改革開放40年來珠江三角洲表土養分和重金屬含量變化

鐘霆堃, 付淑清, 吳翼, 陳軍, 陳正學, 王加昇

改革開放40年來珠江三角洲表土養分和重金屬含量變化

鐘霆堃1,2,3, 付淑清2,3,*, 吳翼4, 陳軍2, 陳正學5, 王加昇1

1. 昆明理工大學國土資源工程學院, 昆明 650093 2. 廣東省科學院廣州地理研究所, 廣東省遙感與地理信息系統應用實驗室, 廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室, 廣州 510070 3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣州 511458 4. 中國科學院南海海洋研究所, 邊緣海與大洋地質重點實驗室，廣州 510301 5. 建材昆明地質工程勘察院, 昆明 650118

主要基于上世紀八十年代以來的土壤調查報告、專著和文獻資料的收集整理, 針對珠江三角洲地區表層土壤的酸堿度、土壤養分(有機質、氮、磷、鉀)和重金屬含量等指標做統計, 按照1980—2000年、2001—2010年和2011—2019年三個階段, 分析改革開放以來該地區的土壤環境質量演變特征。結果顯示, 近40年來, 珠江三角洲地區的表層土壤呈現了酸化的趨勢, 有機質、氮、磷、鉀素含量波動較大, 多數重金屬元素表現出逐漸富集的特征。雖然近年的土壤環境質量在某些方面已開始呈現改觀趨勢, 但潛在生態風險依然較強, 土壤環境保護和修復工作依然任重道遠。

表層土壤; 環境質量; 珠江三角洲; 近四十年

0 前言

珠江三角洲位于廣東省中南部(圖1),瀕臨南海, 是目前我國經濟最發達和人口最密集的地區之一。改革開放之前, 珠江三角洲是廣東省著名的魚米之鄉, 農業和水產養殖業等占據主導地位。改革開放以來, 憑借國家給予“先行一步”的特殊政策以及毗鄰港澳的優勢, 三角洲地區社會經濟快速發展, 工業化與城鄉一體化進展在全國遙遙領先[1]。然而, 粗放型的發展模式也引發了大氣、水和土壤環境質量日益下降等“后遺癥”[2,3]。

土壤環境質量是指在一定的時間和空間范圍內, 土壤自身性狀對其持續利用以及對其他環境要素, 特別是對人類或其他生物的生存、繁衍以及社會經濟發展的適宜性[4]。處于大地表層的土壤, 長期以來一直是許多廢棄物的受納者, 如污水、垃圾、粉塵、污泥、礦渣、化肥、農藥等等, 進入土壤的各種污染物會參與到土壤生態系統循環, 對環境和人體產生潛在危害[5-7]。但由于土壤環境污染的隱蔽性特點, 使其在很長一段時間以來沒能引起足夠的重視, 直到一些環境事件集中爆發, 土壤環境安全問題在社會經濟發展中所處的重要地位開始被社會各界所認識[8]。隨之, 調整產業結構、優化產業布局、強化工業污染整治、合理使用農藥和化肥等一系列環保措施被逐步實施, 環境質量改善更被納入我國“十三五”環保規劃的考核目標。總之, 改革開放40年來, 社會經濟發展經歷了從早期的重經濟輕環保到如今的環保與經濟發展并重的轉變, 在此過程中, 環境質量也隨之發生著變化。本文主要基于數十年來珠江三角洲地區的土壤環境調查數據, 通過統計分析和分階段比較, 以期了解改革開放40年來珠江三角洲的土壤環境質量變化情況, 進而為粵港澳大灣區的發展規劃提供依據。

圖1 珠江三角洲區域范圍圖

Figure 1 The map of the Pearl River Delta region

1 材料與方法

1.1 數據來源

土壤環境質量評價涉及土壤酸化、土壤肥力、土壤污染等諸多問題。本項工作中, 作者收集了二十世紀八十年代以來發布的珠江三角洲地區表層土壤(其中以農業土壤為主)pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀以及重金屬含量數據, 數據主要來源于調查報告、專著和文獻等。對收集到的全部數據進行梳理, 最終僅使用有標注樣本采集時間的數據。

