上海松江某复垦工业地块土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估

张 惠

（上海市岩土工程检测中心有限公司，上海 200436）

为严守全国18亿亩耕地保护红线，上海基于自身资源情况，2014年以来累计通过低效建设用地减量化复垦新增了90 km2耕地。2022年我国启动第三次全国土壤普查，耕地是重要的普查对象。当前，上海积极探索大都市区耕地资源“数量、质量、生态、人文、景观”五位一体保护之路[1-3]。复垦工业地块作为补充耕地资源，其质量和生态状况关乎农产品安全和人体健康[4-5]。

工业活动产生的各类污染物，尤其是重金属，会在土壤中不断累积，且主要富集在土壤表层[6-8]，严重影响土地后续利用。复垦地块土壤重金属的调查评估大多针对矿区复垦土地[9-11]、宅基地复垦土地[12]等，且多仅针对重金属含量开展评价，鲜少对复垦工业地块的污染特征、潜在生态风险及其空间分布特征做全面性评估。基于重金属含量及其生物毒性的潜在生态风险评估在近年来逐步得到应用[7-9,13-16]，是对传统上从土壤重金属含量的角度进行农用地土壤环境管理的补充。通过此类评估并拟合空间分布，可科学识别农用地土壤污染风险管控的重点对象和重点区域，强化生态风险评估成果应用。因此，开展关于复垦工业地块土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估具有十分重要的意义。

本文以上海市松江区某复垦工业地块为研究对象，采用地积累指数法和潜在生态风险指数法，评估土壤中8项重金属的污染特性，并结合重金属毒性参数表征其综合生态效应，同时采用地理信息系统软件拟合重金属含量及生态风险空间分布，对复垦工业地块土壤状况进行全面评估，以期为农用地土壤污染防治、农产品安全管理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于上海市松江区，该区地处长江三角洲前缘河口滨海平原，属于北亚热带季风气候区，温度适宜，降雨量充足，日照充分，无霜期长，对发展农业有益。区内粮食生产面积约15.05万亩（约100.38公顷），近两年粮食年均产量8.75万吨，是我国商品粮和本市副食品生产基地之一。

本次研究对象为松江区某复垦工业地块，该地块占地面积为123565 m2，历史上用作工业用地，主要从事各类钢结构加工修造，行业类型为金属结构制造（行业代码：3311），拟复垦为耕地。

1.2 采样点位布设

复垦工业地块内退役工厂成立时间较为久远，第一阶段调查未能收集到厂区平面布局等相关信息。类比同时期同行业工厂信息，结合上海市地方志检索结果，退役工厂主要使用钢板、钢筋等原料，焊条、油漆、煤炭等辅料，使用切割机、压板机、弯管机、吊机、轨道、锅炉等机器设备，通过钢材预处理、下料切割、管加工、分段制造等生产工序进行钢结构加工修造，不涉及电镀、冶炼等重点产污工序。生产过程中主要产生切割粉尘、焊接烟尘、燃煤烟气、油漆挥发等生产废气，切割下料污水、分段拼装污水等生产废水，钢材下脚料、废焊条、废油漆桶等工业固体废物。从遥感影像可以看出，生产活动基本覆盖整个地块，厂房集中分布在地块东部，其他区域主要为露天作业/堆存区。

本次调查采用专业判断结合系统布点法，将20个采样点（S28、S75等）布设在原厂房区域（结合历史影像），S6、S7、S43采样点布设在原工业固废堆放区（踏勘时发现），S62采样点布设在原废油漆桶堆放区（踏勘时发现），其他采样点布设在露天作业/堆存区（结合历史影像），共计布设了78个土壤采样点。复垦工业地块范围及点位布设详见图1。

图1 复垦工业地块范围及点位布设Fig.1 The reclaimed industrial site and sampling points

1.3 样品采集与分析

本研究主要针对复垦工业地块表层土壤重金属。现场采样期间，地块处于空置状态，地表未覆土、未翻耕，表层土壤环境质量可直观反映工业活动对地块土壤环境的影响。采集0～50 cm表层土壤样品送至必维申美商品检测（上海）有限公司，测定重金属元素镍、镉、铬、铅、砷、铜、汞、锌。镉和铅的测定采用石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T 17141-1997），铜、锌、镍、铬的测定采用火焰原子吸收分光光度法（HJ 491-2019），汞和砷的测定采用微波消解/原子荧光法（HJ 680-2013）。

