湛江市蔬菜地土壤重金屬含量特征及生態風險評價

陳碧珊，蔡月炎，葉林海，陳潔茹，周舒柔，英曉芹

（嶺南師范學院地理科學學院，廣東 湛江 524048）

【研究意義】湛江市位于我國大陸最南端，豐富的熱帶資源為湛江市的蔬菜種植提供了得天獨厚的條件，使湛江市成為重要的南菜北運基地之一［1］。近年來，湛江市工業發展迅速，由于造紙企業、寶鋼湛江鋼鐵有限公司、中科煉化有限公司等大型工業企業的入駐［2］，以及“三廢”的排放，對當地及周邊的生態環境造成了污染，如“三廢”中的重金屬元素經過擴散、淋溶、下滲等方式，會對土壤和蔬菜作物等造成污染［3］。土壤是農業發展、糧食安全的基礎，土壤中的重金屬元素超標不僅會影響蔬菜的生長狀況，導致蔬菜產量和質量下降，還可能會通過根系在蔬菜體內富集，進而通過食物鏈對人體健康產生威脅［4］，因此對蔬菜地土壤重金屬污染狀況進行研究就顯得尤為重要。【前人研究進展】國內外學者對農作物重金屬污染做了非常多的研究。20 世紀60 年代，日本發生因鎘稻米污染而導致的痛痛病事件，引發全世界人民對農作物重金屬污染的關注。印度Singh 等在對印度新德里郊區的蔬菜作物中的重金屬污染現狀的研究中發現，新德里郊區種植的菠菜中Cd、Cu、Pb、Zn 等元素嚴重超標［5］。澳大利亞Geoge 等發現采自布拉魯地區的蔬菜樣品，其Cd、Pb 元素含量均超過澳大利亞在食品標準中對Cd、Pb 元素的限量值［6］。近年來，各國多側重于農業地質背景和農業地質環境研究、土壤的化學污染與防治、土壤地球化學元素及土壤劃分等方面的研究。我國對于農業重金屬污染的研究起步較晚，國內一些學者的研究結果表明，我國農作物重金屬污染形式非常嚴峻［7］。何爭珍等研究發現四川省攀西地區蔬菜生產基地存在較嚴重的鎘污染風險［8］。蘇輝躍等在天津市武清區蔬菜土壤中發現重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、As 會隨著時間的推移而不斷累積，其中Cd、As 是生態風險的主要貢獻者［9］。仲可成等在41 個蔬菜產區采集土壤樣品，其中23.7%的樣品Cd 含量超過風險篩選值，且南寧、長沙、攀枝花等地重金屬超標率較高［10］。林小兵等對江西省工礦區、污水排放區研究發現，工業排放污水使重金屬進入蔬菜土壤中，Cd、Hg 元素污染嚴重［11］。【本研究切入點】湛江市屬于熱帶和亞熱帶季風氣候，年大于10 ℃的積溫為8 309～8 519 ℃［12］，熱量資源特別是冬季熱量資源豐富，適合各種蔬菜作物生長。2020 年湛江市蔬菜種植面積153.84×107m2，總產量416.29×107kg，比2019 年增長3.4%，是我國重要的蔬菜生產基地。但由于經濟發展所帶來的一系列環境問題，農業土壤受到了不同程度的污染。目前，關于湛江市蔬菜土壤重金屬研究較少，僅有羅松英等［1］、鄭小林等［13］對市郊蔬菜地進行簡單的含量特征分析，并未深入地進行生態風險評價分析?！緮M解決的關鍵問題】本研究以湛江市蔬菜地土壤為研究對象，分析蔬菜地表層土壤8 種主要重金屬元素的含量特征，并通過采用潛在生態風險指數法對蔬菜地土壤生態風險狀況進行評價，為雷州半島蔬菜種植及食用安全研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

結合湛江市蔬菜地的規模及空間分布情況，選取吳川市、廉江市、遂溪縣、雷州市、徐聞縣以及赤坎區、麻章區、霞山區和坡頭區9 個縣（市、區）的蔬菜地進行土壤樣品的采集，采集過程中選擇蔬菜地面積較大的蔬菜基地，同時兼顧蔬菜類型的多樣性。各縣市區采集樣品數目分別為吳川市5 個、廉江市4 個、遂溪縣3 個、雷州市7 個、徐聞縣8 個、赤坎區4 個、霞山區2 個、麻章區4 個、坡頭區1 個，共采得土壤樣品38 個。在同一采樣基地內，采用梅花型采樣法均勻選取5 個采樣點，在采樣中心點（用GPS 定位）20 m半徑范圍內，避開施肥點，用PVC 管采集相同土壤類型和用地類型的0～20 cm 土柱，將5 個土壤樣品剔除雜物后混合裝進乙烯封口袋中，1 個基地采集1 kg 以上的樣品。

