不同土地利用狀況下土壤重金屬污染風險評估

摘 要：以天津市濱海新區現有的部分基本農田、果園、菜地和濕地土壤為研究對象，通過分析土壤中重金屬含量，采用天津市土壤背景值、單項污染指數和Nemerow綜合污染指數法評估了不同土地利用條件下的土壤環境質量狀況。結果表明，土壤樣本中Cu、Zn、Ni、Pb、As及Hg的平均含量高于天津市土壤背景值，而Cd和Cr的含量平均值在土壤背景值以下。綜合污染指數評價結果顯示，農田的輕度污染率為37.5%，蔬菜地為80%，濕地土壤中為90%。整體而言，農田和果園土壤比較清潔，而蔬菜地和濕地土壤存在一定的污染風險。

關鍵詞：濱海新區；重金屬；土壤污染；綜合評價

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.05.013

土壤環境的安全問題是農業生態環境安全的核心，土壤污染與防治已成為環境科學和土壤科學共同關注的熱點[1]。土壤重金屬污染具有潛伏性、滯留時間長、移動性差等特點，從遭受污染到產生后果有一個逐步積累的過程，因此，對于土壤重金屬污染的監測已成為農業環境保護的重要內容之一。分析監測土壤重金屬元素的含量變化和分布特征，可為調控土壤重金屬的活性與毒性、制定合理的控制標準及選擇修復技術提供必要的理論依據[2-4]。天津市濱海新區原來是農業區，自20世紀80年代以來，郊區開始出現較大規模的企業，其產生的廢水、固體廢棄物數量明顯增加，污水排放及工業固體廢棄物的擴散，導致水環境不斷惡化。地下水污染、污水灌溉及堿渣擴散也使得污染物直接或間接進入土壤，影響到土壤環境質量，成為該地區土壤污染的主要原因之一[5-7]。近年來，隨著濱海新區的快速發展，土地利用轉型使得原有的土壤污染壓力得到一定的緩解，但現有的基本農田中依舊存在污染的風險。因而，系統地開展農田重金屬污染狀況的調查具有重要的理論和實際意義。目前，在濱海新區的環境監測部門中，針對大氣、水體和固廢的監測已積累了豐富的資料，而對于土壤污染的數據還相對較少。所以，適時地補充該地區土壤中污染物含量與分布的信息顯得十分必要。本研究以濱海新區現有的部分基本農田、果園、菜地和濕地土壤為研究對象，擬通過分析土壤中重金屬含量，了解其主要污染物的分布特征，以期為正確認識該地區的土壤環境現狀提供必要的科學依據。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

按照土壤的利用現狀選擇了農田、蔬菜地、果園及濕地4種類型的土壤。土樣采集于2009年8月，采樣點分布如圖1所示。采集0～20 cm的表層土壤樣品，自然風干后磨細，過0.25 mm土壤篩。土壤理化性質參見文獻[8-10]。不同土壤樣品的pH值分布為：農田土壤中6.5～7.5之間和>7.5的樣品各占50%；菜地土壤均為6.5～7.5之間；果園土壤均>7.5；濕地土壤90%為6.5～7.5之間，10%為>7.5，并以此作為選擇土壤環境質量評價標準的依據。

1.2 測定方法

土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr、Ni全量的分析測定按照《土壤環境質量標準》（GB l5618—1995）[11]和《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166—2004）[12]規定的步驟進行。所用試劑均為優級純或分析純。土壤中銅、鋅、鎳、鉛、鎘、鉻采用鹽酸—硝酸—氫氟酸—高氯酸體系消解，原子吸收及分光光度法測定；土壤總砷和汞采用硝酸—高氯酸消解，原子熒光光度法。

