陳碧珊，蔡月炎，葉林海，陳潔茹，周舒柔，英曉芹

（嶺南師范學院地理科學學院，廣東 湛江 524048）

【研究意義】湛江市位于我國大陸最南端，豐富的熱帶資源為湛江市的蔬菜種植提供了得天獨厚的條件，使湛江市成為重要的南菜北運基地之一［1］。近年來，湛江市工業(yè)發(fā)展迅速，由于造紙企業(yè)、寶鋼湛江鋼鐵有限公司、中科煉化有限公司等大型工業(yè)企業(yè)的入駐［2］，以及“三廢”的排放，對當?shù)丶爸苓叺纳鷳B(tài)環(huán)境造成了污染，如“三廢”中的重金屬元素經(jīng)過擴散、淋溶、下滲等方式，會對土壤和蔬菜作物等造成污染［3］。土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展、糧食安全的基礎(chǔ)，土壤中的重金屬元素超標不僅會影響蔬菜的生長狀況，導致蔬菜產(chǎn)量和質(zhì)量下降，還可能會通過根系在蔬菜體內(nèi)富集，進而通過食物鏈對人體健康產(chǎn)生威脅［4］，因此對蔬菜地土壤重金屬污染狀況進行研究就顯得尤為重要。【前人研究進展】國內(nèi)外學者對農(nóng)作物重金屬污染做了非常多的研究。20 世紀60 年代，日本發(fā)生因鎘稻米污染而導致的痛痛病事件，引發(fā)全世界人民對農(nóng)作物重金屬污染的關(guān)注。印度Singh 等在對印度新德里郊區(qū)的蔬菜作物中的重金屬污染現(xiàn)狀的研究中發(fā)現(xiàn)，新德里郊區(qū)種植的菠菜中Cd、Cu、Pb、Zn 等元素嚴重超標［5］。澳大利亞Geoge 等發(fā)現(xiàn)采自布拉魯?shù)貐^(qū)的蔬菜樣品，其Cd、Pb 元素含量均超過澳大利亞在食品標準中對Cd、Pb 元素的限量值［6］。近年來，各國多側(cè)重于農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景和農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境研究、土壤的化學污染與防治、土壤地球化學元素及土壤劃分等方面的研究。我國對于農(nóng)業(yè)重金屬污染的研究起步較晚，國內(nèi)一些學者的研究結(jié)果表明，我國農(nóng)作物重金屬污染形式非常嚴峻［7］。何爭珍等研究發(fā)現(xiàn)四川省攀西地區(qū)蔬菜生產(chǎn)基地存在較嚴重的鎘污染風險［8］。蘇輝躍等在天津市武清區(qū)蔬菜土壤中發(fā)現(xiàn)重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、As 會隨著時間的推移而不斷累積，其中Cd、As 是生態(tài)風險的主要貢獻者［9］。仲可成等在41 個蔬菜產(chǎn)區(qū)采集土壤樣品，其中23.7%的樣品Cd 含量超過風險篩選值，且南寧、長沙、攀枝花等地重金屬超標率較高［10］。林小兵等對江西省工礦區(qū)、污水排放區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)排放污水使重金屬進入蔬菜土壤中，Cd、Hg 元素污染嚴重［11］?！颈狙芯壳腥朦c】湛江市屬于熱帶和亞熱帶季風氣候，年大于10 ℃的積溫為8 309～8 519 ℃［12］，熱量資源特別是冬季熱量資源豐富，適合各種蔬菜作物生長。2020 年湛江市蔬菜種植面積153.84×107m2，總產(chǎn)量416.29×107kg，比2019 年增長3.4%，是我國重要的蔬菜生產(chǎn)基地。但由于經(jīng)濟發(fā)展所帶來的一系列環(huán)境問題，農(nóng)業(yè)土壤受到了不同程度的污染。目前，關(guān)于湛江市蔬菜土壤重金屬研究較少，僅有羅松英等［1］、鄭小林等［13］對市郊蔬菜地進行簡單的含量特征分析，并未深入地進行生態(tài)風險評價分析。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以湛江市蔬菜地土壤為研究對象，分析蔬菜地表層土壤8 種主要重金屬元素的含量特征，并通過采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法對蔬菜地土壤生態(tài)風險狀況進行評價，為雷州半島蔬菜種植及食用安全研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