1.2 樣品實驗室處理

將采集的土壤樣品混勻后風干，除去土樣中石頭和動植物殘體等異物，經瑪瑙研缽研磨，過0.150 mm 的尼龍篩，混勻后備用。將粒徑小于0.150 mm 的土壤樣品送至澳實礦物實驗室（廣州）進行超痕量多元素測試。樣品測試過程為：稱取兩份試樣，一份加入王水，在石墨爐上消解。消解完并待溶液冷卻后，用去離子水在容量瓶定容，搖勻，然后用等離子體發射光譜和質譜儀綜合分析。另一份試樣用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸進行消解，蒸至近干后的樣品用稀鹽酸溶解定容，再用等離子體發射光譜和質譜儀綜合分析。其中元素As、Cd、Hg 采用王水消解，元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸進行消解。

1.3 數據分析

測試分析湛江市蔬菜地土壤樣品中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等8 種主要元素，運用變異系數法、潛在生態風險指數法分析測試所得的數據，再討論得出結果。

1.3.1 土壤重金屬元素含量特征分析方法 變異系數是說明實測數據變異程度的一個統計量，反映的是數據的波動程度。其計算公式為：

式中，CV表示變異系數，SD表示樣本標準差，MN表示樣本平均值。變異系數越大，說明重金屬元素含量間的差異和離散程度越大，受人類影響也越大，反之則說明重金屬元素含量間的差異和離散程度越小，受人類影響越?。?］。

1.3.2 土壤重金屬風險評價方法 選用瑞典科學家Hakanson 于1980 年提出的潛在生態危害指數法，是一種相對快速、簡便和標準評價沉積物污染程度及其潛在生態危害的方法，被廣泛應用于土壤重金屬污染評價［14］。計算公式為：

式中，RI為多種重金屬潛在生態危害指數，為某一種重金屬元素的污染富集系數，Ci為某一種沉積物中重金屬元素的實測含量，為土壤重金屬的毒性響應系數［15］，為某一重金屬的潛在生態風險參數，為計算所需某一重金屬元素的參比值。本研究區典型地帶性土壤為磚紅壤性紅壤，所以選擇廣東省土壤背景值中磚紅壤背景值作為參比值。不同指標表示不同的污染程度與風險，重金屬污染潛在生態風險指標和分級標準見表1。

表1 重金屬污染潛在生態風險指標和分級標準［16］Table 1 Potential ecological risk indicators and classification standard of heavy metal pollution

2 結果與分析

2.1 蔬菜地土壤重金屬元素含量特征

湛江市蔬菜地土壤重金屬元素含量見表2。由表2 可知，研究區表層土壤中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等元素的含量大體呈Cr＞Zn＞Ni ＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的特征。對比湛江市土壤環境背景值，8 種重金屬元素含量平均值均超過背景值，其中Cd、Hg 元素富集程度較強，分別為背景值的5.53、5.37 倍，其次為Ni、Cu、Zn 元素，分別為背景值的4.65、4.28、3.95 倍，其余元素僅在個別樣點超過背景值。研究區中大部分樣品土壤pH 大于6.5，選取《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618-2018）中6.5＜pH≤7.5 各重金屬元素風險篩選值進行比較，所有元素的平均值均沒有超過標準值，但Cr、Cd、Cu、Ni、Zn 等5 種元素在個別樣點均有不同程度的超標，其中Ni 元素超標率達到21.1%，其次是Cr 元素，超標率為15.18%，As、Hg、Pb 元素沒有超標，說明研究區的蔬菜地土壤存在一定的污染。

由 表2 可 知，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 元素變異系數分別為34%、122%、127%、103%、81%、150%、53%、83%，按大小排列為：Ni＞Cd＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg＞Pb＞As。依據變異系數分級系統，將8 種元素的變異系數分為兩個層次：Ni、Cd、Cr、Cu 元素變異系數大于100%，為強度變異性，說明這4 種元素在雷州半島的不同地點含量差異極大，受外界干擾強烈；其余4 種元素變異系數在30%～100%之間，為中等變異性，受外界影響相對較小。綜上，湛江市蔬菜地土壤重金屬元素受人為活動影響較大，說明其來源與人類活動密切相關。

