徐丰冰，黄海峰

（1. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072；2. 自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心，上海 200072）

上海市低效工业用地减量化是在城市资源匮乏的条件下有效改善土地利用方式的一种手段。上海市低效工业用地是规划产业区外、规划集中建设区以外的现状工业用地，存在潜在环境风险隐患，倘若转变成农用地，应具有更高的安全性及健康度［1-4］。由此，开展上海市低效工业用地土壤重金属含量特征、累积成因及生态风险分析工作就显得尤为重要。

本文以上海奉贤区3种典型低效工业用地为研究对象，统计了各地块土壤重金属含量分布状况，通过内梅罗综合评价法分析了各低效工业用地的污染水平，利用相关分析法进行土壤中各重金属可能性累计成因分析，并完成潜在生态风险评价及生态风险预警评价，以期为政府管理部门对上海市低效工业用地地块的综合监管、辅助决策、土地市场管理等提供服务。

1 材料与方法

1.1 采样点布设与样品采集

本次选取了三种具有代表性的低效工业用地，采样布点依据《上海市经营性用地全生命周期管理场地环境保护技术指南（试行）》《上海市场地环境监测技术导则》《上海市场地环境调查技术导则》中专业判断结合系统布点法布设，根据历史影像图、人员访谈及现场踏勘情况，使点位合理布设在重点关注区域（图1）。

本次共采集了251个表层土壤样品，其中，家具制造厂址采集了138个样品，轻工机械厂址采集了71个样品，塑料制品厂址采集了42个样品。采集的样品保存在专用的冷藏箱内并及时送达实验室，实验室低温（4℃）保存样品，样品在各自的保存期内进行分析（包括前处理）。

图1 低效工业用地采样区域分布Fig.1 Distribution map of sampling area in the low efficiency industrial land

1.2 样品测试与分析

将采集的土壤样品均匀混合，干燥后去除土样中的异物，研磨、筛分混匀后密封保存。分析测试参考国家标准分析方法（表1）。

1.3 评价方法

（1）单因子指数法

单因子指数法评价的是各金属的含量水平［5-6］，表达式为：

表1 实验室检测方法及仪器设备Table 1 Laboratory testing methods and equipment

式中：Pi为重金属i的土壤质量指数；Ci为重金属i的实际浓度；Si为重金属i对应的评价标准数值。

与GB 15618-2018相比，《食用农产品产地环境质量评价标准》［7］（以下简称HJ/T 332-2006）中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的限值更为严格，故本次以其作为参考标准。单因子污染指数法分级水平为：Pi＜1属于清洁；1≤Pi＜2属于轻微污染；2≤Pi＜3属于轻污染；3≤Pi＜5属于重污染；5≤Pi属于重污染。

（2）内梅罗综合指数法

本文选择内梅罗综合指数法对各低效工业进行评价，表达式如下：

式中：P综为低效工业用地综合指数；Im为低效工业用地土壤最大单项指数；I为工业用地重金属i的污染指数。综合指数法的分级水平为：P综合＜0.7属于安全；0.7≤P综合＜1属于警戒线；1≤P综合＜2属于轻污染；2≤P综合＜3属于重污染；3≤P综合属于重污染。（3）土壤环境生态风险评估

本文选用Hakanson的潜在生态风险指数法［8］，分析各低效工业地块生态风险，表达式如下：

式中：RIf为f采样点中8类金属元素的综合指数；为f采样点中金属元素i的单项指数；为f采样点中金属i的污染指数；为f采样点中金属i的实际值；为金属元素i的参比值；为金属i的毒性参数，可全面表现出元素毒性、污染等级以及污染敏感度。

本研究参比值选用的是上海市背景值［9］，金属镉的毒性系数是30；金属铬的毒性系数是2；金属砷的毒性系数是10；金属铅的毒性系数是5；金属铜的毒性系数是5；金属镍的毒性系数是5；金属锌的毒性系数是1；金属汞的毒性系数是40。单项潜在生态风险指数分级方式为：为较轻风险；为中等风险；≤160为较高风险；为高度风险；320为超高风险。综合潜在生态风险指数分级方式为：RIf≤150为较轻风险；150＜RIf≤300为中等风险；300＜RIf≤600为较高风险；600＜RIf≤1200为高度风险；1200＜RIf为超高风险。

