廣州城區菜地土壤重金屬污染特征及生態風險評價

蔡云梅，張艷林，任露陸，李彩霞，王固寧，黃涵書

（廣東環境保護工程職業學院環境監測系，廣東 佛山 528216）

【研究意義】土壤是農業生產的基礎，其質量的優劣直接影響到糧食安全［1-2］。隨著社會經濟的迅速發展，工業化和城市化進程的不斷加快，城市人口、車輛的不斷增加，工業“三廢”的排放，城市垃圾等廢棄物、污泥污水以及含金屬的農藥、化肥的不合理使用，城市土壤重金屬污染日益嚴重。重金屬污染不僅破壞土壤的正常功能，并可通過植物吸收和食物鏈的積累，危害人體健康。研究發現，重金屬會累積在人體脂肪組織或沉積在循環系統，影響消化、心血管和中樞神經系統，對生物具有致癌、致畸及致突變效應［3-4］。一些金屬，如Pb和Cd［5］不屬于人體所必需的元素，即使在非常低劑量的情況下也會對人體造成危害。【前人研究進展】國內學者對菜地土壤重金屬含量、空間分布、健康風險進行了研究，研究表明我國部分大、中城市郊區菜地土壤和蔬菜中重金屬污染已較為普遍，部分已經達到較高的殘留水平，有的已經超過了相關的標準，對人們的健康構成了潛在的威脅［3，6］。【本研究切入點】已有的研究側重城郊菜地、設施菜地，或礦區等污染區周邊菜地重金屬污染特征及風險評價，對大城市城區零散菜地土壤重金屬污染的研究缺乏［3-9］，而大城市人口密度大、工業活動集中、城區擴張快速，是環境中重金屬等有害物質一個重要的污染源。廣州是我國一個擁有千萬人口的典型大城市，在城市化擴張過程中，農用地面積逐漸被壓縮，城區殘留的土地主要用于蔬菜種植。廣州市菜地土壤和蔬菜重金屬污染的研究已見少量報道［10-13］。研究發現廣州市菜地土壤受到一定程度的污染，蔬菜中重金屬含量與土壤中Pb、Cr、Cd的總量之間呈顯著正相關關系。廣州菜地土壤重金屬的研究，側重郊區菜地土壤，未涉及中心城區零散菜地土壤及Cu、Zn、Ni 元素，也未對菜地土壤重金屬來源、生態風險進行系統評價?！緮M解決的關鍵問題】分析了解廣州城區零散菜地土壤中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬的含量狀況、來源及生態風險。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣州是廣東省省會，地處珠江三角洲，瀕臨南海，海洋性氣候特征顯著，水熱同期，極利于作物的生長，一年四季均可種植蔬菜，以葉菜為主。廣州市蔬菜地土壤母質主要為河流沖積物、三角洲沉積物、洪積一沖積物, 以及少量赤紅壤（坡積殘積物）［10］。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤采集 根據經濟發展狀況、人口密度等特點，于2016年在廣州7個中心城區的居民區或道路沿線附近設置采樣點，各區樣點數為海珠4個、荔灣4個、天河5個、白云6個、黃埔5個、番禺9個、南沙2個，共采集35個土壤樣品。另花都、增城、從化未設置采樣點，越秀區未發現菜地也無采樣點設置。

根據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166-2004）的相關要求，在1 m×1 m的范圍內采用對角線布點法采集0～20 cm的表層土壤，去除土壤中的礫石和根系等異物后，混合均勻，采用四分法取1 kg裝入聚乙烯樣品袋，運回實驗室自然風干，研磨后過孔徑0.149 mm尼龍篩裝入聚乙烯袋備用。

1.2.2 土壤分析方法 土壤pH值按照土水比1∶2.5采用電位法測定；土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量經鹽酸-硝酸-氫氟酸消解，采用原子吸收分光光度法（GTA 120 Graphite Tube Atomizer，美國安捷倫科技公司）測定；As、Hg經微波消解采用原子熒光法（AFS-930原子熒光光度計，北京吉天）測定。為了保證分析結果的準確性，加入國家標準土壤樣品（GSS-24）、平行樣、空白樣進行質量控制。所用水均為二級去離子水，試劑均為優級純。

1.3 生態風險評價方法

潛在生態危害指數法（Potential ecological risk index）［14-16］，是用于評價重金屬潛在生態風險的一種相對快速、簡便和標準的方法。由于綜合考慮了多元素的協同作用、毒性水平、污染濃度及生態效應等方面因素，該方法被廣泛運用于眾多領域。其計算公式如下：

式中，RI為多種重金屬的綜合潛在生態風險指數；為重金屬i的潛在生態風險單項系數；為土壤中重金屬i污染指數；為重金屬i的實測含量（mg/kg）；為重金屬i的參比值（mg/kg），本研究采用廣東省土壤重金屬含量背景值［17］（表1）；Ti為重金屬i的毒性響應系數［16］（表1）。土壤潛在生態危害指數和生態危害分級見表2。