1.4 评估方法

本研究采用地积累指数法定量表征复垦工业地块表层土壤重金属的污染程度，采用潜在生态风险指数法评估其生态风险。

（1）地积累指数法

地积累指数（Igeo）用于定量表征重金属污染程度，其计算方法为：

式中：Cn为污染物n在土壤中的实测含量；Bn为污染物n的土壤背景值，本研究采用上海市土壤环境背景值[4,6,7,17]；K是考虑了由于成岩差异可能引起背景值变动而设置的常数，一般取值为1.5[13,18]。计算出的地积累指数结果按照分级标准评定污染程度，表1列示了Igeo的等级划分[13-14]。

表1 地积累指数(Igeo)等级划分Table 1 Grading standards of the geo-accumulation index (Igeo)

（2）潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法[19]考虑了污染物类型、含量、致毒水平和生态效应等多种因素的协同影响，用于评估污染物潜在生态风险，可有效反映其生物有效性及农产品质量安全，并能综合反映多个污染物对生态环境的潜在协同影响。该法评价重金属污染物的单因子生态风险（）和综合生态风险（RI）计算式为：

表2 潜在生态风险指数等级划分Table 2 Grading standards of potential ecological risk index

1.5 数据处理

重金属元素含量的修约依据检测方法要求保留。运用Microsoft Excel软件对数据进行统计分析，采用ArcGIS 10.2中反距离权重法进行分析制图，直观表征出重金属含量、生态风险的空间分布。

2 结果与讨论

2.1 重金属污染特征分析

（1）重金属含量情况

复垦工业地块表层土壤样品中8项重金属（镉、铅、铜、锌、镍、汞、砷、铬）的检出情况如表3所示。8项重金属在地块表层土壤样品中均有检出。与上海市土壤环境背景值[17]相比，地块表层土壤样品中铜、锌、砷、铬的平均含量高于背景值，分别是背景值的1.07、1.08、1.09、1.36倍，铜、锌、砷、铬累积明显。8项重金属的最大含量均高于背景值，重金属存在不同程度的累积。对标《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）[22]，地块表层土壤样品中镉、铅、铜、锌、镍、汞、铬的含量均低于风险筛选值。S69、S35采样点表层土壤样品中砷的含量分别为26.8 mg/kg、23.5 mg/kg，超过风险筛选值（20 mg/kg），超标倍数分别为0.34、0.17，未超风险管制值。

重金属在复垦工业地块表层土壤中累积并存在一定程度的超标，与地块内退役工厂从事金属加工活动有关。变异系数反映了各采样点重金属含量的离散程度，进而判断是否受到人为活动影响。由表3可知，地块表层土壤重金属的离散程度分别为：汞＞砷＞镉＞锌＞铬＞镍＞铜＞铅。根据变异程度分类[13,18]，汞和砷属于高变异（变异系数＞36%），且明显高于上海市土壤环境背景值统计数据（汞、砷的变异系数分别为59.54%、31.91%）[17]，单因子检出值相差较大，说明可能受到人为活动的影响[18,23]。镉、锌、铬基本属于中等变异，镍、铜、铅变异程度较低。结合退役工厂原辅料和生产工艺，铜和锌等重金属被用作金属加工的原料，铅、镉、铬、汞作为油漆中的主要有毒有害物质，铅、锌、铬、镍、铜作为焊接烟尘中的主要污染因子，砷和汞作为燃煤烟气中的主要污染因子，上述重金属通过“三废”排放累积于地块表层土壤中并产生较大的污染风险[7,15,24,25]。相关研究[4,6,26]也发现涉及金属加工等行业的工业场地，土壤中铜、锌、铬、铅、镍、砷等重金属存在不同程度的污染累积。

表3 表层土壤样品8项重金属的检测结果Table 3 The testing results of heavy metals in surface soil samples

