崇明岛农田土壤重金属分布特征及生态风险
2022-12-02徐志豪吴健唐浩王敏黄波涛黄沈发
徐志豪，吴健，唐浩，王敏，黄波涛，黄沈发*
（1.上海城勘信息科技有限公司，上海 201206；2.上海市环境科学研究院，上海 200030）
土壤是农业生产的基础，其环境质量直接影响农产品质量安全，关乎人类健康和生存。作为各类环境污染物的“汇”，土壤在城市化和工业化的高速发展和推进过程中，受到人为活动的强烈影响，各种污染物汇集于土壤中，降低了土壤环境质量，其中，土壤重金属因易积累、重污染、高风险而备受关注[1-4]。
崇明岛是地处长江入海口的冲积岛屿，是长江生态廊道与沿海大通道交汇的重要节点。全岛土壤肥沃，物产富饶，为上海提供了近50%的生态资源和生态服务功能[5]，是上海重要的生态屏障和“菜篮子”，其农田土壤环境质量对上海的生态环境健康和农产品安全尤为重要。崇明世界级生态岛建设规划的出台，对崇明岛生态环境品质提出了更高的要求。
鉴于崇明岛生态环境的重要性以及农田土壤重金属污染的长期危害性，近年来已有学者对崇明岛土壤重金属含量进行了研究，但这些研究大多集中在典型农用地、蔬菜地、交通干线两侧农田、农业园区等小尺度区域，而对崇明岛全岛农田土壤重金属的污染状况进行系统性评价的研究相对较少。例如：孙超等[6-7]采集分析了102 个点位的农田土壤重金属含量及分布特征，并结合大气沉降说明了其对土壤重金属的叠加影响；周燕等[8]在崇明三岛范围内采集134个土壤样点，开展了土壤重金属含量的空间分布及污染评价研究；沈根祥等[9]以上海市土壤环境背景值为依据，比较分析了包括崇明在内的上海6个郊区蔬菜农田土壤重金属累积情况，确定了出现累积现象的主要重金属因子及其分布；王初等[10-11]研究了崇明岛两条交通干线两侧蔬菜地土壤、路面灰尘及蔬菜中重金属污染状况，并分析了路侧土壤重金属分布差异与路侧防护林体系的相关性；李双喜等[12]采用地积累指数法评价了光明食品集团在上海崇明区域的土壤重金属积累情况。总体上，关于崇明岛农田土壤重金属含量分布的研究存在发表时间早、研究区域小、布点密度疏等局限性，难以全面、切实地反映崇明岛农田土壤质量现状。因此，本研究基于网格布点法，采集了崇明岛581个点位耕层土壤样品，分析了土壤样品中Hg、Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn和Cd 8种重金属含量，系统探讨了崇明岛农田土壤重金属含量分布特征及其潜在生态风险，以期为区域土壤重金属背景含量统计和污染溯源等研究提供数据支撑，为区域土壤环境管理和决策提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
崇明岛是我国现今河口沙洲中面积最大的一个典型河口冲积岛。全岛地势平坦，土壤母质系江海沉积物经盐渍化、草甸化和沼泽潜育过程，发育为水稻土、潮土和滨海盐土3 类，呈东西向伸展、南北向排列的条带状分布，又可进一步细分为4个亚类、8个土属和21个土种[13]。
近年来，研究区北沿垦区持续围垦，农用地面积有所增加，占全岛陆域面积的30%以上，多种植水稻、蔬菜及经济作物等；在生态发展的总体规划目标下，岛上湿地、森林等生态空间持续提升，建设用地面积占比低于20%，主要集中于研究区南沿，其中工业用地面积占比不足2%，以南沿城桥镇区域的工业分布最为集中[5，14]。
1.2 样品采集
利用ArcGIS 10.1 软件，对崇明岛进行1 km×1 km网格化处理，选取农田土壤面积占比≥50%的网格，在每个网格中心进行布点，结合遥感影像和实地踏勘结果，对部分人为扰动较大的点位进行调整，最终确定土壤采样点位共计581个（图1）。样品采集以采样点位为中心，20 m 为间距，设置东、南、西、北4个采样分点，去除表面植被层，使用取土器连续采集点位及分点0~20 cm表层土壤。用刮刀剔除与金属采样器接触的部分土壤，剩余土壤混匀后采用四分法选取500 g土样装入样品袋封装。
