上海松江某復墾工業地塊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估

張 惠

（上海市巖土工程檢測中心有限公司，上海 200436）

為嚴守全國18億畝耕地保護紅線，上海基于自身資源情況，2014年以來累計通過低效建設用地減量化復墾新增了90 km2耕地。2022年我國啟動第三次全國土壤普查，耕地是重要的普查對象。當前，上海積極探索大都市區耕地資源“數量、質量、生態、人文、景觀”五位一體保護之路[1-3]。復墾工業地塊作為補充耕地資源，其質量和生態狀況關乎農產品安全和人體健康[4-5]。

工業活動產生的各類污染物，尤其是重金屬，會在土壤中不斷累積，且主要富集在土壤表層[6-8]，嚴重影響土地后續利用。復墾地塊土壤重金屬的調查評估大多針對礦區復墾土地[9-11]、宅基地復墾土地[12]等，且多僅針對重金屬含量開展評價，鮮少對復墾工業地塊的污染特征、潛在生態風險及其空間分布特征做全面性評估。基于重金屬含量及其生物毒性的潛在生態風險評估在近年來逐步得到應用[7-9,13-16]，是對傳統上從土壤重金屬含量的角度進行農用地土壤環境管理的補充。通過此類評估并擬合空間分布，可科學識別農用地土壤污染風險管控的重點對象和重點區域，強化生態風險評估成果應用。因此，開展關于復墾工業地塊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估具有十分重要的意義。

本文以上海市松江區某復墾工業地塊為研究對象，采用地積累指數法和潛在生態風險指數法，評估土壤中8項重金屬的污染特性，并結合重金屬毒性參數表征其綜合生態效應，同時采用地理信息系統軟件擬合重金屬含量及生態風險空間分布，對復墾工業地塊土壤狀況進行全面評估，以期為農用地土壤污染防治、農產品安全管理提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于上海市松江區，該區地處長江三角洲前緣河口濱海平原，屬于北亞熱帶季風氣候區，溫度適宜，降雨量充足，日照充分，無霜期長，對發展農業有益。區內糧食生產面積約15.05萬畝（約100.38公頃），近兩年糧食年均產量8.75萬噸，是我國商品糧和本市副食品生產基地之一。

本次研究對象為松江區某復墾工業地塊，該地塊占地面積為123565 m2，歷史上用作工業用地，主要從事各類鋼結構加工修造，行業類型為金屬結構制造（行業代碼：3311），擬復墾為耕地。

1.2 采樣點位布設

復墾工業地塊內退役工廠成立時間較為久遠，第一階段調查未能收集到廠區平面布局等相關信息。類比同時期同行業工廠信息，結合上海市地方志檢索結果，退役工廠主要使用鋼板、鋼筋等原料，焊條、油漆、煤炭等輔料，使用切割機、壓板機、彎管機、吊機、軌道、鍋爐等機器設備，通過鋼材預處理、下料切割、管加工、分段制造等生產工序進行鋼結構加工修造，不涉及電鍍、冶煉等重點產污工序。生產過程中主要產生切割粉塵、焊接煙塵、燃煤煙氣、油漆揮發等生產廢氣，切割下料污水、分段拼裝污水等生產廢水，鋼材下腳料、廢焊條、廢油漆桶等工業固體廢物。從遙感影像可以看出，生產活動基本覆蓋整個地塊，廠房集中分布在地塊東部，其他區域主要為露天作業/堆存區。

本次調查采用專業判斷結合系統布點法，將20個采樣點（S28、S75等）布設在原廠房區域（結合歷史影像），S6、S7、S43采樣點布設在原工業固廢堆放區（踏勘時發現），S62采樣點布設在原廢油漆桶堆放區（踏勘時發現），其他采樣點布設在露天作業/堆存區（結合歷史影像），共計布設了78個土壤采樣點。復墾工業地塊范圍及點位布設詳見圖1。

圖1 復墾工業地塊范圍及點位布設Fig.1 The reclaimed industrial site and sampling points

1.3 樣品采集與分析

本研究主要針對復墾工業地塊表層土壤重金屬。現場采樣期間，地塊處于空置狀態，地表未覆土、未翻耕，表層土壤環境質量可直觀反映工業活動對地塊土壤環境的影響。采集0～50 cm表層土壤樣品送至必維申美商品檢測（上海）有限公司，測定重金屬元素鎳、鎘、鉻、鉛、砷、銅、汞、鋅。鎘和鉛的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141-1997），銅、鋅、鎳、鉻的測定采用火焰原子吸收分光光度法（HJ 491-2019），汞和砷的測定采用微波消解/原子熒光法（HJ 680-2013）。