表2 湛江市蔬菜地土壤重金屬元素含量Table 2 Contents of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

2.2 蔬菜地土壤重金屬元素富集程度分析

本研究運用潛在生態風險指數法評價湛江市蔬菜地表層土壤的重金屬污染程度，通過計算潛在生態富集系數、潛在生態風險參數和潛在生態風險指數值，了解湛江市蔬菜地表層土壤重金屬富集程度和潛在生態風險程度。

湛江市蔬菜地表層土壤重金屬潛在生態富集系數如圖1所示，Ni、Cd、Cu、Hg、Zn 等5種金屬元素屬于強富集；As、Cr、Pb屬于中等富集。8 種金屬元素的污染程度呈Cd＞Hg＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Pb 的規律排列。

圖1 湛江市蔬菜地土壤重金屬潛在生態富集系數Fig.1 Potential ecological enrichment coefficients of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

從各個縣市區來看，Cd 在廉江市、麻章區和徐聞縣為很強富集，表現為廉江市＞麻章區＞徐聞縣，有4 個縣市區為強富集，1 個縣市區為中等富集。Hg 在雷州市和徐聞縣為很強富集，有4 個縣市區為強富集，3 個縣市區為中等富集。Cu 在徐聞縣為很強富集，有2 個縣市區為強富集，5 個縣市區為中等富集。Zn 在徐聞縣為很強富集，在雷州市為強富集，有6 個縣市區為中等富集。Ni 在徐聞縣為很強富集，有4 個縣市區為中等富集，其余為輕微富集。Cr 在徐聞縣為很強富集，有3 個縣市區為中等富集，其余為輕微富集。As除坡頭區為輕微富集外，其余縣市區均為中等富集。Pb 含量較小，在5 個縣市區為中等富集，其余為輕微富集。

2.3 蔬菜地土壤重金屬生態風險分析

湛江市蔬菜地表層土壤8 種重金屬元素潛在生態風險參數如圖2 所示，8 種重金屬元素中，Hg 污染最為嚴重，潛在生態風險參數平均值在160～320 之間，為很強風險。其中，在雷州市為極強風險，有4 個縣市區為很強風險，3 個縣市區為強風險。Cd 的潛在生態風險參數平均值在80～160 之間，屬于強風險。其余6 種元素的潛在生態風險參數平均值均小于40，均屬于輕微風險，污染程度表現為：Cu＞Ni＞As＞Pb＞Cr＞Zn。這一結果與戴軍等報道廣州市約有9.5%的菜區土壤受重金屬污染，其中Cd 的含量為廣東省土壤背景值的2.77 倍這一研究結果相近［19］。與周建利等報道我國城郊土壤和農產品(尤其是蔬菜)重金屬的污染多以Pb、Cd 和Hg 等3 種元素為主這一結論相吻合［20］。

圖2 湛江市土壤重金屬潛在生態風險參數Fig.2 Potential ecological risk parameter of heavy metals in soil of Zhanjiang City

從不同采樣縣市區的潛在生態風險指數（圖3）來看，湛江市蔬菜地表層土壤的潛在生態風險指數在186.08～729.04 之間，平均值為386.86，屬于強風險。分析各縣市區的潛在生態風險程度，發現徐聞縣為很強風險，廉江市、遂溪縣、麻章區、赤坎區和雷州市為強風險，霞山區、坡頭區和吳川市為中等風險。重金屬元素不僅在耕地過程中由于施用有機肥、化肥等產生累積，還可能通過水流滯留或大氣沉降等方式累積到表層土壤中，這與蔬菜地附近的環境息息相關。在野外采樣的過程中發現，污染強的幾個縣市區的采樣點周邊都有重金屬沉降的環境，如徐聞縣采樣點附近有采石場、居民區等，廉江市和麻章區采樣點附近有居民區、排水溝、高壓電線纜等，雷州市采樣點靠近西湖水庫，平時捕撈作業可能有重金屬元素脫落、遺留；而霞山區、吳川市和坡頭區采樣點附近沒有居民區、水庫等，受到輕微污染。

圖3 湛江市蔬菜地土壤重金屬潛在生態風險指數Fig.3 Potential ecological risk indexes of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

