湛江市蔬菜地土壤重金属含量特征及生态风险评价

陈碧珊，蔡月炎，叶林海，陈洁茹，周舒柔，英晓芹

（岭南师范学院地理科学学院，广东 湛江 524048）

【研究意义】湛江市位于我国大陆最南端，丰富的热带资源为湛江市的蔬菜种植提供了得天独厚的条件，使湛江市成为重要的南菜北运基地之一［1］。近年来，湛江市工业发展迅速，由于造纸企业、宝钢湛江钢铁有限公司、中科炼化有限公司等大型工业企业的入驻［2］，以及“三废”的排放，对当地及周边的生态环境造成了污染，如“三废”中的重金属元素经过扩散、淋溶、下渗等方式，会对土壤和蔬菜作物等造成污染［3］。土壤是农业发展、粮食安全的基础，土壤中的重金属元素超标不仅会影响蔬菜的生长状况，导致蔬菜产量和质量下降，还可能会通过根系在蔬菜体内富集，进而通过食物链对人体健康产生威胁［4］，因此对蔬菜地土壤重金属污染状况进行研究就显得尤为重要。【前人研究进展】国内外学者对农作物重金属污染做了非常多的研究。20 世纪60 年代，日本发生因镉稻米污染而导致的痛痛病事件，引发全世界人民对农作物重金属污染的关注。印度Singh 等在对印度新德里郊区的蔬菜作物中的重金属污染现状的研究中发现，新德里郊区种植的菠菜中Cd、Cu、Pb、Zn 等元素严重超标［5］。澳大利亚Geoge 等发现采自布拉鲁地区的蔬菜样品，其Cd、Pb 元素含量均超过澳大利亚在食品标准中对Cd、Pb 元素的限量值［6］。近年来，各国多侧重于农业地质背景和农业地质环境研究、土壤的化学污染与防治、土壤地球化学元素及土壤划分等方面的研究。我国对于农业重金属污染的研究起步较晚，国内一些学者的研究结果表明，我国农作物重金属污染形式非常严峻［7］。何争珍等研究发现四川省攀西地区蔬菜生产基地存在较严重的镉污染风险［8］。苏辉跃等在天津市武清区蔬菜土壤中发现重金属Cu、Pb、Cr、Zn、As 会随着时间的推移而不断累积，其中Cd、As 是生态风险的主要贡献者［9］。仲可成等在41 个蔬菜产区采集土壤样品，其中23.7%的样品Cd 含量超过风险筛选值，且南宁、长沙、攀枝花等地重金属超标率较高［10］。林小兵等对江西省工矿区、污水排放区研究发现，工业排放污水使重金属进入蔬菜土壤中，Cd、Hg 元素污染严重［11］。【本研究切入点】湛江市属于热带和亚热带季风气候，年大于10 ℃的积温为8 309～8 519 ℃［12］，热量资源特别是冬季热量资源丰富，适合各种蔬菜作物生长。2020 年湛江市蔬菜种植面积153.84×107m2，总产量416.29×107kg，比2019 年增长3.4%，是我国重要的蔬菜生产基地。但由于经济发展所带来的一系列环境问题，农业土壤受到了不同程度的污染。目前，关于湛江市蔬菜土壤重金属研究较少，仅有罗松英等［1］、郑小林等［13］对市郊蔬菜地进行简单的含量特征分析，并未深入地进行生态风险评价分析。【拟解决的关键问题】本研究以湛江市蔬菜地土壤为研究对象，分析蔬菜地表层土壤8 种主要重金属元素的含量特征，并通过采用潜在生态风险指数法对蔬菜地土壤生态风险状况进行评价，为雷州半岛蔬菜种植及食用安全研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

结合湛江市蔬菜地的规模及空间分布情况，选取吴川市、廉江市、遂溪县、雷州市、徐闻县以及赤坎区、麻章区、霞山区和坡头区9 个县（市、区）的蔬菜地进行土壤样品的采集，采集过程中选择蔬菜地面积较大的蔬菜基地，同时兼顾蔬菜类型的多样性。各县市区采集样品数目分别为吴川市5 个、廉江市4 个、遂溪县3 个、雷州市7 个、徐闻县8 个、赤坎区4 个、霞山区2 个、麻章区4 个、坡头区1 个，共采得土壤样品38 个。在同一采样基地内，采用梅花型采样法均匀选取5 个采样点，在采样中心点（用GPS 定位）20 m半径范围内，避开施肥点，用PVC 管采集相同土壤类型和用地类型的0～20 cm 土柱，将5 个土壤样品剔除杂物后混合装进乙烯封口袋中，1 个基地采集1 kg 以上的样品。

