上海市崇明區復墾工業地塊土壤重金屬分布特征及污染風險

關鍵詞：復墾工業地塊；土壤重金屬；分布特征；內梅羅污染指數

土壤是崇明世界級生態島建設和生態農業發展的重要生產要素和生態資源，關系到人民城市農產品質量、人民安居宜居等生態安全。隨著經濟社會發展，我國人多地少的基本國情沒有改變，從第三次全國國土調查數據看，耕地資源仍很緊張。統籌好建設用地需求與耕地保護的關系，嚴守耕地數量、質量紅線和糧食安全底線，是崇明高質量發展的現實要求，也對長江生態大保護具有積極推進作用[1]。

隨著崇明高質量發展縱深推進，全區工業結構深化調整，低效落后工業地塊淘汰關停再利用，轉化為大都市區補充耕地資源。金屬加工、紡織、化工等地塊污染特征因行業類型不同而存在差異。高累積性、難降解性、強生物毒性的重金屬類污染物持續排放且主要富集在地塊表層土壤環境中[2-6]，直接影響土地后續利用安全，成為國內外土壤環境領域的關注熱點。單個地塊或單一行業類型復墾工業地塊土壤污染狀況調查評估多有報道[7-8]，針對區域性、不同行業類型的較大樣本體量的系統性研究則鮮見報道。

本文梳理分析了上海市崇明區5 種行業類型（金屬加工、紡織染整、化工、橡塑加工、磚瓦制造）的110 個復墾工業地塊表層土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的含量特征及其污染來源，采用內梅羅污染指數法評估重金屬污染風險，并基于地理信息系統軟件進一步解析污染風險空間分異特征，以期為崇明土壤生態環境監控體系構建等提供數據支撐，為不同行業類型的復墾工業地塊在重金屬污染源頭防控、地塊再利用安全風險管控等決策提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

上海市崇明區， 地理位置為31?15'20.37\" ～31?52'21.78\"N，121?7'6.58\" ～ 122?14'49.21\"E，其地勢、土壤、氣候、日照等條件適宜水稻等多種農作物生長。區內擁有1027.5 km2 農用地，是上海最為核心的生態空間和最大的農業種植區域。

作為上海市較早的老工業基地，崇明區工業涉及紡織、建材、不銹鋼用具、食品等生產類別，工業歷史最早可追溯到上世紀60 年代。本次研究收集了崇明區金屬加工、紡織染整、化工、橡塑加工、磚瓦制造等5 類主要傳統行業類型共計110 個復墾工業地塊在2019 年～2020年實施的調查成果，并進行統計分析。研究區域各調查地塊分布情況詳見圖1。

1.2 布點采樣與實驗室分析

采用專業判斷結合系統布點法對110 個復墾工業地塊開展了布點采樣，每個地塊布設1 個～33 個采樣點，共計布設了810 個土壤采樣點。考慮到工業活動產生的污染物主要累積到地塊表層土壤環境[2-6]，本研究主要針對表層土壤。土樣采集后經實驗室預處理、分析測試重金屬。鎘、鉛含量分析采用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141-1997），砷、汞含量分析采用原子熒光法（HJ680-2013），鉻含量分析采用火焰原子吸收分光光度法（HJ491-2009），鋅、銅含量分析采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138-1997），鎳含量分析采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17139-1997）。

1.3 重金屬污染風險評價方法

區別于常規土壤污染狀況調查報告采用單一重金屬對標篩選值評估重金屬含量是否超標，本文同時采用內梅羅綜合污染指數法，是對常規對標的補充完善，可全面評價重金屬綜合污染風險，并能體現出高檢出值的環境污染風險[3， 5， 9-10]。計算方法為：

式中：Ci 為重金屬i 在土壤中的實測含量；Si 為重金屬i 的評價標準，本研究選用的評價標準為《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）[11]，標準適用于耕地土壤污染風險篩查和分類，規定了農用地土壤污染風險篩選值（以下簡稱“篩選值”），超過篩選值的，對農產品質量安全或土壤生態環境存在風險，原則上應當采取安全利用措施；Pi 為重金屬i 在土壤中的單因子污染指數；Pimax 為重金屬在土壤中單污染指數的最大值；Piave 為重金屬在土壤中單污染指數的平均值；PN 為內梅羅綜合污染指數。PN 的污染等級標準詳見表1[3， 5， 9-10]。

1.4 數據分析

按照重金屬含量分析方法的規定對相關數據進行修約，其他統計屬性的結果統一保留兩位小數。數據統計和顯著性分析采用Excel、SPSS 25，其中對低于分析方法檢出限的測定結果以“ND”報出，在參與統計分析時按二分之一檢出限計算。使用ArcGIS 10.2 繪制研究區調查地塊分布圖、重金屬污染等級空間分布圖。