結(jié)合湛江市蔬菜地的規(guī)模及空間分布情況，選取吳川市、廉江市、遂溪縣、雷州市、徐聞縣以及赤坎區(qū)、麻章區(qū)、霞山區(qū)和坡頭區(qū)9 個縣（市、區(qū)）的蔬菜地進行土壤樣品的采集，采集過程中選擇蔬菜地面積較大的蔬菜基地，同時兼顧蔬菜類型的多樣性。各縣市區(qū)采集樣品數(shù)目分別為吳川市5 個、廉江市4 個、遂溪縣3 個、雷州市7 個、徐聞縣8 個、赤坎區(qū)4 個、霞山區(qū)2 個、麻章區(qū)4 個、坡頭區(qū)1 個，共采得土壤樣品38 個。在同一采樣基地內(nèi)，采用梅花型采樣法均勻選取5 個采樣點，在采樣中心點（用GPS 定位）20 m半徑范圍內(nèi)，避開施肥點，用PVC 管采集相同土壤類型和用地類型的0～20 cm 土柱，將5 個土壤樣品剔除雜物后混合裝進乙烯封口袋中，1 個基地采集1 kg 以上的樣品。

1.2 樣品實驗室處理

將采集的土壤樣品混勻后風干，除去土樣中石頭和動植物殘體等異物，經(jīng)瑪瑙研缽研磨，過0.150 mm 的尼龍篩，混勻后備用。將粒徑小于0.150 mm 的土壤樣品送至澳實礦物實驗室（廣州）進行超痕量多元素測試。樣品測試過程為：稱取兩份試樣，一份加入王水，在石墨爐上消解。消解完并待溶液冷卻后，用去離子水在容量瓶定容，搖勻，然后用等離子體發(fā)射光譜和質(zhì)譜儀綜合分析。另一份試樣用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸進行消解，蒸至近干后的樣品用稀鹽酸溶解定容，再用等離子體發(fā)射光譜和質(zhì)譜儀綜合分析。其中元素As、Cd、Hg 采用王水消解，元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸進行消解。

1.3 數(shù)據(jù)分析

測試分析湛江市蔬菜地土壤樣品中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等8 種主要元素，運用變異系數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法分析測試所得的數(shù)據(jù)，再討論得出結(jié)果。

1.3.1 土壤重金屬元素含量特征分析方法 變異系數(shù)是說明實測數(shù)據(jù)變異程度的一個統(tǒng)計量，反映的是數(shù)據(jù)的波動程度。其計算公式為：

式中，CV表示變異系數(shù)，SD表示樣本標準差，MN表示樣本平均值。變異系數(shù)越大，說明重金屬元素含量間的差異和離散程度越大，受人類影響也越大，反之則說明重金屬元素含量間的差異和離散程度越小，受人類影響越?。?］。

1.3.2 土壤重金屬風險評價方法 選用瑞典科學家Hakanson 于1980 年提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法，是一種相對快速、簡便和標準評價沉積物污染程度及其潛在生態(tài)危害的方法，被廣泛應用于土壤重金屬污染評價［14］。計算公式為：

式中，RI為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)，為某一種重金屬元素的污染富集系數(shù)，Ci為某一種沉積物中重金屬元素的實測含量，為土壤重金屬的毒性響應系數(shù)［15］，為某一重金屬的潛在生態(tài)風險參數(shù)，為計算所需某一重金屬元素的參比值。本研究區(qū)典型地帶性土壤為磚紅壤性紅壤，所以選擇廣東省土壤背景值中磚紅壤背景值作為參比值。不同指標表示不同的污染程度與風險，重金屬污染潛在生態(tài)風險指標和分級標準見表1。

