佛山高明區農田土壤重金屬污染調查與來源識別*

錢 歡，蘇輝躍，黃德銀，韋高玲，田婷婷，劉秀英，鄒淑君，陶 琳

(1 廣東省科學院生態環境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心/廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642)

快速城市化進程為人類帶來了豐富的社會資源，同時也不可避免地產生各類環境問題。高強度的人類活動導致重金屬等污染物質通過大氣沉降、污水灌溉等途徑富集于農田土壤。當土壤中重金屬濃度過高時，不僅會降低農作物的產量和農產品質量，還會通過生物富集和放大，嚴重威脅生態系統和人類安全[1]。因此，合理評價土壤中重金屬的污染程度和風險，并判斷可能的污染來源對重金屬污染治理極其重要[2-3]。

本研究以廣東省佛山市高明區農田土壤為研究對象，通過合理的樣點布設，采集分析土壤中銅、鋅、鎳和鉻的含量，運用地質累積指數和潛在生態風險指數評價其污染風險，并結合地統計分析方法，對重金屬的空間分異特征進行可視化分析并識別可能的污染來源。本研究為農田土壤污染防控、農田土壤治理修復提供科學依據，同時也為快速城市化區污染控制和生態保護提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣東省佛山市高明區，地處112°22′34″—112°55′06″E，22°38′46″—23°01′05″N。該地區處于廣東省中部，珠江三角洲西翼，素有“魚米之鄉”之美譽。地勢自西南向東北傾斜，大部分地區屬沖積平原，其次是低山丘陵臺地區。屬亞熱帶氣候區，日照充足，雨量充沛，氣候溫和而濕潤，無霜期長，受季風影響，境內有滄江河及其15條支流橫貫全區東西。

1.2 數據采集與分析

根據《土壤環境監測技術規范(HJ/T166-2004)》的標準采樣程序，共采集了60個土壤表層樣品(0～20 cm)，研究區位置及采樣點分布如圖1所示。每個樣品由5個子樣混合組成，采樣時記錄采樣點經緯度坐標。將土壤樣品風干，去除雜草、根系等雜物，采用2 mm篩過濾石粒。經過研磨至全部通過孔徑100目尼龍篩，保存在聚氯乙烯袋中備用。土壤Cu、Cr、Ni、Zn含量采用火焰原子吸收光譜儀(Analytik Jena novAA 350)測定。重金屬全量分析過程中以環境標準物質土壤GBW07430(中國地質科學院地球物理地球化學勘測研究所)為質量控制樣品，得到質控樣品的各項重金屬元素含量回收率均在93%～105%范圍內，同時在一定樣品數之間加入平行樣，平行樣標準偏差均在8%以內。

圖1 研究區位置及采樣點分布圖Fig.1 Position in the study area and the sampling point distribution

1.3 土壤重金屬污染狀況評價

土壤重金屬污染評價方法采樣地質累積指數法(Index of geoaccumulation，Igeo)和污染負荷指數(Pollution Load Index，PLI)。地質累積指數法通過比較土壤中的測試濃度和自然地球化學背景值進行分級，計算公式為[4]：

(1)

污染負荷指數用于直觀反映每種重金屬對采樣點綜合污染的貢獻程度，計算公式為[5]：

(2)

1.4 土壤重金屬生態風險評價

(3)

(4)

表1 (a)地累積指數法Igeo值及評估標準；(b)潛在生態風險指數PLI及評估標準；(c)潛在風險指數及其評價標準Table 1 (a)Igeo value and the assessment standards; (b) Potential ecological risk index and the assessment standards; (c) Ecological risk factor and the assessment standards

1.5 統計和地統計分析

描述性統計采用SPSS20.0對土壤重金屬含量進行描述性統計分析(最大值、最小值、平均值、標準差等)，地統計分析在ArcGis 10.2采用普通克里格方法Ordinary Kriging(OK)來繪制土壤重金屬空間分布圖。