2 結果與討論

2.1 重金屬含量分布特征

（1）重金屬含量水平

8 項重金屬（除部分樣品鎘外）在表層土壤樣品中均有檢出，檢測結果統計見表2。鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的平均含量分別為0.16 mg/kg、0.082 mg/kg、7.09 mg/kg、19.9 mg/kg、60 mg/kg、24 mg/kg、35 mg/kg、75.5mg/kg，均低于篩選值[11]。鎘、銅、鋅的最大檢出含量分別為2.7 mg/kg、325 mg/kg、1590 mg/kg，分別超出對應的篩選值（pHgt;7.5、6.57.5）[11] 3.50 倍、2.25倍、4.30 倍；分別高于上海市土壤環境背景值（0.13 mg/kg、29 mg/kg、86.1 mg/kg）[7]，以及項目實施時同步設置的土壤對照點數據。鎘、鋅含量最大值地塊內其它點位也存在不同程度的超標，點位超標率分別為100.00%、66.67%。重金屬含量水平可能受到來自人為活動或外來污染的影響。受退役工業活動行業類型、生產經營活動時間以及環保管理水平等因素的綜合影響，超標因子鎘、銅、鋅含量最大值均在金屬加工行業地塊中檢出，經第一階段調查發現上述超標地塊歷史企業生產運營年限長（12 年～30 年），部分企業成立于上世紀60 年代且早期企業環保管理水平有限，且超標點位均位于生產廠房處。

行業類型涉及金屬制品、化工等33 個上海市典型復墾工業用地的調查結果顯示，8 項重金屬均有檢出且平均含量均低于篩選值，銅、鋅超標嚴重，最大超標倍數為3.24、3.73[2]。行業類型涉及金屬制品、橡膠塑料、化工等53 個上海市郊區復墾工業用地的調查結果顯示，8 項重金屬均有檢出，銅、鋅超標嚴重，平均含量超標倍數為3.35、0.93[4]。奉賢區復墾工業用地（行業類型涉及金屬制品、塑料制品等）的調查結果顯示，8 項重金屬均有檢出，鎘最大超標倍數為0.88[12]。其它典型工業用地（行業類型涉及金屬加工、化工等）的調查結果[5-6] 也顯示，砷、鎘、鉻、鉛、汞、鎳在表層土壤中均有檢出且平均含量均低于篩選值，超標因子為鎘等重金屬，最大超標倍數為0.97。本研究中重金屬檢出情況及主要超標因子與本市其它區域典型行業類型工業用地土壤重金屬研究數據較為一致。鎘、汞、銅、鋅的變異系數均大于36%，且明顯高于其它重金屬，屬于高變異，說明受到工業生產活動等外源影響較大[2-3， 5-6]。受到退役工業活動的影響，重金屬在廠區地表賦存，且不同點位之間的含量水平差異相對較大。

與崇明區已有農用地土壤重金屬調查相關文獻成果（梳理匯總于表3）相比，研究區重金屬含量總體上處于已有調查成果平均水平。根據2018 年崇明島生態環境跟蹤評估結果，以農用地為主的19 個土壤監測點位中有18個點位8 項重金屬均有檢出，其中11 個點位鎘含量超過篩選值。徐志豪等人[9] 采集581 個崇明島現狀農田耕作層土壤樣本分析重金屬，其調查成果可代表當前階段崇明現狀農田土壤環境質量。該研究發現，現狀農田耕作層土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅均有檢出，平均含量分別為0.18 mg/kg、0.050 mg/kg、6.10 mg/kg、17.8 mg/kg、40 mg/kg、27 mg/kg、28 mg/kg、76.0 mg/kg。而本研究中8 項重金屬（除超標因子鎘、銅、鋅外）的平均含量均高于現狀農田。現狀農田耕作層土壤中1%的點位存在超標，主要超標指標為鎘、銅、鋅，最大超標倍數分別為0.60、0.87、0.43。而本研究中1.6% 的點位存在超標，超標因子鎘、銅、鋅分別超出對應篩選值（pHgt;7.5、6.57.5）[11]3.50 倍、2.25 倍、4.30 倍，超標程度高于現狀農田。超標地塊建議優先規劃用作林地、綠地等用途，并加強后續環境跟蹤監測及管控措施，待監測達標后，再按要求合理規劃用途。受工業活動影響，作為農用地潛在儲備資源，從重金屬含量特征的角度，本研究中復墾工業地塊整體上劣于現狀農田。