表1 重金屬污染潛在生態(tài)風險指標和分級標準［16］Table 1 Potential ecological risk indicators and classification standard of heavy metal pollution

2 結(jié)果與分析

2.1 蔬菜地土壤重金屬元素含量特征

湛江市蔬菜地土壤重金屬元素含量見表2。由表2 可知，研究區(qū)表層土壤中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等元素的含量大體呈Cr＞Zn＞Ni ＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的特征。對比湛江市土壤環(huán)境背景值，8 種重金屬元素含量平均值均超過背景值，其中Cd、Hg 元素富集程度較強，分別為背景值的5.53、5.37 倍，其次為Ni、Cu、Zn 元素，分別為背景值的4.65、4.28、3.95 倍，其余元素僅在個別樣點超過背景值。研究區(qū)中大部分樣品土壤pH 大于6.5，選取《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618-2018）中6.5＜pH≤7.5 各重金屬元素風險篩選值進行比較，所有元素的平均值均沒有超過標準值，但Cr、Cd、Cu、Ni、Zn 等5 種元素在個別樣點均有不同程度的超標，其中Ni 元素超標率達到21.1%，其次是Cr 元素，超標率為15.18%，As、Hg、Pb 元素沒有超標，說明研究區(qū)的蔬菜地土壤存在一定的污染。

由 表2 可 知，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 元素變異系數(shù)分別為34%、122%、127%、103%、81%、150%、53%、83%，按大小排列為：Ni＞Cd＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg＞Pb＞As。依據(jù)變異系數(shù)分級系統(tǒng)，將8 種元素的變異系數(shù)分為兩個層次：Ni、Cd、Cr、Cu 元素變異系數(shù)大于100%，為強度變異性，說明這4 種元素在雷州半島的不同地點含量差異極大，受外界干擾強烈；其余4 種元素變異系數(shù)在30%～100%之間，為中等變異性，受外界影響相對較小。綜上，湛江市蔬菜地土壤重金屬元素受人為活動影響較大，說明其來源與人類活動密切相關(guān)。

表2 湛江市蔬菜地土壤重金屬元素含量Table 2 Contents of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

2.2 蔬菜地土壤重金屬元素富集程度分析

本研究運用潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價湛江市蔬菜地表層土壤的重金屬污染程度，通過計算潛在生態(tài)富集系數(shù)、潛在生態(tài)風險參數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)值，了解湛江市蔬菜地表層土壤重金屬富集程度和潛在生態(tài)風險程度。

湛江市蔬菜地表層土壤重金屬潛在生態(tài)富集系數(shù)如圖1所示，Ni、Cd、Cu、Hg、Zn 等5種金屬元素屬于強富集；As、Cr、Pb屬于中等富集。8 種金屬元素的污染程度呈Cd＞Hg＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Pb 的規(guī)律排列。

圖1 湛江市蔬菜地土壤重金屬潛在生態(tài)富集系數(shù)Fig.1 Potential ecological enrichment coefficients of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

從各個縣市區(qū)來看，Cd 在廉江市、麻章區(qū)和徐聞縣為很強富集，表現(xiàn)為廉江市＞麻章區(qū)＞徐聞縣，有4 個縣市區(qū)為強富集，1 個縣市區(qū)為中等富集。Hg 在雷州市和徐聞縣為很強富集，有4 個縣市區(qū)為強富集，3 個縣市區(qū)為中等富集。Cu 在徐聞縣為很強富集，有2 個縣市區(qū)為強富集，5 個縣市區(qū)為中等富集。Zn 在徐聞縣為很強富集，在雷州市為強富集，有6 個縣市區(qū)為中等富集。Ni 在徐聞縣為很強富集，有4 個縣市區(qū)為中等富集，其余為輕微富集。Cr 在徐聞縣為很強富集，有3 個縣市區(qū)為中等富集，其余為輕微富集。As除坡頭區(qū)為輕微富集外，其余縣市區(qū)均為中等富集。Pb 含量較小，在5 個縣市區(qū)為中等富集，其余為輕微富集。