3 討論

3.1 不同地區蔬菜土壤重金屬含量比較

通過對比湛江市與其他城市蔬菜土壤重金屬平均含量，發現本研究區蔬菜土壤中Pb、Zn 元素含量處于較低水平，As、Cd、Cu、Hg 元素含量處于中等水平，Cr、Ni 元素含量偏高。相比之下，天津市的蔬菜地Zn 元素平均含量較高，這可能與蔬菜種植過程中進行污灌、施肥有關［9］；天水市蔬菜地由于有機肥、化肥、農藥的不合理使用導致Cu 元素含量較高［21］；拉薩市作為西藏省會城市，蔬菜種植面積逐年增加，肥料的大量施用使土壤中的重金屬元素也在逐年累積［22］；百色市擁有大量的鋁土礦區，重金屬元素的增加不僅受到噴灑農藥和施肥的影響，還會受到礦粒粉塵的影響，導致百色市蔬菜土壤重金屬含量均較高［23］；貴陽市屬于喀斯特地區，大量的公路使蔬菜地零散分布，而交通運輸可能會導致公路兩側蔬菜地Pb 元素含量增加［24］。

3.2 湛江市蔬菜地重金屬來源分析

綜合3 種分析方法對湛江市土壤重金屬污染現狀進行評價，結果顯示研究區土壤整體上未受明顯污染，但局部地區具有較強的潛在生態風險。在土壤重金屬含量特征分析中，共有5 種元素超標，分別為Ni、Cr、Cd、Cu、Zn，其中Ni、Cr元素超標率相對其他元素較高，分別為21.1%、15.18%，但有研究表明，這兩種元素可能與土壤地球化學過程有關，自然來源比重較大［25］。

值得注意的是，超標率為10.50%的Cd 元素，變異系數達127%，說明受人為因素影響較大，且Cd 元素的土壤重金屬富集程度為強污染程度、潛在生態風險為強風險。Cd 是農業種植過程中使用化肥和農藥的標識元素［26］，湛江市是重要的北運菜種植基地［27］，在蔬菜種植過程中大量使用化肥與農藥，土壤中的Cd 含量逐年累積，因人為用藥、用肥的劑量不同而造成Cd 含量的差異也是存在的。

重金屬Cu、Zn 的土壤重金屬富集程度也屬于強污染程度，而化石燃料燃燒、汽車輪胎摩擦、工業生產、生活污水排放會產生大量含Cu、Zn的有害物質［28-30］，這與近年來大量工廠入駐湛江市、經濟增長速度加快、人們生活水平日益提高密切相關。

研究區中的Hg 元素雖沒有超標，但潛在生態風險為很強風險，且土壤樣品中Hg 含量平均值為背景值的5.3 倍。有研究發現，蔬菜地土壤Hg 含量隨著種植年份的增加呈上升趨勢，且Hg含量與種植年份呈顯著正相關［31］，說明Hg 含量的增加是一個累積的過程。在市郊區，Hg 含量的增加不僅受污水排放和干濕沉降的影響，還可能受到交通干道分布的影響［32］。因此，蔬菜種植區應當遠離市區、工業等，還需遠離交通干道，適時進行輪作、休耕，及時注意重金屬含量增加的趨勢。

整體而言，我國對土壤重金屬風險評估起步較晚，目前主要應用國外的評價方法，還沒有建立完全適宜我國國情特征的生態風險評價方法。在分析蔬菜土壤重金屬含量特征與生態風險時，還應考慮不同種類的蔬菜對重金屬的吸附程度，結合不同區域人群勞作方式、體質特征、膳食結構等相關參數的影響，針對蔬菜的可食部分進行人體健康風險評估。因此，區域生態風險評價方法仍需進一步探討。

4 結論

湛江市蔬菜地土壤總體上屬于強-中等污染程度，土壤重金屬元素含量具有Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的特征，8 種重金屬元素的平均值均超過廣東省土壤環境背景值，Ni、Cd、Cu、Hg、Zn元素屬于強富集程度，重金屬元素受人為活動影響較大。Hg、Cd 元素的潛在生態風險較大，屬于很強風險和強風險，其余元素均為輕微風險；各縣（市、區）中，徐聞縣為很強風險，廉江市、遂溪縣、麻章區、赤坎區和雷州市為強風險，霞山區、坡頭區和吳川市為中等風險。日常施用化肥、汽車尾氣排放、工業廢水排放等導致土壤重金屬元素含量增加的現象應引起重視。