基于GIS的上海市不同功能區土壤重金屬污染評價及健康風險評估

張施陽

上海市環境科學研究院

隨著快速城市化和工業化的進程，土地利用方式復雜多變，包括工業排放、城市交通、市政工程、農業生產等在內的人類活動對城市土壤環境造成不同程度的污染，其中城市土壤重金屬污染問題已成為國內外土壤環境領域的研究熱點[1-2]。重金屬作為一種不能降解且毒性強的污染物，不僅會引起土壤質量退化，造成生態功能破壞，還可通過土壤揚塵的皮膚接觸、呼吸攝入以及口腔意外攝入等方式直接進入人體，從而危及人類健康[3-4]。

目前針對城市土壤重金屬的含量、來源、環境風險以及健康風險等開展的研究發現，包括Cd、Zn、Cu等在內的重金屬污染存在不斷累積的趨勢，且對城市生態、人居環境以及民眾健康構成了潛在威脅，需要引起足夠重視[5-8]。如劉夢梅等[9]發現西安城市土壤中Pb、Cu等含量較為突出，且不同功能區重金屬的生態風險及健康風險均存在一定差異。Chonokhuu等[10]對蒙古烏蘭巴托等城市土壤中重金屬開展健康風險評估，結果表明，各功能區土壤重金屬非致癌風險小于閾值，不會對人體造成健康危害。Yadav等[11]分析發現尼泊爾4個主要城市受Zn污染嚴重，各功能區重金屬對兒童的致癌風險及非致癌風險均大于成人。上述研究均從城市功能分區入手，從污染指數和人體健康2個方面對土壤重金屬污染進行評價，但未從土地利用方式的角度體現各功能區敏感受體的差異。

上海市是長江三角洲城市群的核心城市，快速發展不僅帶來了經濟上的騰飛，也帶來了土壤環境污染，其重金屬污染問題已引起學者們的廣泛關注。目前，對上海市土壤重金屬研究主要集中于農田[12]、公園[13]等特定功能土壤重金屬濃度特征以及寶山[14]、徐匯[15]等單個或多個行政區的重金屬污染分異特征。從重金屬污染指數和人體健康2個方面綜合評估污染風險，并結合空間分布的角度進一步解析污染的研究鮮見報道。筆者以上海市6種不同功能區（公園、交通、教育、居住、企業、農田）土壤為研究對象，測定土壤中重金屬 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 濃度，采用污染指數法（單因子指數和內梅羅綜合指數）對重金屬污染水平進行評價，運用基于土地利用類型的健康風險模型對重金屬人體健康風險進行評估，并從空間分布以及功能劃分2個角度對不同重金屬污染程度進行分析，以期為了解上海市土壤重金屬污染水平及風險提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

上海市（120°52′E～122°12′E，30°14′N～31°53′N）地處長江三角洲東緣，東臨東海，北、西分別與江蘇、浙江2省相接，總面積為6 304.5 km2，2020年底全市共有常住人口2 487.09萬人。屬亞熱帶季風氣候，四季分明，日照充分，年均氣溫為17.6 ℃，年均降水量為1 173.4 mm。全市下轄16個區，其中包括虹口、普陀在內的7個行政區為中心城區，目前已遍布居住區、文教區，交通路網密集；另外包括閔行、寶山在內的近郊區，分布有市、區、鎮三級工業園區以及規模不一的工業企業；而奉賢、青浦等為遠郊地區，農業較為發達。

1.2 采樣點位布設及樣品采集

圖1 研究區采樣點位示意Fig.1 Sampling locations of the study area

1.3 樣品分析

土壤樣品中 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 濃度參照HJ 803—2016《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質譜法》測定，Hg濃度參照HJ 680—2013《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法》測定。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 在土壤樣品中的檢出限分別為 0.6、0.07、2、0.5、0.002、2、2和7 mg/kg。

設置了包含方法空白樣品、空白加標樣、實驗室質控樣品和平行樣品在內的質控樣品。其中，方法空白樣品的檢測結果均低于檢出限，避免了測試過程中的二次污染；空白加標樣測試的加標回收率為94.6%～103%，實驗室質控樣品和平行樣品的相對偏差為0～14.73%，保證了土壤樣品分析的精密性和準確性。

1.4 數據處理

1.4.1 土壤污染評價

采用單因子指數（Pi）和內梅羅綜合指數（Pn）對研究區土壤重金屬污染進行評價，計算方法及污染等級劃分標準參照文獻[16]。計算過程中各重金屬的參比值選用上海市土壤背景值[17]。