1.3 土壤污染評價因子及方法

研究區土壤為城郊土壤，根據國家標準《農產品安全質量：無公害蔬菜產地環境要求》（GB/T 18407.1—2001）[13]、土壤環境質量標準（GB 15618—1995）[11]，選取國標中的8種元素（Cu，Zn，Pb，Cd，As，Hg，Cr和Ni）作為評價因子。評價方法采用單項污染指數和Nemerow綜合污染指數法[14]。依據土壤樣本pH值測定結果，標準限值采用土壤二級指標中相應的pH值要求（pH 6.5～7.5及>7.5的數值），農田和蔬菜地以農田的標準比對，果園土壤采用對應的果園標準，濕地土壤采用國家標準中相近的稻田土壤標準進行比較。土壤污染等級劃分參照夏家淇[15]及姜芝萍[16]報道的方法。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤重金屬分布特征

天津市濱海新區不同利用狀況下土壤中8種元素含量測定結果如表1所示。由表1可以看出，研究區域內土壤重金屬含量較天津土壤重金屬背景值[17]有明顯的增加，Cu、Zn、Pb、As、Hg、Ni的測定平均值分別為背景值的2.19，2.30，2.39，1.66，12.46，2.47倍，Hg的增加量最大；Cd和Cr為背景值的0.87和0.99倍，與背景值相當。

2.1.1 土壤中Cu含量變化 在4種土地利用類型中，農田土壤中銅含量的平均值達到50.10 mg·kg-1，菜園土壤中為58.59 mg·kg-1，果園土壤中為71.33 mg·kg-1，濕地土壤中為53.90 mg·kg-1。不同土地利用方式的土壤Cu含量變化如圖2所示。由圖2可以看出，農田和濕地土壤中不同采樣點之間差異較大，而在蔬菜地之間差異較小，果園土壤中總體上大于其他類型的土壤。濕地中的S19樣點含量最高，達到128.83 mg·kg-1，這與其處于堿渣堆附近的位置有關。農田采樣點中的S5～S7和濕地中的S25及S26的銅含量相對較低。

2.1.2 不同土地利用方式土壤Zn含量變化 不同利用類型土壤中，農田土壤中鋅含量的平均值達到104.3 mg·kg-1，菜園土壤中為160.1 mg·kg-1，果園土壤中為127.0 mg·kg-1，濕地土壤中為156.6 mg·kg-1。不同土地利用方式的土壤鋅含量變化如圖3所示。由圖3可以看出，農田中除S3和S4樣點含量較高外，其他樣點集中在80 mg·kg-1上下；5個菜地土樣的總體含量較高，含量分布在142.87～182.26 mg·kg-1之間；2個果園土壤中鋅含量分別為109.5～144.5 mg·kg-1，顯著低于菜園土壤中的含量；10個濕地土壤中含量差異較大，含量在106.1～247.4 mg·kg-1之間，其中S19樣點的含量最高。

2.1.3 不同土地利用方式土壤Pb含量 不同土地利用方式的土壤鉛含量變化如圖4所示。由圖4可以看出，農田土壤中的平均值達到29.71 mg·kg-1，但S3和S4樣點的含量顯著高于于其他樣點；菜園土壤中平均為49.23 mg·kg-1，各采樣點的鉛含量在40.15～53.74 mg·kg-1之間，總體上含量較高；果園土壤中為35.14 mg·kg-1，盡管2個樣點分布在海河南北，但二者之間差別較小；濕地土壤中平均為44.01 mg·kg-1，除S17和S19樣點的鉛含量達到73.84和85.67 mg·kg-1外，其他點的含量均在20.08～49.35 mg·kg-1之間。

2.1.4 不同土地利用方式土壤Cd含量 不同土地利用方式中土壤鎘含量變化如圖5所示。由圖5可以看出，農田土壤中的平均值達到0.086 mg·kg-1，菜園土壤中為0.325 mg·kg-1，果園土壤中為0.131 mg·kg-1，濕地土壤中為0.137 mg·kg-1。在全部25個采樣點中，鎘含量在0.060～0.336 mg·kg-1之間，平均值為0.139 mg·kg-1，低于天津市土壤鎘背景值（0.16 mg·kg-1）。農田土壤的含量均較低，菜園土壤中有4個樣點超出背景值且含量較高（在0.228～0.303 mg·kg-1之間）、果園和濕地土壤中，除S19樣點含量較高外（0.336 mg·kg-1），其他樣點均低于土壤背景值。