（2）重金属含量空间分布

复垦工业地块表层土壤样品中8项重金属含量空间分布情况见图2。由图2可直观看出，地块表层土壤样品中8项重金属含量空间分布差异程度分别为：镉、锌、汞、砷空间分布差异明显，镍和铬空间差异次之，铜和铅最后。这一结论与变异系数（表3）的表征情况基本一致。地块表层土壤样品中锌、砷高含量区分布比较零散；西南部S45采样点表层土壤样品中锌的含量明显高于地块其他区域，可能是该区域长期堆放固体废弃物导致锌的明显累积；东南部S35、S69采样点表层土壤样品中砷的含量明显高于地块其他区域，上述采样点位于厂房区域，可能是长期工业生产导致砷的明显累积。其他重金属呈现出不同程度的区域性分布规律，可能是生产活动基本覆盖地块，或者土壤重金属的富集主要来自大气沉降。镉的高含量区主要分布在地块西部、西北部，东部有零星分布，大体呈现出西部＞东部趋势；汞的高含量区主要分布在地块东部，大体呈现出东部＞西部趋势。铅、铜、铬和镍的含量在空间分布上（除地块西边界区域外的其他区域）具有较强的伴生性[18]。

图2 表层土壤样品8项重金属含量空间分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal content in surface soil samples

（3）重金属地积累指数法结果

采用地积累指数（Igeo）对复垦工业地块表层土壤样品中8项重金属的污染程度进行评价，结果见表4。地块表层土壤样品中8项重金属元素的Igeo平均值均小于0，即地块总体上处于无污染等级。其中，铜、铅、镍的Igeo最大值也均小于0，地块内铜、铅、镍处于无污染等级。镉、锌、汞、砷、铬的Igeo平均值虽然均小于0，但存在部分采样点Igeo大于0的情况，部分区域已达到轻度—中度污染，污染等级为1级，污染点位频率分别为3.85%、1.28%、5.13%、19.23%、17.95%，其中砷和铬的1级污染点位频率明显高于其它重金属。从地积累指数来看，复垦工业地块部分区域表层土壤中重金属存在不同程度的污染。

表4 表层土壤样品8项重金属地积累指数(Igeo)分级及频率分布Table 4 The geo-accumulation index (Igeo)’s grading and frequency distribution of heavy metals in surface soil samples

2.2 重金属潜在生态风险分析

采用潜在生态风险指数法对复垦工业地块表层土壤样品中8项重金属的潜在生态风险进行评估，结果见表5。镉、铅、铜、锌、镍、汞、砷、铬的单因子生态风险（Ei）平均值分别为28.44、4.89、5.33、1.08、4.84、22.30、10.93、2.73，潜在风险水平从大到小为：镉＞汞＞砷＞铜＞铅＞镍＞铬＞锌。8项重金属综合生态风险（RI）平均值为80.54。地块潜在生态风险总体处于低风险水平。闵行区某金属加工工业用地[15]镉、铅、铜、锌、镍、汞、砷、铬的Ei分别为27.80、4.31、4.09、1.29、4.75、37.28、7.08、1.17，RI为87.78，与本研究评估结果差别不明显。吴健[4]、李晓曼[6]、徐志豪[8]等人的研究则与本研究评估结果相差较大。相同行业类型下，企业生产年限、环保管理水平等因素综合影响下，各复垦工业地块污染风险存在差异。

表5 表层土壤样品8项重金属元素Ei和RI指数Table 5 Ei and RI index of heavy metal elements in surface soil samples

值得注意的是，地块部分采样点存在中等生态风险危害。14个采样点（S4-汞、S7-镉、S12-镉、S22-镉、S30-汞、S35-汞、S36-汞、S38-汞、S55-镉、S64-汞、S67-汞、S73-汞、S76-汞、S77-汞）的Ei值大于40；21个采样点（前述14个、S1、S14、S27、S40、S66、S69、S78）的RI值大于90；单因子和综合潜在生态风险均处于中等水平。将处于中等风险的采样点位潜在生态风险评价结果梳理如图3所示。

由表5和图3可以看出，镉和汞的风险贡献率明显高于其他6项重金属，其中，S4、S36、S38和S76采样点表层土壤样品中镉和汞两项重金属累积的潜在生态风险已处于中等风险水平。本次评估结果表明，镉和汞表现出较强的潜在生态风险，砷、铜、铅、镍、铬、锌的潜在生态风险较弱。这一结论与其他研究相一致。崔艳红等人[13]对松嫩平原产油区农田土壤重金属运用潜在生态风险指数法进行评价，研究发现镉和汞潜在生态风险指数较高，其余6项重金属元素风险数值较低。吴健等人[4]对上海郊区53个复垦工业场地土壤重金属进行潜在生态风险评估，发现镉、汞处于较强的生态风险水平。