重金屬含量采用SPSS16.0和Excel進行統計分析。

表1 廣東省土壤重金屬含量背景值/毒性響應系數Table 1 Background values and toxic response coefficients of soil heavy metals in Guangdong

表2 潛在生態危害指數法危害分級標準Table 2 Hazard classification standard of potential ecological risk index

2 結果與分析

2.1 廣州城區菜地土壤重金屬含量

由表3可知, 土壤pH值范圍5.67～7.72，均值6.94，屬偏中性土壤，變異系數為0.07，該地區土壤理化性質穩定。非參數單樣本K-S檢驗（P＞0.05），土壤pH值、Cr、Ni和Pb含量服從正態分布，As、Cd、Cu、Hg和Zn含量不服從正態分布。變異系數＜10%為弱變異，10%～30%為中等變異，＞30%為強變異［18］。研究區8種金屬變異系數均＞30%，均為強變異，表明菜地土壤8種金屬數據離散性程度較大，金屬含量分布不均勻。與廣東省土壤重金屬背景值相比［17］，35個樣點中高于背景值的樣點數占82.9% ～100%，倍數范圍1.1～ 57.8倍，菜地土壤受到不同程度的重金屬污染。與《土壤環境質量標準》（GB 15618-1995）中二級農用地標準限值比較，Hg、Ni的超標率較高，分別為37.1%、22.9%，其次是Zn為14.3%，Cu為11.4%，As為8.6%，Pb和Cd均為2.9%，Cr處于安全值范圍內。

表3 廣州城區菜地土壤重金屬含量統計分析Table 3 Statistical analysis of heavy metal content in vegetable soils of Guangzhou urban districts

表4 不同重金屬含量在前3個主成分中的因子載荷Table 4 Factor loading of different heavy metals in the top three principal components

2.2 廣州城區菜地土壤重金屬污染源分析

主成分分析是重金屬污染源分析的有效方法，根據特征值＞0.8，提取的前3個主成分可以解釋總變量的79. 399%（表4）。第1、2、3主成分中載荷較高的分別是Cr、Ni、As，Pb、Cd、Zn和Hg、Cu。本研究Cr、Ni、Pb除外，其余5種金屬含量均非正態分布；8種金屬平均濃度均高于背景值，變異系數較大，暗示了人為源的存在［19-20］。Cr、Ni、As高值出現的樣點靠近工業城、居民區。生活垃圾不乏含Cr、Ni、As等各種重金屬，如鍍Cr、Ni的水管、建筑裝飾材料；As是玻璃、木材、制革、紡織、化工、顏料、化肥等工業的原材料，因此第1主成分代表生活及工業污染源。Pb常被作為交通污染源的標識元素，汽車尾氣排放、輪胎等零部件磨損會造成環境中Pb、Zn、Cu、Cd的污染［21］。另外，農業生產中含Cd、Pb地膜、大棚等塑料薄膜的使用，以及含Cd農藥、化肥的施用，也會造成土壤中重金屬的污染［6］。樣點靠近公路，因此第2主成分代表交通和農業活動污染源?；剂先紵?，尤其是煤炭的燃燒，是環境中Hg的主要人為源［18］。Hg高值主要出現在黃埔區，廣州石化是該區代表企業，從20世紀60年代即開始生產，因此第3主成分代表工業污染源。

研究土壤中重金屬含量的相關性可以推測重金屬的來源是否相同，若有顯著的相關性，說明有相同來源的可能性較大，否則來源可能不止1個。如表5所示，相關性分析顯示Cr、Ni、As、Cu顯著相關，Hg、Cu、Zn、Cd、Pb顯著相關，Pb、Cu、Zn、Ni、Cd、Hg、Cr顯著相關，其結果一方面和主成分分析結果一致，另一方面也反映了污染源的復合型，即菜地土壤重金屬的含量可能綜合受成土作用、工業活動、城市活動以及農業活動多方面的影響。

表5 土壤重金屬污染相關性分析Table 5 Correlation analysis of heavy metal pollution in soil

2.3 廣州城區菜地土壤重金屬污染生態風險評價

根據潛在生態危害指數計算公式，土壤中As、Hg、Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd 的 潛在 生 態風險指數結果見表6。土壤中Hg的生態危害較嚴重，35個樣點中97.1%達到中等及以上生態危害，28.6%達到較強的生態危害水平，25.7%達到很強生態危害水平，40.0%達到了極強的潛在生態危害水平，這與其相對較高的含量和毒性響應系數有關。結合表1、表3可以看出，Cd潛在生態危害程度也較高，其原因也是Cd較高的毒性系數。土壤中Zn的含量雖最高，但Zn潛在生態危害程度較低，主要因它的毒性響應系數不是很高。Zn、Cr、Ni、Pb的生態危害程度均為輕微。As、Cu分別有5個和4個樣點處于中等生態危害，其他樣點的生態危害程度均為輕微。研究區菜地土壤中重金屬單項污染潛在生態危害系數平均值從大到小依次為 Hg ＞ Cd ＞ As ＞ Cu ＞ Ni ＞ Pb＞ Zn ＞ Cr。8種重金屬綜合潛在生態危害指數RI值609.94，為很強生態危害，其中Hg和Cd對生態危害貢獻率為84.92%，應引起充分關注。

