上海郊區(qū)典型農(nóng)業(yè)土壤重金屬累積和評(píng)價(jià)

李雙喜,呂衛(wèi)光?,雷艷芳,唐雅瑩,陳新兵,余叢田,顧建人,張漢強(qiáng)

土壤是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),關(guān)系人民群眾身體健康,關(guān)系美麗中國(guó)建設(shè),保護(hù)好土壤環(huán)境是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全的重要內(nèi)容。當(dāng)前,我國(guó)土壤環(huán)境總體狀況堪憂,已成為全面建成小康社會(huì)的突出短板之一[1]。土壤重金屬污染是土壤環(huán)境污染的重中之重,具有污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性、無(wú)法被生物降解,并可能通過(guò)食物鏈不斷地在生物體內(nèi)富集,具有極大的危害性。國(guó)內(nèi)外大量研究表明,人為活動(dòng)是造成環(huán)境中重金屬污染的最主要因素[2-7]。土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法非常多,常見(jiàn)的包括單項(xiàng)污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[2]、污染負(fù)荷指數(shù)法[8]以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法[9]等。地積累指數(shù)通常稱(chēng)為Muller指數(shù),發(fā)展興起于1970年以后的歐洲,是近些年來(lái)廣泛應(yīng)用于研究和評(píng)價(jià)土壤中重金屬污染程度的指標(biāo)之一[10]。在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)及分級(jí)上,地積累指數(shù)不僅能反映元素自然變化的特征,而且能評(píng)價(jià)人為活動(dòng)因素導(dǎo)致的重金屬污染物變化,實(shí)踐中具有較好的應(yīng)用效果[11]?，F(xiàn)階段,在不同的環(huán)境條件下,研究人員根據(jù)研究目的的需要選取不同的評(píng)價(jià)方法。從環(huán)境地球化學(xué)的角度出發(fā),評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤中重金屬的污染,除必須考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外,還應(yīng)考慮到自然成巖作用可能引起的背景值變動(dòng)因素（常數(shù)）。地積累指數(shù)法注意到了此因素,彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足。

上海市在1994年就明確提出以“菜籃子工程”和“米袋子工程”建設(shè)為依托,加快城郊農(nóng)業(yè)向都市農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變,建立一個(gè)與國(guó)際化大都市相配套、具有世界一流水準(zhǔn)的都市農(nóng)業(yè)[12-14]。光明食品集團(tuán)在保障上海農(nóng)副產(chǎn)品供給方面作出了巨大貢獻(xiàn),是上海地區(qū)重要的糧食、蔬菜生產(chǎn)供給基地,集團(tuán)大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化、專(zhuān)業(yè)化、科技化進(jìn)程,不斷優(yōu)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式和發(fā)展路徑,成為上海乃至全國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的排頭兵。光明食品集團(tuán)下屬?lài)?guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)在近幾十年的發(fā)展過(guò)程中,大力推進(jìn)秸稈還田、有機(jī)肥替代化肥、化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效,還在種養(yǎng)結(jié)合方面做了大量的研究與實(shí)踐,但是因缺少較為系統(tǒng)的普查及評(píng)價(jià)與分級(jí)體系,土壤重金屬污染物的變化情況不被掌握。本研究在光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)田土壤環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上,應(yīng)用地積累指數(shù)法對(duì)光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)上海區(qū)域的農(nóng)田土壤重金屬的污染情況進(jìn)行分析,以期為光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)未來(lái)發(fā)展及規(guī)劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2015年11月對(duì)光明食品集團(tuán)在上海郊區(qū)（崇明區(qū)和奉賢區(qū)）的主要種植基地[包括上海光明長(zhǎng)江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司、光明種業(yè)有限公司、上海瑞華實(shí)業(yè)公司、上海牛奶（集團(tuán)）有限公司和光明食品集團(tuán)上海五四有限公司等],累計(jì)采樣面積崇明區(qū)10400 hm2,奉賢區(qū)2333 hm2（圖1）,主要種植農(nóng)作物為水稻、小麥、蔬菜等。土壤樣品采集依據(jù)《農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》,采用“S”形多點(diǎn)采樣混合法,采集0—20 cm土壤樣品,四分法每個(gè)樣品取1 kg,用自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。采集樣品合計(jì)109個(gè)（崇明區(qū)88個(gè),奉賢區(qū)21個(gè)）。采集的土壤經(jīng)自然風(fēng)干,木棒粗磨,過(guò)2 mm孔徑尼龍篩去除細(xì)小的石粒及生物殘留,然后取均勻土樣300 g,研磨,過(guò)0.149 mm孔徑尼龍篩,裝磨口瓶待測(cè)。

圖1 樣品采集點(diǎn)位（★）Fig.1 Schematic diagram of sample collection points

1.2 樣品測(cè)試項(xiàng)目及方法

主要測(cè)試土壤樣品的Cu、Zn、Rb、Cr、Cd、Ni、Hg和As 8種重金屬含量,相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法如表1所示。

表1 土壤樣品測(cè)試項(xiàng)目及方法Table 1 The items and methods of soil tested

1.3 地積累指數(shù)分級(jí)

采用的地積累指數(shù)及分級(jí)如表2所示。

表2 地積累指數(shù)分級(jí)Table 2 Grading of geoaccumulation index

2 結(jié)果與討論

2.1 光明集團(tuán)農(nóng)場(chǎng)土壤重金屬含量與評(píng)價(jià)