1.4.2 人體健康風險評估

參考HJ 25.3—2019《建設用地土壤污染風險評估技術導則》以及國內外相關研究成果[18-20]，對不同功能區表層土壤重金屬開展人體健康風險評估。根據導則中對建設用地的分類，功能區中的居住用地、公園綠地、教育用地屬第一類建設用地，需考慮兒童期的暴露危害；交通用地和企業用地屬第二類用地，暴露受體僅為成人；另外農田不屬于建設用地范疇，考慮其用地性質較為敏感且周邊以宅基地居多，故以居住用地對其進行評價。不同功能區的敏感受體及其關鍵暴露參數取值參見表1，據此計算各受體通過口腔攝入、皮膚接觸以及呼吸吸入3種暴露途徑下的暴露量。本研究的8種重金屬均具有非致癌風險，其中As、Cd、Ni同時還具有致癌風險，毒性參數取值依據導則以及文獻[21]，3種暴露途徑下各重金屬的致癌斜率因子（SF）和非致癌參考劑量（RfD）見表2。居住、公園、教育用地類型下，需考慮兒童受體，根據兒童期暴露來評估重金屬的非致癌風險，并根據兒童期和成人期的暴露來評估重金屬的終生致癌風險；交通、企業功能類型下，僅考慮成人期的暴露來評估重金屬風險水平。根據導則中給定的計算公式采用單點評估法分別計算樣品中各重金屬的致癌風險（CR）和非致癌風險（HQ）,以及各點位的總致癌風險（TCR）和總非致癌風險（THQ）。

表1 不同功能區敏感受體及其暴露參數Table 1 Sensitive receptors and exposure parameters of different functional areas

表2 重金屬RfD及SF取值Table 2 Slope factor and reference dose of HMs

1.4.3 分析方法

采用SPSS 26.0軟件對土壤重金屬濃度、污染指數、健康風險水平進行統計分析；采用ArcGIS 10.8軟件對土壤采樣點位重金屬指標進行分析及呈現。

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2 結果與討論

2.1 土壤重金屬濃度水平及分布特征

研究區土壤樣品的pH為7.23～9.65，偏堿性。表層土壤中8種重金屬濃度的統計性描述見表3。由表 3可知，土壤中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn濃度平均值分別為8.03、0.22、62.73、35.52、0.19、33.67、29.54和116.78 mg/kg，其中 Hg、Cd、Pb、Cu的變異系數大于或接近1，明顯高于其余4種重金屬，表明這4種重金屬在不同點位之間的濃度差異相對較大。趙靚等[22]針對北方某城市中心區綠地土壤的研究也表明，Hg、Pb、Cd變異程度較高，說明其易受交通、城市建設和商業活動等人為影響。峰度和偏度主要用來衡量數據的分布狀態，各重金屬的偏度均大于0，屬于正偏斜，表明土壤重金屬濃度分布受到不同程度的外部干擾[23]。除As、Cr、Zn外其余重金屬峰度均較高，屬于高峰態，說明濃度偏高的點位較多[24]。土壤中 Cd、Cu、Hg、Pb和Zn 5種重金屬平均濃度超過了上海市土壤背景值[17]，表明研究區部分土壤受外部輸入的影響較大。

表3 土壤重金屬濃度統計性描述Table 3 Descriptive statistics of soil heavy metals

與國內其他城市土壤相比，本研究中Ni濃度比大多數城市高，據李胤[25]等研究表明，上海市土壤Ni主要受成土母質影響。 研究區As、Cd、Pb濃度處于較低水平，僅部分大型及中小城市濃度略低于本研究區；Cr、Cu、Hg、Zn濃度處于中等水平，與北京[26]、天津[27]等超大城市濃度水平相當（表4），高于呼和浩特[38]、商丘[41]等工業發展歷史較短的城市，低于東北重工業代表城市沈陽[32]以及國內化工基地城市寧波[37]；與文獻報道中各城市的平均濃度相比，研究區土壤重金屬濃度總體屬于較低污染水平，這與近年來上海市重視污染管理以及相關土壤修復工作密切相關。

表4 國內不同城市土壤重金屬平均濃度比較Table 4 Comparison of heavy metal mean concentrations in urban soils from different cities of Chinamg/kg

