanson potential ecological risk index method showed that the potential ecological risk factors of various heavy metals ranked as ：Hg> Cd> As> Ni> Pb> Cu> Cr> Zn.The potential ecological risk index （RI） of the 8 heavy metals was 36.80～150.96，at the stage of slight to medium ecological risk，and RI was mainly at a slight ecological risk level with a probability of 93.34%.The evaluation result of the ERL/ERM method claimed that the probability of frequently occurrence of ecological risks for 8 heavy metals was extremely low （<0.72%）.Cd，Pb，Zn，Cu，Hg，Cr，and As had little or no negative ecological risks，while Ni occasionally had ecological risks （the probability was 95.04%）.The overall level and frequency of ecological risks of the 8 heavy metals were relatively low，while some heavy metals such as Hg and Ni required certain attentions.

Key words：

soil;heavy metals;Monte Carlo simulation;risk assessment;newly formed land area;Yangtze River Estuary;Shanghai City647D1A98-8E9A-48E5-AA3B-BE2BCD2E46DB