地積累指數(shù)法廣泛應(yīng)用于土壤重金屬評(píng)價(jià),表3為測(cè)得的光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)崇明及奉賢區(qū)域8種土壤重金屬元素含量,與表4中上海市和國(guó)家土壤背景值[15]相比,整體而言光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)崇明和奉賢區(qū)域的農(nóng)田土壤重金屬均處于安全范圍內(nèi);極個(gè)別區(qū)域樣點(diǎn)采集的土壤重金屬含量接近或高于上海及國(guó)家背景值,原因可以歸結(jié)為采樣及分析誤差、傳統(tǒng)的歷史栽培因素（崇明及奉賢曾長(zhǎng)期種植棉花,有施用含汞、砷、銅等重金屬的農(nóng)藥）、過(guò)量施用化肥和有機(jī)肥等。此外,崇明和奉賢區(qū)域的土壤重金屬含量的差異,部分原因?yàn)槌赏聊纲|(zhì)的差異,采集樣品的奉賢五四區(qū)域以?shī)A沙土為主,而崇明區(qū)域多以圍墾土壤為主,潮土和鹽土居多。

通過(guò)計(jì)算,由于國(guó)家背景值和上海市背景值的差異,造成了地積累指數(shù)（Igeo）數(shù)值的不同,但是依據(jù)評(píng)級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),以 Igeo平均值計(jì)算和評(píng)價(jià),8 種重金屬（Cu、Zn、Rb、Cr、Cd、Ni、Hg 和 As）未造成污染,Igeo均小于0。

表3 崇明和奉賢區(qū)域8種土壤重金屬含量Table 3 Value of 8 heavy metals in Chongming and Fengxian areas of state farm of Bright Food Group mg·kg-1

表4 8種重金屬元素的上海市土壤背景值和國(guó)家土壤背景值Table 4 Background value of 8 heavy metals in soil of Shanghai and China mg·kg-1

2.2 光明集團(tuán)農(nóng)場(chǎng)土壤重金屬含量分級(jí)頻率

表5為光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)崇明區(qū)域8種重金屬元素的地積累指數(shù)分級(jí)頻率分布情況。以上海土壤背景值為計(jì)算依據(jù),Cu、Zn、Rb、Ni、Hg這5種重金屬的地積累指數(shù)均小于0,屬于無(wú)污染級(jí),污染分級(jí)頻率（指分級(jí)為0的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的百分比）達(dá)到100%;而99.9%的Cd、Cr、As地積累指數(shù)小于0,僅有0.1%介于0—1,屬于輕度—中度污染級(jí)。以國(guó)家土壤背景值為計(jì)算依據(jù),光明食品集團(tuán)崇明區(qū)域的Rb、Ni、As這3種重金屬的地積累指數(shù)均小于0,分級(jí)屬于無(wú)污染級(jí),污染分級(jí)頻率達(dá)到100%;而99.9%的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg地積累指數(shù)小于0,僅有0.1%介于0—1,屬于輕度—中度污染級(jí)。國(guó)家和上海8種重金屬土壤背景值的差異造成了極個(gè)別重金屬元素地積累指數(shù)的差異,從而引起分級(jí)頻率的不同。

表5 崇明區(qū)域8種土壤重金屬元素地積累指數(shù)分級(jí)頻率分布Table 5 Frequencies of grading of Igeoof 8 heavy metals in Chongming

表6為光明食品集團(tuán)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)奉賢區(qū)域8種重金屬元素的地積累指數(shù)分級(jí)頻率分布情況。以上海土壤背景值為計(jì)算依據(jù),Rb、Ni、Hg、As這4種重金屬的地積累指數(shù)均小于0,屬于無(wú)污染級(jí),污染分級(jí)頻率達(dá)到100%;而99.9%的Cu、Zn、Cd、Cr地積累指數(shù)小于0,僅有0.1%介于0—1,屬于輕度—中度污染級(jí)。以國(guó)家土壤背景值為計(jì)算依據(jù),光明食品集團(tuán)崇明區(qū)域的Rb、Ni、As這3種重金屬的地積累指數(shù)均小于0,屬于無(wú)污染級(jí),達(dá)到100%;而99.9%的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg地積累指數(shù)小于0,僅有0.1%介于0—1,屬于輕度—中度污染級(jí)。

表6 奉賢區(qū)域8種土壤重金屬元素地積累指數(shù)分級(jí)頻率分布Table 6 Frequencies of grading of Igeoof 8 heavy metals in Fengxian

3 結(jié)論

以國(guó)家和上海市8種土壤重金屬背景值,計(jì)算光明食品集團(tuán)崇明和奉賢兩個(gè)區(qū)域土壤8種重金屬Cu、Zn、Rb、Cr、Cd、Ni、Hg 和 As 的地累積指數(shù),結(jié)果表明:以綜合平均值來(lái)計(jì)算和評(píng)價(jià),Igeo均小于 0,土壤未受重金屬累積影響。從8種重金屬地積累指數(shù)分級(jí)頻率來(lái)看,崇明和奉賢農(nóng)場(chǎng)均有極個(gè)別土壤重金屬處于輕度—中度污染的樣點(diǎn)存在,還有待進(jìn)一步的機(jī)理分析,以加強(qiáng)重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)防范。