東莞市某工業鎮不同利用方式土壤銅含量特征及生態風險評價

曾彩明 吳翠玉 鄧杰帆 李軍輝 王澍桓 劉紀鎣 劉金環 賈重建

摘要 [目的]為了了解東莞市某工業鎮土壤銅（Cu）的污染現狀，對東莞某工業鎮不同土地利用方式（菜地、果園、林地、荒地）123個表層土壤樣品及27個果蔬樣品進行了調查。[方法]采用原子吸收法測定土壤和農產品可食部分的Cu含量，利用單因子指數法、地累積指數法和潛在生態指數法進行分析和評價。[結果]研究區域土壤Cu的平均含量為51.20 mg/kg，有73.17%的樣點土壤Cu含量超過廣東省土壤自然背景值;有16.63%的樣點Cu含量高于農用地土壤污染風險管控標準篩選值（GB 15618—2018），且均為菜地土壤。不同種類農產品Cu含量和遷移系數平均值均表現為水果類>葉菜類>茄果類，但無顯著性差異。[結論]不同利用方式土壤Cu含量、污染指數、地累積指數、潛在生態危害指數平均值均為菜地最高。研究區域菜地土壤Cu污染最為嚴重，應引起足夠重視。

關鍵詞 銅;利用方式;污染程度;潛在生態風險評價;東莞市

中圖分類號 X53文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）13-0061-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.13.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Content and Ecological Risk Assessment of Cu in Soils under Different Land Uses in an Industrial Town of Dongguan City

Abstract [Objective]An investigation was carried out in order to reveal the characteristics of copper （Cu） contamination in soils and agroproducts in an industrial town in Dongguan of Guangdong Province. A total of 123 agricultural soils and 27 agroproducts were sampled under four different land uses including vegetable field， orchard， woodland and uncultivated land.[Method]Cu concentration in soils and agroproducts were determined by using atomic absorption spectroscopy， and Cu pollution status was assessed by three evaluation methods （index of single factor， index of geoaccumulation and potential ecological risk index）.[Result]The average concentration of Cu in soils was 51.20 mg/kg， with 73.17% of tested samples above the background value of natural soil in Guangdong and 16.63% above the maximum allowable concentration of agricultural soil in China （GB 15618-2018）， and all of them were vegetable field. The Cu average concentration and transfer coefficient of different agroproducts followed the same order： fruits > leafy vegetables > solanaceous fruit vegetables， while no significant difference emerged.[Conclusion]The average values of index of single factor， geoaccumulation index and potential ecological risk index in vegetable field under different land uses were highest. Thus， the worst pollution at vegetable field found in the areas should be adequately addressed.

Key words Cu;Land use;Pollution degree;Potential ecological risk assessment;Dongguan City

近年來，隨著公眾健康意識的增強，土壤重金屬污染備受關注[1]。銅（Cu）是生命所必需的微量元素[2]，但其過量則會產生危害作用[3-5]。有研究表明，過量的Cu會干擾細胞代謝和離子平衡對植物產生毒害作用[6]，也會導致人體引起癌癥、免疫功能損傷等疾病[4]。根據2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》[7]顯示我國土壤中Cu的點位超標率為2.1%，在8種無機污染物種位列第4位，污染形式嚴峻。

東莞作為廣東經濟發達的城市，由于城市化、工業化的快速發展，導致了“三廢”的大量產生，而“三廢”未得到有效處理的排放以及垃圾和河涌底泥的農用，致使含重金屬的污染物直接或間接地進入農田土壤[8]，給當地環境造成了一定的壓力。東莞市土壤重金屬的相關研究已有眾多相關報道[9-11]，但目前有關不同土地利用方式土壤Cu含量特征及其生態風險評價的報道尚不多見。由于不同土地利用方式對土壤重金屬累積可產生重要影響[12-13]，基于此，筆者對東莞市某工業鎮不同土地利用方式土壤-農產品系統Cu進行調查和評價，了解研究區域不同土地利用方式土壤Cu的累積、分布及其生態影響，以期為當地農用地Cu污染的有效防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

在東莞市某工業鎮選取不同土地利用類型（菜地、果園、林地、荒地）的地塊，進行樣點布設，并且利用GPS準確定位。按照梅花布點5點混合法，用竹片采集表層土壤（0～15 cm）樣品，四分法取1 kg裝入樣品袋中。共采集表層土壤樣品123個，其中菜地83個、荒地3個、果園26個、林地11個。樣品經室內自然風干之后，使用瑪瑙研缽研磨分別過10目和100目尼龍篩貯存，待測。