（4）生态风险预警指数法

本文选用Rapant等的生态风险预警指数法［10］，预警评价各低效工业地块的风险预警状态，预警指数参比值选用HJ/T 332-2006。表达式如下：

式中：IER为生态风险预警指数；IERi为超出标准值元素i的环境风险指数；CAi为金属元素i的实际浓度；CRi为元素i的浓度标准值。生态风险预警指数分级标准为：IER≤0为无警示状态；0＜IER≤1为预警状态；1＜IER≤3为轻预警状态；3＜IER≤5为警示状态；5＜IER为重警状态。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量分析

对3种典型低效工业用地类型的重金属进行含量分析得出，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的平均含量分别为9.62mg/kg、0.15mg/kg、87.19mg/kg、22.78mg/kg、23.32mg/kg、36.18mg/kg、105.35mg/kg、0.11mg/kg，除Pb、Cu外，As、Cd、Cr、Ni、Zn、Hg平均含量均高出上海市区域背景值，超背景值倍数为0.54～10.30倍。偏度系数描述的是数据分布对称性情况，倘若绝对值越小，则说明偏斜度越小。峰度系数反映的是数据的陡斜程度，倘若绝对值越小，则说明与正态分布的差异度越小。从表2可以看出，Cd、Hg的偏度系数和峰度系数相对更大，说明在部分土壤中Cd、Hg累积状况较高。变异系数表征的是各数据之间的离散程度，土壤样品中Cd、Hg变异系数较大，即说明金属元素Cd、Hg富集现象与其他金属元素相比，较为明显。

表2 土壤重金属含量统计分析（mg/kg）Table 2 Statistical analysis of heavy metals content in soils

比较不同土地利用类型的土壤重金属分布，研究发现各低效工业用地重金属含量差异较大。8种重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的最大含量分别超过背景值的1.38、10.30、1.66、0.89、0.54、0.99、1.37、8.00倍，Cd和Hg的最大含量在家具制造厂，Cr和Cu的最大含量在塑料制品公司，其余重金属含量的最大值在三大行业中相近。由表3可知，3种土地利用类型中，仅As、Cd平均含量相差较大，且均表现为家具制造厂大于轻工机械与塑料加工，其余重金属在三类行业中相差较小。土壤中重金属来源错综繁杂，但基本与人口密集区、工矿业区及成土母质存在紧密的相关性［11］。

表3 各用地类型土壤重金属含量分布状况Table 3 Distribution of heavy metal content in soil of industrial land type

2.2 土壤重金属来源分析

低效工业用地8种重金属的Spearman相关系数见表4。相关系数较大的重金属为Cr-Pd（P＜0.01, r=0.407）、Cr-Ni（P＜0.01, r=0.400）、Cr-Zn（P＜0.01, r=0.456）、Cu-Pd（P＜0.01, r=0.440）、Cu-Zn（P＜0.01, r=0.535），其余重金属之间的相关系数均小于0.4。各重金属的相关程度在弱—低—中度之间，表明来源可能存在相似性。由于Cu、Pb、Ni、Zn、As和Cr变异系数相对较低，故来自土壤背景或者面源污染的可能性最大。其中，Cu、Pb、Ni、Zn和Cr之间具有一定的相关性，表明Cu、Pb、Ni、Zn和Cr可能主要来自于生活污水、工业废气、汽车尾气，污染气体内的各金属化合物通过干湿降落后渗入土壤［12］。As的峰度系数与偏度系数都偏低，且上海市砷背景值相对较高，表明As可能主要受成土母质的影响［9］。土壤中Cd和Hg变异系数较大，即点源污染可能性大，且两种重金属之间具有一定的相关性，说明Hg与Cd可能来自于原生活垃圾及周边电镀等工业企业［13］。

