徐志豪，吳健，唐浩，王敏，黃波濤，黃沈發(fā)*

（1.上海城勘信息科技有限公司，上海 201206；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200030）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其環(huán)境質(zhì)量直接影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，關(guān)乎人類健康和生存。作為各類環(huán)境污染物的“匯”，土壤在城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展和推進(jìn)過(guò)程中，受到人為活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，各種污染物匯集于土壤中，降低了土壤環(huán)境質(zhì)量，其中，土壤重金屬因易積累、重污染、高風(fēng)險(xiǎn)而備受關(guān)注[1-4]。

崇明島是地處長(zhǎng)江入?？诘臎_積島嶼，是長(zhǎng)江生態(tài)廊道與沿海大通道交匯的重要節(jié)點(diǎn)。全島土壤肥沃，物產(chǎn)富饒，為上海提供了近50%的生態(tài)資源和生態(tài)服務(wù)功能[5]，是上海重要的生態(tài)屏障和“菜籃子”，其農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量對(duì)上海的生態(tài)環(huán)境健康和農(nóng)產(chǎn)品安全尤為重要。崇明世界級(jí)生態(tài)島建設(shè)規(guī)劃的出臺(tái)，對(duì)崇明島生態(tài)環(huán)境品質(zhì)提出了更高的要求。

鑒于崇明島生態(tài)環(huán)境的重要性以及農(nóng)田土壤重金屬污染的長(zhǎng)期危害性，近年來(lái)已有學(xué)者對(duì)崇明島土壤重金屬含量進(jìn)行了研究，但這些研究大多集中在典型農(nóng)用地、蔬菜地、交通干線兩側(cè)農(nóng)田、農(nóng)業(yè)園區(qū)等小尺度區(qū)域，而對(duì)崇明島全島農(nóng)田土壤重金屬的污染狀況進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。例如：孫超等[6-7]采集分析了102 個(gè)點(diǎn)位的農(nóng)田土壤重金屬含量及分布特征，并結(jié)合大氣沉降說(shuō)明了其對(duì)土壤重金屬的疊加影響；周燕等[8]在崇明三島范圍內(nèi)采集134個(gè)土壤樣點(diǎn)，開展了土壤重金屬含量的空間分布及污染評(píng)價(jià)研究；沈根祥等[9]以上海市土壤環(huán)境背景值為依據(jù)，比較分析了包括崇明在內(nèi)的上海6個(gè)郊區(qū)蔬菜農(nóng)田土壤重金屬累積情況，確定了出現(xiàn)累積現(xiàn)象的主要重金屬因子及其分布；王初等[10-11]研究了崇明島兩條交通干線兩側(cè)蔬菜地土壤、路面灰塵及蔬菜中重金屬污染狀況，并分析了路側(cè)土壤重金屬分布差異與路側(cè)防護(hù)林體系的相關(guān)性；李雙喜等[12]采用地積累指數(shù)法評(píng)價(jià)了光明食品集團(tuán)在上海崇明區(qū)域的土壤重金屬積累情況?？傮w上，關(guān)于崇明島農(nóng)田土壤重金屬含量分布的研究存在發(fā)表時(shí)間早、研究區(qū)域小、布點(diǎn)密度疏等局限性，難以全面、切實(shí)地反映崇明島農(nóng)田土壤質(zhì)量現(xiàn)狀。因此，本研究基于網(wǎng)格布點(diǎn)法，采集了崇明島581個(gè)點(diǎn)位耕層土壤樣品，分析了土壤樣品中Hg、Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn和Cd 8種重金屬含量，系統(tǒng)探討了崇明島農(nóng)田土壤重金屬含量分布特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為區(qū)域土壤重金屬背景含量統(tǒng)計(jì)和污染溯源等研究提供數(shù)據(jù)支撐，為區(qū)域土壤環(huán)境管理和決策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

崇明島是我國(guó)現(xiàn)今河口沙洲中面積最大的一個(gè)典型河口沖積島。全島地勢(shì)平坦，土壤母質(zhì)系江海沉積物經(jīng)鹽漬化、草甸化和沼澤潛育過(guò)程，發(fā)育為水稻土、潮土和濱海鹽土3 類，呈東西向伸展、南北向排列的條帶狀分布，又可進(jìn)一步細(xì)分為4個(gè)亞類、8個(gè)土屬和21個(gè)土種[13]。

