湛江东北部农用地土壤重金属污染及生态风险评价

孙志佳，李保飞，陈玉海，袁庆政，闫兴国,赵明杰

（中国地质调查局 烟台海岸带地质调查中心，山东 烟台 264004）

随着工业化和城镇化的不断推进，农用地承受着越来越大的压力。重金属是典型的土壤污染物，具有不易降解、持久性强的特点［1-2］。土壤是农作物的生长载体［3］，农用地土壤重金属污染会影响农作物产量、农产品质量、人类健康［4-5］。

近年来，农用地环境质量研究受到了广泛关注。李瑞等［6］运用潜在生态指数法分析了2008—2014年东北及黄淮海平原农产品产地土壤重金属污染风险，结果表明Cd、Hg 污染风险偏高。李有文等［7］研究分析了新疆喀什地区土壤重金属的分布、富集特征并对来源进行了解析。张俊丽等［8］采集土壤、肥料、玉米籽粒样品对陕西省潼关县农田重金属污染状况进行了评价，认为农作物籽粒重金属污染受土壤污染影响明显。滑小赞等［9］以太原市7 个农作物主产区为研究对象分析了重金属的累积特征及环境影响，认为重金属Hg、Pb 含量与土壤有机质呈极显著正相关，估算出了土壤环境安全阈值。肖武等［10］认为巢湖流域农田土壤重金属污染以Cd、Hg污染为主，2 种元素均来源于人为因素，但具体污染源存在差别。

目前，针对土壤重金属环境研究评价多集中在对某一流域或行政区域农用地的整体分析，或针对某一类型农用地的分析［10-15］，缺少对多种用地类型之间的对比分析。而长期种植同一类作物的农用地会加剧重金属累积［16］。因此，有必要对同一区域内不同类型农用地的土壤重金属特征进行对比分析，掌握不同类型农用地生态状况。

本研究工作集中在湛江市坡头区至吴川市一带，该区域内农用地分布面积广，有耕地（水田、水浇地、旱地）、林地、园地等多种类型，具有一定的代表性。本研究针对目前农用地管控中重点关注的问题，采用内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法评价研究区重金属污染状况和生态风险，掌握区内重金属污染的现状及生态风险，为该地区农用地评价、治理、管理提供科学依据，有助于绿色农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湛江市东北部，包括市郊和吴川市，北与茂名市接壤，东南濒临南海，地势平缓，属于热带海洋季风气候，夏季长冬季短、气候温和、雨量丰沛。年平均气温22.7 ℃，区内土壤类型主要为砖红壤、水稻土和滨海盐土。研究区耕地主要种植水稻、莲藕、番薯、花生等；园地主要种植火龙果、荔枝、龙眼、香蕉等，果园分布最广，占78%；林地主要生长桉树、木麻黄、相思、榕树等，乔木林地分布最广，占90%。

1.2 样品采集与处理

本研究依据图斑布设样品，样品总体均匀分布（图1），布样时充分考虑样点的代表性和典型性，确保每种土地类型均有样品覆盖，同时，对一年三熟的耕地加密布点，共布设样品点189 个，其中水田31 个，水浇地65 个，旱地34 个，果园14 个，乔木林地45 个。依据布设点位，2020 年7 月采集了表层0 ～20 cm 的土壤样，采用梅花取样法采集5 个子样，组成1 个混合样，子样间隔约20 m，利用四分法获取重量大于1 kg 的土壤样品装入样袋。样品经自然风干，剔除根系及杂质并过100 目筛，初步处理后送往实验室。

图1 研究区地理位置及采样点分布图Fig.1 Geographic location and distribution of sampling point in the study area

1.3 样品分析

土壤pH 值用酸度计测定，样品用盐酸-硝酸混合液体系经水浴法消解，通过原子荧光光度计（AFS-8220，北京吉天）测定As、Hg 含量（检出限10 ng/g）；样品用盐酸-高氯酸-硝酸-氢氟酸体系经石墨炉消解，通过电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS，Elan DRII，美国PerkinElmer）测定Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd 含量（检出限0.05 μg/g）。样品测试中设置重复样和标准物质（国家土壤标准样品GSS-2 和GSS-7）进行质量控制，标样回收率为81%～117%，符合质量控制标准。

