東莞某工業鎮農用地土壤鎘污染及生態風險評價

鄧杰帆，吳翠玉，盧 瑛 ，李軍輝，曾彩明，劉金環，劉紀鎣，賈重建

（1.東莞市環境科學研究所，廣東 東莞 523009；2.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642）

【研究意義】 近年來，隨著工業的快速發展，大量工業污染物不合理排放，造成農用地土壤重金屬污染日益嚴重[1-3]。由于重金屬不能被土壤微生物降解，在土壤中不斷積累，且可被植物富集，對環境和人體健康存在危害性[4]，因此土壤重金屬污染問題已引起高度重視[5-7]。鎘（Cd）是生物毒性最強的重金屬元素之一，在環境系統中遷移活躍，可以通過土壤-農產品途徑進入人體，影響酶系統活力，干擾人體微量元素代謝，引發高血壓、骨質疏松等疾病，給人體健康帶來嚴重威脅[8]。因此，土壤Cd的環境行為以及污染控制等研究一直以來備受關注[4,9-11]。

【前人研究進展】 根據2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》[12]顯示，我國農田土壤點位超標率為19.4%，其中以重金屬Cd最為嚴重。不同土地利用方式對土壤重金屬累積可產生重要影響[13]。目前國內北京[14]、上海[15]、天津[16]、廣州[1]、深圳[17]等城市已廣泛開展了不同土地利用方式土壤重金屬研究。有研究表明我國約24.1%的菜地土壤樣本Cd含量超過國家土壤環境質量Ⅱ級標準（GB15618-1995）[18]。【本研究切入點】 東莞作為廣東經濟發達的城市，由于城市化、工業化的快速發展，導致了“三廢”的大量產生，而“三廢”未得到有效處理的排放以及垃圾和河涌底泥的農用，致使重金屬污染物直接或間接地進入農田土壤[19]，對當地環境造成了一定的壓力。因此，有關東莞市土壤重金屬的相關研究已有眾多報道[20-22]，而Cd作為一種累積性的劇毒重金屬元素，其在不同土地利用方式農用地中相關分布狀況的研究尚不多見。【擬解決的關鍵問題】 通過對東莞市某工業鎮不同土地利用方式土壤-農產品系統Cd進行調查和評價，了解土地利用方式對土壤Cd的累積、分布及其生態影響，以期為農用地土壤Cd污染的有效防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

充分考慮研究區域地形地貌、土壤類型和田塊大小等因素，于2017年7月在東莞市某工業鎮選取不同土地利用類型 ( 菜地、果園、荒地、林地)的地塊，進行樣點布設，并且利用GPS準確定位。按照梅花布點五點混合法，用竹片采集表層土壤（0～15 cm）樣品，四分法取1 kg裝入樣品袋中。共采集表層土壤樣品123個，其中菜地83個、荒地3個、果園26個、林地11個。樣品經室內自然風干后，使用瑪瑙研缽研磨，分別過孔徑2.00 mm和0.15 mm尼龍篩，貯存待測。

在種植有時令農產品的地塊同時采集可食部分農產品，共計27個，其中葉菜類（通心菜、菜心、番薯葉）10個、瓜果類（萵苣、水瓜、茄子）10個、水果類（香蕉、龍眼、木瓜、芒果）7個，放入提前準備有冰塊的儲藏箱中低溫保存，帶回實驗室后進行預處理，去除蟲咬、老殘部分，用自來水沖洗去除污泥等，用蒸餾水洗凈, 并用紗布揩干水分，可食用部分立即碾碎分析。

1.2 分析方法

土壤pH值采用電位法測定（水土比2.5∶1）[23]， 土 壤 Cd經 HCl-HNO3-HClO4-HF消解后用石墨爐原子吸收法測定[23]。農產品Cd 的測定參照 GB 5009.15-2014[24]，經 HNO3-HClO4消解后用石墨爐原子吸收法測定。樣品分析過程中，土壤和農產品分析通過空白、平行和標準物質（土壤標準物質GSS-4和GSS-24、GSB-6菠菜和GSB-26芹菜）來進行質量控制。平行間的相對誤差均＜ 10 %。

1.3 評價方法

為分析土壤和農產品Cd累積和污染程度，分別以廣東省自然土壤背景值[25]、《農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618-2018）[26]和《食品安全國家標準》（GB2762-2017）[27]食品中污染物限量為評價標準。土壤和農產品Cd污染評價標準：廣東省自然土壤背景值Cd含量為0.056 mg/kg；土壤污染風險篩選值pH≤7.5時Cd含量為0.3 mg/kg，pH＞7.5時Cd含量為0.6 mg/kg；土壤污染風險管制值pH≤5.5時Cd含量為 1.5 mg/kg，5.5＜pH ≤ 6.5時 Cd含量為 2.0 mg/kg，6.5＜pH ≤ 7.5時 Cd含 量 為 3.0 mg/kg，pH＞7.5時Cd含量為4.0 mg/kg；農產品限量值新鮮蔬菜和新鮮水果Cd含量均為0.05 mg/kg。