1.2 統計與分析方法

將數據集劃分出1980–2000年、2001–2010年和2011–2019年三個階段, 階段歸屬按照樣本采集時間(非文獻出版時間)劃定。文中分別用散點圖、階段平均值反映各階段的土壤環境指標特征, 并參照第二次全國土壤普查標準值(表1)和2018年生態環境部發布的土壤環境質量新標準《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染風險篩選值和管制值(表2), 分析近40年來的土壤環境質量變化。鑒于珠江三角洲的土壤pH值以5.5–6.5為主, 參照標準文件, 表2中土壤重金屬污染風險篩選值和管控制值選取pH值為5.5–6.5條件下其他土壤的標準值。

表1 第二次土壤普查廣東土壤分級標準[5]

2 結果與分析

2.1 土壤酸堿性變化

土壤的酸堿性一般以pH值表示。按照pH值大小, 一般將土壤酸堿度分為強酸性、酸性、中性、堿性和強堿性五個等級(表1)。土壤養分的形成、轉化和有效性、土壤微生物活動、植物的生長發育均與土壤的酸堿度密切相關, 同時pH值也是影響土壤中重金屬遷移的主要因素[5,9], 因此, 土壤酸堿性是影響土壤質量的重要因素。

上世紀七八十年代的第二次土壤普查結果表明, 珠江三角洲地區的土壤pH值多在5.5–6.5之間[5]。本次數據統計結果顯示, 該地區近40年間表層土壤的pH值平均在4–7.5之間, 其中又以5–6.5居多(圖2, 數據來源于文獻[10-23]), 反映區內始終以酸性土壤為主。分階段對比發現, 1980–2000年pH值平均為6.06, 為三個階段中最高; 2000年后, 土壤pH值平均水平降低, 指示土壤出現了酸化的趨勢(表3)。三個階段中, 尤其以2001–2010階段的pH值最低, 之后又有所上升。

2.2 土壤養分含量變化

土壤養分泛指土壤中被植物生長所必須的營養成分, 包括有機質、氮、磷、鉀素等。按照第二次土壤普查標準, 廣東省土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量分別被分為六個等級(見表1)。

2.2.1 土壤有機質含量變化

土壤中的有機質是土壤的重要組成部分, 是植物的養分來源和土壤微生物生命活動的能量來源, 也是改善土壤理化性質的重要因素[5,24-25]。據第二次土壤普查結果, 珠江三角洲地區的土壤有機質含量在1%–3%之間[5]。本次統計結果顯示, 近40年來, 該地區表層土壤中有機質的平均含量一直在1%–3%之間波動, 且以2%–3%(三級)的占據絕對優勢(圖3,數據來源于文獻[10-13],[15-16],[18-20],[23],[26-28])。分階段對比則發現, 在1980–2000和2011–2019兩個階段中, 區內表層土壤的有機質平均含量均在2%以上, 且后者相對前者略有增長。中間階段(2001–2010)的平均水平相對較低, 平均僅為1.76%。

2.2.2 土壤氮、磷、鉀含量變化

土壤中的氮、磷、鉀是植物生長所需的三大營養元素, 其含量特征也是評價土壤質量的重要因素。據第二次土壤普查統計, 廣東省全省的土壤全氮含量平均為1.24 mg·kg-1, 全磷含量平均為0.87 mg·kg-1, 全鉀含量平均為21.6 mg·kg-1, 其中珠江三角洲地區的土壤全氮、全磷和全鉀含量分布極不均勻, 從一級到六級均有分布[5]。由圖2可見, 在近40年間, 三角洲表層土壤的全氮平均含量主要介于1 mg·kg-1– 1.5 mg·kg-1之間, 以三級為主; 全磷的平均含量多在0.4 mg·kg-1–0.8 mg·kg-1之間, 以五級為主; 全鉀的平均含量介于10 mg·kg-1–25 mg·kg-1之間, 但以15 mg·kg-1–20 mg·kg-1占據多數。分階段來看(表3),其中1980–2000與2011–2019兩個階段的全氮平均含量相當, 均在1.5 mg·kg-1左右; 2001–2010階段最低, 平均含量僅1.06 mg·kg-1。三個階段中表層土壤的全磷含量平均水平均在五級范圍, 未發生顯著變化。全鉀含量在1980–2000和2001–2010兩個階段相當, 均在20 mg·kg-1左右, 應以二級和三級為主; 2011–2019階段土壤含鉀量發生較明顯降低, 平均僅為15.62 mg·kg-1。