利用反距離插值法（IDW）得到土壤中各重金屬濃度空間分布，結果如圖2所示。由圖2可知，Pb、Cd、Hg高濃度集中于中心城區，而郊區的濃度普遍較低。已有研究[43]也表明，城市土壤中部分重金屬會嚴重富集，出現“島嶼現象”。Cu、Zn高濃度區域不僅出現在中心城區，郊區個別企業周邊土壤中同樣呈現高濃度水平，這些重金屬廣泛應用于汽車、電子、機械、化工等多行業的生產過程，是特定行業的主要特征物[45]；As、Cr、Ni污染區域零星分布于研究區內，主要來自點源污染。雖然從研究區全域尺度來看，8種重金屬仍處于輕污染水平，但在城市中心區以及城郊企業等區域濃度水平也較高，需要引起關注，特別是局部性特征突出的重金屬，如Hg、Cd、Pb等。針對上海典型工業場地的調查[46]也表明，Hg、Cd、Pb在本市部分行政區表層土壤中存在明顯累積。

圖2 上海市表層土壤重金屬濃度空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal concentrations in surface soil of Shanghai City

2.2 不同功能區土壤重金屬污染特征

不同功能區土壤重金屬濃度對比如表5所示。由表5可知，不同功能區土壤重金屬污染變化可總結為3種類型：1）在單一功能區（企業、交通等）中重金屬濃度水平顯著高于其他多個功能區，如交通區的Hg和Pb濃度與其他功能區存在顯著差異（P＜0.05）；企業區的Cu和Ni濃度顯著高于公園、交通、農田等區域（P＜0.05）；居住區的Cr濃度顯著高于公園、教育等功能區（P＜0.05）。2）除農田中重金屬濃度較低外，其余功能區均較高，如Zn、Cd。3）各區濃度水平不存在顯著差異，如As，其主要來源于煤炭燃燒。研究[47]表明，上海市煤炭消費比例逐年下降，能源結構已發生顯著變化。

表5 上海市不同功能區土壤重金屬濃度對比Table 5 Comparison of heavy metal concentrations in soil of different types of function areas of Shanghai City mg/kg

從功能區來看，工業活動導致重金屬聚集現象明顯，Cu、Cr、Zn、As在企業區土壤中均處于較高水平，這些重金屬在城市土壤中主要來源于工業污染源，排放的廢物通過大氣沉降等形式進入土壤且不斷累積[37]。交通區土壤中以Zn、Pb、Cd、Hg污染為主，說明這幾種重金屬的高濃度分布與交通流量密集區相關。研究表明，Cd、Zn、Pb主要來源于輪胎的老化以及剎車片等零部件的磨損，另外汽車尾氣的排放也可能導致土壤中Hg濃度升高[48-50]。居住區土壤中Cr濃度較高，這與劉宇峰等[42]的研究結果類似，可能與小區內地面停放車輛較多以及主干道車流量較大相關。公園及教育區土壤中各重金屬濃度均處于中等水平，而農田土壤中重金屬為較低水平。

2.3 土壤重金屬污染評價

不同功能區各重金屬的污染評價指數見表6。由表6可知，在不區分功能區的情況下，不同重金屬的 Pi表現為 Hg＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞As＞Cr＞Ni，除 As、Cr和Ni外，其余重金屬的Pi均值皆大于1，表明土壤中重金屬受到人為干擾并有一定程度累積。采用Pn評價土壤重金屬綜合污染狀況，結果顯示，城市綜合污染指數的平均值為2.02，屬中度污染水平。為了綜合反映上海市土壤重金屬污染空間分布特征，繪制了各點位Pn的分級情況以及空間插值，結果如圖3所示。由圖3可知，10%的采樣點Pn大于3，屬于重度污染，其中6個點位位于城市中心，1個位于郊區企業用地；中度污染點位（15.7%）也主要分布于中心城區以及寶山、閔行、金山等工業密集區；城市郊區農田均為無污染到輕度污染水平。總體來看，高污染指數區域主要位于中心城區，同時向西部以及東北部方向延伸，呈帶狀分布，這與市區密集的交通路網以及工業企業聚集區分布密切相關，王幼奇等[39]對銀川市的研究也表明了這一點。

圖3 上海市土壤中重金屬Pn分布Fig.3 Spatial distribution of the composite pollution index for HMs in soils of Shanghai City

表6 上海市不同功能區重金屬污染評價指數Table 6 Evaluation indexes of HMs pollution in different functional areas of Shanghai City

不同功能區Pn為1.29～3.21，存在一定差異，各功能區的Pn依次為交通區＞企業區＞公園區＞居住區＞教育區＞農田區。其中，交通區達重度污染；企業區為中度污染；其他區域為輕度污染。李有文等[44]對白銀市土壤污染狀況調查顯示，該市工業區和交通區Pn遠大于3，受重金屬污染相當嚴重。土壤中Hg總體為輕度污染，但在交通區呈現重度污染特征；同樣的，Cd在交通區為中度污染，在農田區為無污染，在其余區域為輕度污染；Zn在所有功能區都呈現為輕度污染；Cu在企業區表現為中度污染，其余區域為無污染至輕度污染；Pb除農田區為無污染外，在其余區域為輕度污染；As、Cr、Ni在各區域都為無污染。從污染指數評價的角度來說，交通及企業相關區域污染程度較重，且Cu、Hg、Cd污染指數較高。