在種植有時令農產品的地塊同時采集可食部分農產品，共計27個，其中葉菜類（通心菜、菜心、番薯葉）10個、瓜果類（萵苣、水瓜、茄子）10個、水果類（香蕉、龍眼、木瓜、芒果）7個，放入提前準備有冰塊的儲藏箱中低溫保存以保鮮，帶回實驗室后進行預處理，去除蟲咬、老殘部分，用自來水沖洗去除污泥等，用蒸餾水洗凈，并用紗布揩干水分，可食用部分立即碾碎分析。

1.2 分析方法

土壤pH采用電位法測定（水土比2.5∶10）[14];土壤Cu按照GB/T 17138—1997[15]，經HCl-HNO3-HClO4-HF消解后用火焰原子吸收分光光度法測定。農產品Cu的測定參照GB 5009.13—2017[16]，經HNO3-HClO4消解后用火焰原子吸收法測定。樣品分析過程中，土壤和農產品分析通過空白、平行和標準物質（土壤標準物質GSS-4和GSS-24、GSB-6菠菜和GSB-26芹菜）來進行質量控制。平行間的相對誤差均小于10%。

1.3 評價方法

為分析土壤Cu累積和污染程度，分別以廣東省自然土壤背景值[17]和《農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）[18]為評價標準（表1）。

1.3.1 污染評價。主要采用單因子污染指數法和地累積指數法來評價研究區域土壤Cu污染狀況。單因子污染指數法計算公式：

式中，Pi表示土壤或農產品重金屬元素i的污染指數;Ci表示土壤或農產品重金屬元素i的實測含量（mg/kg）;Si表示土壤或農產品重金屬元素i的限量標準（表1）。根據Pi大小，可以將污染程度分為5個水平：Pi<0.7，安全;0.73.0，重污染。

地累積污染指數法計算公式：

式中，Igeo表示土壤重金屬元素i的地累積指數;Ci表示土壤重金屬元素i的實測值（mg/kg）;Bi表示土壤重金屬元素i的背景值（表1）;1.5是修正系數。根據Igeo大小，可以將污染程度分為7個水平：Igeo≤0，污染;05，極強污染。

1.3.2 潛在生態風險評價。潛在生態風險指數法是瑞典學者Hakanson[19]提出的，單金屬潛在生態危害指數計算公式：

式中，Eir為土壤中第i種重金屬的潛在生態危害指數;Tir為第i種重金屬元素毒性系數，反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度;Cif為第i種重金屬元素的污染系數;Cis為土壤重金屬元素含量實測值（mg/kg）;Cin為重金屬參比值。土壤重金屬含量越大，重金屬的毒性水平越高，潛在生態危害指數Eir值越大，表明其潛在危害也越大，具體風險程度分級標準分為5個水平：Eir<40，輕微;40≤Eir<80，中等;80≤Eir<160，強;160≤Eir<320，很強;Eir≥320，極強。用Hakanson[19]制定的標準化重金屬毒性系數（Cu的毒性系數Tr=5）為評價依據。為了相對反映特定區域的分域性，參比值采用廣東省土壤自然背景值（表1）。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0 和 Origin 2016軟件進行相關的圖表處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH和Cu含量特征

對123個土壤pH及Cu含量進行分析，含量范圍、均值、標準差、變異系數等統計特征見表2。由表2可知，研究區域土壤pH為3.81～8.29，平均值為6.08，有66.7%的樣點土壤pH<6.5，即有2/3的土壤偏酸性;不同利用方式間土壤pH平均值表現為荒地>林地>菜地>果園。土壤重金屬Cu含量為7.38～683.06 mg/kg，平均值為51.20 mg/kg，有73.17%的樣點土壤Cu含量超過廣東省土壤自然背景值，表明研究區土壤重金屬Cu的累積現象已經比較嚴重。與土壤污染風險篩選值（GB 15618—2018）比較，有16.63%的樣點Cu含量高于篩選值，且均為菜地土壤。土壤Cu含量在不同利用方式間的大小順序為菜地>果園>林地>荒地，但無顯著性差異。

變異系數可以反映采樣總體中各樣點之間的平均變異程度[20]。表2表明，菜地、果園土壤Cu的變異系數達65%以上，遠大于林地和荒地土壤的Cu變異系數。說明菜地和果園受外界的干擾比較顯著，空間分異較大。