2 結果與討論

2.1 土壤中重金屬的描述性統計分析

表層土壤重金屬含量描述統計分析見表1。從表中可以看出，土壤中不同重金屬的含量差異較大，土壤中Cr、Ni、Cu和Zn全量的變幅為31.80～134.61、10.07～61.64、24.12～105.88、6.05～16.02 mg·kg-1，平均值分別為40.81、10.61、25.76、6.90 mg·kg-1，均未超過珠三角的背景值，且未超出《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值。但部分采樣點嚴重超過該地區的背景值，土壤中Cr、Ni、Cu和Zn分別有90.00%、35.00%、15.00%和21.67%的樣本超過該地區的背景值，其中土壤Cr的最大值接近背景值的2倍。變異系數(CV)可以說明該地區內重金屬的空間分布均勻程度[4]，土壤中Cr、Ni、Cu和Zn的變異系數分別為15.13%、25.09%、26.79%和19.95%，表明該地區土壤中重金屬空間分異較小，污染分布均勻，說明該地區農田土壤外源污染方式單一[4, 7]。

表2 土壤特性及重金屬含量描述統計(n=60)Table 2 Statistical results of soil properties and heavy metal contents (n=60)

①：以《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值為評價標準。

2.2 土壤中重金屬的污染狀況及風險評價

為了定量評估該地區內的污染狀況及風險程度，分別計算地累積指數Igeo和污染負荷指數PLI，根據Igeo和PLI劃分污染等級劃(表1)，結果如圖2所示。地質累積指數平均值大小依次為Cr>Zn>Ni>Cu，采樣點的地質累積指數均小于1(圖2a)。此外，有50%的土壤樣品處于中等污染(1

為進一步確定土壤重金屬的潛在風險，采用瑞典科學家Hankanson提出的潛在生態風險指數進行風險評價(圖2b)。土壤中重金屬的采樣點累積風險變幅為5.97～15.68，表明土壤中累積的重金屬對當地生態系統尚未構成風險。根據不同重金屬單項污染風險指數按照Ni >Cu>Cr>Zn的順序降低，且最大單項污染風險指數均小于40。因此，說明該地區土壤重金屬尚未對當地環境構成潛在生態風險。

圖2 重金屬(a)地累積指數和(b)潛在風險指數Fig.2 (a) Geo-accumulation index and (b) ecological risk index of heavy metals

2.3 土壤重金屬的空間分異特征

重金屬的空間變化可用于確定熱點區域并識別土壤重金屬的潛在來源。普通克里格插值平均誤差(ME)接近于0，均方根標準誤差(RMSSE)值在0.985～1.002之間，證明預測結果準確。由重金屬的空間分布圖(圖3)可以看出，Ni、Cu和Zn的空間分布較為相似，高值區集中在研究區的東北位置，而該地區為人口密集的城鎮區，受人類活動影響較強，因此推斷重金屬Ni、Cu和Zn的累積可能為人為源。而Cr的高值區集中在研究區的東部，空間分布較均勻，高值區呈現點源污染，且靠近生峰坳山腳，因此推斷Cr的可能來源為成土母質。

圖3 土壤重金屬的空間分異特征Fig.3 Spatial differentiation characteristics of heavy metals in the study area

3 結 論

(1)研究區土壤重金屬全量平均值均未超過珠三角的背景值，且未超出《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值。采樣點中Cr、Ni、Cu和Zn分別有90.00%、35.00%、15.00%和21.67%的樣本超過該地區的背景值，個別地區受人類活動影響嚴重。

(2)對研究區污染狀況及風險評價結果表明，研究區土壤累積程度較低，重金屬受人為活動影響較小，尚未對當地環境構成潛在生態風險。

(3)對研究區土壤重金屬的空間分異特征研究結果表明，造成重金屬Ni、Cu和Zn的累積可能為人為源，Cr的可能來源為成土母質。