上海某區(qū)域低效工業(yè)用地土壤重金屬含量特征及生態(tài)風險分析

徐豐冰，黃海峰

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心，上海 200072）

上海市低效工業(yè)用地減量化是在城市資源匱乏的條件下有效改善土地利用方式的一種手段。上海市低效工業(yè)用地是規(guī)劃產業(yè)區(qū)外、規(guī)劃集中建設區(qū)以外的現狀工業(yè)用地，存在潛在環(huán)境風險隱患，倘若轉變成農用地，應具有更高的安全性及健康度［1-4］。由此，開展上海市低效工業(yè)用地土壤重金屬含量特征、累積成因及生態(tài)風險分析工作就顯得尤為重要。

本文以上海奉賢區(qū)3種典型低效工業(yè)用地為研究對象，統計了各地塊土壤重金屬含量分布狀況，通過內梅羅綜合評價法分析了各低效工業(yè)用地的污染水平，利用相關分析法進行土壤中各重金屬可能性累計成因分析，并完成潛在生態(tài)風險評價及生態(tài)風險預警評價，以期為政府管理部門對上海市低效工業(yè)用地地塊的綜合監(jiān)管、輔助決策、土地市場管理等提供服務。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設與樣品采集

本次選取了三種具有代表性的低效工業(yè)用地，采樣布點依據《上海市經營性用地全生命周期管理場地環(huán)境保護技術指南（試行）》《上海市場地環(huán)境監(jiān)測技術導則》《上海市場地環(huán)境調查技術導則》中專業(yè)判斷結合系統布點法布設，根據歷史影像圖、人員訪談及現場踏勘情況，使點位合理布設在重點關注區(qū)域（圖1）。

本次共采集了251個表層土壤樣品，其中，家具制造廠址采集了138個樣品，輕工機械廠址采集了71個樣品，塑料制品廠址采集了42個樣品。采集的樣品保存在專用的冷藏箱內并及時送達實驗室，實驗室低溫（4℃）保存樣品，樣品在各自的保存期內進行分析（包括前處理）。

圖1 低效工業(yè)用地采樣區(qū)域分布Fig.1 Distribution map of sampling area in the low efficiency industrial land

1.2 樣品測試與分析

將采集的土壤樣品均勻混合，干燥后去除土樣中的異物，研磨、篩分混勻后密封保存。分析測試參考國家標準分析方法（表1）。

1.3 評價方法

（1）單因子指數法

單因子指數法評價的是各金屬的含量水平［5-6］，表達式為：

表1 實驗室檢測方法及儀器設備Table 1 Laboratory testing methods and equipment

式中：Pi為重金屬i的土壤質量指數；Ci為重金屬i的實際濃度；Si為重金屬i對應的評價標準數值。

與GB 15618-2018相比，《食用農產品產地環(huán)境質量評價標準》［7］（以下簡稱HJ/T 332-2006）中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的限值更為嚴格，故本次以其作為參考標準。單因子污染指數法分級水平為：Pi＜1屬于清潔；1≤Pi＜2屬于輕微污染；2≤Pi＜3屬于輕污染；3≤Pi＜5屬于重污染；5≤Pi屬于重污染。

（2）內梅羅綜合指數法

本文選擇內梅羅綜合指數法對各低效工業(yè)進行評價，表達式如下：

式中：P綜為低效工業(yè)用地綜合指數；Im為低效工業(yè)用地土壤最大單項指數；I為工業(yè)用地重金屬i的污染指數。綜合指數法的分級水平為：P綜合＜0.7屬于安全；0.7≤P綜合＜1屬于警戒線；1≤P綜合＜2屬于輕污染；2≤P綜合＜3屬于重污染；3≤P綜合屬于重污染。（3）土壤環(huán)境生態(tài)風險評估

本文選用Hakanson的潛在生態(tài)風險指數法［8］，分析各低效工業(yè)地塊生態(tài)風險，表達式如下：

式中：RIf為f采樣點中8類金屬元素的綜合指數；為f采樣點中金屬元素i的單項指數；為f采樣點中金屬i的污染指數；為f采樣點中金屬i的實際值；為金屬元素i的參比值；為金屬i的毒性參數，可全面表現出元素毒性、污染等級以及污染敏感度。