1.3.1 污染評價 采用單因子污染指數法和地累積指數法評價研究區域土壤Cd污染狀況，單因子污染指數法和地累積污染指數法評價分級標準見表1。

單因子污染指數法計算公式為：

式中，Pi表示土壤重金屬元素i的污染指數，Ci表示土壤重金屬元素i的實測含量（mg/kg），Si表示土壤重金屬元素i的限量標準。

地累積污染指數法計算公式為：

式中，Igeo表示土壤重金屬元素i的地累積指數，Ci表示土壤重金屬元素i的實測值（mg/kg），Bi表示土壤重金屬元素i的背景值。

表1 單因子污染指數法和地累積污染指數分級標準Table 1 The contamination grading standards of single factor index and geo-accumulation index

1.3.2 潛在生態風險評價 潛在生態風險指數法是瑞典學者Hakanson[28]提出的，單一金屬潛在生態危害指數計算公式為：

式中，Eir為土壤中第i種重金屬的潛在生態危害指數；Tir為第i種重金屬元素毒性系數，反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度；Cif為第i種重金屬元素的污染系數，Cis為土壤重金屬元素含量實測值（mg/kg），Cin為重金屬參比值。土壤重金屬含量越大，重金屬的毒性水平越高，潛在生態危害指數Eir值越大，表明其潛在危害也越大，其分級標準見表2。用Hakanson制定的標準化重金屬毒性系數為評價依據，重金屬Cd的毒性系數Tr=30。為了相對反映特定區域的分域性，參比值采用廣東省土壤自然背景值。

表2 Hakanson單一金屬潛在生態風險評價分級標準Table 2 Grading standards of single metal potential ecological risk assessment by Hakanson

試驗數據采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 2016軟件進行相關的圖表處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值及Cd含量特征

由表3可知，研究區域土壤pH值為3.81～8.29，平均值為6.08，有66.7%的樣點土壤pH＜6.5，即有2/3的土壤偏酸性；不同利用方式間土壤pH平均值表現為：荒地＞林地＞菜地＞果園。土壤Cd含量變化范圍為0.02～1.52 mg/kg，平均值為0.36 mg/kg，僅8.94%的樣點Cd含量未超過廣東省自然土壤背景值，表明研究區域土壤已呈現一定程度的Cd累積；48.78%的樣點Cd含量高于土壤污染風險篩選值，但均沒有超過管控值（GB 15618-2018）。土壤Cd含量在不同利用方式間的大小順序為：菜地＞林地＞果園＞荒地，且菜地土壤Cd含量顯著高于其他3種利用方式。

變異系數可以反映采樣總體中各樣點之間的平均變異程度[29]。表3表明，菜地、果園土壤Cd的變異系數達到65%以上，遠大于林地和荒地土壤的Cd變異系數，說明菜地和果園土壤受人為活動的干擾比較顯著，空間變異較大。

表3 土壤pH和Cd含量統計特征Table 3 Description statistics of soil pH and Cd content

2.2 農產品Cd含量及遷移特征

從圖1A可以看出，供試農產品Cd含量為0.000015～0.062 mg/kg，平均含量為 0.013 mg/kg，與《食品安全國家標準》（GB 2762-2017）農產品Cd限量值相比，有11.11%的農產品Cd含量超標，且超標的農產品均為茄果類，說明已有部分茄果類蔬菜受到Cd污染。不同種類農產品Cd含量平均值由大到小依次為：茄果類＞葉菜類＞水果類，單因素方差統計分析結果顯示3類農產品之間無顯著差異。

農產品對重金屬的吸收和積累特征，眾多研究者采用農產品中重金屬的含量與相應土壤重金屬含量的比值表示[20，30-31]，本研究將農產品Cd含量與相應土壤的比值稱之為遷移系數，Cd 遷移系數越大，表明農產品從土壤中吸收Cd 的能力越強，抗土壤Cd污染的能力就越弱[31]。從圖1B可以看出，Cd在土壤-農產品間的遷移系數為0.000031～0.46，平均值為0.055。不同種類農產品Cd遷移系數平均值由大到小依次為：茄果類＞葉菜類＞水果類，三者間無顯著差異，這與各類農產品Cd含量的大小順序一致。