图1 土壤采样点分布图Figure 1 Distribution map of the soil sampling sites
1.3 样品处理与检测
样品处理与检测分析工作由上海市环境科学研究院完成。样品在实验室室温条件下自然风干，去除植物根系、砂砾等侵入体，研磨过20 目和100 目尼龙筛后，封装备用。使用酸度计测定土壤pH（HJ 962—2018）。分别采用硫酸-硝酸-高锰酸钾法（Hg）和盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸法（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn）消解后，对8种重金属含量进行检测分析，分析方法及检出限如表1所示。20%平行双样测定值精密度和准确度以及10%试样加标回收率均在《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）的允许误差范围内。
表1 重金属检测分析方法与检出限Table 1 Analysis methods and limitations
1.4 生态风险评价
1.4.1 地积累指数法
地积累指数法是德国科学家Muller 于1969 年提出的定量指标，用于研究沉积物中重金属污染程度，之后也被广泛用于土壤重金属的污染评价中，通常用指数是否大于0 来辅助判断人为污染的可能性[15]。地积累指数（Igeo）的计算公式：
式中：Cn为重金属的实测含量，mg·kg-1；Bn为重金属的地球化学背景值，本研究采用区域土壤环境背景值[16]；1.5 是考虑了由于成岩作用可能引起背景值变动而设置的常数。
1.4.2 内梅罗污染指数法
内梅罗污染指数法是国内外普遍采用的土壤重金属综合评价方法之一[17-19]，其不仅能反映不同污染物对环境的综合污染状况，而且考虑了高含量污染物对环境质量的影响。其计算公式：
式中：Pi为重金属的单污染指数；Ci为重金属的实测含量，mg·kg-1；Si为重金属的评价标准，mg·kg-1，本研究采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的风险筛选值作为评价标准；PN为内梅罗综合污染指数；Pimax为重金属单污染指数的最大值；Piave为重金属单污染指数的平均值。评价标准：P≤0.7，清洁；0.7
1.4.3 潜在生态风险指数法
潜在生态风险指数法[20-21]侧重于多元素间的协同作用，并综合考虑了重金属的生态效应和毒理学效应，能综合反映重金属对生态环境的潜在影响，其计算公式：
表2 潜在生态风险指数分级标准Table 2 Grading standard of potential ecological risk index
1.5 数据处理
采用Excel 2016、Origin 9.1和SPSS 19.0进行数据处理和统计分析，采用ArcGIS 10.1 进行地统计分析和制图。
2 结果与讨论
2.1 土壤重金属含量分布特征
研究区农田土壤pH 介于4.90~11.20 之间，整体呈弱碱性。农田土壤 Hg、Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn 和 Cd的样本平均值分别为0.05、40.1、27.8、17.8、6.1、27.1、76.0 mg·kg-1和 0.18 mg·kg-1，均未超过农用地土壤风险筛选值。变异系数可以反映区域土壤重金属含量分布差异，研究区土壤各项重金属元素的变异系数介于0.2~0.7 之间，属于中等程度变异[22]，其中Pb 和Hg的变异系数超过0.5，表明其受外源干扰较大，含量分布不均，机动车尾气排放和工业生产活动可能是研究区土壤Pb和Hg的主要外源干扰因素[23-24]。