于徐华， 陈怡龙

（1.中海环境科技（上海）股份有限公司环境影响评价部，上海200135；2.上海长兴海洋装备产业基地开发有限公司，上海201913）

0 引 言

土壤是自然环境的重要组成要素，是人类赖以生存的物质基础，是生产生活所需的重要自然资源。随着城市化、工业化和农业集约化的飞速发展，重金属逐渐通过农业生产、污水灌溉和大气沉降等途径进入农用土壤中。由于重金属在土壤中具有较强的富集性、持久性和不可逆性，不易被生物降解，因此一旦进入土壤环境，将在很长一段时间内影响农用地的正常使用。土壤中的重金属能通过食物链或直接与人体接触在人体内积累，引发一些慢性疾病[1]。因此，近些年土壤重金属在土壤中的空间分布、污染评价、特征分析和污染来源等方面的研究得到广泛关注[2-3]。上海已针对土壤重金属开展众多研究工作，研究的土地类型包括工业用地[4]、农田[5]、果园[6]、公园[7]、公路两侧土地[8-9]和滩涂[10-11]等，研究的区域包括浦东新区[12]、宝山[13]、松江[14]和崇明[15]等。虽然有涉及长兴岛土壤调查的研究[5，16]，但对长兴岛土壤重金属进行的专题研究较少。

本文以长兴岛典型的水稻田、柑橘园和林地等农用地为研究对象，对土壤中的重金属污染现状、污染来源和生态风险进行研究，以期在正确理解区域土壤质量空间与时间差异性的基础上，科学地利用和管理土壤资源。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

长兴岛位于吴淞口外长江南水道，东经121°34′～121°47′，北纬31°19′～31°26′；气候属于北亚热带海洋性季风气候，四季分明，全年温和湿润；地势低平，西部较高，中东部较低。长兴岛的土壤主要有黄夹沙、沙夹黄和黄泥等类型，近年来由于广种柑橘，已逐渐向园林灰潮土转化[16-17]。长兴岛因特殊的地理成因，已形成不同的土体构形，使局部地区内分布有多种土壤类型。

1.2 样品采集和分析

2017年2月—2018年3月，在长兴岛东南部长兴乡典型的水稻田、柑橘园和林地等农用地采集土壤样品，主要采集表层土（土壤表面至表面以下0.5 m）和原状底层土（土壤表面以下0.5 m至地下水位）。共设52个采样点，在每个采样点采集2份土壤样品，共得到104份土壤样品。采集样品过程中均采取严格的防污染措施，防止发生交叉污染；样品采集完成之后进行冷藏运输，送往专业的实验室进行分析。

采集的土壤样品通过室内风干、研磨和过筛等工序制成样品备用。土壤中全量Cu、Zn、Pb和Cr采用电感耦合等离子发射光谱法进行分析。在分析过程中，均加入国家标准土壤样品进行质量控制分析，结果均符合质量控制要求。

2 结果与分析

2.1 农用地土壤重金属含量统计分析

长兴岛土壤重金属含量箱线图见图1。土壤重金属含量统计值见表1，其中：表层土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的浓度含量的平均值分别为28.1 mg/kg、80.6 mg/kg、18.0 mg/kg和65.0 mg/kg，标准差分别为6.5 mg/kg、12.5 mg/kg、5.1 mg/kg和14.8 mg/kg，变异系数为Pb（0.27）＞Cu（0.23）=Cr（0.23）＞Zn（0.15）；底层土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的浓度含量的平均值分别为23.2 mg/kg、73.4 mg/kg、17.0 mg/kg和59.9 mg/kg，标准差分别为7.5 mg/kg、12.3 mg/kg、5.0 mg/kg和11.8 mg/kg，变异系数为Cu（0.32）＞Pb（0.29）＞Cr（0.20）＞Zn（0.17）；表层土壤中4种重金属的变异系数在0.15～0.27，底层土壤中4种重金属的变异系数在0.17～0.32，说明表层土壤和底层土壤中4种重金属的空间差异均不大，所布设采样点的土壤重金属含量能反映出长兴岛农用地土壤重金属含量的整体水平。

图1 长兴岛土壤重金属含量箱线图

表1 土壤重金属含量统计值

2.2 农用地土壤重金属污染水平

将长兴岛农用地土壤中的重金属分别与国家土壤一级标准、国家土壤二级标准和食用农产品产地环境质量评价标准相比较，结果见表2，其中：表层土壤中除Pb以外，均有个别样品的Cu、Zn和Cr含量超过国家土壤一级标准，但均低于国家土壤二级标准和食用农产品产地环境质量评价标准；底层土壤中Pb和Cr的含量均低于国家土壤一级标准，有个别样品Cu和Zn的含量超过国家土壤一级标准，但均低于国家土壤二级标准和食用农产品产地环境质量评价标准。

表2 长兴岛土壤重金属污染水平

将崇明岛土壤背景值作为污染评价参考值，采用单因子污染指数法（Pi）和内梅罗综合污染指数法（P）对土壤中4种重金属的污染水平进行评估，计算式为

式（1）和式（2）中：Cir为土壤中重金属浓度的实测值；Ci为污染参比值，本文采用崇明土壤背景值；P为内梅罗综合污染指数。单因子污染指数＞1表示土壤受外界干扰，指数越大表明重金属富集程度越高。由表2可知：土壤中4种重金属的单因子指数均达到1，其中表层土壤中Zn的单因子指数绝大多数＞1，富集程度最高；根据表层污染指数与底层污染指数的比较，表层的单因子污染指数基本上大于底层，即表层受干扰更严重，重金属富集程度更高。采用内梅罗综合指数法评定土壤综合污染状况，其中，P≤1为无污染，1＜P≤2为轻污染，2＜P≤3为中度污染，P＞3为重污染，计算结果显示表层和底层内梅罗综合指数均为1.53，为轻污染，表明长兴岛农用地自开展背景调查[16]以来受到轻微的污染。