近年來(lái)，研究區(qū)北沿墾區(qū)持續(xù)圍墾，農(nóng)用地面積有所增加，占全島陸域面積的30%以上，多種植水稻、蔬菜及經(jīng)濟(jì)作物等；在生態(tài)發(fā)展的總體規(guī)劃目標(biāo)下，島上濕地、森林等生態(tài)空間持續(xù)提升，建設(shè)用地面積占比低于20%，主要集中于研究區(qū)南沿，其中工業(yè)用地面積占比不足2%，以南沿城橋鎮(zhèn)區(qū)域的工業(yè)分布最為集中[5，14]。

1.2 樣品采集

利用ArcGIS 10.1 軟件，對(duì)崇明島進(jìn)行1 km×1 km網(wǎng)格化處理，選取農(nóng)田土壤面積占比≥50%的網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格中心進(jìn)行布點(diǎn)，結(jié)合遙感影像和實(shí)地踏勘結(jié)果，對(duì)部分人為擾動(dòng)較大的點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整，最終確定土壤采樣點(diǎn)位共計(jì)581個(gè)（圖1）。樣品采集以采樣點(diǎn)位為中心，20 m 為間距，設(shè)置東、南、西、北4個(gè)采樣分點(diǎn)，去除表面植被層，使用取土器連續(xù)采集點(diǎn)位及分點(diǎn)0~20 cm表層土壤。用刮刀剔除與金屬采樣器接觸的部分土壤，剩余土壤混勻后采用四分法選取500 g土樣裝入樣品袋封裝。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Distribution map of the soil sampling sites

1.3 樣品處理與檢測(cè)

樣品處理與檢測(cè)分析工作由上海市環(huán)境科學(xué)研究院完成。樣品在實(shí)驗(yàn)室室溫條件下自然風(fēng)干，去除植物根系、砂礫等侵入體，研磨過(guò)20 目和100 目尼龍篩后，封裝備用。使用酸度計(jì)測(cè)定土壤pH（HJ 962—2018）。分別采用硫酸-硝酸-高錳酸鉀法（Hg）和鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸法（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn）消解后，對(duì)8種重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)分析，分析方法及檢出限如表1所示。20%平行雙樣測(cè)定值精密度和準(zhǔn)確度以及10%試樣加標(biāo)回收率均在《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）的允許誤差范圍內(nèi)。

表1 重金屬檢測(cè)分析方法與檢出限Table 1 Analysis methods and limitations

1.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.4.1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法是德國(guó)科學(xué)家Muller 于1969 年提出的定量指標(biāo)，用于研究沉積物中重金屬污染程度，之后也被廣泛用于土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)中，通常用指數(shù)是否大于0 來(lái)輔助判斷人為污染的可能性[15]。地積累指數(shù)（Igeo）的計(jì)算公式：

式中：Cn為重金屬的實(shí)測(cè)含量，mg·kg-1；Bn為重金屬的地球化學(xué)背景值，本研究采用區(qū)域土壤環(huán)境背景值[16]；1.5 是考慮了由于成巖作用可能引起背景值變動(dòng)而設(shè)置的常數(shù)。

1.4.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是國(guó)內(nèi)外普遍采用的土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)方法之一[17-19]，其不僅能反映不同污染物對(duì)環(huán)境的綜合污染狀況，而且考慮了高含量污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響。其計(jì)算公式：

式中：Pi為重金屬的單污染指數(shù)；Ci為重金屬的實(shí)測(cè)含量，mg·kg-1；Si為重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg·kg-1，本研究采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為重金屬單污染指數(shù)的最大值；Piave為重金屬單污染指數(shù)的平均值。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：P≤0.7，清潔；0.73.0，重度污染。

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[20-21]側(cè)重于多元素間的協(xié)同作用，并綜合考慮了重金屬的生態(tài)效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)，能綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響，其計(jì)算公式：

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of potential ecological risk index

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、Origin 9.1和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用ArcGIS 10.1 進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量分布特征

研究區(qū)農(nóng)田土壤pH 介于4.90~11.20 之間，整體呈弱堿性。農(nóng)田土壤 Hg、Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn 和 Cd的樣本平均值分別為0.05、40.1、27.8、17.8、6.1、27.1、76.0 mg·kg-1和 0.18 mg·kg-1，均未超過(guò)農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值。變異系數(shù)可以反映區(qū)域土壤重金屬含量分布差異，研究區(qū)土壤各項(xiàng)重金屬元素的變異系數(shù)介于0.2~0.7 之間，屬于中等程度變異[22]，其中Pb 和Hg的變異系數(shù)超過(guò)0.5，表明其受外源干擾較大，含量分布不均，機(jī)動(dòng)車尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)可能是研究區(qū)土壤Pb和Hg的主要外源干擾因素[23-24]。對(duì)比近30年研究結(jié)果[7，9，12，25-26]，如圖 2所示，研究區(qū)農(nóng)田土壤中 8種重金屬元素的樣本平均值大體呈先升高后下降的趨勢(shì)，其中2007—2009年重金屬累積最為突出。本研究中Hg、Cr 和As 的樣本平均值低于各項(xiàng)歷史研究數(shù)據(jù) ，而 Ni、Pb、Cu 和 Cd 的 樣 本 平 均 值 較 李 雙 喜等[12]2018 年的研究結(jié)果有所提升，其中以Cd 尤為顯著，達(dá)到2018年研究數(shù)據(jù)的1.6倍。