2.1.5 不同土地利用方式土壤As含量 不同土地利用方式的土壤砷含量變化如圖6所示。在4種土地利用類型中，農田土壤中的砷含量平均值為14.97 mg·kg-1，菜園土壤為15.92 mg·kg-1，果園土壤為13.54 mg·kg-1，濕地土壤的砷含量最高，達到18.36 mg·kg-1，但除S19樣點含量較高（31.51 mg·kg-1）外，其他樣點在11.71～20.51 mg·kg-1之間。總體上看，土壤砷含量分布比較均勻，但超出了土壤背景值。

2.1.6 不同土地利用方式土壤Hg含量 不同土地利用方式的土壤汞含量變化如圖7所示。在4種土地利用類型中，農田土壤中Hg含量平均值為0.360 mg·kg-1，菜園土壤的砷含量為0.707 mg·kg-1，果園土壤為0.271 mg·kg-1，濕地土壤的砷含量最高，達到0.768 mg·kg-1。由圖7可以看出，農田超出背景值的有3個樣點，菜園和果園中超出背景值的有4個樣點，而在濕地土壤中，90%的樣點超出背景值，表明濕地土壤中汞的累積比較顯著。

2.1.7 不同土地利用方式土壤Cr含量 不同土地利用方式的土壤鉻含量變化如圖8所示。4種不同土地利用類型中，菜園土壤中鉻的平均濃度最高，達到75.26 mg·kg-1，其次為農田73.24 mg·kg-1，果園土壤中為71.06 mg·kg-1， 濕地土壤中為69.22 mg·kg-1。在25個樣點中鉻含量超出背景值的點占38.5%，但總體的平均值為71.86 mg·kg-1，低于背景值72.65 mg·kg-1，不同樣點之間的Cr含量分布比較均勻。

2.1.8 不同土地利用方式土壤Ni含量 不同土地利用方式的土壤鎳含量變化如圖9所示。4種土地利用類型中，菜地土壤的鎳含量平均濃度達到最高76.10 mg·kg-1，其次為濕地土壤71.90 mg·kg-1，農田和果園土壤含量分別為59.36 mg·kg-1和50.28 mg·kg-1。與天津市土壤背景值比較，在供試的25個土樣中Ni含量均遠遠超出背景值，反映出土壤Ni含量的變化是影響該區土壤環境質量的要素之一。與其他元素類似，在農田中的S3～S4樣點、菜地中的S10～S13樣點及濕地中的S17～S25樣點檢出的Ni含量顯著高于其他樣點，反映出其污染途徑具有相似性。

2.2 土壤環境質量狀況評價

以國家土壤環境質量標準為基礎，通過計算單項污染指數和Nemerow綜合污染指數，得出濱海新區不同土地利用方式下不同重金屬對土壤環境質量的影響現狀（表2）。依據土壤樣本pH值測定結果，標準限值采用土壤二級指標值，農田和蔬菜地以農田的標準比對，果園土壤采用對應的果園標準，濕地土壤采用國家標準中相近的稻田土壤標準進行比較。