1.4 評估方法

本研究采用地積累指數法定量表征復墾工業地塊表層土壤重金屬的污染程度，采用潛在生態風險指數法評估其生態風險。

（1）地積累指數法

地積累指數（Igeo）用于定量表征重金屬污染程度，其計算方法為：

式中：Cn為污染物n在土壤中的實測含量；Bn為污染物n的土壤背景值，本研究采用上海市土壤環境背景值[4,6,7,17]；K是考慮了由于成巖差異可能引起背景值變動而設置的常數，一般取值為1.5[13,18]。計算出的地積累指數結果按照分級標準評定污染程度，表1列示了Igeo的等級劃分[13-14]。

表1 地積累指數(Igeo)等級劃分Table 1 Grading standards of the geo-accumulation index (Igeo)

（2）潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法[19]考慮了污染物類型、含量、致毒水平和生態效應等多種因素的協同影響，用于評估污染物潛在生態風險，可有效反映其生物有效性及農產品質量安全，并能綜合反映多個污染物對生態環境的潛在協同影響。該法評價重金屬污染物的單因子生態風險（）和綜合生態風險（RI）計算式為：

表2 潛在生態風險指數等級劃分Table 2 Grading standards of potential ecological risk index

1.5 數據處理

重金屬元素含量的修約依據檢測方法要求保留。運用Microsoft Excel軟件對數據進行統計分析，采用ArcGIS 10.2中反距離權重法進行分析制圖，直觀表征出重金屬含量、生態風險的空間分布。

2 結果與討論

2.1 重金屬污染特征分析

（1）重金屬含量情況

復墾工業地塊表層土壤樣品中8項重金屬（鎘、鉛、銅、鋅、鎳、汞、砷、鉻）的檢出情況如表3所示。8項重金屬在地塊表層土壤樣品中均有檢出。與上海市土壤環境背景值[17]相比，地塊表層土壤樣品中銅、鋅、砷、鉻的平均含量高于背景值，分別是背景值的1.07、1.08、1.09、1.36倍，銅、鋅、砷、鉻累積明顯。8項重金屬的最大含量均高于背景值，重金屬存在不同程度的累積。對標《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）[22]，地塊表層土壤樣品中鎘、鉛、銅、鋅、鎳、汞、鉻的含量均低于風險篩選值。S69、S35采樣點表層土壤樣品中砷的含量分別為26.8 mg/kg、23.5 mg/kg，超過風險篩選值（20 mg/kg），超標倍數分別為0.34、0.17，未超風險管制值。

重金屬在復墾工業地塊表層土壤中累積并存在一定程度的超標，與地塊內退役工廠從事金屬加工活動有關。變異系數反映了各采樣點重金屬含量的離散程度，進而判斷是否受到人為活動影響。由表3可知，地塊表層土壤重金屬的離散程度分別為：汞＞砷＞鎘＞鋅＞鉻＞鎳＞銅＞鉛。根據變異程度分類[13,18]，汞和砷屬于高變異（變異系數＞36%），且明顯高于上海市土壤環境背景值統計數據（汞、砷的變異系數分別為59.54%、31.91%）[17]，單因子檢出值相差較大，說明可能受到人為活動的影響[18,23]。鎘、鋅、鉻基本屬于中等變異，鎳、銅、鉛變異程度較低。結合退役工廠原輔料和生產工藝，銅和鋅等重金屬被用作金屬加工的原料，鉛、鎘、鉻、汞作為油漆中的主要有毒有害物質，鉛、鋅、鉻、鎳、銅作為焊接煙塵中的主要污染因子，砷和汞作為燃煤煙氣中的主要污染因子，上述重金屬通過“三廢”排放累積于地塊表層土壤中并產生較大的污染風險[7,15,24,25]。相關研究[4,6,26]也發現涉及金屬加工等行業的工業場地，土壤中銅、鋅、鉻、鉛、鎳、砷等重金屬存在不同程度的污染累積。

表3 表層土壤樣品8項重金屬的檢測結果Table 3 The testing results of heavy metals in surface soil samples