圖1 農產品Cd含量（A）及遷移系數（B）Fig.1 Cd concent (A) and transfer coefficient (B) in agro-products

2.3 土壤Cd污染評價

2.3.1 基于單因子污染指數的土壤Cd污染評價 以《農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618-2018）中土壤污染風險篩選值為依據，計算Cd污染指數，結果見表4。從表4可以看出，土壤Cd污染指數為0.06～5.06，平均值為1.19，48.78%的樣點處于輕污染～重污染水平，其中93.33%的受污染樣點為菜地，荒地土壤Cd處于安全水平。菜地的Cd污染指數顯著高于其他3種利用方式。

2.3.2 基于地累積指數的土壤Cd污染評價 由表4可知，研究區土壤Cd地累積指數為-2.19～4.17，平均值為1.55，84.55%的樣點處于輕污染以上的水平。不同利用方式土壤的Cd地累積指數平均值均大于0，菜地的Cd污染指數顯著高于其他3種利用方式。可見，研究區菜地受人類活動的影響程度遠大于其他3種利用方式。

2.3.3 基于潛在生態危害指數的土壤Cd污染風險評價 從土壤Cd潛在生態危害指數結果（表4）來看，研究區土壤Cd潛在生態危害指數為9.88～812.64，處于輕微、中等、強、很強、極強水平的比例分別為13.82%、13.82%、23.58%、30.89%、17.89%，表明研究區土壤Cd的生態風險較高，其中菜地土壤Cd的生態風險最高，有97.59%的樣點土壤處于中等以上的生態風險水平。方差分析結果顯示，菜地土壤Cd潛在生態危害指數與其他3種利用方式差異顯著。

表4 土壤Cd 污染評價結果Table 4 The results of Cd contamination assessement in soils

3 討論

在自然情況下，土壤重金屬主要來源于母巖和殘落的生物物質，但隨著工農業生產活動的發展，人為活動對土壤重金屬分布的影響不斷加強，污水灌溉、農藥、無機和有機肥料（包括城市垃圾、污泥）的施用等管理措施均會導致土壤重金屬的積累[4，8，13，32]。本研究中，有 90% 以上的樣點土壤Cd含量高于廣東省自然背景值，累積現象明顯。土地利用方式不同，管理措施通常也不同[13]，從而導致土壤重金屬含量及污染特征產生差異。本研究中通過對研究區域菜地、林地、果園以及荒地土壤取樣分析表明，不同利用方式對土壤中Cd的含量有不同程度的影響，其中菜地土壤最為顯著，Cd污染程度最嚴重，這與前人研究基本一致[1，13-14]。這是由于菜地土壤耕作強度大、肥料農藥使用量大、投入和產出高、受人類活動影響最為強烈[18]，而Cd作為一種較為典型的因人類活動進入環境的元素[14]，在菜地土壤中的積累程度較其他利用方式強烈。

土壤中重金屬是造成蔬菜重金屬污染的主要因素，且通過食物鏈被動物富集，直接或間接地威脅人類安全和健康[22，33]，由于作物主要是通過根系從土壤溶液中吸收元素[30]，不同農產品因對水分的需求不同而導致對重金屬的吸收以及體內運移效率有很大差異。本研究中11.11%的農產品 Cd超標，Cd在土壤-農產品間的遷移系數較高，不同種類農產品Cd遷移系數平均值由大到小依次為：茄果類＞葉菜類＞水果類，茄果類及葉菜類等蔬菜較水果類對環境產生風險效應強。農用地土壤重金屬污染物不僅對農作物生長造成影響，還可通過食物鏈的傳遞作用對人體健康造成危害。因此，不同種類農產品累積Cd的差異可指導實際農業生產過程中作物種類的選擇與種植，就研究區域而言，水果類更適宜于該研究區域種植。

4 結論

（1）研究區91.06%的樣點土壤Cd含量高于廣東省自然背景值，呈現明顯的累積現象；48.78%的樣點Cd含量高于農用地土壤污染風險管控標準篩選值，存在土壤污染風險，處于輕污染～重污染水平；地累積指數法評價結果為84.55%的樣點Cd處于輕污染～較強污染水平；潛在生態危害指數法評價結果為86.18%的樣點土壤Cd的生態風險處于中等～極強水平。

（2）研究區農產品Cd含量平均值均低于食品安全國家標準中規定的蔬菜 Cd 含量限值，但有11.11%的蔬菜超標，對人群存在健康風險。

（3）利用方式影響土壤Cd的累積，土壤Cd含量、污染指數、地累積指數、潛在生態危害指數平均值大小順序均為：菜地＞林地＞果園＞荒地，且菜地與其他3種利用方式差異顯著。