鐘霆堃, 付淑清, 吳翼, 陳軍, 陳正學(xué), 王加昇

改革開放40年來珠江三角洲表土養(yǎng)分和重金屬含量變化

鐘霆堃1,2,3, 付淑清2,3,*, 吳翼4, 陳軍2, 陳正學(xué)5, 王加昇1

1. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院, 昆明 650093 2. 廣東省科學(xué)院廣州地理研究所, 廣東省遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用實驗室, 廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用公共實驗室, 廣州 510070 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣州 511458 4. 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室，廣州 510301 5. 建材昆明地質(zhì)工程勘察院, 昆明 650118

主要基于上世紀(jì)八十年代以來的土壤調(diào)查報告、專著和文獻(xiàn)資料的收集整理, 針對珠江三角洲地區(qū)表層土壤的酸堿度、土壤養(yǎng)分(有機質(zhì)、氮、磷、鉀)和重金屬含量等指標(biāo)做統(tǒng)計, 按照1980—2000年、2001—2010年和2011—2019年三個階段, 分析改革開放以來該地區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量演變特征。結(jié)果顯示, 近40年來, 珠江三角洲地區(qū)的表層土壤呈現(xiàn)了酸化的趨勢, 有機質(zhì)、氮、磷、鉀素含量波動較大, 多數(shù)重金屬元素表現(xiàn)出逐漸富集的特征。雖然近年的土壤環(huán)境質(zhì)量在某些方面已開始呈現(xiàn)改觀趨勢, 但潛在生態(tài)風(fēng)險依然較強, 土壤環(huán)境保護(hù)和修復(fù)工作依然任重道遠(yuǎn)。

表層土壤; 環(huán)境質(zhì)量; 珠江三角洲; 近四十年

0 前言

珠江三角洲位于廣東省中南部(圖1),瀕臨南海, 是目前我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)和人口最密集的地區(qū)之一。改革開放之前, 珠江三角洲是廣東省著名的魚米之鄉(xiāng), 農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等占據(jù)主導(dǎo)地位。改革開放以來, 憑借國家給予“先行一步”的特殊政策以及毗鄰港澳的優(yōu)勢, 三角洲地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 工業(yè)化與城鄉(xiāng)一體化進(jìn)展在全國遙遙領(lǐng)先[1]。然而, 粗放型的發(fā)展模式也引發(fā)了大氣、水和土壤環(huán)境質(zhì)量日益下降等“后遺癥”[2,3]。

土壤環(huán)境質(zhì)量是指在一定的時間和空間范圍內(nèi), 土壤自身性狀對其持續(xù)利用以及對其他環(huán)境要素, 特別是對人類或其他生物的生存、繁衍以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適宜性[4]。處于大地表層的土壤, 長期以來一直是許多廢棄物的受納者, 如污水、垃圾、粉塵、污泥、礦渣、化肥、農(nóng)藥等等, 進(jìn)入土壤的各種污染物會參與到土壤生態(tài)系統(tǒng)循環(huán), 對環(huán)境和人體產(chǎn)生潛在危害[5-7]。但由于土壤環(huán)境污染的隱蔽性特點, 使其在很長一段時間以來沒能引起足夠的重視, 直到一些環(huán)境事件集中爆發(fā), 土壤環(huán)境安全問題在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所處的重要地位開始被社會各界所認(rèn)識[8]。隨之, 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、強化工業(yè)污染整治、合理使用農(nóng)藥和化肥等一系列環(huán)保措施被逐步實施, 環(huán)境質(zhì)量改善更被納入我國“十三五”環(huán)保規(guī)劃的考核目標(biāo)?？傊? 改革開放40年來, 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展經(jīng)歷了從早期的重經(jīng)濟(jì)輕環(huán)保到如今的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展并重的轉(zhuǎn)變, 在此過程中, 環(huán)境質(zhì)量也隨之發(fā)生著變化。本文主要基于數(shù)十年來珠江三角洲地區(qū)的土壤環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù), 通過統(tǒng)計分析和分階段比較, 以期了解改革開放40年來珠江三角洲的土壤環(huán)境質(zhì)量變化情況, 進(jìn)而為粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。