（2）重金屬含量空間分布

復墾工業地塊表層土壤樣品中8項重金屬含量空間分布情況見圖2。由圖2可直觀看出，地塊表層土壤樣品中8項重金屬含量空間分布差異程度分別為：鎘、鋅、汞、砷空間分布差異明顯，鎳和鉻空間差異次之，銅和鉛最后。這一結論與變異系數（表3）的表征情況基本一致。地塊表層土壤樣品中鋅、砷高含量區分布比較零散；西南部S45采樣點表層土壤樣品中鋅的含量明顯高于地塊其他區域，可能是該區域長期堆放固體廢棄物導致鋅的明顯累積；東南部S35、S69采樣點表層土壤樣品中砷的含量明顯高于地塊其他區域，上述采樣點位于廠房區域，可能是長期工業生產導致砷的明顯累積。其他重金屬呈現出不同程度的區域性分布規律，可能是生產活動基本覆蓋地塊，或者土壤重金屬的富集主要來自大氣沉降。鎘的高含量區主要分布在地塊西部、西北部，東部有零星分布，大體呈現出西部＞東部趨勢；汞的高含量區主要分布在地塊東部，大體呈現出東部＞西部趨勢。鉛、銅、鉻和鎳的含量在空間分布上（除地塊西邊界區域外的其他區域）具有較強的伴生性[18]。

圖2 表層土壤樣品8項重金屬含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal content in surface soil samples

（3）重金屬地積累指數法結果

采用地積累指數（Igeo）對復墾工業地塊表層土壤樣品中8項重金屬的污染程度進行評價，結果見表4。地塊表層土壤樣品中8項重金屬元素的Igeo平均值均小于0，即地塊總體上處于無污染等級。其中，銅、鉛、鎳的Igeo最大值也均小于0，地塊內銅、鉛、鎳處于無污染等級。鎘、鋅、汞、砷、鉻的Igeo平均值雖然均小于0，但存在部分采樣點Igeo大于0的情況，部分區域已達到輕度—中度污染，污染等級為1級，污染點位頻率分別為3.85%、1.28%、5.13%、19.23%、17.95%，其中砷和鉻的1級污染點位頻率明顯高于其它重金屬。從地積累指數來看，復墾工業地塊部分區域表層土壤中重金屬存在不同程度的污染。

表4 表層土壤樣品8項重金屬地積累指數(Igeo)分級及頻率分布Table 4 The geo-accumulation index (Igeo)’s grading and frequency distribution of heavy metals in surface soil samples

2.2 重金屬潛在生態風險分析

采用潛在生態風險指數法對復墾工業地塊表層土壤樣品中8項重金屬的潛在生態風險進行評估，結果見表5。鎘、鉛、銅、鋅、鎳、汞、砷、鉻的單因子生態風險（Ei）平均值分別為28.44、4.89、5.33、1.08、4.84、22.30、10.93、2.73，潛在風險水平從大到小為：鎘＞汞＞砷＞銅＞鉛＞鎳＞鉻＞鋅。8項重金屬綜合生態風險（RI）平均值為80.54。地塊潛在生態風險總體處于低風險水平。閔行區某金屬加工工業用地[15]鎘、鉛、銅、鋅、鎳、汞、砷、鉻的Ei分別為27.80、4.31、4.09、1.29、4.75、37.28、7.08、1.17，RI為87.78，與本研究評估結果差別不明顯。吳健[4]、李曉曼[6]、徐志豪[8]等人的研究則與本研究評估結果相差較大。相同行業類型下，企業生產年限、環保管理水平等因素綜合影響下，各復墾工業地塊污染風險存在差異。

表5 表層土壤樣品8項重金屬元素Ei和RI指數Table 5 Ei and RI index of heavy metal elements in surface soil samples

值得注意的是，地塊部分采樣點存在中等生態風險危害。14個采樣點（S4-汞、S7-鎘、S12-鎘、S22-鎘、S30-汞、S35-汞、S36-汞、S38-汞、S55-鎘、S64-汞、S67-汞、S73-汞、S76-汞、S77-汞）的Ei值大于40；21個采樣點（前述14個、S1、S14、S27、S40、S66、S69、S78）的RI值大于90；單因子和綜合潛在生態風險均處于中等水平。將處于中等風險的采樣點位潛在生態風險評價結果梳理如圖3所示。

由表5和圖3可以看出，鎘和汞的風險貢獻率明顯高于其他6項重金屬，其中，S4、S36、S38和S76采樣點表層土壤樣品中鎘和汞兩項重金屬累積的潛在生態風險已處于中等風險水平。本次評估結果表明，鎘和汞表現出較強的潛在生態風險，砷、銅、鉛、鎳、鉻、鋅的潛在生態風險較弱。這一結論與其他研究相一致。崔艷紅等人[13]對松嫩平原產油區農田土壤重金屬運用潛在生態風險指數法進行評價，研究發現鎘和汞潛在生態風險指數較高，其余6項重金屬元素風險數值較低。吳健等人[4]對上海郊區53個復墾工業場地土壤重金屬進行潛在生態風險評估，發現鎘、汞處于較強的生態風險水平。