本研究參比值選用的是上海市背景值［9］，金屬鎘的毒性系數是30；金屬鉻的毒性系數是2；金屬砷的毒性系數是10；金屬鉛的毒性系數是5；金屬銅的毒性系數是5；金屬鎳的毒性系數是5；金屬鋅的毒性系數是1；金屬汞的毒性系數是40。單項潛在生態(tài)風險指數分級方式為：為較輕風險；為中等風險；≤160為較高風險；為高度風險；320為超高風險。綜合潛在生態(tài)風險指數分級方式為：RIf≤150為較輕風險；150＜RIf≤300為中等風險；300＜RIf≤600為較高風險；600＜RIf≤1200為高度風險；1200＜RIf為超高風險。

（4）生態(tài)風險預警指數法

本文選用Rapant等的生態(tài)風險預警指數法［10］，預警評價各低效工業(yè)地塊的風險預警狀態(tài)，預警指數參比值選用HJ/T 332-2006。表達式如下：

式中：IER為生態(tài)風險預警指數；IERi為超出標準值元素i的環(huán)境風險指數；CAi為金屬元素i的實際濃度；CRi為元素i的濃度標準值。生態(tài)風險預警指數分級標準為：IER≤0為無警示狀態(tài)；0＜IER≤1為預警狀態(tài)；1＜IER≤3為輕預警狀態(tài)；3＜IER≤5為警示狀態(tài)；5＜IER為重警狀態(tài)。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量分析

對3種典型低效工業(yè)用地類型的重金屬進行含量分析得出，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的平均含量分別為9.62mg/kg、0.15mg/kg、87.19mg/kg、22.78mg/kg、23.32mg/kg、36.18mg/kg、105.35mg/kg、0.11mg/kg，除Pb、Cu外，As、Cd、Cr、Ni、Zn、Hg平均含量均高出上海市區(qū)域背景值，超背景值倍數為0.54～10.30倍。偏度系數描述的是數據分布對稱性情況，倘若絕對值越小，則說明偏斜度越小。峰度系數反映的是數據的陡斜程度，倘若絕對值越小，則說明與正態(tài)分布的差異度越小。從表2可以看出，Cd、Hg的偏度系數和峰度系數相對更大，說明在部分土壤中Cd、Hg累積狀況較高。變異系數表征的是各數據之間的離散程度，土壤樣品中Cd、Hg變異系數較大，即說明金屬元素Cd、Hg富集現象與其他金屬元素相比，較為明顯。

表2 土壤重金屬含量統計分析（mg/kg）Table 2 Statistical analysis of heavy metals content in soils

比較不同土地利用類型的土壤重金屬分布，研究發(fā)現各低效工業(yè)用地重金屬含量差異較大。8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的最大含量分別超過背景值的1.38、10.30、1.66、0.89、0.54、0.99、1.37、8.00倍，Cd和Hg的最大含量在家具制造廠，Cr和Cu的最大含量在塑料制品公司，其余重金屬含量的最大值在三大行業(yè)中相近。由表3可知，3種土地利用類型中，僅As、Cd平均含量相差較大，且均表現為家具制造廠大于輕工機械與塑料加工，其余重金屬在三類行業(yè)中相差較小。土壤中重金屬來源錯綜繁雜，但基本與人口密集區(qū)、工礦業(yè)區(qū)及成土母質存在緊密的相關性［11］。

表3 各用地類型土壤重金屬含量分布狀況Table 3 Distribution of heavy metal content in soil of industrial land type

2.2 土壤重金屬來源分析

低效工業(yè)用地8種重金屬的Spearman相關系數見表4。相關系數較大的重金屬為Cr-Pd（P＜0.01, r=0.407）、Cr-Ni（P＜0.01, r=0.400）、Cr-Zn（P＜0.01, r=0.456）、Cu-Pd（P＜0.01, r=0.440）、Cu-Zn（P＜0.01, r=0.535），其余重金屬之間的相關系數均小于0.4。各重金屬的相關程度在弱—低—中度之間，表明來源可能存在相似性。由于Cu、Pb、Ni、Zn、As和Cr變異系數相對較低，故來自土壤背景或者面源污染的可能性最大。其中，Cu、Pb、Ni、Zn和Cr之間具有一定的相關性，表明Cu、Pb、Ni、Zn和Cr可能主要來自于生活污水、工業(yè)廢氣、汽車尾氣，污染氣體內的各金屬化合物通過干濕降落后滲入土壤［12］。As的峰度系數與偏度系數都偏低，且上海市砷背景值相對較高，表明As可能主要受成土母質的影響［9］。土壤中Cd和Hg變異系數較大，即點源污染可能性大，且兩種重金屬之間具有一定的相關性，說明Hg與Cd可能來自于原生活垃圾及周邊電鍍等工業(yè)企業(yè)［13］。

