2021, Vol. 42
2. 华东师范大学生态与环境科学学院, 上海 200241
2. School of Ecological and Environmental Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China
土壤是生态环境重要的组成元素, 也是人类赖以生存的资源载体, 土壤环境质量的优劣与生态系统状态和人群健康息息相关[1~3].土地利用方式是人类与自然界之间相互关系的重要投射, 随着中国经济的高速发展, 城镇化和工业化的规模和速度逐渐增长, 土地资源的利用方式随之发生了巨大变化, 土地利用类型的差异导致了城市土壤的理化性质出现较为明显的空间异质性[4~6]. 重金属在土壤中的迁移转化和积累量受到土壤性状的影响, 对不同土地利用类型下的土壤重金属性状进行研究, 能够了解重金属的动态变化以及土地利用方式合理性, 同时对土壤退化防治及土地资源的可持续开发利用提供科学依据[7~9].近年来, 国内外学者针对农用地[10, 11]、矿区[12, 13]和工业园区[14, 15]等区域的重金属污染特征进行了大量研究, 章立佳[16]和何博等[17]针对典型城市化区域土壤重金属污染的空间特征进行了分析, 李春芳等[18]和郭志娟等[19]更关注人体健康风险方面的探讨, 但目前对于典型城市化区域中快速流转的不同用地类型再开发地块土壤重金属风险水平研究却较少.上海地区是我国城市化最为剧烈的地区之一, 其快速城市化进程为不同土地利用类型下的重金属含量分布及生态风险研究提供了良好的素材[20~22].本文以上海市闵行区为例, 聚焦不同土地利用类型地块土壤重金属的污染特征, 分析其潜在生态风险, 以期为城市化区域更为合理的土地规划利用和管理提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况闵行区(东经121°14′~121°34′, 北纬30°59′~31°15′)地处上海市地域腹部, 属北亚热带湿润气候, 四季分明, 雨水充沛, 日照较丰富, 无霜期长, 是东亚季风盛行的地区, 区域位置上紧邻中心城区, 是上海市主要对外交通枢纽, 也是重要的装备制造业、信息产品制造业基地, 拥有较为健全的行业门类.近年来随着城市化进程的加快, 闵行区承载了大量人口和中心城区功能布局优化和产业结构调整过程中外迁的产业, 受到社会经济发展的巨大影响, 同时区域环境也承受着巨大的压力.本文以该行政区内5种不同土地利用类型的36个地块为研究对象, 其中涉重工业用地和非涉重工业用地均为9块, 各占研究地块总数的25%, 耕地、住宅用地和公共管理与公共服务用地均为6块, 占比8.3%, 如表 1所示.地块位置分布如图 1所示.
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表 1 土地利用类型特征描述 Table 1 Characteristic description of land-use types |
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图 1 研究地块位置分布 Fig. 1 Location distribution of research plots |
在综合考虑城市用地类型分异的基础上, 采集各布点区域内0~50 cm表层土壤, 其中针对涉重及非涉重工业用地, 充分考虑其疑似污染区域分布情况, 针对耕地、住宅用地及公共管理与公共服务用地, 在未识别出明显疑似污染区域情况下, 更多采用系统布点法, 共采集土壤样品595个.采集的土壤样品均在室温避光条件下风干, 适时翻动取出植物残体及碎石等杂物, 研磨过10目尼龙筛充分混合, 装袋备用. As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量参照USEPA 6010C-2007并采用USEPA 3051A-2007沉积物、淤泥、土壤和油类的微波辅助酸消解法前处理后进入X-SerieⅡ型ICP-MS质谱仪中进行测定, 实验室检出限分别为1.00、0.01、0.25、0.10、0.10、2.50和0.50 mg ·kg-1; Hg的含量参照GB/T 17136-1997并采用硫酸-硝酸-高锰酸钾消解法前处理后采用AFS-9330原子荧光测汞仪进行测定, 实验室检出限为0.001 mg ·kg-1.在测定过程中, 为保证数据的准确性, 质控平行样数量不少于总样品量10%, 每测试20个样品后用重金属标准溶液进行标准曲线的校正, 并做空白对照, 平行样间的相对标准偏差(RSD)小于5%.