2.2 農產品Cu含量及遷移特征

從圖1A可以看出，供試所有農產品Cu含量為0.31～1.90 mg/kg，平均含量為0.85 mg/kg。不同種類農產品Cu含量平均值由大到小依次為水果類、葉菜類、茄果類，三者之間無顯著性差異。農產品對重金屬的吸收和積累特征，眾多研究者采用農產品中重金屬的含量與相應土壤重金屬含量的比值來表示[21]，該研究中將農產品Cu含量與相應土壤的比值稱之為遷移系數，遷移系數可以大致反映出不同種類農產品對Cu的吸收情況，遷移系數越大，表明農產品越容易從土壤中吸收該元素，即該元素的遷移能力越強。從圖1B可以看出，Cu在土壤-農產品間的遷移系數為0.003 9～0.104 3，平均值為0.034 7。不同種類農產品Cu遷移系數平均值由大到小依次為水果類、葉菜類、茄果類，但無顯著性差異，這與各類農產品Cu含量的大小順序一致。

2.3 土壤Cu污染評價

以《農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）中土壤污染風險篩選值為依據，計算Cu污染指數，結果見表3。從表3可以看出，研究區土壤Cu污染指數為0.05～9.69，平均值為0.75，14.63%的樣點處于輕污染～重污染水平，且均為菜地，其他3種利用方式土壤Cu處于安全或警戒級水平。菜地的Cu污染指數與其他3種利用方式相比，無顯著性差異。

由表3可知，研究區土壤Cu地累積指數為-1.79～474，平均值為0.19，45.53%的樣點處于輕污染及以上的水平。除了菜地，其他3種利用方式土壤Cu地累積指數平均值均小于0。可見，研究區菜地受人類活動的影響程度大于其他3種利用方式。

從土壤Cu潛在生態危害指數結果來看（表3），研究區土壤Cu潛在生態危害指數為2.17～200.99，平均值為1506，僅有6.50%的樣點土壤處于中等及以上污染水平。果園、林地、荒地Cu的潛在生態危害指數均小于40，處于輕微風險程度，菜地土壤也僅有9.64%的樣點Cu潛在生態危害指數≥40。這一結果表明研究區土壤Cu的生態風險整體較低，但也有個別樣點土壤Cu的生態風險程度較高，不可忽視。方差分析結果顯示，菜地土壤Cu潛在生態危害指數與其他3種利用方式無顯著差異。

3 結論與討論

土壤中Cu的來源包括礦物自然風化和人類活動2個部分，即與土壤母質、地貌類型、環境污染、土地利用類型和土地管理水平有關[5]，由人類活動引起的農田土壤中Cu累積的途徑廣泛。我國污水農用灌溉現象比較普遍，有研究表明[22-23]，污水灌溉、大氣沉降、磷肥、有機肥以及灌溉水是農田Cu積累的重要途徑。研究區域土壤Cu的平均含量為51.20 mg/kg，是廣東省土壤自然背景值（17 mg/kg）的3.0倍，也明顯高于前人對東莞農田土壤的研究結果（21.82 mg/kg）[9]，說明近年來該工業鎮農田土壤Cu含量主要受到人為工業和農業生產活動等因素的影響，出現明顯富集，研究中有73.17%的土壤Cu含量高于背景值，說明累積現象比較嚴重;有16.63%的樣點土壤Cu含量高于農用地土壤污染風險管控標準篩選值（GB 15618—2018），且均為菜地土壤。不同利用方式土壤Cu含量表現為菜地>果園>林地>荒地，這是由于菜地土壤復種指數高、耕作強度大、肥料農藥使用量大、灌水頻率高，受人類農業生產活動影響最為強烈，林地和荒地土壤受人為活動干擾強度低，果園土壤介于兩者之間。這與管濱等[24]在不同土地利用類型中Cu含量的研究結果相似，即菜地Cu含量均高于其他利用方式。Li等[25]研究表明林地土壤Cu含量顯著低于果園和菜地。

土壤中重金屬是造成蔬菜重金屬污染的主要因素，且通過食物鏈被動物富集，直接或間接地威脅人類安全和健康[11，26]。由于作物主要是通過根系從土壤溶液中吸收元素[27]，不同農產品因對水分的需求不同而導致對重金屬的吸收以及體內運移效率有很大差異。不同種類農產品Cu含量和遷移系數存在一定的差別，但無顯著性差異，其平均值均表現為水果類>葉菜類>茄果類。

采用單因子污染指數法、地累積污染指數法及潛在生態風險指數法對研究區域土壤Cu進行評價，結果顯示，有1463%的樣點土壤Cu污染指數處于輕污染以上水平，4553%的樣點Cu地累積指數處于輕污染以上的水平，650%的樣點土壤Cu潛在生態危害指數處于中等及以上風險程度。不同利用方式之間相比發現菜地土壤的污染指數、地累積指數及潛在生態危害指數均大于其他利用方式。由此表明研究區域菜地土壤Cu污染最為嚴重，同時也處于一定的潛在生態風險程度，應引起足夠重視，尤其是菜地，應當通過合理施肥、農藥以及灌溉等措施管控區域土壤污染。

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