圖1 珠江三角洲區(qū)域范圍圖

Figure 1 The map of the Pearl River Delta region

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

土壤環(huán)境質(zhì)量評價涉及土壤酸化、土壤肥力、土壤污染等諸多問題。本項工作中, 作者收集了二十世紀(jì)八十年代以來發(fā)布的珠江三角洲地區(qū)表層土壤(其中以農(nóng)業(yè)土壤為主)pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀以及重金屬含量數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)主要來源于調(diào)查報告、專著和文獻(xiàn)等。對收集到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理, 最終僅使用有標(biāo)注樣本采集時間的數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計與分析方法

將數(shù)據(jù)集劃分出1980–2000年、2001–2010年和2011–2019年三個階段, 階段歸屬按照樣本采集時間(非文獻(xiàn)出版時間)劃定。文中分別用散點圖、階段平均值反映各階段的土壤環(huán)境指標(biāo)特征, 并參照第二次全國土壤普查標(biāo)準(zhǔn)值(表1)和2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的土壤環(huán)境質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染風(fēng)險篩選值和管制值(表2), 分析近40年來的土壤環(huán)境質(zhì)量變化。鑒于珠江三角洲的土壤pH值以5.5–6.5為主, 參照標(biāo)準(zhǔn)文件, 表2中土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值和管控制值選取pH值為5.5–6.5條件下其他土壤的標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 第二次土壤普查廣東土壤分級標(biāo)準(zhǔn)[5]

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸堿性變化

土壤的酸堿性一般以pH值表示。按照pH值大小, 一般將土壤酸堿度分為強酸性、酸性、中性、堿性和強堿性五個等級(表1)。土壤養(yǎng)分的形成、轉(zhuǎn)化和有效性、土壤微生物活動、植物的生長發(fā)育均與土壤的酸堿度密切相關(guān), 同時pH值也是影響土壤中重金屬遷移的主要因素[5,9], 因此, 土壤酸堿性是影響土壤質(zhì)量的重要因素。

上世紀(jì)七八十年代的第二次土壤普查結(jié)果表明, 珠江三角洲地區(qū)的土壤pH值多在5.5–6.5之間[5]。本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示, 該地區(qū)近40年間表層土壤的pH值平均在4–7.5之間, 其中又以5–6.5居多(圖2, 數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[10-23]), 反映區(qū)內(nèi)始終以酸性土壤為主。分階段對比發(fā)現(xiàn), 1980–2000年pH值平均為6.06, 為三個階段中最高; 2000年后, 土壤pH值平均水平降低, 指示土壤出現(xiàn)了酸化的趨勢(表3)。三個階段中, 尤其以2001–2010階段的pH值最低, 之后又有所上升。

2.2 土壤養(yǎng)分含量變化

土壤養(yǎng)分泛指土壤中被植物生長所必須的營養(yǎng)成分, 包括有機質(zhì)、氮、磷、鉀素等。按照第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn), 廣東省土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別被分為六個等級(見表1)。

2.2.1 土壤有機質(zhì)含量變化

土壤中的有機質(zhì)是土壤的重要組成部分, 是植物的養(yǎng)分來源和土壤微生物生命活動的能量來源, 也是改善土壤理化性質(zhì)的重要因素[5,24-25]。據(jù)第二次土壤普查結(jié)果, 珠江三角洲地區(qū)的土壤有機質(zhì)含量在1%–3%之間[5]。本次統(tǒng)計結(jié)果顯示, 近40年來, 該地區(qū)表層土壤中有機質(zhì)的平均含量一直在1%–3%之間波動, 且以2%–3%(三級)的占據(jù)絕對優(yōu)勢(圖3,數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[10-13],[15-16],[18-20],[23],[26-28])。分階段對比則發(fā)現(xiàn), 在1980–2000和2011–2019兩個階段中, 區(qū)內(nèi)表層土壤的有機質(zhì)平均含量均在2%以上, 且后者相對前者略有增長。中間階段(2001–2010)的平均水平相對較低, 平均僅為1.76%。