1.3 重金属生态风险评价 1.3.1 内梅罗综合污染指数法内梅罗综合污染指数法[23~25]是在单因子污染指数评价的基础上, 通过对平均值和最大值的归纳处理, 进行综合评价的方法.采用内梅罗综合污染指数法进行土壤重金属污染的生态评价, 能够全面反映重金属的平均污染水平, 而且还能突出污染程度最严重的重金属元素对环境的有害影响.综合污染指数P的分级标准为: P≤0.7为安全水平; 0.7＜P≤1为警戒水平; 1＜P≤2为轻度污染水平; 2＜P≤3为中度污染水平; P＞3为重度污染水平.计算公式如下:
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式中, ci为污染物i的实测含量; Si为污染物i的评价标准(上海土壤环境元素背景值); Pimax为最大单项污染指数, Pivae为平均单项污染指数, P综为内梅罗综合污染指数.
1.3.2 潜在生态危害指数法潜在生态危害指数法[26~28]由瑞典科学家Hakanson提出, 是一种将污染因子的毒理学效应、环境效应、生态效应联系起来, 采用指数分级法定量评价特定污染物潜在生态危害水平的方法, 具有可比性、等价性的优点.评价重金属生态风险水平时, 可反映土壤中特定重金属元素的单一影响, 也能反映重金属元素存在的复合影响, 能够更加全面地评价重金属在土壤环境中的污染现状和污染潜势.潜在生态危害指数计算式为:
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式中, Ci为i元素的实测含量; Ci为i元素的参比值(上海土壤环境元素背景值); Ei为重金属元素i的潜在生态危害系数; Ti为重金属i的毒性响应系数; RI为潜在生态风险指数.根据Hakanson制定的标准化重金属毒性系数, 各重金属毒性系数分别为Zn=1、Ni=Pb=Cu=5、Cr=2、Cd=30、As=10和Hg=40, 潜在生态危害系数Ei与危害指数RI的生态危害程度分级的评价标准如表 2所示.
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表 2 土壤重金属潜在生态危害分级标准 Table 2 Hakanson potential ecological risk level of heavy metals in the soil |
1.4 数据统计分析
利用Excel和SPSS23.0软件对闵行区36个地块595个点位土壤监测数据整理分析, 并对5种土地利用类型的土壤重金属污染特征进行对比分析[29~31], 利用Origin 2019b和ArcGIS 10.6进行制图.
2 结果与讨论 2.1 重金属含量统计特征分析在平均值水平上, 8种重金属含量均小于上海土壤环境元素背景值[32], 除重金属Cu外, 各元素含量最大值均超过上海土壤环境元素背景值, 其中Cd最大含量(0.37mg ·kg-1)为背景值的2.77倍, Zn最大含量(434.42 mg ·kg-1)为背景值的5.04倍, Hg最大含量(0.21 mg ·kg-1)为背景值的2.03倍, 这与何博等[17]和李泗清等[33]关于南方典型城市化区域土壤重金属污染的研究结果相似, 均表现为某些地块中Cd、Zn或Hg的含量明显超过正常土壤环境状态下的赋存量.本研究涉及到的地块用地类型除耕地属于农用地外, 其他4类均为第二类建设用地, 参照国家土壤环境质量标准[34, 35], 各地块重金属均未超过规定的风险筛选值和管制值.
变异系数CV(标准差/平均数)能够综合反映某重金属元素含量在各采样点中的聚集程度, 可体现人为活动对于重金属污染水平的干扰作用[36], CV≤0.1时说明变异性弱; 0.1＜CV＜1, 说明变异性中等; CV≥1, 说明变异性强.由表 3数据可以看出, 8类重金属元素均属于中等变异程度, Zn和Cd的变异系数相对较高, 说明人为活动对此两类重金属含量分布影响较大.