表6 土壤重金屬潛在生態危害指數統計分析Table 6 Statistical analysis of Hakanson potential ecological hazard index of heavy metals in soil

3 討論

隨著城市規模的擴大，經濟的發展，人口、交通總量的提升，城區土壤受到重金屬嚴重污染。菜地土壤重金屬污染狀況的科學評估，對保障飲食安全和公眾身體健康具有重要的現實意義。周凱等對新鄉市郊區大棚菜地土壤重金屬污染進行了評估，發現Cd、Pb、Cr、Hg 的平均質量分數分別為 25.64、156.18、992.38、0.316 mg/kg，綜合污染指數遠遠超過Ⅴ級的限值3.0，菜地土壤的重金屬處于高或極高風險狀態［22］。陳寶玲等對佛山市南海區本土種植蔬菜重金屬污染現狀及對人體健康的風險進行了評估，結果顯示葉菜類鉛、鎘的靶標危害系數（ THQ）值為0.541、0.575，其中3類蔬菜中無機砷的THQ 值分別為0.751、0.902、0.563，蔬菜中重金屬污染對人體健康存在潛在風險［23］。與羅小玲等［24］報道的珠江三角洲地區典型農村土壤重金屬污染狀況相比，本研究Pb、Hg含量都相對較高。另外，前人研究也發現廣州菜地土壤中Pb、Hg是主要的污染重金屬，其中Hg污染較重，與本研究的結果一致［10-13］。Pb不再是主要的污染重金屬，可能與無鉛汽油的使用有關；但相比于崔曉峰等［13］報道的廣州郊區菜地土壤Pb含量平均值（67.1±6.5）mg/kg，廣州城區零散菜地土壤Pb含量還是較高的。羅小玲等對企業周邊、養殖場周邊和垃圾點周邊三類污染場地土壤重金屬污染狀況進行了研究，發現垃圾點、養殖場周邊土壤重金屬超標情況相對最重［24］。高度集約化的耕作方式，工業三廢的排放、生活垃圾的隨意堆放等是造成土壤重金屬污染的主要原因。城市尤其是特大城市是各種人類活動的高度密集區，也是環境中各種有害物質的一個重要污染源，工業三廢、交通尾氣、固體廢物、生活垃圾、建筑垃圾以直接或間接方式進入土壤，再加上農藥、化肥等種植過程中引入的重金屬，城區零散菜地土壤的重金屬污染存在一個復合污染源。蔬菜是一類食用量大的農作物，尤其對于廣東人，在日常飲食中占據重要地位，菜地土壤的質量安全需要特別關注。本研究發現菜地土壤中Hg的單項生態危害較高，綜合生態危害指數處于強/很強的樣點數占68.6%，廣州城區部分零散菜地土壤的質量不再適宜種植蔬菜。秦文淑等發現經蔬菜途徑攝入重金屬Pb 在一定程度上具有潛在風險［11］。崔曉峰等研究發現珠三角蔬菜中重金屬含量與土壤中Pb、Cr、Cd 的總量、有效態含量之間呈顯著正相關關系［13］。因此廣州城區零散菜地種植蔬菜中重金屬的污染狀況及人體暴露風險，尤其對處于生長發育期兒童的暴露風險，需作進一步調查研究。

4 結論

研究區菜地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量高于當地背景值，與《土壤環境質量標準》（GB 15618-1995）中二級農用地標準限值比較，除42Cr外，其他金屬存在不同程度的超標，Hg超標率最高，菜地土壤受到不同程度的重金屬污染。Pearson相關性和主成分分析顯示，土壤重金屬的污染源存在一定的復合型，菜地土壤重金屬含量受成土作用、工業活動、城市化活動以及農業活動本身的影響。根據潛在生態危害指數法，研究區菜地土壤單項生態危害最高的是Hg，其次是Cd，Ni、Zn、Cu、As、Pb存在不同程度的生態風險，僅Cr處于安全狀態；綜合生態危害指數68.6%的樣點處于強/很強生態危害。鑒于本研究樣品數量和采樣區域有限，有必要進一步評估廣州城區零散菜地土壤中重金屬污染的生態風險，保障市民的食品安全。