表4 土壤重金屬相關分析Table 4 Correlation analysis of heavy metals in soils

2.3 土壤重金屬風險評價

以HJ/T 332-2006為參比值，根據式（1）和式（2）計算內梅羅指數，結果見圖2。該區(qū)域土壤重金屬內梅羅綜合污染指數表現為：家具制造較大，塑料制品與輕工機械次之，即各低效工業(yè)用地土壤重金屬具有不同程度的濃度變化，家具制造廠區(qū)表現為輕微污染，輕工機械與塑料制品廠區(qū)則在警戒線內。單因子指數評價結果顯示，僅家具制造廠區(qū)的Cd、Hg與塑料制品廠區(qū)的Cd數值超過1，其余工業(yè)重金屬均未出現輕微污染，其中家具制造以木材防腐劑為輔助原料，而汞類、鉛類等防腐劑曾被廣泛使用。通過以上分析，本研究區(qū)的3種工業(yè)用地的整體水平為輕微污染。

圖2 土壤重金屬內梅羅指數評價Fig.2 Nemerow index evaluation of heavy metals in soils

圖3 不同重金屬元素對潛在生態(tài)風險指數的貢獻Fig.3 Contribution of different heavy metal elements to the potential ecological risk index

表5 土壤重金屬單項潛在生態(tài)風險評價結果Table 5 Evaluation results of single potential ecological risk of heavy metals in soils

以上海市背景值為參比值，根據式（3）計算8種重金屬的潛在生態(tài)風險指數，見圖3和表5。研究區(qū)土壤中各元素生態(tài)風險依次為：Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。8種重金屬的潛在生態(tài)風險指數RI為60.63～472.15，平均RI為130.07，其中Hg與Cd的平均貢獻值達到41.4%、35.1%，其余6種重金屬的潛在風險指數貢獻為22.70%。區(qū)域內土壤中各元素的潛在生態(tài)風險水平為較輕風險—超高風險，Hg的風險系數 為9.64～362.11，其中30.7%屬于中等風險，13.9%屬于較高風險，1.6%屬于高度風險，0.4%屬于超高風險。Cd的 為9.68～339.18，其中42.2%屬于中等風險，2.4%屬于較高風險，1.2%屬于高度風險，0.4%屬于超高風險。其余6種重金屬的 均小于40。

以HJ/T 332-2006為參比值，根據式（4）計算8種重金屬的生態(tài)風險預警指數。結果表明，上海市“198”區(qū)域低效工業(yè)用地土壤中重金屬風險預警指數IER數值在-6.10～-1.69之間浮動，平均值為-4.85，表現出無警示狀態(tài)，即說明3種低效工業(yè)用地中各土壤點位均為無警示狀態(tài)。

3 結論

本文通過對上海市奉賢區(qū)3種低效工業(yè)用地土壤重金屬污染程度及分布特征進行研究得出：土壤重金屬由于人類活動呈現出一定程度的富集，其中僅個別點位Cd、Hg、Ni超過HJ/T 332-2006標準限值，大部分點位重金屬超過背景值。Pearson相關性分析研究發(fā)現：Hg和Cd可能大部分來自于原生活垃圾及周邊電鍍等工業(yè)企業(yè)；Cu、Pb、Ni、Zn和Cr可能主要來自于生活污水、工業(yè)廢氣、汽車尾氣，污染氣體內各元素通過干濕降落后滲入土壤；As可能受成土母質的影響。

低效工業(yè)用地內梅羅綜合污染指數表現為：各低效工業(yè)用地土壤重金屬受到了不同程度的污染，8種重金屬的污染水平為：Cd＞Hg＞Ni＞As＞Cr＞Pb＞Zn＞Cu。各金屬元素生態(tài)風險表現為：Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Hg和Cd對潛在生態(tài)風險指數的平均貢獻分別達到了41.4%和35.1%，為較輕風險—超高風險，其它元素皆為低生態(tài)風險。上海市奉賢區(qū)低效工業(yè)用地土壤中重金屬生態(tài)風險預警指數IER變化范圍在-6.10～-1.69之間，平均值為-4.85，表現為無警示狀態(tài)，說明3種用地類型中各土壤點位均為無警示狀態(tài)。由上可知，以上海市背景值為標準參考，低效工業(yè)用地土壤重金屬存在一定的生態(tài)風險；以HJ/T 332-2006為標準參考，尚未達到生態(tài)風險警示狀態(tài)。