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表 3 土壤重金属含量分布特征(n=595) Table 3 Distribution characteristics of soil heavy metal content |
2.2 不同用地类型土壤重金属累积特征
不同土地利用类型地块土壤重金属累积特征如图 2所示, 其中箱型图之外的散点表示各地块土壤重金属的累积含量, 曲线表示其正态分布概率.从各重金属含量水平来看, 基本呈现涉重工业用地>非涉重工业用地>住宅用地>耕地>公共管理与公共服务用地的趋势.As、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn和Hg这7种重金属的累积平均值都在涉重工业用地中取得最高值, 而Cd则在非涉重工业用地中最高; Hg元素的累积平均值在耕地中取得最低值, 其他7类元素均在公共管理与公共服务类用地中取得最低值.比较5种用地类型中各地块中的重金属累积最大值, 可以发现Cu和Pb分别在耕地和非涉重工业用地中最大值相对最高, 而其他6种元素的最大值均在涉重工业用地中达到最高.
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A.涉重工业用地, B.非涉重工业用地, C.公共管理与公共服务用地, D.耕地, E.住宅用地 图 2 不同土地利用类型地块土壤重金属累积特征 Fig. 2 Accumulation characteristics of heavy metals in soil from different land use types |
分析其原因, 由于人类生产生活中使用到的重金属种类和数量各异, 其进入到土壤环境中的风险水平也呈现不同特征, 不同土地利用类型之间存在较大差异.涉重工业用地主要涉及化学品制造、表面处理和机械加工制作等行业类型, 生产中常涉及Zn、Cd、Cr、Ni、Hg和As等重金属[37, 38], 不同行业类型可能造成的重金属污染程度各不相同, 但各地块均表现出一种或几种较强的重金属污染[39, 40], 不同地块间离散程度也更大, 如某拉链制造公司地块土壤中Zn含量为434.42mg ·kg-1; 非涉重工业用地的行业类型主要为食品制造和仓储等, 涉及重金属的使用较少, 但固体废弃物堆放及处置和工业园区废物大气沉降等影响也会带来部分重金属累积[41], 而造成Cd累积平均值最高的原因在于某地块中其中一个采样点Cd含量达到0.16 mg ·kg-1, 说明该地块可能存在点源污染; 住宅用地主要是以历史上长期以宅基地为主的土地类型, 人类生活中常使用的Cu、Zn和Pb等重金属长期蓄积, 生产生活中煤的燃烧大气沉降带来Hg的累积[42]; 耕地中污水农灌和化肥等农用物质的不合理施用等带来Cu、Zn和As等重金属的长期累积[43, 44]; 公共管理与公共服务用地既不涉及工业生产, 也没有农用品投入, 人类活动产生的废弃物也能得到较好管理[45], 因此整体而言各类重金属累积值最低.
2.3 重金属污染风险评价 2.3.1 内梅罗综合污染指数法评价根据内梅罗综合污染指数P综的大小判断闵行区不同土地利用类型重金属的污染水平[46, 47], 根据表 4可以看出, 涉重工业用地>非涉重工业用地>住宅用地>耕地>公共管理与公共服务用地.其中, 涉重工业用地处于轻度污染水平, 非涉重工业用地、耕地与住宅用地处于警戒水平, 而公共管理与公共服务用地为安全水平.根据单因子污染指数发现, Cd、Ni和Zn对于各土地利用类型的贡献较为突出, 涉重工业用地的Pi指数平均值及极大值(Zn)均比其他利用类型高.