图3 表层土壤样品重金属潜在生态风险指数评价（中等风险）箱式图Fig.3 Box diagram of elevation of middle potential ecological risk index of heavy metal elements in surface soil samples

土壤环境是一个复杂的体系，掌握复垦工业地块潜在生态风险的空间分布，有利于科学谋划土地利用，合理管控农用地利用风险。单因子潜在生态风险评估过程与对应重金属含量正相关，相应的，单因子潜在生态风险空间分布情况与重金属含量空间分布（图2所示）趋势一致，不再赘述。同时考虑到，土壤环境对生态环境的潜在风险是整体对外的，而非单一存在。复垦工业地块表层土壤样品中8项重金属元素RI指数空间分布拟合情况见图4。由图4可知，地块表层土壤中8项重金属元素RI指数在空间上大体呈现出东部＞西部的趋势，中等风险区主要分布在地块东部、南部。RI综合指数分布情况与单一重金属元素汞的含量空间分布情况一致，汞表现出很强的风险贡献。

图4 表层土壤样品8项重金属元素RI指数空间分布Fig.4 RI spatial distribution of 8 heavy metal elements in surface soil samples

表层土壤重金属生态风险不仅与其含量有关，还考虑了致毒效应，因而潜在生态风险水平与污染程度并未呈现出完全对应的关系，即污染程度高的，其潜在生态风险并不一定高。根据以上评估结果，铜、锌、砷、铬的毒性系数分别为5、1、10、2，毒性水平相对较低，虽然在表层土壤样品中的平均含量高于上海市土壤环境背景值，但表现出低潜在生态风险水平。汞和镉的毒性系数分别为40和30，为8项重金属中毒性水平最高的两项，虽然在表层土壤样品中的检出含量未超过农用地土壤污染风险筛选值，但表现出相对更高的潜在生态风险水平。这一研究结果与相关研究[4,8,13,16,27]发现土壤重金属汞和镉呈现出较强的生态危害的研究结果相一致。

复垦工业地块表层土壤中铜、锌、砷、铬污染累积明显，而镉、汞存在中等生态风险危害。综合考虑地块污染特征及潜在生态风险，建议用作生态造林等用途，或因地制宜选用品种调整、石灰调节、优化施肥、叶面调控等安全利用类措施，以期满足农用地安全生产的要求。吴健等人[4]研究发现，复垦工业场地土壤重金属铜、锌污染较为突出，镉、汞潜在生态风险处于较强水平，镉、汞的致毒效应更强，也应引起关注。为确保后续安全利用，建议在减量化复垦地块年度跟踪调查等相关专项调查中，除将往年调查超标指标纳入跟踪调查外，也应重点关注汞和镉的含量变化及潜在生态风险影响[28-29]。基于重金属含量及其生物毒性的潜在生态风险评估，可作为传统上从土壤重金属含量的角度进行农用地土壤环境调查评估的有效补充。

3 结论

（1）复垦工业地块历史工业活动导致表层土壤中铜、锌、砷、铬累积明显，部分区域表层土壤重金属超标。表层土壤样品中砷的最大含量为农用地土壤污染风险筛选值的1.34倍，铜、锌、砷、铬的平均含量分别为上海市土壤环境背景值的1.07、1.08、1.09、1.36倍。重金属含量空间分布情况表明，锌、砷高含量区分布比较零散，其它重金属高含量区呈现区域性分布。

（2）根据地积累指数评价，复垦工业地块部分区域表层土壤样品存在不同程度的污染。镉、锌、汞、砷、铬达到轻度—中度污染，污染等级为1级，其中砷和铬的1级污染点位频率明显高于其它重金属。铜、铅、镍处于无污染等级。

（3）根据潜在生态风险评估，复垦工业地块部分区域表层土壤重金属处于中等风险水平，汞和镉为潜在生态风险主要贡献因子。潜在生态风险空间分布情况表明，中等风险区主要分布在地块东部、南部。

（4）建议在开展减量化复垦地块年度跟踪调查等土壤污染防治相关工作时，除将往年调查超标指标纳入跟踪调查外，也应重点关注汞和镉的含量变化及潜在生态风险，以全面保障区域农用地土壤环境质量和农产品质量安全。