上海郊区典型农业土壤重金属累积和评价

李双喜,吕卫光∗,雷艳芳,唐雅莹,陈新兵,余丛田,顾建人,张汉强

土壤是经济社会可持续发展的物质基础,关系人民群众身体健康,关系美丽中国建设,保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。当前,我国土壤环境总体状况堪忧,已成为全面建成小康社会的突出短板之一[1]。土壤重金属污染是土壤环境污染的重中之重,具有污染范围广、持续时间长、隐蔽性、无法被生物降解,并可能通过食物链不断地在生物体内富集,具有极大的危害性。国内外大量研究表明,人为活动是造成环境中重金属污染的最主要因素[2-7]。土壤重金属污染评价方法非常多,常见的包括单项污染指数法、综合污染指数法、内梅罗污染指数法[2]、污染负荷指数法[8]以及潜在生态危害指数法[9]等。地积累指数通常称为Muller指数,发展兴起于1970年以后的欧洲,是近些年来广泛应用于研究和评价土壤中重金属污染程度的指标之一[10]。在土壤重金属污染评价及分级上,地积累指数不仅能反映元素自然变化的特征,而且能评价人为活动因素导致的重金属污染物变化,实践中具有较好的应用效果[11]。现阶段,在不同的环境条件下,研究人员根据研究目的的需要选取不同的评价方法。从环境地球化学的角度出发,评价农田土壤中重金属的污染,除必须考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外,还应考虑到自然成岩作用可能引起的背景值变动因素（常数）。地积累指数法注意到了此因素,弥补了其他评价方法的不足。

上海市在1994年就明确提出以“菜篮子工程”和“米袋子工程”建设为依托,加快城郊农业向都市农业的转变,建立一个与国际化大都市相配套、具有世界一流水准的都市农业[12-14]。光明食品集团在保障上海农副产品供给方面作出了巨大贡献,是上海地区重要的粮食、蔬菜生产供给基地,集团大力推进农业机械化、产业化、专业化、科技化进程,不断优化现代农业的发展模式和发展路径,成为上海乃至全国农业现代化的排头兵。光明食品集团下属国营农场在近几十年的发展过程中,大力推进秸秆还田、有机肥替代化肥、化学肥料和农药减施增效,还在种养结合方面做了大量的研究与实践,但是因缺少较为系统的普查及评价与分级体系,土壤重金属污染物的变化情况不被掌握。本研究在光明食品集团国营农场农田土壤环境调查的基础上,应用地积累指数法对光明食品集团国营农场上海区域的农田土壤重金属的污染情况进行分析,以期为光明食品集团国营农场未来发展及规划提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2015年11月对光明食品集团在上海郊区（崇明区和奉贤区）的主要种植基地[包括上海光明长江现代农业有限公司、光明种业有限公司、上海瑞华实业公司、上海牛奶（集团）有限公司和光明食品集团上海五四有限公司等],累计采样面积崇明区10400 hm2,奉贤区2333 hm2（图1）,主要种植农作物为水稻、小麦、蔬菜等。土壤样品采集依据《农业环境监测技术规范》,采用“S”形多点采样混合法,采集0—20 cm土壤样品,四分法每个样品取1 kg,用自封袋带回实验室分析。采集样品合计109个（崇明区88个,奉贤区21个）。采集的土壤经自然风干,木棒粗磨,过2 mm孔径尼龙筛去除细小的石粒及生物残留,然后取均匀土样300 g,研磨,过0.149 mm孔径尼龙筛,装磨口瓶待测。