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表 4 不同土地利用类型土壤重金属的内梅罗综合污染评价 Table 4 Nemerow composite index of soil heavy metals in different land use types |
结合实际调查情况, 涉重工业用地中以机械制造为主要行业类型的有6个地块, 占比66.7%, 其他3个地块分别为化学品制造、拉链制造和纺织, 而Cd、Ni和Zn常被用作制造合金、金属加工和表面处理的原料, 会对地块和周边区域的土壤造成较大的污染风险, 柳云龙等[22]和吴健等[48]关于上海市不同区域土壤重金属的内梅罗综合污染评价结果也表明了这一点.
2.3.2 潜在生态危害指数法评价运用潜在生态危害指数法对重金属元素的风险水平进行评价, 结果如表 5所示.根据Ei值的大小可以看出, 8种重金属的生态风险水平由小至大的顺序为: Zn＜Cr＜Cu＜Pb＜Ni＜As＜Cd＜Hg, 整体潜在生态风险指数RI值为74.97, 说明其整体表现为轻度潜在生态风险. 5种土地利用类型中, RI值从大到小的排列顺序为: 涉重工业用地>非涉重工业用地≈住宅用地>耕地≈公共管理与公共服务用地, 5类用地的RI值均小于150, 在轻度风险水平范围内.Cd元素的Ei值在非涉重工业用地中呈现最高值, 而其他重金属元素的Ei值都在涉重工业用地中呈现最高值; 除Hg在耕地中呈现最小值外, 其他元素的最小值均集中在公共管理与公共服务类用地. 5类土地利用类型各类元素的Ei值均小于40, 重金属污染物风险水平均为轻微危害.相较而言, Hg和Cd两种元素的污染水平较高, 而Cr和Zn两类元素风险水平由于重金属毒性系数较低而相对轻微, 这与很多关于城市化土壤潜在生态风险评价的研究结果相一致[15, 17, 21, 26, 48].
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表 5 不同土地利用类型土壤重金属的潜在生态危害指数法评价 Table 5 Hakanson potential ecological risk index of soil heavy metals in soil from different land use types |
南方某典型城市化区域的表层土壤RI值为30.21~661.36[17], 雄安新区土壤RI值为58.21~837.53[19], 西安市城市三环内不同功能区土壤RI值为47.8~51.2[36], 山东省莱芜市钢城区土壤RI值为67.49~11 666.44[49].由此可以看出, 与其他城市化区域相比, 上海市快速城市化区域的土壤重金属潜在生态危害指数位于相对中等的水平[21].涉重工业用地由于行业类别多、历史条件复杂、管理水平差异大等原因具有较大的重金属污染风险, 非涉重工业用地与住宅用地中存在特征重金属导致其潜在生态危害仍不可忽视, 耕地和公共管理与公共服务用地虽然暂未体现出明显的污染迹象, 但土壤中重金属累积造成的潜在危害仍需引起高度重视.
3 结论(1) 从重金属含量特征来看, 8种重金属含量均值均小于上海土壤环境元素背景值, 但Cd、Zn和Hg元素均存在地块的重金属赋存量明显高于背景值.其中, Zn和Cd的变异系数较高, 受人为活动影响特征明显.
(2) 从不同土地利用类型土壤重金属累积特征来看, 涉重工业用地、非涉重工业用地的重金属含量相对较高, 住宅用地和耕地虽然整体含量不高但均有其特征重金属, 公共管理与公共服务用地重金属含量相对最低.
(3) 从生态风险评价结果来看, 内梅罗综合污染风险水平表明涉重工业用地处于轻度污染水平, Cd、Ni和Zn的单因子污染风险较高.不同土地利用类型的重金属潜在生态风险可分为3个梯度: 涉重工业用地>非涉重工业用地≈住宅用地>耕地≈公共管理与公共服务用地, Hg和Cd重金属的潜在生态风险水平较高.总体评价表明, 区域土壤重金属存在轻度潜在生态风险.快速城市化区域土地转性开发频繁, 在不同土地利用后续的再开发利用过程中, 需进一步加强工业用地等土壤重金属污染的风险管控和修复, 以确保土壤安全利用.
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