2.4 土壤重金屬健康風險評估

根據重金屬濃度數據及人體健康暴露模型計算得到各功能區下敏感受體經口腔、呼吸、皮膚等接觸途徑的重金屬致癌風險及非致癌風險平均值見表7，同時基于各點位的TCR及THQ繪制空間分布圖，結果如圖4所示。

美國國家環境保護局認為非致癌風險大于1時會對人體健康產生危害。由表7可知，不同重金屬的 非 致 癌 風 險 順 序 依 次 為As＞Pb＞Ni＞Hg＞Cu＞Zn＞Cd＞Cr，均未超過風險可接受水平。各功能區THQ從高到低依次為居住區＞農田區＞教育區＞交通區＞企業區＞公園區，均值皆小于非致癌風險可接受水平。As、Pb、Ni是影響各功能區非致癌風險的主要因素，在每個功能區的貢獻率之和均超過90%。由圖4(a)可知，5個采樣點THQ高于風險可接受水平，均位于偏東部區域，而Pn較高的中心城區絕大多數點位均處于非致癌風險可接受水平范圍內。

圖4 土壤重金屬致癌風險及非致癌風險空間分布Fig.4 Spatial distribution of TCR and THQ for HMs in soils

表7 上海市不同功能區土壤重金屬健康風險評價結果Table 7 Results of health risk assessment of heavy metals in soil in different functional areas

根據風險評估導則，致癌風險的閾值為10-6。不同重金屬的致癌風險順序依次為As＞Ni＞Cd，除公園區外，其他功能區As的致癌風險均大于10-6，最高達1.26×10-5，超過風險可接受水平。但也有文獻表明，致癌風險在10-6～10-4也可以接受[51]。對于As來說，只有一部分具有生物可給性，可以被人體吸收，研究表明[52]，腸胃階段僅吸收As總量的15%，因此現有模型對As的風險評估結果過于保守，對于各功能區風險的相對大小更具說明意義。各功能區重金屬致癌風險表現為企業區＞交通區＞居住區＞農田區＞教育區＞公園區。CRAs對TCR的貢獻率達95%以上，故土壤As是各功能區主要的致癌風險污染物。因此土壤重金屬致癌風險在空間分布上，主要受As濃度及用地類型的影響，風險高值區出現在中心城區及南部郊區，低風險區域主要位于北部及東部郊區，且在中心城區呈現零星分布的特征〔圖 4(b)〕。

3 結論

（1）研究區表層土壤 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn濃度平均值分別為 8.03、0.22、62.73、35.52、0.19、33.67、29.54和116.78 mg/kg，其中 Cd、Cu、Hg、Pb和Zn平均濃度超過上海市土壤背景值。Hg、Cd、Pb、Cu等受人為活動影響較大，高濃度點位主要分布在中心城區。與已報道的國內其他城市相比，土壤重金屬濃度總體處于較低污染水平。

（2）污染指數計算結果顯示，不同重金屬污染程度依次為 Hg＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞As＞Cr＞Ni。不同功能區Pn依次為交通區＞企業區＞公園區＞居住區＞教育區＞農田區，其中交通區及企業區分別呈重度和中度污染。交通區中Cd、Hg以及企業區中Cu為中度至重度污染外，其余元素在各功能區及整個研究區均為無污染～輕度污染。

（3）人體健康風險評估結果表明，各功能區致癌風險依次為企業區＞交通區＞居住區＞農田區＞教育區＞公園區，As是各區主要的致癌風險污染物；非致癌風險依次為居住區＞農田區＞教育區＞交通區＞企業區＞公園區，As、Pb、Ni是影響各功能區非致癌風險的主要因素。對研究區土壤的重金屬污染指數以及健康風險評價結果進行空間分析，得到城市重金屬污染的重點區域不盡相同。

（4）污染指數法、健康風險評估2種評價方式比較的重金屬側重點不同，在重金屬單項污染分析、不同功能區風險評價以及空間分布等方面差異較大，污染指數法分析污染狀況與土壤背景之間的差異，考察外源污染對環境的影響，而健康風險評估更突出了污染物毒性及用地功能的差異，考察污染物對人體的影響。在實際工作中二者可結合使用，以保證土壤污染狀況研判的全面性和準確性。