圖2 土壤重金屬含量變化特征Figure 2 Variation characteristics of soil heavy metals content

從單樣本來(lái)看（圖3），重金屬含量高于農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值的樣本約占總樣本數(shù)的1%，主要超標(biāo)因子為 Cu、Pb、Zn 和 Cd，點(diǎn)位超標(biāo)率分別為0.52%、0.17%、0.17%和0.34%，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為0.87、0.15、0.43倍和0.6倍。其中，研究區(qū)土壤Cd元素含量普遍較高，且樣本平均值高于上海市土壤環(huán)境背景值[16]，區(qū)域土壤背景值偏高及施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)可能是導(dǎo)致土壤Cd元素累積的主要原因[27-29]。

圖3 土壤重金屬含量與篩選值的比值分布Figure 3 Distribution of the ratio of heavy metals content to standard

2.2 土壤重金屬空間分異特征

利用ArcGIS 地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行普通克里格插值計(jì)算得到土壤中8種重金屬元素含量的插值結(jié)果如圖4所示。研究區(qū)土壤重金屬含量分布總體表現(xiàn)為中部>西部>東部，其中Cd含量的分布呈自西向東逐步下降的趨勢(shì)，與歷史研究結(jié)果相似[7-8，30]。西部的綠華鎮(zhèn)是上海柑橘之鄉(xiāng)，柑橘需肥量較大，其中磷肥可有效提升柑橘產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)，因此在柑橘生產(chǎn)過(guò)程中普遍施用[31-32]，而由于生產(chǎn)原料中雜質(zhì)或生產(chǎn)工藝的引入，磷肥產(chǎn)品中通常Cd 含量較高[33-34]，Cd 經(jīng)施用化肥進(jìn)入土壤累積，導(dǎo)致研究區(qū)西部土壤Cd（Igeo介于-0.36~1.42之間）含量較高。

圖4 研究區(qū)土壤重金屬含量空間分布Figure 4 Spatial distribution of soil heavy metals in the research area

中部南沿城橋鎮(zhèn)土壤中Pb 和Hg 的含量較高，且Igeo值普遍大于0，個(gè)別點(diǎn)位Pb 和Hg 的Igeo值介于1~3之間，說(shuō)明受到一定程度人為污染的影響。該區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)行政中心，城鎮(zhèn)化水平較高，水陸交通較為發(fā)達(dá)，區(qū)域南部的南門港碼頭是研究區(qū)往返上海市區(qū)的重要水路客運(yùn)樞紐，汽油和柴油燃燒及機(jī)動(dòng)車尾氣排放可能造成區(qū)域土壤Pb 和Hg 的累積。靳治國(guó)等[35]的研究結(jié)果顯示，崇明島港口碼頭土壤Pb 超標(biāo)率高達(dá)70%以上，污染程度僅次于工業(yè)區(qū)。同時(shí)，全島唯一的市級(jí)工業(yè)園區(qū)也坐落于該區(qū)域，園區(qū)建成20 余年，以汽車零部件生產(chǎn)基地為主要發(fā)展目標(biāo)，集聚了一批金屬制品、機(jī)械制造企業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中金屬切削、鍍膜等加工工藝產(chǎn)生的含重金屬?gòu)U液、廢氣和固廢可能造成周邊土壤重金屬的累積[36]。此外，東南偏南風(fēng)（SSE）與南風(fēng)（S）是崇明的主風(fēng)向[37]，而吳淞工業(yè)區(qū)（寶鋼廠區(qū)）恰位于其上風(fēng)向，含重金屬?gòu)U氣隨大氣干濕沉降也可能在一定程度上影響了中部南沿地區(qū)土壤重金屬的累積[3-4，38]。李舒[39]在崇明島最東端對(duì)大氣Hg 及其濕沉降進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示崇明地區(qū)大氣中Hg 濃度在偏西及西南風(fēng)向上偏高，受江蘇和上海等地人為源排放的影響較大。因此，工業(yè)“三廢”、機(jī)動(dòng)車尾氣及大氣沉降的疊加影響可能是該區(qū)域土壤Pb和Hg含量較高的主要原因。