对比近30年研究结果[7，9，12，25-26]，如图 2所示，研究区农田土壤中 8种重金属元素的样本平均值大体呈先升高后下降的趋势，其中2007—2009年重金属累积最为突出。本研究中Hg、Cr 和As 的样本平均值低于各项历史研究数据 ，而 Ni、Pb、Cu 和 Cd 的 样 本 平 均 值 较 李 双 喜等[12]2018 年的研究结果有所提升，其中以Cd 尤为显著，达到2018年研究数据的1.6倍。
图2 土壤重金属含量变化特征Figure 2 Variation characteristics of soil heavy metals content
从单样本来看（图3），重金属含量高于农用地土壤风险筛选值的样本约占总样本数的1%，主要超标因子为 Cu、Pb、Zn 和 Cd，点位超标率分别为0.52%、0.17%、0.17%和0.34%，最大超标倍数分别为0.87、0.15、0.43倍和0.6倍。其中，研究区土壤Cd元素含量普遍较高，且样本平均值高于上海市土壤环境背景值[16]，区域土壤背景值偏高及施肥等农业活动可能是导致土壤Cd元素累积的主要原因[27-29]。
图3 土壤重金属含量与筛选值的比值分布Figure 3 Distribution of the ratio of heavy metals content to standard
2.2 土壤重金属空间分异特征
利用ArcGIS 地统计模块进行普通克里格插值计算得到土壤中8种重金属元素含量的插值结果如图4所示。研究区土壤重金属含量分布总体表现为中部>西部>东部，其中Cd含量的分布呈自西向东逐步下降的趋势，与历史研究结果相似[7-8，30]。西部的绿华镇是上海柑橘之乡，柑橘需肥量较大，其中磷肥可有效提升柑橘产量和果实品质，因此在柑橘生产过程中普遍施用[31-32]，而由于生产原料中杂质或生产工艺的引入，磷肥产品中通常Cd 含量较高[33-34]，Cd 经施用化肥进入土壤累积，导致研究区西部土壤Cd（Igeo介于-0.36~1.42之间）含量较高。
图4 研究区土壤重金属含量空间分布Figure 4 Spatial distribution of soil heavy metals in the research area
中部南沿城桥镇土壤中Pb 和Hg 的含量较高，且Igeo值普遍大于0，个别点位Pb 和Hg 的Igeo值介于1~3之间，说明受到一定程度人为污染的影响。该区域为研究区行政中心，城镇化水平较高，水陆交通较为发达，区域南部的南门港码头是研究区往返上海市区的重要水路客运枢纽，汽油和柴油燃烧及机动车尾气排放可能造成区域土壤Pb 和Hg 的累积。靳治国等[35]的研究结果显示，崇明岛港口码头土壤Pb 超标率高达70%以上，污染程度仅次于工业区。同时，全岛唯一的市级工业园区也坐落于该区域，园区建成20 余年，以汽车零部件生产基地为主要发展目标，集聚了一批金属制品、机械制造企业，生产过程中金属切削、镀膜等加工工艺产生的含重金属废液、废气和固废可能造成周边土壤重金属的累积[36]。此外，东南偏南风（SSE）与南风（S）是崇明的主风向[37]，而吴淞工业区（宝钢厂区）恰位于其上风向，含重金属废气随大气干湿沉降也可能在一定程度上影响了中部南沿地区土壤重金属的累积[3-4，38]。李舒[39]在崇明岛最东端对大气Hg 及其湿沉降进行长期监测，结果显示崇明地区大气中Hg 浓度在偏西及西南风向上偏高，受江苏和上海等地人为源排放的影响较大。因此，工业“三废”、机动车尾气及大气沉降的叠加影响可能是该区域土壤Pb和Hg含量较高的主要原因。