2.3 农用地土壤重金属来源分析

利用SPSS软件对农用地土壤中的4种重金属进行相关性分析，通过相关性分析检验农用地土壤重金属来源是否一致。若2种重金属之间相关或显著相关，则说明两者来源可能一致，反之表明两者来源不同。表3为土壤中4种重金属相关性分析结果。由表3可知，不论是表层还是底层，4种重金属之间两两呈显著相关关系，说明这4种重金属在来源上可能有很大的一致性。

表3 土壤中4种重金属相关性分析结果

此次采集的样品均来自于长兴岛水稻田、柑橘园和林地等典型农用地，结合长兴岛的发展历程和产业类型，分析其重金属主要来自于自然因素和农业污染，例如：施用的混杂重金属的磷肥和含磷复合肥中含有一定量的Cu、Pb、Zn、Cr、Ca、Mn、B和As等元素；杀真菌剂会使土壤中的重金属含量增加；饲料添加剂中往往含有一定量的重金属，这些重金属随牲畜的粪便进入土壤，成为土壤的一种污染源。

综合上述：农用地土壤中Cu、Pb、Zn和Cr等4种重金属除Zn以外，平均含量均低于崇明背景值，Zn的平均含量与背景值含量也相差不大；4种重金属显著相关，长兴岛农用地土壤中的重金属Cu、Pb、Zn和Cr主要来自于自然因素，人为影响较小，这与污染水平分析结论一致。

2.4 生态风险预警评估

潜在生态危害指数法[18-19]是瑞典科学家Hakanson提出的一种评价土壤和沉积物中重金属污染程度的方法。根据该方法，某区域的土壤中第i种重金属的潜在生态危害系数Eir和土壤中多种重金属的潜在生态危害指数RI可分别表示为

式（3）和式（4）中：Cir为土壤中重金属浓度的实测值；Ci为参比值；Cif为某金属的污染系数；Tir为各种重金属的毒性系数。由于本文仅研究Cu、Zn、Pb和Cr等4种重金属，因此为提高结果的精度，根据所选用重金属的种类和数目对单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数的评估域进行调整[18]，单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数分级标准见表4。

表4 单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数分级标准

根据重金属参比值和毒性系数（见表5），采用Hakanson潜在生态危害指数法对长兴岛土壤中的重金属进行评价。结果表明：

1）长兴岛农用地表层土壤中重金属单项潜在生态风险指数的平均值由大到小依次为Cu（2.37）＞Pb（1.84）＞Cr（0.94）＞Zn（0.70）；所有表层样品中Zn和Cr的E值均＜5，处于轻微风险水平；Cu和Pb的部分E值在5～10，处于中等风险水平。表层RI的平均值为11.86，变化范围为7.23～19.60，所有表层样品潜在生态风险指数均呈轻微生态风险态势。

表5 生态危害指数法评价结果

2）长兴岛农用地底层土壤中重金属单项潜在生态风险指数的平均值由大到小依次为Cu（3.93）＞Pb（3.89）＞Cr（1.59）＞Zn（0.96）；所有表层样品中Zn和Cr的E值均＜5，处于轻微风险水平；Cu和Pb的部分E值在5～10，处于中等风险水平。底层RI的平均值为10.38，变化范围为5.57～16.36，所有样品潜在生态风险指数均呈轻微生态风险态势。

3 结 语

1）长兴岛农用地表层土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的平均含量分别为28.1 mg/kg、80.6 mg/kg、18.0 mg/kg和65.0 mg/kg，变异系数在0.15～0.27；底层土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的平均含量分别为23.2 mg/kg、73.4 mg/kg、17.0 mg/kg和59.9 mg/kg，变异系数在0.17～0.32；这说明表层土壤和底层土壤中4种重金属的空间差异均不大，所布设采样点的重金属含量能反映出长兴岛农用地土壤重金属的整体水平。

2）长兴岛农用地表层土壤中除Pb以外，均有个别样品的Cu、Zn和Cr含量超过国家土壤一级标准，但均低于国家土壤二级标准和食用农产品产地环境质量评价标准；底层土壤中Pb和Cr的含量均低于国家土壤一级标准，有个别样品Cu和Zn的含量超过国家土壤一级标准，但均低于国家土壤二级标准和食用农产品产地环境质量评价标准。

3）根据单因子污染指数计算结果，表层土壤相比底层土壤受干扰更严重，重金属富集程度更高。表层和底层内梅罗综合指数均＞1，表明长兴岛农用地自开展背景调查以来受到轻微的污染，即长兴岛农用地土壤中的重金属主要来自于自然因素。

4）以背景值为参比值，采用Hakanson潜在生态危害指数法对长兴岛土壤中的重金属进行生态风险预警评估，土壤表层和底层均呈现轻微的生态风险态势，这与污染指数法结论一致，表明重金属在长兴岛农用地中有轻度富集的现象。