1.4 污染评价标准

《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）给出了不同pH 值农用地土壤重金属污染风险管控值［17］，依据风险筛选值和风险管控值对土壤重金属进行评价，评价标准见表1。本研究针对给出风险管控值的5 种重金属元素进行单项污染风险评价。

表1 土壤重金属单项污染风险评价标准Table 1 Classification criteria for single pollution risk assessment of heavy metals in soil

1.5 评价方法

1.5.1 内梅罗综合污染指数法 内梅罗综合指数法（Nemerow index）是将单因子污染指数平均值和最大值归纳到一起的综合污染评价方法［18］，是应用于土壤重金属污染评价的传统指数评价法［19］。计算公式如下：

表2 污染指数等级划分标准Table 2 Classification standard of pollution index

1.5.2 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法（The potential ecological risk index）是1980 年Hakanson 提出的一种评价重金属潜在生态危害的方法［7,18］。很多学者将其用于土壤重金属污染评价［19］。计算公式如下：

表3 重金属潜在生态风险指数分级标准Table 3 Classification standard of heavy metals potential ecological risk index

1.6 数据处理

描述性统计分析利用Excel 2016 和SPSS 22.0软件完成，用MAP GIS 6.7 进行制图。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

如表4 所示，研究区土壤pH 值的范围为4.56 ～7.72，平均值为5.77，整体属于酸性土壤；8种土壤重金属元素中除Cd 和Hg 外，其他元素的平均含量均低于广东省土壤元素背景值。元素Cd 和Hg 的平均含量为分别为广东省背景值的3.57 和1.96倍，其在研究区表现出了明显的富集现象。

表4 研究区土壤重金属含量特征Table 4 Characteristics of heavy metal contents in soil mg/kg

重金属元素变异程度表现为Cu ＞As ＞Cr ＞Pb ＞Zn ＞Ni ＞Cd ＞Hg，均为中等变异。其中元素Cu 的变异系数为99.45%，十分接近强变异水平，表明研究区表层土壤中Cu 分布不均匀，受人为影响较大。元素Hg 的变异系数最小，表明Hg 相对于其它元素受外界干扰偏小。

2.2 土壤重金属单项污染风险评价

对研究区内8 种元素进行风险筛选，对Cd、Hg、As、Pb、Cr 进行单项污染风险评价，结果显示 （表5），在189 件样品中，有86.77%的样品污染风险处于1 级水平，重金属含量小于等于风险筛选值，其中Hg、As、Ni、Zn 含量均低于风险筛选值，表明土壤污染风险低。所有样品重金属含量低于风险管制值，污染程度均未达到3 级。有13.2%的样品污染风险等级处于2 级，表明可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤风险，原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施进行风险防控。样品中Cd 元素的风险贡献度明显高于其他重金属。

表5 土壤重金属单项污染风险评价Table 5 Single pollution risk assessment of heavy metals in soil

2.3 土壤重金属综合污染风险评价

研究区重金属综合污染风险评价的结果显示（表6），约93.12%的土壤样品综合污染指数在警戒线以下，安全的样品占82.54%，轻污染和中污染分别占6.35%和0.53%，整体来看研究区农用地土壤重金属污染风险较小。不同的土地类型综合污染风险差异较大，其中以旱地污染风险最低，样品全部处于安全状态，果园状况最差，有21.43%样品存在轻污染。综合污染风险从低到高整体排序为：旱地、水浇地、乔木林地、水田、果园。

表6 不同土地类型重金属综合污染风险Table 6 Comprehensive pollution risk of heavy metals in different land types

2.4 土壤重金属潜在生态风险评价

用潜在生态危害指数法来评价重金属的污染程度，结果如图2 所示。土壤样品中7 种重金属潜在风险指数由高到低依次为Cd、Hg、Cu、As、Pb、Cr、Zn，其中Cu、As、Pb、Cr、Zn 处于轻微潜在生态风险程度，Cd 和Hg 主要集中在中等到强潜在生态风险程度，个别样品Cd 元素处于极强潜在生态风险。

图2 土壤重金属潜在生态风险特征Figure 2 Potential ecological risk characteristics of heavy metals in soil

研究区农用地综合潜在生态风险指数如表7 所示，区内土壤样品以轻微和中等生态风险为主，分别为37.57%、50.26%，强和很强生态风险占比偏小，分别为11.64%和0.53%。不同土地类型潜在生态风险差异较大，水浇地、旱地、乔木林地以轻微和中等风险为主，并且这两种等级样品数量较为接近。水田主要为中等风险，占比分别为67.74%，果园主要为强风险，占比为64.28%。仅有乔木林地个别样品达到了很强生态风险等级。