图1 样品采集点位（★）Fig.1 Schematic diagram of sample collection points

1.2 样品测试项目及方法

主要测试土壤样品的Cu、Zn、Rb、Cr、Cd、Ni、Hg和As 8种重金属含量,相关测试标准及方法如表1所示。

表1 土壤样品测试项目及方法Table 1 The items and methods of soil tested

1.3 地积累指数分级

采用的地积累指数及分级如表2所示。

表2 地积累指数分级Table 2 Grading of geoaccumulation index

2 结果与讨论

2.1 光明集团农场土壤重金属含量与评价

地积累指数法广泛应用于土壤重金属评价,表3为测得的光明食品集团国营农场崇明及奉贤区域8种土壤重金属元素含量,与表4中上海市和国家土壤背景值[15]相比,整体而言光明食品集团国营农场崇明和奉贤区域的农田土壤重金属均处于安全范围内;极个别区域样点采集的土壤重金属含量接近或高于上海及国家背景值,原因可以归结为采样及分析误差、传统的历史栽培因素（崇明及奉贤曾长期种植棉花,有施用含汞、砷、铜等重金属的农药）、过量施用化肥和有机肥等。此外,崇明和奉贤区域的土壤重金属含量的差异,部分原因为成土母质的差异,采集样品的奉贤五四区域以夹沙土为主,而崇明区域多以围垦土壤为主,潮土和盐土居多。

通过计算,由于国家背景值和上海市背景值的差异,造成了地积累指数（Igeo）数值的不同,但是依据评级分级标准,以 Igeo平均值计算和评价,8 种重金属（Cu、Zn、Rb、Cr、Cd、Ni、Hg 和 As）未造成污染,Igeo均小于0。

表3 崇明和奉贤区域8种土壤重金属含量Table 3 Value of 8 heavy metals in Chongming and Fengxian areas of state farm of Bright Food Group mg·kg-1

表4 8种重金属元素的上海市土壤背景值和国家土壤背景值Table 4 Background value of 8 heavy metals in soil of Shanghai and China mg·kg-1

2.2 光明集团农场土壤重金属含量分级频率

表5为光明食品集团国营农场崇明区域8种重金属元素的地积累指数分级频率分布情况。以上海土壤背景值为计算依据,Cu、Zn、Rb、Ni、Hg这5种重金属的地积累指数均小于0,属于无污染级,污染分级频率（指分级为0的样本数占样本总数的百分比）达到100%;而99.9%的Cd、Cr、As地积累指数小于0,仅有0.1%介于0—1,属于轻度—中度污染级。以国家土壤背景值为计算依据,光明食品集团崇明区域的Rb、Ni、As这3种重金属的地积累指数均小于0,分级属于无污染级,污染分级频率达到100%;而99.9%的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg地积累指数小于0,仅有0.1%介于0—1,属于轻度—中度污染级。国家和上海8种重金属土壤背景值的差异造成了极个别重金属元素地积累指数的差异,从而引起分级频率的不同。

表5 崇明区域8种土壤重金属元素地积累指数分级频率分布Table 5 Frequencies of grading of Igeoof 8 heavy metals in Chongming

表6为光明食品集团国营农场奉贤区域8种重金属元素的地积累指数分级频率分布情况。以上海土壤背景值为计算依据,Rb、Ni、Hg、As这4种重金属的地积累指数均小于0,属于无污染级,污染分级频率达到100%;而99.9%的Cu、Zn、Cd、Cr地积累指数小于0,仅有0.1%介于0—1,属于轻度—中度污染级。以国家土壤背景值为计算依据,光明食品集团崇明区域的Rb、Ni、As这3种重金属的地积累指数均小于0,属于无污染级,达到100%;而99.9%的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg地积累指数小于0,仅有0.1%介于0—1,属于轻度—中度污染级。

表6 奉贤区域8种土壤重金属元素地积累指数分级频率分布Table 6 Frequencies of grading of Igeoof 8 heavy metals in Fengxian

3 结论

以国家和上海市8种土壤重金属背景值,计算光明食品集团崇明和奉贤两个区域土壤8种重金属Cu、Zn、Rb、Cr、Cd、Ni、Hg 和 As 的地累积指数,结果表明:以综合平均值来计算和评价,Igeo均小于 0,土壤未受重金属累积影响。从8种重金属地积累指数分级频率来看,崇明和奉贤农场均有极个别土壤重金属处于轻度—中度污染的样点存在,还有待进一步的机理分析,以加强重金属污染的风险防范。