（2）不同行業類型重金屬含量分布特征

各行業類型地塊表層土壤樣品中8 項重金屬的平均含量均低于對應篩選值，具體檢出情況如表4 所示。金屬加工行業類型地塊表層土壤樣品中銅含量顯著高于橡塑加工、化工等行業類型，鎘含量顯著高于橡塑加工等行業類型，磚瓦制造行業類型地塊表層土壤樣品中汞含量顯著高于橡塑加工等行業類型，化工行業類型地塊表層土壤樣品中鉛含量顯著低于其它4 種行業類型。金屬加工行業類型地塊表層土壤樣品中鋅含量明顯高于其它4類行業類型，但受限于數據離散性較大，顯著性分析結果顯示差異不顯著。砷在磚瓦制造行業類型地塊表層土壤樣品中的含量高于其它4 種行業類型，顯著性分析結果顯示差異不顯著。鉻、鎳在各行業類型地塊表層土壤樣品中含量水平差異不明顯。另外，鎘、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅含量最大值均在金屬加工行業地塊中檢出并存在超標情況，且生產運營年限范圍為12 年～30 年，部分企業成立于上世紀60 年代且早期企業環保管理水平有限。汞含量最大值在紡織染整行業地塊中檢出，且生產運營年限為11 年。不同行業類型下重金屬的污染特性表現出差異性。

結合各行業類型退役工廠的生產年限、生產工藝、原輔料和三廢排放等情況，金屬加工行業使用涉重金屬材料量大種類廣，銅、鋅、鎳、鉻等重金屬是原材料主要成分，鎘、鉛、砷等重金屬是金屬加工輔料的主要有毒有害物質，相關研究[2， 4-6] 也發現金屬加工對地塊土壤中銅、鋅、鎳、鎘、鉻、鉛、砷等重金屬的污染累積貢獻明顯。汞是紡織染整行業使用的各類染料、固色劑等輔料中的主要有毒有害物質。磚瓦制造、紡織染整、金屬加工行業生產過程涉及大量燃煤活動，汞、砷等主要賦存于燃煤產生廢氣[6]。工業用地周期內產生的有毒有害物質在地表不斷累積，直接影響土地后續利用安全[10]。

2.2 重金屬污染風險評價

重金屬單因子污染指數評價結果見表5。從污染水平來看，8 項重金屬的平均污染指數均小于1，總體處于無污染水平。重金屬污染指數平均值依次為砷gt; 鎘gt; 鋅gt;銅gt; 鉻gt; 鎳gt; 鉛gt; 汞，與周燕等人[3] 的評價結果一致。砷含量變異系數較小，且土壤環境背景值高[12， 16]，故其污染指數處于較高值。從行業類型來看，8 項重金屬在各個行業類型下污染指數均小于1，總體處于無污染水平。不同行業類型下各重金屬Pi 基本上呈現出各行業類型下砷的污染指數最大，其次為鎘、銅、鋅、鉻，各行業類型趨勢不同，后三位分別為鎳、鉛、汞。這一研究結果與張施陽[10] 的結果一致。不同行業類型相同重金屬的污染指數分布特征與對應的重金屬含量表現一致，此處不再重復贅述。從污染程度來看，有13 個點位存在不同程度的污染，且均為單點位單一污染。汞、砷、鉛、鉻、鎳的Pi 最大值也均小于1，無污染點位。重金屬污染主要以鎘污染點位比例最高，4 個點位為輕度污染，中度、重度污染點位分別有1 個。銅污染點位有3 個，其中2個為輕度污染，1 個為重度污染。鋅污染點位有4 個，其中1 個為輕度污染，3 個為重度污染。從污染水平劃分來看，鋅污染嚴重，4 個污染點位中有3 個為重度污染。