圖3 表層土壤樣品重金屬潛在生態風險指數評價（中等風險）箱式圖Fig.3 Box diagram of elevation of middle potential ecological risk index of heavy metal elements in surface soil samples

土壤環境是一個復雜的體系，掌握復墾工業地塊潛在生態風險的空間分布，有利于科學謀劃土地利用，合理管控農用地利用風險。單因子潛在生態風險評估過程與對應重金屬含量正相關，相應的，單因子潛在生態風險空間分布情況與重金屬含量空間分布（圖2所示）趨勢一致，不再贅述。同時考慮到，土壤環境對生態環境的潛在風險是整體對外的，而非單一存在。復墾工業地塊表層土壤樣品中8項重金屬元素RI指數空間分布擬合情況見圖4。由圖4可知，地塊表層土壤中8項重金屬元素RI指數在空間上大體呈現出東部＞西部的趨勢，中等風險區主要分布在地塊東部、南部。RI綜合指數分布情況與單一重金屬元素汞的含量空間分布情況一致，汞表現出很強的風險貢獻。

圖4 表層土壤樣品8項重金屬元素RI指數空間分布Fig.4 RI spatial distribution of 8 heavy metal elements in surface soil samples

表層土壤重金屬生態風險不僅與其含量有關，還考慮了致毒效應，因而潛在生態風險水平與污染程度并未呈現出完全對應的關系，即污染程度高的，其潛在生態風險并不一定高。根據以上評估結果，銅、鋅、砷、鉻的毒性系數分別為5、1、10、2，毒性水平相對較低，雖然在表層土壤樣品中的平均含量高于上海市土壤環境背景值，但表現出低潛在生態風險水平。汞和鎘的毒性系數分別為40和30，為8項重金屬中毒性水平最高的兩項，雖然在表層土壤樣品中的檢出含量未超過農用地土壤污染風險篩選值，但表現出相對更高的潛在生態風險水平。這一研究結果與相關研究[4,8,13,16,27]發現土壤重金屬汞和鎘呈現出較強的生態危害的研究結果相一致。

復墾工業地塊表層土壤中銅、鋅、砷、鉻污染累積明顯，而鎘、汞存在中等生態風險危害。綜合考慮地塊污染特征及潛在生態風險，建議用作生態造林等用途，或因地制宜選用品種調整、石灰調節、優化施肥、葉面調控等安全利用類措施，以期滿足農用地安全生產的要求。吳健等人[4]研究發現，復墾工業場地土壤重金屬銅、鋅污染較為突出，鎘、汞潛在生態風險處于較強水平，鎘、汞的致毒效應更強，也應引起關注。為確保后續安全利用，建議在減量化復墾地塊年度跟蹤調查等相關專項調查中，除將往年調查超標指標納入跟蹤調查外，也應重點關注汞和鎘的含量變化及潛在生態風險影響[28-29]。基于重金屬含量及其生物毒性的潛在生態風險評估，可作為傳統上從土壤重金屬含量的角度進行農用地土壤環境調查評估的有效補充。

3 結論

（1）復墾工業地塊歷史工業活動導致表層土壤中銅、鋅、砷、鉻累積明顯，部分區域表層土壤重金屬超標。表層土壤樣品中砷的最大含量為農用地土壤污染風險篩選值的1.34倍，銅、鋅、砷、鉻的平均含量分別為上海市土壤環境背景值的1.07、1.08、1.09、1.36倍。重金屬含量空間分布情況表明，鋅、砷高含量區分布比較零散，其它重金屬高含量區呈現區域性分布。

（2）根據地積累指數評價，復墾工業地塊部分區域表層土壤樣品存在不同程度的污染。鎘、鋅、汞、砷、鉻達到輕度—中度污染，污染等級為1級，其中砷和鉻的1級污染點位頻率明顯高于其它重金屬。銅、鉛、鎳處于無污染等級。

（3）根據潛在生態風險評估，復墾工業地塊部分區域表層土壤重金屬處于中等風險水平，汞和鎘為潛在生態風險主要貢獻因子。潛在生態風險空間分布情況表明，中等風險區主要分布在地塊東部、南部。

（4）建議在開展減量化復墾地塊年度跟蹤調查等土壤污染防治相關工作時，除將往年調查超標指標納入跟蹤調查外，也應重點關注汞和鎘的含量變化及潛在生態風險，以全面保障區域農用地土壤環境質量和農產品質量安全。