2.2.2 土壤氮、磷、鉀含量變化

土壤中的氮、磷、鉀是植物生長所需的三大營養(yǎng)元素, 其含量特征也是評價土壤質(zhì)量的重要因素。據(jù)第二次土壤普查統(tǒng)計, 廣東省全省的土壤全氮含量平均為1.24 mg·kg-1, 全磷含量平均為0.87 mg·kg-1, 全鉀含量平均為21.6 mg·kg-1, 其中珠江三角洲地區(qū)的土壤全氮、全磷和全鉀含量分布極不均勻, 從一級到六級均有分布[5]。由圖2可見, 在近40年間, 三角洲表層土壤的全氮平均含量主要介于1 mg·kg-1– 1.5 mg·kg-1之間, 以三級為主; 全磷的平均含量多在0.4 mg·kg-1–0.8 mg·kg-1之間, 以五級為主; 全鉀的平均含量介于10 mg·kg-1–25 mg·kg-1之間, 但以15 mg·kg-1–20 mg·kg-1占據(jù)多數(shù)。分階段來看(表3),其中1980–2000與2011–2019兩個階段的全氮平均含量相當(dāng), 均在1.5 mg·kg-1左右; 2001–2010階段最低, 平均含量僅1.06 mg·kg-1。三個階段中表層土壤的全磷含量平均水平均在五級范圍, 未發(fā)生顯著變化。全鉀含量在1980–2000和2001–2010兩個階段相當(dāng), 均在20 mg·kg-1左右, 應(yīng)以二級和三級為主; 2011–2019階段土壤含鉀量發(fā)生較明顯降低, 平均僅為15.62 mg·kg-1。

2.3 土壤重金屬含量變化

2.3.1 重金屬含量40年變化

土壤環(huán)境中的重金屬污染通常指Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg等元素的污染。重金屬在土壤中具有累積性且難以在短時間內(nèi)修復(fù), 潛在危害性強, 因而受到越來越多的關(guān)注[30]。珠江三角洲的土壤已受到不同程度的重金屬污染[31], 土壤重金屬安全也是該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量改善中的重要問題[32-36]。

珠江三角洲表層土壤40年重金屬元素含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表3和圖4(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[6],[10],[13-14],[22-23],[29],[37-39],[41-49])。結(jié)果顯示, 區(qū)內(nèi)表層土壤中重金屬元素的含量始終表現(xiàn)為Zn >(Cr/ Pb)> Cu > Ni > As >(Cd / Hg), Cr與Pb、Cd 與 Hg的含量常常相當(dāng)。從圖3可見, 近40年間, 三角洲表層土壤中的Pb、Cr和Hg平均含量變化幅度相對較小, 且平均含量均低于土壤污染風(fēng)險篩選值; Zn、Cu、Ni、As和Cd有逐漸累積的趨勢, 但Ni和As的平均含量仍低于污染風(fēng)險篩選值, Zn、Cu和Cd的平均含量部分超過了污染風(fēng)險篩選值, 且主要發(fā)生在近十年間, 但尚低于風(fēng)險管制值。另外, 在表3當(dāng)中, 2001– 2010階段的重金屬平均含量明顯較前后兩個階段偏低的現(xiàn)象, 很可能與珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計中去除了異常值有關(guān)[13]。

注: 數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[10-23]。

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

表3 近40年珠江三角洲表層土壤環(huán)境指標(biāo)統(tǒng)計表

注: 數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[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: 數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[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年間的表層土壤重金屬富集狀態(tài)

據(jù)以上的統(tǒng)計分析, 2011–2019近十年間的珠江三角洲表層土壤中多數(shù)重金屬元素已較前期發(fā)生了一定程度的累積。將該階段表土中各重金屬元素的平均含量與廣東省土壤背景值[5]和中國土壤背景值[50]相比較發(fā)現(xiàn), 除Cr、Ni的平均含量低于廣東省土壤背景值和中國土壤背景值之外, As、Hg、Cd、Pb、Zn和Cu在珠三角表土中的含量均高于廣東省和中國的土壤背景值, 特別是Cd、Hg、Zn和Cu。以區(qū)域內(nèi)深層土壤的重金屬含量[13]作為母質(zhì)層本底值, 對比則發(fā)現(xiàn), As、Hg、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni八個重金屬元素在表層土壤中的含量均高于母質(zhì)層, 即, 外源輸入已導(dǎo)致了表土中的重金屬發(fā)生明顯富集。