2.3 蔬菜地土壤重金屬生態(tài)風險分析

湛江市蔬菜地表層土壤8 種重金屬元素潛在生態(tài)風險參數(shù)如圖2 所示，8 種重金屬元素中，Hg 污染最為嚴重，潛在生態(tài)風險參數(shù)平均值在160～320 之間，為很強風險。其中，在雷州市為極強風險，有4 個縣市區(qū)為很強風險，3 個縣市區(qū)為強風險。Cd 的潛在生態(tài)風險參數(shù)平均值在80～160 之間，屬于強風險。其余6 種元素的潛在生態(tài)風險參數(shù)平均值均小于40，均屬于輕微風險，污染程度表現(xiàn)為：Cu＞Ni＞As＞Pb＞Cr＞Zn。這一結(jié)果與戴軍等報道廣州市約有9.5%的菜區(qū)土壤受重金屬污染，其中Cd 的含量為廣東省土壤背景值的2.77 倍這一研究結(jié)果相近［19］。與周建利等報道我國城郊土壤和農(nóng)產(chǎn)品(尤其是蔬菜)重金屬的污染多以Pb、Cd 和Hg 等3 種元素為主這一結(jié)論相吻合［20］。

圖2 湛江市土壤重金屬潛在生態(tài)風險參數(shù)Fig.2 Potential ecological risk parameter of heavy metals in soil of Zhanjiang City

從不同采樣縣市區(qū)的潛在生態(tài)風險指數(shù)（圖3）來看，湛江市蔬菜地表層土壤的潛在生態(tài)風險指數(shù)在186.08～729.04 之間，平均值為386.86，屬于強風險。分析各縣市區(qū)的潛在生態(tài)風險程度，發(fā)現(xiàn)徐聞縣為很強風險，廉江市、遂溪縣、麻章區(qū)、赤坎區(qū)和雷州市為強風險，霞山區(qū)、坡頭區(qū)和吳川市為中等風險。重金屬元素不僅在耕地過程中由于施用有機肥、化肥等產(chǎn)生累積，還可能通過水流滯留或大氣沉降等方式累積到表層土壤中，這與蔬菜地附近的環(huán)境息息相關(guān)。在野外采樣的過程中發(fā)現(xiàn)，污染強的幾個縣市區(qū)的采樣點周邊都有重金屬沉降的環(huán)境，如徐聞縣采樣點附近有采石場、居民區(qū)等，廉江市和麻章區(qū)采樣點附近有居民區(qū)、排水溝、高壓電線纜等，雷州市采樣點靠近西湖水庫，平時捕撈作業(yè)可能有重金屬元素脫落、遺留；而霞山區(qū)、吳川市和坡頭區(qū)采樣點附近沒有居民區(qū)、水庫等，受到輕微污染。

圖3 湛江市蔬菜地土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)Fig.3 Potential ecological risk indexes of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

3 討論

3.1 不同地區(qū)蔬菜土壤重金屬含量比較

通過對比湛江市與其他城市蔬菜土壤重金屬平均含量，發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)蔬菜土壤中Pb、Zn 元素含量處于較低水平，As、Cd、Cu、Hg 元素含量處于中等水平，Cr、Ni 元素含量偏高。相比之下，天津市的蔬菜地Zn 元素平均含量較高，這可能與蔬菜種植過程中進行污灌、施肥有關(guān)［9］；天水市蔬菜地由于有機肥、化肥、農(nóng)藥的不合理使用導致Cu 元素含量較高［21］；拉薩市作為西藏省會城市，蔬菜種植面積逐年增加，肥料的大量施用使土壤中的重金屬元素也在逐年累積［22］；百色市擁有大量的鋁土礦區(qū)，重金屬元素的增加不僅受到噴灑農(nóng)藥和施肥的影響，還會受到礦粒粉塵的影響，導致百色市蔬菜土壤重金屬含量均較高［23］；貴陽市屬于喀斯特地區(qū)，大量的公路使蔬菜地零散分布，而交通運輸可能會導致公路兩側(cè)蔬菜地Pb 元素含量增加［24］。