如表 3 所示，Cu、Zn、As、Ni 和 Cr 含量分布具有较强的相关性（r>0.5，P<0.01），总体呈现北沿>南沿的趋势。地积累评价结果显示，该区域内Cu、Zn、As、Ni和Cr 的Igeo值均小于1，表明土壤中重金属主要是自然来源变化的结果，受人为活动影响相对较弱。北支水道水流较缓、滩涂淤高，为北沿地区围垦创造了有利的水利条件。作为研究区围垦的重点地区，北沿在保滩促淤和边围边垦的模式下，围垦开发了大规模淤积滩涂[40]，滩涂沉积物主要源于长江水道下泄泥沙，受工业、农业、生活、港口和船舶污染等多重影响，其重金属含量普遍偏高，Zn、Cu、Cr 等重金属含量均在上海潮滩背景值的2 倍以上，污染较为严重[41-43]。同时，北沿区域多种植粮菜、养殖畜禽，施用化肥农药及排放禽畜粪便也可能造成土壤中 Cu、Zn、As、Ni 和 Cr的累积[23-24，44]。
表3 土壤重金属相关性分析（n=581）Table 3 Correlation analysis of soil heavy metals（n=581）
2.3 内梅罗污染指数评价结果
通过对研究区土壤重金属含量的测定，以农用地土壤风险筛选值为评价标准，对8 种重金属的污染程度和样本的综合污染水平进行评价。评价结果（图5）显示，PN介于0.13~1.41 之间，平均值为 0.34，总体处于清洁水平。其中，两个样本的PN高于1，达到轻度污染水平，占比为0.3%，Cu 和Cd 为主要污染贡献因子。从Pi来看，As、Ni、Cr和Hg均处于清洁水平，无累积污染风险，Cu、Pb、Zn 和Cd 存在不同程度的轻度污染，其中Cd的样本清洁率相对较低，为94.7%。
图5 内梅罗指数评价结果（n=581）Figure 5 The assessment results of Nemerow index（n=581）
对比同类相关研究，研究区土壤重金属指标评价结果优于上海其他地区[45-48]，在全国层面也处于较高质量水平[49-51]，但部分区域Cd的污染程度较历史水平未见显著缓解[7]，其累积问题仍需加以关注。
2.4 潜在生态风险指数评价结果
以农用地土壤风险筛选值为评价标准，结合重金属毒性系数，进一步对8 种重金属的潜在生态风险系数和样本的潜在生态风险水平进行评价（表4）。结果表明，研究区土壤中 Hg、Cr、Ni、Pb、As、Cu 和 Zn 的均小于40，潜在生态风险较低；Cd总体生态风险属于轻微，但1 个样本潜在生态风险较高，达到中等水平。综合来看，样本RI均低于110，平均值为19.6，整体生态风险轻微。结合各元素值分析结果，Cd 对潜在生态风险指数的贡献最高，是主要贡献因子。
表4 潜在生态风险指数法评价结果（n=581）Table 4 The assessment results of Hakanson index（n=581）
3 结论
（1）研究区土壤呈弱碱性，重金属含量整体处于较低水平，但中部南沿城镇等局部区域存在一定程度的重金属累积，6 个点位样本的 Cu、Pb、Zn 和 Cd 元素含量超出风险筛选值，点位超标率为1.0%，均呈轻度污染。
（2）基于克里格插值结果，研究区土壤Cu、Zn、As、Ni和Cr元素含量分布具有较强的相关性，高值区主要分布于中部地区，其中，中部北沿地区的含量又普遍高于南沿，这可能与研究区河口冲积成陆过程及长江南北两支水沙运动特征有关。Pb 和Hg 元素含量高值区与城区分布高度吻合，工业和交通等因素可能是土壤Pb 和Hg 元素累积的主要原因。Cd 元素含量分布表现为西部高、东部低的趋势，结合区域农业生产特征，磷肥施用可能是西部地区土壤Cd 元素的主要外源输入途径。
（3）生态风险评价结果表明，研究区土壤总体处于清洁、低生态风险水平，个别点位样本存在中等生态风险，主要风险贡献因子为Cd。考虑到Cd 的毒性效应和生物有效性，应关注区域土壤Cd的污染防治。