不同行業類型8 項重金屬綜合污染評價結果見表6。從綜合污染水平來看，重金屬綜合污染指數平均值依次為金屬加工gt; 化工gt; 橡塑加工gt; 磚瓦制造gt; 紡織染整[5]。金屬加工行業地塊表層土壤銅、鋅、鎘累積明顯，綜合污染指數最高。汞最大檢出含量雖在紡織染整行業地塊中檢出，但磚瓦制造行業地塊汞、砷平均含量高于紡織染整等行業地塊，綜合評估下，磚瓦制造行業地塊重金屬綜合污染指數大于紡織染整。5 種行業類型的PN 平均值均小于0.7，高于崇明現狀農田PN 平均值0.34[9]，總體上雖處于安全等級，但污染風險高于現狀農田。受工業活動影響，作為農用地潛在儲備資源，從重金屬污染風險的角度，本研究中復墾工業地塊整體上劣于現狀農田。橡塑加工、磚瓦制造行業的PN 最大值也小于0.7，均處于安全等級。1 個化工行業地塊PN 值為1.94，地塊處于輕度污染等級，鎘是污染風險主要貢獻因子；1 個紡織染整行業地塊PN 值為0.72，地塊處于警戒等級，汞是污染風險主要貢獻因子；金屬加工行業地塊有84.21% 的比例處于安全等級，各有一定數量的地塊分布在Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ污染等級中，鎘、銅、鋅是污染風險主要貢獻因子[2]。其中，值得關注的是，重度污染等級的比重大（占比為5.26%）且污染水平明顯嚴重，PN 值最大為3.77。

根據表2 統計結果，研究區域表層土壤樣品中重金屬存在明顯的空間分布差異。為直觀反映重金屬污染空間分布特征，利用地理信息軟件擬合了各行業類型綜合污染評價分級及空間分布情況，結果見圖2。由圖2 可知，金屬行業Ⅱ級、Ⅳ級、Ⅴ級污染等級地塊有3 個，分別有3 個、1 個、2 個，研究區均有分布。紡織染整行業Ⅱ級污染等級地塊有1 個，位于研究區中部。化工行業Ⅲ級污染等級地塊有1 個，位于研究區北部。橡塑加工、磚瓦制造行業地塊均為Ⅰ級無污染地塊。通過查閱地方志[18] 和相關統計年鑒等資料，金屬加工為崇明區傳統支柱產業，金屬加工行業各污染等級的復墾工業地塊遍布整個區域。紡織業為中部區域工業的支柱產業，集紡、織、染、整一體化產業服務。北部區域化工等主打工業興辦于上世紀70 年代，為國家化工生產重點骨干企業，產量大市場占有率極高。受限于企業環保管理水平、行業特點以及運營年限，部分行業類型復墾工業地塊存在不同程度的污染。

進一步比對單一重金屬含量水平、8 項重金屬綜合污染指數發現，本研究中金屬加工、紡織染整行業部分地塊雖然各重金屬含量滿足農用地標準要求，但通過8 項重金屬綜合污染指數評估發現其污染水平已處于警戒等級，建議也應引起關注，優先規劃用作林地、綠地等用途。

綜上，研究區重金屬（除超標因子鎘、銅、鋅外）的平均含量均高于現狀農田調查結果。鎘、銅、鋅的超標倍數均高于現狀農田。內梅羅綜合污染指數高于現狀農田，污染風險高于現狀農田。受工業活動影響，作為農用地潛在儲備資源，本研究中復墾工業地塊的土壤環境質量整體上劣于現狀農田土壤環境質量。為切實保障農用地安全風險管控，嚴守資源安全底線，推進崇明世界級生態島建設和可持續綠色健康發展，建議在綜合評估土壤質量的基礎上，合理規劃工業地塊復墾再利用。

3 結論

（1）根據研究區復墾工業地塊調查結果，表層土壤樣品中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的平均含量分別為0.16 mg/kg、0.082 mg/kg、7.09 mg/kg、19.9 mg/kg、60 mg/kg、24 mg/kg、35 mg/kg、75.5 mg/kg，均低于篩選值，但均高于現狀農田平均含量（除超標因子鎘、銅、鋅外）。受到退役工業活動影響，鎘、銅、鋅的最大檢出含量分別超出對應篩選值（pHgt;7.5、6.57.5）3.50 倍、2.25 倍、4.30 倍，且超標倍數高于現狀農用地。金屬加工行業地塊表層土壤中銅、鋅、鎘累積明顯。

（2）根據內梅羅污染指數評價結果，重金屬污染指數平均值依次為砷gt; 鎘gt; 鋅gt; 銅gt; 鉻gt; 鎳gt; 鉛gt; 汞。各行業類型重金屬綜合污染指數平均值依次為金屬加工gt; 化工gt; 橡塑加工gt; 磚瓦制造gt; 紡織染整，總體處于安全等級，但污染風險高于現狀農田。部分金屬加工、化工、紡織染整行業地塊已分別達到重度污染、輕度污染、警戒等級。

（3）受工業活動影響，作為農用地潛在儲備資源，研究區復墾工業地塊的土壤環境質量整體上劣于現狀農田土壤環境質量。為切實保障農用地安全風險管控，嚴守資源安全底線，建議在綜合評估土壤質量的基礎上，合理規劃工業地塊復墾再利用。