從單項污染指數來看，采樣區的25個土壤樣本中Cu、Zn、Pb及Cr的Pi值均小于1，表現為清潔；除濕地土壤中S19樣品外，Cd和As在其他24個樣本中也達到清潔水平。樣品S19的PCd和PAs分別為1.121及1.260，屬于輕度污染，這與該采樣點位于過去的曬鹽場地附近有關。Hg和Ni是該地區污染率較高的元素，在25個樣本中有16個達到輕度以上的污染水平，污染率均為64%，其中S19的Hg污染達到中度污染水平，表明該地區的Hg和Ni存在較大的污染風險，并且Hg和Ni的污染分布具有同步性。從不同利用類型土壤中的分布來看，農田的輕度污染率為37.5%，蔬菜地為80%，果園屬于清潔，濕地土壤中為90%。分析其污染的原因，Hg和Ni污染與該地區污水中Hg和Ni排放有密切關系。濕地土壤主要分布在鹽場、河口區域，排污河及海河水質污染是導致超標的主要原因。蔬菜地灌溉量大，灌溉水污染可導致土壤中累積量增大。從樣點分布看，農田中的S3和S4、菜地中的S10～S13均分布在海河附近，所以存在較大的污染風險。

從綜合污染指數看，25個樣本中8%屬于輕度污染，包括菜園土壤S10和濕地土壤S19；綜合指數超過警戒級閾值（>0.7）的樣本數占52%，包括了農田中的S3和S4樣本，菜地土壤中的S11～S13，濕地土壤中的S17、S20～S26樣本；樣本中達到安全級別的占40%，以農田和果園土壤為主。

3 結論與討論

土壤重金屬的來源受成土母質、氣候、人類活動等多種因素的影響，不同地區、不同種類的土壤、特別是人類活動較為頻繁、容易受到擾動和污染的各種農用土地[18]。在針對土壤環境問題的研究和管理過程中，我國相繼公布了土壤元素背景值和土壤環境質量標準，確定了Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr及Ni等8種重金屬和類金屬元素的含量限值，為土壤污染評估提供了必要的判別參考依據。由試驗結果可知，除Cd和Cr外，其他元素的平均值均超出公布的天津市土壤元素背景值，其原因一方面與這些元素在土壤中的現存濃度或許較30年前有所增加有關，另一方面也與當年背景值測定時選取的采樣地點和土壤類型有關。本研究主要是以濱海新區的土壤為研究對象，而背景值可能包括天津市較大的土壤范圍，其土壤類型會有一定差別，因此，利用背景值僅僅是一種評估污染狀況時的參考，而更主要的是以國家土壤環境質量標準為依據。

在監測的數據中，濱海新區不同類型土壤中Hg和Ni存在較大的污染風險，在25個樣本中的污染率均為64%，污染分布具有同步性，并且主要分布在菜地和濕地土壤中。這一現象或許與人為活動導致的水污染有一定關系。在濱海新區特定的土壤環境下，其土壤以砂質為主，土層薄，導致水與土壤交換過程加劇，海河水系帶入的污染物及過去曬鹽過程引起的水與土壤中物質交換增加也許是其土壤中Hg和Ni元素積累量變化的重要原因。同時土地利用類型對土壤重金屬含量分布的影響具有一定差異，農田的輕度污染率為37.5%，蔬菜地為80%，果園屬于清潔，濕地土壤中為90%。綜合污染指數評價的結果表明，25個樣本中8%屬于輕度污染，超過警戒級閾值的樣本數占52%，達到安全級別的樣本占40%。總體上表現為農田和果園土壤比較清潔，而蔬菜地和濕地土壤中存在一定的污染風險。

關于土壤污染狀況的評估問題，目前學者們也有新的認識和共識，污染物在土壤中的含量（總量）高低不僅僅是判別土壤是否被污染的唯一依據，而要結合污染物受體是否產生危害及危害性的大小進行全面評估[19-20]。生物是土壤中的主要受體，污染物是否對生物產生毒害效應也需要結合土壤中污染物的存在形態、生物的蓄積量和毒性表現形式等多方面因素綜合評判[21-22]。因此，監測土壤中重金屬的現存量對于評價土壤可能存在的環境污染風險具有一定的意義。依據土壤環境質量標準的限值可知，其超標量越大則污染的風險亦越大。

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