表4 土壤重金属相关分析Table 4 Correlation analysis of heavy metals in soils

2.3 土壤重金属风险评价

以HJ/T 332-2006为参比值，根据式（1）和式（2）计算内梅罗指数，结果见图2。该区域土壤重金属内梅罗综合污染指数表现为：家具制造较大，塑料制品与轻工机械次之，即各低效工业用地土壤重金属具有不同程度的浓度变化，家具制造厂区表现为轻微污染，轻工机械与塑料制品厂区则在警戒线内。单因子指数评价结果显示，仅家具制造厂区的Cd、Hg与塑料制品厂区的Cd数值超过1，其余工业重金属均未出现轻微污染，其中家具制造以木材防腐剂为辅助原料，而汞类、铅类等防腐剂曾被广泛使用。通过以上分析，本研究区的3种工业用地的整体水平为轻微污染。

图2 土壤重金属内梅罗指数评价Fig.2 Nemerow index evaluation of heavy metals in soils

图3 不同重金属元素对潜在生态风险指数的贡献Fig.3 Contribution of different heavy metal elements to the potential ecological risk index

表5 土壤重金属单项潜在生态风险评价结果Table 5 Evaluation results of single potential ecological risk of heavy metals in soils

以上海市背景值为参比值，根据式（3）计算8种重金属的潜在生态风险指数，见图3和表5。研究区土壤中各元素生态风险依次为：Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。8种重金属的潜在生态风险指数RI为60.63～472.15，平均RI为130.07，其中Hg与Cd的平均贡献值达到41.4%、35.1%，其余6种重金属的潜在风险指数贡献为22.70%。区域内土壤中各元素的潜在生态风险水平为较轻风险—超高风险，Hg的风险系数 为9.64～362.11，其中30.7%属于中等风险，13.9%属于较高风险，1.6%属于高度风险，0.4%属于超高风险。Cd的 为9.68～339.18，其中42.2%属于中等风险，2.4%属于较高风险，1.2%属于高度风险，0.4%属于超高风险。其余6种重金属的 均小于40。

以HJ/T 332-2006为参比值，根据式（4）计算8种重金属的生态风险预警指数。结果表明，上海市“198”区域低效工业用地土壤中重金属风险预警指数IER数值在-6.10～-1.69之间浮动，平均值为-4.85，表现出无警示状态，即说明3种低效工业用地中各土壤点位均为无警示状态。

3 结论

本文通过对上海市奉贤区3种低效工业用地土壤重金属污染程度及分布特征进行研究得出：土壤重金属由于人类活动呈现出一定程度的富集，其中仅个别点位Cd、Hg、Ni超过HJ/T 332-2006标准限值，大部分点位重金属超过背景值。Pearson相关性分析研究发现：Hg和Cd可能大部分来自于原生活垃圾及周边电镀等工业企业；Cu、Pb、Ni、Zn和Cr可能主要来自于生活污水、工业废气、汽车尾气，污染气体内各元素通过干湿降落后渗入土壤；As可能受成土母质的影响。

低效工业用地内梅罗综合污染指数表现为：各低效工业用地土壤重金属受到了不同程度的污染，8种重金属的污染水平为：Cd＞Hg＞Ni＞As＞Cr＞Pb＞Zn＞Cu。各金属元素生态风险表现为：Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Hg和Cd对潜在生态风险指数的平均贡献分别达到了41.4%和35.1%，为较轻风险—超高风险，其它元素皆为低生态风险。上海市奉贤区低效工业用地土壤中重金属生态风险预警指数IER变化范围在-6.10～-1.69之间，平均值为-4.85，表现为无警示状态，说明3种用地类型中各土壤点位均为无警示状态。由上可知，以上海市背景值为标准参考，低效工业用地土壤重金属存在一定的生态风险；以HJ/T 332-2006为标准参考，尚未达到生态风险警示状态。