新建城市零散作物種植地重金屬污染研究
——以昆明呈貢新區(qū)為例

徐武美，許 俊，何翰宇，李思民，許慶豪，蜂建軍，李 靜，王昆艷，官會林

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

【研究意義】根據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，中國近1/5的耕地主要受重金屬污染[1]，農(nóng)田重金屬污染問題已成為中國重點關(guān)注的重大生態(tài)環(huán)境問題，嚴重影響著農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與居民身體健康[2]。土壤重金屬污染由于具有隱蔽性、多元性、積蓄性、難以恢復(fù)性和污染后的難治理性，被喻為“化學(xué)定時炸彈”[3]，當(dāng)在農(nóng)田中累積達到一定程度時，會嚴重威脅生態(tài)系統(tǒng)和人類安全[4-5]。如近年來廣受關(guān)注的“鎘米”事件，其主要原因是不合理地耕作導(dǎo)致土壤鎘含量超標，進而使其在作物中富集，嚴重影響稻米品質(zhì)與人體健康，因此，對耕地土壤的重金屬污染評估顯得尤為必要。【前人研究進展】人類活動是導(dǎo)致土壤重金屬含量超標的主要原因，如金屬礦物開采[6]、施用劣質(zhì)肥料[7-8]、農(nóng)藥[9]、污水灌溉[10]、汽車尾氣排放[11]等。城市化作為中國當(dāng)前最顯著的特征之一，其對土壤環(huán)境的影響不容小覷。目前針對城鄉(xiāng)結(jié)合帶的研究較多，主要是由于其兼具城市和鄉(xiāng)村土地利用性質(zhì)，環(huán)境問題集城市工業(yè)污染與農(nóng)業(yè)生態(tài)破壞于一身，受到廣泛關(guān)注[12-13]；然而，城市化過程中，一些零散分布于城市中的閑置土地常被用來種植農(nóng)作物，與一般農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相比較，由于大型機械設(shè)備施工，揚塵、汽車尾氣排放加劇，且城市建設(shè)過程中產(chǎn)生的含重金屬廢水也有可能用于作物澆灌，從而導(dǎo)致土壤重金屬污染，進而通過食物鏈進入人體，危害身體健康；這種情況在新建城市中可能并不少見，然而相關(guān)研究較少。【本研究切入點】以近10多年發(fā)展建設(shè)的昆明市呈貢新區(qū)為例，通過調(diào)查區(qū)域內(nèi)零散分布的作物種植地重金屬污染程度與空間分布情況，摸清其污染狀況，為科學(xué)使用該類土地提供依據(jù)。【擬解決的關(guān)鍵問題】昆明市呈貢新區(qū)零散作物種植地重金屬污染程度與可能的污染來源。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測定

在昆明市呈貢新區(qū)隨機選取28塊零散作物種植地，作物類型主要有豆類、蔬菜、谷物等；每塊種植地面積一般在0.1 hm2以上，用GPS記錄各樣點經(jīng)緯度，具體采樣點分布情況見圖1。每塊耕地用塑料鏟在土壤表層20 cm內(nèi)隨機采集3個土樣，帶回實驗室自然風(fēng)干、混樣。用研缽研磨土樣，過100目尼龍篩，根據(jù)標準HJ 803-2016，用王水(HCl∶HNO= 3∶1)消解、定容，隨后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Optima 8300, PerkinElmer, USA)測定各土樣銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)含量，根據(jù)標準NY/T 1377-2007測定土壤pH值。

圖1 昆明市呈貢新區(qū)零散作物種植地土壤重金屬污染調(diào)查采樣點Fig.1 Sampling sites for the investigation of heavy metal pollution of the dispersed farmland in Chenggong New District, Kunming

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.3 統(tǒng)計分析 為探討各重金屬元素的空間變異情況及可能的污染來源，主要進行了以下3方面的統(tǒng)計分析：①計算各樣點不同重金屬含量的變異系數(shù)，計算公式為CV=S/X，c.v.為變異系數(shù)，S為某一重金屬含量的標準差，X為平均值；②利用相關(guān)分析與主成分分析，探討不同重金屬含量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性與受影響因素的同源性[19]；③計算樣點間各重金屬的Moran指數(shù)，通過9999次permutation計算其是否存在顯著的空間自相關(guān)[20]。用Geoda 1.12.1.59計算Moran指數(shù)并獲得其顯著水平，其它統(tǒng)計分析均在SPSS 16.0中進行(SPSS Inc., Chicago, IL)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬污染狀況

各樣點土壤pH值在5.17～8.05，平均值為6.75；土壤重金屬含量基本情況見表1。不同重金屬在各樣點間的含量差異較大，如Cu在各樣點間的含量為89.94～259.72 mg·kg-1。Cu、Pb的空間變異較大，變異系數(shù)在0.3以上。單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析表明，Cu、Zn的單因子污染指數(shù)較高，分別為1.48～4.29與1.29～2.66，屬輕度至重度污染，其中有43 %的位點存在Cu污染，最大測量值達背景值的4.29倍(表2)。各樣點內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均在1以上，最小值為1.39，最大值為3.43，呈現(xiàn)一定程度的重金屬污染(圖2-a)；由于所調(diào)查的各重金屬元素毒性響應(yīng)指數(shù)較低，反映出的各樣點潛在生態(tài)風(fēng)險較低(圖2-b)。