1.2 样品实验室处理

将采集的土壤样品混匀后风干，除去土样中石头和动植物残体等异物，经玛瑙研钵研磨，过0.150 mm 的尼龙筛，混匀后备用。将粒径小于0.150 mm 的土壤样品送至澳实矿物实验室（广州）进行超痕量多元素测试。样品测试过程为：称取两份试样，一份加入王水，在石墨炉上消解。消解完并待溶液冷却后，用去离子水在容量瓶定容，摇匀，然后用等离子体发射光谱和质谱仪综合分析。另一份试样用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸进行消解，蒸至近干后的样品用稀盐酸溶解定容，再用等离子体发射光谱和质谱仪综合分析。其中元素As、Cd、Hg 采用王水消解，元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸进行消解。

1.3 数据分析

测试分析湛江市蔬菜地土壤样品中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等8 种主要元素，运用变异系数法、潜在生态风险指数法分析测试所得的数据，再讨论得出结果。

1.3.1 土壤重金属元素含量特征分析方法 变异系数是说明实测数据变异程度的一个统计量，反映的是数据的波动程度。其计算公式为：

式中，CV表示变异系数，SD表示样本标准差，MN表示样本平均值。变异系数越大，说明重金属元素含量间的差异和离散程度越大，受人类影响也越大，反之则说明重金属元素含量间的差异和离散程度越小，受人类影响越小［7］。

1.3.2 土壤重金属风险评价方法 选用瑞典科学家Hakanson 于1980 年提出的潜在生态危害指数法，是一种相对快速、简便和标准评价沉积物污染程度及其潜在生态危害的方法，被广泛应用于土壤重金属污染评价［14］。计算公式为：

式中，RI为多种重金属潜在生态危害指数，为某一种重金属元素的污染富集系数，Ci为某一种沉积物中重金属元素的实测含量，为土壤重金属的毒性响应系数［15］，为某一重金属的潜在生态风险参数，为计算所需某一重金属元素的参比值。本研究区典型地带性土壤为砖红壤性红壤，所以选择广东省土壤背景值中砖红壤背景值作为参比值。不同指标表示不同的污染程度与风险，重金属污染潜在生态风险指标和分级标准见表1。

表1 重金属污染潜在生态风险指标和分级标准［16］Table 1 Potential ecological risk indicators and classification standard of heavy metal pollution

2 结果与分析

2.1 蔬菜地土壤重金属元素含量特征

湛江市蔬菜地土壤重金属元素含量见表2。由表2 可知，研究区表层土壤中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等元素的含量大体呈Cr＞Zn＞Ni ＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的特征。对比湛江市土壤环境背景值，8 种重金属元素含量平均值均超过背景值，其中Cd、Hg 元素富集程度较强，分别为背景值的5.53、5.37 倍，其次为Ni、Cu、Zn 元素，分别为背景值的4.65、4.28、3.95 倍，其余元素仅在个别样点超过背景值。研究区中大部分样品土壤pH 大于6.5，选取《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）中6.5＜pH≤7.5 各重金属元素风险筛选值进行比较，所有元素的平均值均没有超过标准值，但Cr、Cd、Cu、Ni、Zn 等5 种元素在个别样点均有不同程度的超标，其中Ni 元素超标率达到21.1%，其次是Cr 元素，超标率为15.18%，As、Hg、Pb 元素没有超标，说明研究区的蔬菜地土壤存在一定的污染。

由 表2 可 知，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 元素变异系数分别为34%、122%、127%、103%、81%、150%、53%、83%，按大小排列为：Ni＞Cd＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg＞Pb＞As。依据变异系数分级系统，将8 种元素的变异系数分为两个层次：Ni、Cd、Cr、Cu 元素变异系数大于100%，为强度变异性，说明这4 种元素在雷州半岛的不同地点含量差异极大，受外界干扰强烈；其余4 种元素变异系数在30%～100%之间，为中等变异性，受外界影响相对较小。综上，湛江市蔬菜地土壤重金属元素受人为活动影响较大，说明其来源与人类活动密切相关。