如表 3 所示，Cu、Zn、As、Ni 和 Cr 含量分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性（r>0.5，P<0.01），總體呈現(xiàn)北沿>南沿的趨勢(shì)。地積累評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該區(qū)域內(nèi)Cu、Zn、As、Ni和Cr 的Igeo值均小于1，表明土壤中重金屬主要是自然來(lái)源變化的結(jié)果，受人為活動(dòng)影響相對(duì)較弱。北支水道水流較緩、灘涂淤高，為北沿地區(qū)圍墾創(chuàng)造了有利的水利條件。作為研究區(qū)圍墾的重點(diǎn)地區(qū)，北沿在保灘促淤和邊圍邊墾的模式下，圍墾開發(fā)了大規(guī)模淤積灘涂[40]，灘涂沉積物主要源于長(zhǎng)江水道下泄泥沙，受工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、港口和船舶污染等多重影響，其重金屬含量普遍偏高，Zn、Cu、Cr 等重金屬含量均在上海潮灘背景值的2 倍以上，污染較為嚴(yán)重[41-43]。同時(shí)，北沿區(qū)域多種植糧菜、養(yǎng)殖畜禽，施用化肥農(nóng)藥及排放禽畜糞便也可能造成土壤中 Cu、Zn、As、Ni 和 Cr的累積[23-24，44]。

表3 土壤重金屬相關(guān)性分析（n=581）Table 3 Correlation analysis of soil heavy metals（n=581）

2.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤重金屬含量的測(cè)定，以農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)8 種重金屬的污染程度和樣本的綜合污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果（圖5）顯示，PN介于0.13~1.41 之間，平均值為 0.34，總體處于清潔水平。其中，兩個(gè)樣本的PN高于1，達(dá)到輕度污染水平，占比為0.3%，Cu 和Cd 為主要污染貢獻(xiàn)因子。從Pi來(lái)看，As、Ni、Cr和Hg均處于清潔水平，無(wú)累積污染風(fēng)險(xiǎn)，Cu、Pb、Zn 和Cd 存在不同程度的輕度污染，其中Cd的樣本清潔率相對(duì)較低，為94.7%。

圖5 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（n=581）Figure 5 The assessment results of Nemerow index（n=581）

對(duì)比同類相關(guān)研究，研究區(qū)土壤重金屬指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于上海其他地區(qū)[45-48]，在全國(guó)層面也處于較高質(zhì)量水平[49-51]，但部分區(qū)域Cd的污染程度較歷史水平未見顯著緩解[7]，其累積問(wèn)題仍需加以關(guān)注。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

以農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合重金屬毒性系數(shù)，進(jìn)一步對(duì)8 種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和樣本的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)（表4）。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤中 Hg、Cr、Ni、Pb、As、Cu 和 Zn 的均小于40，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低；Cd總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于輕微，但1 個(gè)樣本潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，達(dá)到中等水平。綜合來(lái)看，樣本RI均低于110，平均值為19.6，整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)輕微。結(jié)合各元素值分析結(jié)果，Cd 對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)最高，是主要貢獻(xiàn)因子。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果（n=581）Table 4 The assessment results of Hakanson index（n=581）

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤呈弱堿性，重金屬含量整體處于較低水平，但中部南沿城鎮(zhèn)等局部區(qū)域存在一定程度的重金屬累積，6 個(gè)點(diǎn)位樣本的 Cu、Pb、Zn 和 Cd 元素含量超出風(fēng)險(xiǎn)篩選值，點(diǎn)位超標(biāo)率為1.0%，均呈輕度污染。

（2）基于克里格插值結(jié)果，研究區(qū)土壤Cu、Zn、As、Ni和Cr元素含量分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性，高值區(qū)主要分布于中部地區(qū)，其中，中部北沿地區(qū)的含量又普遍高于南沿，這可能與研究區(qū)河口沖積成陸過(guò)程及長(zhǎng)江南北兩支水沙運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)。Pb 和Hg 元素含量高值區(qū)與城區(qū)分布高度吻合，工業(yè)和交通等因素可能是土壤Pb 和Hg 元素累積的主要原因。Cd 元素含量分布表現(xiàn)為西部高、東部低的趨勢(shì)，結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征，磷肥施用可能是西部地區(qū)土壤Cd 元素的主要外源輸入途徑。

（3）生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)土壤總體處于清潔、低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，個(gè)別點(diǎn)位樣本存在中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子為Cd?？紤]到Cd 的毒性效應(yīng)和生物有效性，應(yīng)關(guān)注區(qū)域土壤Cd的污染防治。