圖2 各樣點土壤重金屬綜合污染指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布情況Fig.2 Distribution pattern of Nemerow integrated pollution index and potential ecological risk index across the sampling sites

表1 各樣點土壤pH值與重金屬含量

表2 各樣點重金屬污染情況

2.2 各樣點不同重金屬含量的關(guān)聯(lián)性與空間自相關(guān)情況

Pearson相關(guān)分析表明，不同重金屬之間存在顯著的相關(guān)性(表3)，如各樣點Cu與Zn含量的相關(guān)系數(shù)為0.65，P<0.01；Ni與Zn含量的相關(guān)系數(shù)為0.51，P<0.01，顯示受類似因素的影響。主成分分析表明，第一主成分(特征根為2.19，方差貢獻率為54.62 %)主要解釋了Ni、Cu、Zn的變化情況，第二主成分(特征根為1.23，方差貢獻率為30.67 %)主要解釋了Pb的變化情況(圖3)，與相關(guān)分析的結(jié)果一致，表明各樣點Cu、Ni、Zn含量變化受相似因素的影響，而Pb的含量變化受其它因素影響。基于Moran指數(shù)的空間自相關(guān)分析表明，Cu與Pb呈現(xiàn)極顯著的空間自相關(guān)，Ni與Zn呈現(xiàn)正的空間自相關(guān)，但不顯著(圖4)。

圖4 基于Moran指數(shù)的各重金屬元素空間自相關(guān)分析Fig.4 Spatial autocorrelation analysis for the soil heavy metals investigated based on Moran’s I

表3 各樣點不同土壤重金屬含量的相關(guān)性分析

圖3 不同土壤重金屬的主成分分析載荷圖Fig.3 Loading plot of principle component analysis across the different soil heavy metals

3 討 論

3.1 昆明呈貢新區(qū)零散作物種植地土壤重金屬污染特征與程度

土壤重金屬污染會嚴重影響農(nóng)作物生長與品質(zhì)，進而危害人體健康。有研究表明，人體血清中銅含量升高與癌癥發(fā)病率密切相關(guān)，鉛導(dǎo)致的健康危害包括神經(jīng)、免疫、血液和造血、生殖內(nèi)分泌與消化系統(tǒng)損害等[21]。近年來，隨著土壤污染問題日益得到重視，針對土壤重金屬污染的調(diào)查已開展了大量研究，如對重要作物種植地[22]、礦區(qū)耕地[23]、工廠周邊土壤[24]、城鄉(xiāng)結(jié)合帶[25]等土壤重金屬污染的調(diào)查。然而，許多新建城市中常存在一些暫時閑置土地被農(nóng)民用于作物種植，其土壤污染狀況有待評價。昆明呈貢新區(qū)近年來已取得了很大的發(fā)展，但城市建設(shè)過程中產(chǎn)生的廢渣、廢水、廢氣、揚塵等，會使零散作物種植地土壤重金屬含量增加，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與人體健康。本研究發(fā)現(xiàn)，各樣點均存在一定程度的Cu、Ni、Zn超標(表2)，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均大于1，部分樣點超過3，達到嚴重污染水平(圖2)。呈現(xiàn)城市建設(shè)過程會導(dǎo)致土壤重金屬累積，需要引起有關(guān)方面的關(guān)注。

3.2 不同重金屬元素的關(guān)聯(lián)性與空間分布格局

不同重金屬元素的關(guān)聯(lián)性與空間分布情況可反應(yīng)出重金屬來源[19, 26]。本研究發(fā)現(xiàn)，Cu、Ni、Zn呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)(表3)，推測其主要受相似因素的影響。主成分分析表明，第一主成分的方差貢獻率為54.62 %，其中Cu、Ni、Zn在第一主成分具有較高的載荷，研究顯示Cu、Ni、Zn均有一定程度的超標，因此人類活動是主要影響因素；第二主成分的方差貢獻率為30.67 %，Pb元素具有較高的載荷，考慮到土壤Pb含量并未高于背景值，且遠低于國家環(huán)境質(zhì)量二級標準，自然因素是影響Pb元素空間變化的關(guān)鍵因素。基于Moran指數(shù)的空間自相關(guān)分析表明，Cu、Pb表現(xiàn)出顯著的空間自相關(guān)，結(jié)合上述分析可以認為，Cu主要是受人類活動的影響，表現(xiàn)出局域性含量偏高或偏低，而Pb則主要受土壤母質(zhì)等的影響，也呈現(xiàn)一定的空間自相關(guān)性。

4 結(jié) 論

昆明市呈貢新區(qū)零散作物種植地4種重金屬(Cu、Ni、Pb、Zn)污染狀況的調(diào)查研究結(jié)果表明，其存在不同程度的Cu、Ni、Zn污染，多元統(tǒng)計分析表明，土壤重金屬含量偏高主要受人為因素的影響。特別值得注意的是各樣點土壤Cu平均含量為背景值的2.77倍，是國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準的1.68倍，最大值達259.72 mg·kg-1，污染較為嚴重，需要引起注意。由于種種原因，一些新建城市內(nèi)的土地由于長期得不到開發(fā)而被用于作物種植，然而，這些“耕地”往往位于城市建筑之間、道路兩側(cè)，土壤污染問題不容小覷，對于一些污染較輕的土地建議種植樹木隔離帶，減少揚塵的危害，而對于一些污染嚴重的土地，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)禁止進行作物種植，以保障農(nóng)產(chǎn)品安全與居民健康。