表2 湛江市蔬菜地土壤重金属元素含量Table 2 Contents of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

2.2 蔬菜地土壤重金属元素富集程度分析

本研究运用潜在生态风险指数法评价湛江市蔬菜地表层土壤的重金属污染程度，通过计算潜在生态富集系数、潜在生态风险参数和潜在生态风险指数值，了解湛江市蔬菜地表层土壤重金属富集程度和潜在生态风险程度。

湛江市蔬菜地表层土壤重金属潜在生态富集系数如图1所示，Ni、Cd、Cu、Hg、Zn 等5种金属元素属于强富集；As、Cr、Pb属于中等富集。8 种金属元素的污染程度呈Cd＞Hg＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Pb 的规律排列。

图1 湛江市蔬菜地土壤重金属潜在生态富集系数Fig.1 Potential ecological enrichment coefficients of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

从各个县市区来看，Cd 在廉江市、麻章区和徐闻县为很强富集，表现为廉江市＞麻章区＞徐闻县，有4 个县市区为强富集，1 个县市区为中等富集。Hg 在雷州市和徐闻县为很强富集，有4 个县市区为强富集，3 个县市区为中等富集。Cu 在徐闻县为很强富集，有2 个县市区为强富集，5 个县市区为中等富集。Zn 在徐闻县为很强富集，在雷州市为强富集，有6 个县市区为中等富集。Ni 在徐闻县为很强富集，有4 个县市区为中等富集，其余为轻微富集。Cr 在徐闻县为很强富集，有3 个县市区为中等富集，其余为轻微富集。As除坡头区为轻微富集外，其余县市区均为中等富集。Pb 含量较小，在5 个县市区为中等富集，其余为轻微富集。

2.3 蔬菜地土壤重金属生态风险分析

湛江市蔬菜地表层土壤8 种重金属元素潜在生态风险参数如图2 所示，8 种重金属元素中，Hg 污染最为严重，潜在生态风险参数平均值在160～320 之间，为很强风险。其中，在雷州市为极强风险，有4 个县市区为很强风险，3 个县市区为强风险。Cd 的潜在生态风险参数平均值在80～160 之间，属于强风险。其余6 种元素的潜在生态风险参数平均值均小于40，均属于轻微风险，污染程度表现为：Cu＞Ni＞As＞Pb＞Cr＞Zn。这一结果与戴军等报道广州市约有9.5%的菜区土壤受重金属污染，其中Cd 的含量为广东省土壤背景值的2.77 倍这一研究结果相近［19］。与周建利等报道我国城郊土壤和农产品(尤其是蔬菜)重金属的污染多以Pb、Cd 和Hg 等3 种元素为主这一结论相吻合［20］。

图2 湛江市土壤重金属潜在生态风险参数Fig.2 Potential ecological risk parameter of heavy metals in soil of Zhanjiang City

从不同采样县市区的潜在生态风险指数（图3）来看，湛江市蔬菜地表层土壤的潜在生态风险指数在186.08～729.04 之间，平均值为386.86，属于强风险。分析各县市区的潜在生态风险程度，发现徐闻县为很强风险，廉江市、遂溪县、麻章区、赤坎区和雷州市为强风险，霞山区、坡头区和吴川市为中等风险。重金属元素不仅在耕地过程中由于施用有机肥、化肥等产生累积，还可能通过水流滞留或大气沉降等方式累积到表层土壤中，这与蔬菜地附近的环境息息相关。在野外采样的过程中发现，污染强的几个县市区的采样点周边都有重金属沉降的环境，如徐闻县采样点附近有采石场、居民区等，廉江市和麻章区采样点附近有居民区、排水沟、高压电线缆等，雷州市采样点靠近西湖水库，平时捕捞作业可能有重金属元素脱落、遗留；而霞山区、吴川市和坡头区采样点附近没有居民区、水库等，受到轻微污染。

图3 湛江市蔬菜地土壤重金属潜在生态风险指数Fig.3 Potential ecological risk indexes of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City