表7 不同土地类型重金属潜在生态风险Table 7 Potential ecological risk of heavy metals in different land types

2.5 土壤重金属元素相关性和主成分分析

在同一研究区，如果重金属元素之间存在相关性，表明它们可能具有相同的来源，否则来源可能不同［22］。从Pearson 相关性分析结果来看（表8），除Hg 以外的7 种重金属之间表现出了中等相关（0.50 ≤r＜0.8），其中Zn 与Cd、Pb、Cu 之间的相关系数r在0.8 以上，表现出了强相关，表明这7 种重金属元素具有相近或者相同的来源。Hg 与各元素之间的相关性并不明显，表明其来源并不相同。

表8 土壤中8 种重金属之间的相关性分析Table 8 Correlation analysis of 8 heavy metals in soil

为进一步查清重金属来源，通过主成分分析法（PCA）做进一步分析。主成分分析中KMO 检验值为0.777，表明结果适合做主成分分析。主成分分析共提取出特征值大于1 的2 个主成分，累计贡献为76.58%，能够反映出8 种重金属数据的大部分信息，旋转后的结果如表9 所示。

表9 主成分分析结果及各变量的主成分载荷Table 9 The results of principal component analysis(PCA) and component loadings of the variables

主成分1 的贡献为63.39%，主要包括Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 等7 种重金属，主成分2 的贡献度为13.19%，主要为Hg。分析结果表明8种重金属的来源大体可以分为2 种，该结果与相关性分析的结果较为一致，其中主成分1 是当地农用地土壤环境质量的主要影响因子。

3 讨论

有研究表明，化工行业、金属冶炼加工、矿产开采、交通运输、畜禽养殖、农业活动对土壤污染有一定贡献［5-7］。湛江市东北部地区农用地土壤重金属元素含量普遍低于广东省土壤元素背景值，这与区内农用地附近矿产、化工产业偏少有一定关系。

研究区不同类型农用地其重金属污染程度和生态风险有明显的差别，以耕地里面的旱地状况最好，以果园状况最差，水田次之。区内旱地土质疏松，土壤空隙大，且降雨较多，有利于重金属元素渗漏至深层土壤，加之当地旱地耕作程度低，施肥量偏少，因此旱地生态状况最好。果园主要种植荔枝和龙眼，在果树生长、开花、结果、养护的过程中需要施用大量的肥料。尽管大部分常用肥料中重金属含量不超标［8］，但长期大量施用会加剧重金属的富集，引起生态风险。水田中重金属含量偏高，原因在于其土壤含水量高，颗粒偏细，透水性差，对重金属的吸附能力较强。

Cd 和Hg 元素在研究区内存在明显的富集，由于其毒性系数大，潜在生态风险指数较其他元素明显偏高，农用地综合潜在风险偏高很大程度上是由于Cd、Hg 的富集引起的。有学者认为农用地Cd、Hg 污染来源包括施有机肥、农药等农业活动、工业生产、交通运输、大气沉降、污水灌溉等［5,11-13,15］。研究区农用地的耕作程度高，农业活动较多，相关性和主成分分析显示研究区Cd、Hg 的来源并不相同，Hg 变异系数低，受人为活动影响小，因此初步认为Cd 主要来源于化肥、农药、有机肥的过量施用，Hg 主要来源于大气沉降。

重金属Cd 和Hg 应作为当地重点关注的污染元素，对生态风险偏高的果园和水田，应当加强管控，采取合理的修复措施，改善土壤环境。

4 结论

（1）研究区农用地表层土壤pH 平均值为5.77，呈酸性，重金属元素Cd 和Hg 存在明显的富集，平均值分别为广东省土壤元素背景值的3.57 和1.96 倍，As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 平均值低于广东省背景值。

（2）研究区农用地土壤样品重金属综合污染指数在警戒线以下的占93.12%，潜在生态风险等级为轻微和中等的占87.83%；Cd 和Hg 是引起生态风险的主要元素，应当加强管控。

（3）相关性和主成分分析表明，研究区Cd、Hg 元素的来源不同，Cd 主要来源于化肥、农药、有机肥的过量施用，Hg 主要来源于大气沉降。