3 討論

對于人類而言, 土壤是一種極為重要且富有生命的有限資源, 土壤環(huán)境質(zhì)量保護(hù)是社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和人類生存所面臨的一項重要任務(wù)[4]。在自然狀態(tài)下, 土壤的酸堿性、養(yǎng)分含量、化學(xué)元素豐度等主要受土壤發(fā)育基質(zhì)、氣候、植被、地形地貌等條件的影響, 而在有人類活動參與的情況下, 土地利用方式的改變、耕作措施、施肥與灌溉、污染物排放等, 都會對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響并使其發(fā)生變化[51]。人為因素造成的土壤環(huán)境惡化已成為越來越不容忽視的環(huán)境問題。

上述的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示, 近40年來, 珠江三角洲地區(qū)的表層土壤呈現(xiàn)出了酸化的趨勢, 有機質(zhì)、氮磷鉀素含量發(fā)生較大波動, 重金屬元素發(fā)生富集, 這些變化的產(chǎn)生, 更多的應(yīng)是人為因素影響的結(jié)果。改革開放以來, 三角洲地區(qū)的人口數(shù)量急劇增加, 人類活動區(qū)域大幅擴張, 生產(chǎn)活動強度增大, 植被破壞, 大量原有耕地被改造成工業(yè)和住宅用地, 工業(yè)和交通業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致大量污染物排放, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量化肥和農(nóng)藥的施用以及不合理的耕作管理措施等等, 都是導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量下降的重要因素[52-56]。早期的粗放型發(fā)展模式和薄弱的環(huán)保意識, 最終導(dǎo)致土壤環(huán)境嚴(yán)重惡化。隨著社會經(jīng)濟(jì)向縱深推進(jìn), 社會各界對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)知不斷加深, 一系列的環(huán)保政策和措施逐步出臺并被落實, 土壤環(huán)境質(zhì)量開始呈現(xiàn)改觀趨勢, 例如, 據(jù)以上統(tǒng)計, 2011–2019階段的土壤酸度、有機質(zhì)平均含量都較2001–2010階段有所改善, 土壤中部分重金屬元素的含量也得到了一定程度的控制, 沒有發(fā)生明顯的再累積。但這并不意味著土壤環(huán)境質(zhì)量已得到有效改善, 多數(shù)重金屬元素仍然表現(xiàn)出了逐漸累積的特征, 雖然目前表土重金屬平均水平尚低于污染風(fēng)險管控值或篩選值, 但潛在生態(tài)風(fēng)險依然較強。

圖5 2011–2019階段珠江三角洲表層土壤重金屬含量的平均狀態(tài)

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

最后, 由于三角洲地區(qū)的地形及母質(zhì)變化復(fù)雜, 土壤的自然理化特征存在顯著的區(qū)域差異, 加之人類活動范圍和強度分布的不均勻性, 導(dǎo)致土壤質(zhì)量也具有明顯的區(qū)域不均一性。不同時期的土壤調(diào)查工作, 也會在采樣密度、樣品加工均勻性、分析測試準(zhǔn)確度、精度等方面存在一定的差異。此外, 幾十年來, 大量農(nóng)用和林業(yè)土地被作為工業(yè)和商住用地, 也不利于土壤環(huán)境質(zhì)量的原位縱向?qū)Ρ? 因此, 以上基于有限的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計分析結(jié)果, 依然存在很大的不足。土壤環(huán)境監(jiān)測、保護(hù)和修復(fù)工作依然任重道遠(yuǎn)。

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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

鐘霆堃, 付淑清, 吳翼, 等. 改革開放40年來珠江三角洲表土養(yǎng)分和重金屬含量變化[J]. 生態(tài)科學(xué), 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

廣州市科技計劃項目(201707010417); 廣東省自然科學(xué)基金項目(2017A030311020; 2016A030313160); 廣東省科學(xué)院項目(2016GDASRC- 0209; 2020GDASYL-20200401001; 2020GDASYL-20200301003); 廣東省科技計劃項目(2018B030324002); 南方海洋實驗室人才項目(GML2019ZD0301)

鐘霆堃(1994—), 男, 四川內(nèi)江人, 在讀碩士研究生, 主要從事環(huán)境地質(zhì)研究, E-mail:1719714163@qq.com

付淑清, 女, 博士, 副研究員,主要從事環(huán)境地質(zhì)研究, E-mail:fsq519@163.com