2.3 土壤重金屬含量變化

2.3.1 重金屬含量40年變化

土壤環境中的重金屬污染通常指Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg等元素的污染。重金屬在土壤中具有累積性且難以在短時間內修復, 潛在危害性強, 因而受到越來越多的關注[30]。珠江三角洲的土壤已受到不同程度的重金屬污染[31], 土壤重金屬安全也是該區域農業可持續發展和環境質量改善中的重要問題[32-36]。

珠江三角洲表層土壤40年重金屬元素含量數據統計結果見表3和圖4(數據來源于文獻[6],[10],[13-14],[22-23],[29],[37-39],[41-49])。結果顯示, 區內表層土壤中重金屬元素的含量始終表現為Zn >(Cr/ Pb)> Cu > Ni > As >(Cd / Hg), Cr與Pb、Cd 與 Hg的含量常常相當。從圖3可見, 近40年間, 三角洲表層土壤中的Pb、Cr和Hg平均含量變化幅度相對較小, 且平均含量均低于土壤污染風險篩選值; Zn、Cu、Ni、As和Cd有逐漸累積的趨勢, 但Ni和As的平均含量仍低于污染風險篩選值, Zn、Cu和Cd的平均含量部分超過了污染風險篩選值, 且主要發生在近十年間, 但尚低于風險管制值。另外, 在表3當中, 2001– 2010階段的重金屬平均含量明顯較前后兩個階段偏低的現象, 很可能與珠江三角洲經濟區多目標區域地球化學調查數據統計中去除了異常值有關[13]。

注: 數據來源于文獻[10-23]。

Figure 2 The variations of pH of surface soil in the Pearl River Delta region for 40 years

表3 近40年珠江三角洲表層土壤環境指標統計表

注: 數據來源于文獻[10-13],[15-16],[18-20],[23],[26-28]。

Figure 3 The variations of contents of surface soil nutrients in the Pearl River Delta region in recent 40 years

注: 數據來源于文獻[6],[10],[13-14],[22-23],[29],[37-39],[41-49]。

Figure 4 The Variation characteristics of heavy metal contents of surface soil in the Pearl River Delta region in recent 40 years

2.3.2 近10年間的表層土壤重金屬富集狀態

據以上的統計分析, 2011–2019近十年間的珠江三角洲表層土壤中多數重金屬元素已較前期發生了一定程度的累積。將該階段表土中各重金屬元素的平均含量與廣東省土壤背景值[5]和中國土壤背景值[50]相比較發現, 除Cr、Ni的平均含量低于廣東省土壤背景值和中國土壤背景值之外, As、Hg、Cd、Pb、Zn和Cu在珠三角表土中的含量均高于廣東省和中國的土壤背景值, 特別是Cd、Hg、Zn和Cu。以區域內深層土壤的重金屬含量[13]作為母質層本底值, 對比則發現, As、Hg、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni八個重金屬元素在表層土壤中的含量均高于母質層, 即, 外源輸入已導致了表土中的重金屬發生明顯富集。

3 討論

對于人類而言, 土壤是一種極為重要且富有生命的有限資源, 土壤環境質量保護是社會經濟持續發展和人類生存所面臨的一項重要任務[4]。在自然狀態下, 土壤的酸堿性、養分含量、化學元素豐度等主要受土壤發育基質、氣候、植被、地形地貌等條件的影響, 而在有人類活動參與的情況下, 土地利用方式的改變、耕作措施、施肥與灌溉、污染物排放等, 都會對土壤的理化性質產生影響并使其發生變化[51]。人為因素造成的土壤環境惡化已成為越來越不容忽視的環境問題。