3.2 湛江市蔬菜地重金屬來源分析

綜合3 種分析方法對湛江市土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價，結(jié)果顯示研究區(qū)土壤整體上未受明顯污染，但局部地區(qū)具有較強的潛在生態(tài)風險。在土壤重金屬含量特征分析中，共有5 種元素超標，分別為Ni、Cr、Cd、Cu、Zn，其中Ni、Cr元素超標率相對其他元素較高，分別為21.1%、15.18%，但有研究表明，這兩種元素可能與土壤地球化學過程有關(guān)，自然來源比重較大［25］。

值得注意的是，超標率為10.50%的Cd 元素，變異系數(shù)達127%，說明受人為因素影響較大，且Cd 元素的土壤重金屬富集程度為強污染程度、潛在生態(tài)風險為強風險。Cd 是農(nóng)業(yè)種植過程中使用化肥和農(nóng)藥的標識元素［26］，湛江市是重要的北運菜種植基地［27］，在蔬菜種植過程中大量使用化肥與農(nóng)藥，土壤中的Cd 含量逐年累積，因人為用藥、用肥的劑量不同而造成Cd 含量的差異也是存在的。

重金屬Cu、Zn 的土壤重金屬富集程度也屬于強污染程度，而化石燃料燃燒、汽車輪胎摩擦、工業(yè)生產(chǎn)、生活污水排放會產(chǎn)生大量含Cu、Zn的有害物質(zhì)［28-30］，這與近年來大量工廠入駐湛江市、經(jīng)濟增長速度加快、人們生活水平日益提高密切相關(guān)。

研究區(qū)中的Hg 元素雖沒有超標，但潛在生態(tài)風險為很強風險，且土壤樣品中Hg 含量平均值為背景值的5.3 倍。有研究發(fā)現(xiàn)，蔬菜地土壤Hg 含量隨著種植年份的增加呈上升趨勢，且Hg含量與種植年份呈顯著正相關(guān)［31］，說明Hg 含量的增加是一個累積的過程。在市郊區(qū)，Hg 含量的增加不僅受污水排放和干濕沉降的影響，還可能受到交通干道分布的影響［32］。因此，蔬菜種植區(qū)應當遠離市區(qū)、工業(yè)等，還需遠離交通干道，適時進行輪作、休耕，及時注意重金屬含量增加的趨勢。

整體而言，我國對土壤重金屬風險評估起步較晚，目前主要應用國外的評價方法，還沒有建立完全適宜我國國情特征的生態(tài)風險評價方法。在分析蔬菜土壤重金屬含量特征與生態(tài)風險時，還應考慮不同種類的蔬菜對重金屬的吸附程度，結(jié)合不同區(qū)域人群勞作方式、體質(zhì)特征、膳食結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)的影響，針對蔬菜的可食部分進行人體健康風險評估。因此，區(qū)域生態(tài)風險評價方法仍需進一步探討。

4 結(jié)論

湛江市蔬菜地土壤總體上屬于強-中等污染程度，土壤重金屬元素含量具有Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的特征，8 種重金屬元素的平均值均超過廣東省土壤環(huán)境背景值，Ni、Cd、Cu、Hg、Zn元素屬于強富集程度，重金屬元素受人為活動影響較大。Hg、Cd 元素的潛在生態(tài)風險較大，屬于很強風險和強風險，其余元素均為輕微風險；各縣（市、區(qū)）中，徐聞縣為很強風險，廉江市、遂溪縣、麻章區(qū)、赤坎區(qū)和雷州市為強風險，霞山區(qū)、坡頭區(qū)和吳川市為中等風險。日常施用化肥、汽車尾氣排放、工業(yè)廢水排放等導致土壤重金屬元素含量增加的現(xiàn)象應引起重視。