3 讨论

3.1 不同地区蔬菜土壤重金属含量比较

通过对比湛江市与其他城市蔬菜土壤重金属平均含量，发现本研究区蔬菜土壤中Pb、Zn 元素含量处于较低水平，As、Cd、Cu、Hg 元素含量处于中等水平，Cr、Ni 元素含量偏高。相比之下，天津市的蔬菜地Zn 元素平均含量较高，这可能与蔬菜种植过程中进行污灌、施肥有关［9］；天水市蔬菜地由于有机肥、化肥、农药的不合理使用导致Cu 元素含量较高［21］；拉萨市作为西藏省会城市，蔬菜种植面积逐年增加，肥料的大量施用使土壤中的重金属元素也在逐年累积［22］；百色市拥有大量的铝土矿区，重金属元素的增加不仅受到喷洒农药和施肥的影响，还会受到矿粒粉尘的影响，导致百色市蔬菜土壤重金属含量均较高［23］；贵阳市属于喀斯特地区，大量的公路使蔬菜地零散分布，而交通运输可能会导致公路两侧蔬菜地Pb 元素含量增加［24］。

3.2 湛江市蔬菜地重金属来源分析

综合3 种分析方法对湛江市土壤重金属污染现状进行评价，结果显示研究区土壤整体上未受明显污染，但局部地区具有较强的潜在生态风险。在土壤重金属含量特征分析中，共有5 种元素超标，分别为Ni、Cr、Cd、Cu、Zn，其中Ni、Cr元素超标率相对其他元素较高，分别为21.1%、15.18%，但有研究表明，这两种元素可能与土壤地球化学过程有关，自然来源比重较大［25］。

值得注意的是，超标率为10.50%的Cd 元素，变异系数达127%，说明受人为因素影响较大，且Cd 元素的土壤重金属富集程度为强污染程度、潜在生态风险为强风险。Cd 是农业种植过程中使用化肥和农药的标识元素［26］，湛江市是重要的北运菜种植基地［27］，在蔬菜种植过程中大量使用化肥与农药，土壤中的Cd 含量逐年累积，因人为用药、用肥的剂量不同而造成Cd 含量的差异也是存在的。

重金属Cu、Zn 的土壤重金属富集程度也属于强污染程度，而化石燃料燃烧、汽车轮胎摩擦、工业生产、生活污水排放会产生大量含Cu、Zn的有害物质［28-30］，这与近年来大量工厂入驻湛江市、经济增长速度加快、人们生活水平日益提高密切相关。

研究区中的Hg 元素虽没有超标，但潜在生态风险为很强风险，且土壤样品中Hg 含量平均值为背景值的5.3 倍。有研究发现，蔬菜地土壤Hg 含量随着种植年份的增加呈上升趋势，且Hg含量与种植年份呈显著正相关［31］，说明Hg 含量的增加是一个累积的过程。在市郊区，Hg 含量的增加不仅受污水排放和干湿沉降的影响，还可能受到交通干道分布的影响［32］。因此，蔬菜种植区应当远离市区、工业等，还需远离交通干道，适时进行轮作、休耕，及时注意重金属含量增加的趋势。

整体而言，我国对土壤重金属风险评估起步较晚，目前主要应用国外的评价方法，还没有建立完全适宜我国国情特征的生态风险评价方法。在分析蔬菜土壤重金属含量特征与生态风险时，还应考虑不同种类的蔬菜对重金属的吸附程度，结合不同区域人群劳作方式、体质特征、膳食结构等相关参数的影响，针对蔬菜的可食部分进行人体健康风险评估。因此，区域生态风险评价方法仍需进一步探讨。

4 结论

湛江市蔬菜地土壤总体上属于强-中等污染程度，土壤重金属元素含量具有Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的特征，8 种重金属元素的平均值均超过广东省土壤环境背景值，Ni、Cd、Cu、Hg、Zn元素属于强富集程度，重金属元素受人为活动影响较大。Hg、Cd 元素的潜在生态风险较大，属于很强风险和强风险，其余元素均为轻微风险；各县（市、区）中，徐闻县为很强风险，廉江市、遂溪县、麻章区、赤坎区和雷州市为强风险，霞山区、坡头区和吴川市为中等风险。日常施用化肥、汽车尾气排放、工业废水排放等导致土壤重金属元素含量增加的现象应引起重视。