上述的統計分析結果顯示, 近40年來, 珠江三角洲地區的表層土壤呈現出了酸化的趨勢, 有機質、氮磷鉀素含量發生較大波動, 重金屬元素發生富集, 這些變化的產生, 更多的應是人為因素影響的結果。改革開放以來, 三角洲地區的人口數量急劇增加, 人類活動區域大幅擴張, 生產活動強度增大, 植被破壞, 大量原有耕地被改造成工業和住宅用地, 工業和交通業的快速發展導致大量污染物排放, 農業生產中大量化肥和農藥的施用以及不合理的耕作管理措施等等, 都是導致土壤環境質量下降的重要因素[52-56]。早期的粗放型發展模式和薄弱的環保意識, 最終導致土壤環境嚴重惡化。隨著社會經濟向縱深推進, 社會各界對生態環境保護的認知不斷加深, 一系列的環保政策和措施逐步出臺并被落實, 土壤環境質量開始呈現改觀趨勢, 例如, 據以上統計, 2011–2019階段的土壤酸度、有機質平均含量都較2001–2010階段有所改善, 土壤中部分重金屬元素的含量也得到了一定程度的控制, 沒有發生明顯的再累積。但這并不意味著土壤環境質量已得到有效改善, 多數重金屬元素仍然表現出了逐漸累積的特征, 雖然目前表土重金屬平均水平尚低于污染風險管控值或篩選值, 但潛在生態風險依然較強。

圖5 2011–2019階段珠江三角洲表層土壤重金屬含量的平均狀態

Figure 5 The average conditions of heavy metal contents in surface soil of Pearl River Delta region during 2011–2019

最后, 由于三角洲地區的地形及母質變化復雜, 土壤的自然理化特征存在顯著的區域差異, 加之人類活動范圍和強度分布的不均勻性, 導致土壤質量也具有明顯的區域不均一性。不同時期的土壤調查工作, 也會在采樣密度、樣品加工均勻性、分析測試準確度、精度等方面存在一定的差異。此外, 幾十年來, 大量農用和林業土地被作為工業和商住用地, 也不利于土壤環境質量的原位縱向對比, 因此, 以上基于有限的文獻數據的整理和統計分析結果, 依然存在很大的不足。土壤環境監測、保護和修復工作依然任重道遠。

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Variations of the contents of surface soil nutrition and heavy metals in the Pearl River Delta in the past 40 years of reform and opening up, China

ZHONG Tingkun1,2, FU Shuqing2,3,*, WU Yi4, CHEN Jun2, CHEN Zhengxue5, WANG Jiasheng1

1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2.Key Lab of Guangdong for Utilization of Remote Sensing and Geographical Information System, Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510070, China 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China 4. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China 5. Kunming Building Materials Institute of Geological Engineering Investigation, Kunming 650118, China

The main purpose of this article is to analyze the changes in soil environmental quality in the Pearl River Delta region during the last 40 years of reform and opening-up. Data including pH, soil nutrients (organic matter, total nitrogen, total phosphorus, and total potassium) and heavy metal contents since the 1980s were mainly from soil survey reports, monographs, and research papers. The statistics and analysis were based on three stages of the 1980-2000, 2001-2010, and 2011-2019. The results demonstrate that in the last 40 years, there was a trend towards acidification of surface soil in the Pearl River Delta area and the soil nutrients contents fluctuated obviously. Besides, most heavy metals showed the characteristic of gradual enrichment. Even though soil environmental qualities have begun to become better in some aspects in recent years, the potential ecological risk remains strong and more effort should be paid in soil environment protection and remediation.

surface soil; environmental qualities; Pearl River Delta; 40 years

鐘霆堃, 付淑清, 吳翼, 等. 改革開放40年來珠江三角洲表土養分和重金屬含量變化[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 19–26.

ZHONG Tingkun, FU Shuqing, WU Yi, et al. Variations of the contents of surface soil nutrition and heavy metals in the Pearl River Delta in the past 40 years of reform and opening up, China[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 19–26.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.003

X825

A

1008-8873(2021)04-019-08

2020-01-03;

2020-02-18

廣州市科技計劃項目(201707010417); 廣東省自然科學基金項目(2017A030311020; 2016A030313160); 廣東省科學院項目(2016GDASRC- 0209; 2020GDASYL-20200401001; 2020GDASYL-20200301003); 廣東省科技計劃項目(2018B030324002); 南方海洋實驗室人才項目(GML2019ZD0301)

鐘霆堃(1994—), 男, 四川內江人, 在讀碩士研究生, 主要從事環境地質研究, E-mail:1719714163@qq.com

付淑清, 女, 博士, 副研究員,主要從事環境地質研究, E-mail:fsq519@163.com