陳碧珊,蔡月炎,葉林海,陳潔茹,周舒柔,英曉芹
(嶺南師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,廣東 湛江 524048)
【研究意義】湛江市位于我國大陸最南端,豐富的熱帶資源為湛江市的蔬菜種植提供了得天獨(dú)厚的條件,使湛江市成為重要的南菜北運(yùn)基地之一[1]。近年來,湛江市工業(yè)發(fā)展迅速,由于造紙企業(yè)、寶鋼湛江鋼鐵有限公司、中科煉化有限公司等大型工業(yè)企業(yè)的入駐[2],以及“三廢”的排放,對當(dāng)?shù)丶爸苓叺纳鷳B(tài)環(huán)境造成了污染,如“三廢”中的重金屬元素經(jīng)過擴(kuò)散、淋溶、下滲等方式,會(huì)對土壤和蔬菜作物等造成污染[3]。土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展、糧食安全的基礎(chǔ),土壤中的重金屬元素超標(biāo)不僅會(huì)影響蔬菜的生長狀況,導(dǎo)致蔬菜產(chǎn)量和質(zhì)量下降,還可能會(huì)通過根系在蔬菜體內(nèi)富集,進(jìn)而通過食物鏈對人體健康產(chǎn)生威脅[4],因此對蔬菜地土壤重金屬污染狀況進(jìn)行研究就顯得尤為重要?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者對農(nóng)作物重金屬污染做了非常多的研究。20 世紀(jì)60 年代,日本發(fā)生因鎘稻米污染而導(dǎo)致的痛痛病事件,引發(fā)全世界人民對農(nóng)作物重金屬污染的關(guān)注。印度Singh 等在對印度新德里郊區(qū)的蔬菜作物中的重金屬污染現(xiàn)狀的研究中發(fā)現(xiàn),新德里郊區(qū)種植的菠菜中Cd、Cu、Pb、Zn 等元素嚴(yán)重超標(biāo)[5]。澳大利亞Geoge 等發(fā)現(xiàn)采自布拉魯?shù)貐^(qū)的蔬菜樣品,其Cd、Pb 元素含量均超過澳大利亞在食品標(biāo)準(zhǔn)中對Cd、Pb 元素的限量值[6]。近年來,各國多側(cè)重于農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景和農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境研究、土壤的化學(xué)污染與防治、土壤地球化學(xué)元素及土壤劃分等方面的研究。我國對于農(nóng)業(yè)重金屬污染的研究起步較晚,國內(nèi)一些學(xué)者的研究結(jié)果表明,我國農(nóng)作物重金屬污染形式非常嚴(yán)峻[7]。何爭珍等研究發(fā)現(xiàn)四川省攀西地區(qū)蔬菜生產(chǎn)基地存在較嚴(yán)重的鎘污染風(fēng)險(xiǎn)[8]。蘇輝躍等在天津市武清區(qū)蔬菜土壤中發(fā)現(xiàn)重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、As 會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷累積,其中Cd、As 是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)者[9]。仲可成等在41 個(gè)蔬菜產(chǎn)區(qū)采集土壤樣品,其中23.7%的樣品Cd 含量超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值,且南寧、長沙、攀枝花等地重金屬超標(biāo)率較高[10]。林小兵等對江西省工礦區(qū)、污水排放區(qū)研究發(fā)現(xiàn),工業(yè)排放污水使重金屬進(jìn)入蔬菜土壤中,Cd、Hg 元素污染嚴(yán)重[11]。【本研究切入點(diǎn)】湛江市屬于熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候,年大于10 ℃的積溫為8 309~8 519 ℃[12],熱量資源特別是冬季熱量資源豐富,適合各種蔬菜作物生長。2020 年湛江市蔬菜種植面積153.84×107m2,總產(chǎn)量416.29×107kg,比2019 年增長3.4%,是我國重要的蔬菜生產(chǎn)基地。但由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的一系列環(huán)境問題,農(nóng)業(yè)土壤受到了不同程度的污染。目前,關(guān)于湛江市蔬菜土壤重金屬研究較少,僅有羅松英等[1]、鄭小林等[13]對市郊蔬菜地進(jìn)行簡單的含量特征分析,并未深入地進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以湛江市蔬菜地土壤為研究對象,分析蔬菜地表層土壤8 種主要重金屬元素的含量特征,并通過采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對蔬菜地土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行評價(jià),為雷州半島蔬菜種植及食用安全研究提供科學(xué)依據(jù)。
結(jié)合湛江市蔬菜地的規(guī)模及空間分布情況,選取吳川市、廉江市、遂溪縣、雷州市、徐聞縣以及赤坎區(qū)、麻章區(qū)、霞山區(qū)和坡頭區(qū)9 個(gè)縣(市、區(qū))的蔬菜地進(jìn)行土壤樣品的采集,采集過程中選擇蔬菜地面積較大的蔬菜基地,同時(shí)兼顧蔬菜類型的多樣性。各縣市區(qū)采集樣品數(shù)目分別為吳川市5 個(gè)、廉江市4 個(gè)、遂溪縣3 個(gè)、雷州市7 個(gè)、徐聞縣8 個(gè)、赤坎區(qū)4 個(gè)、霞山區(qū)2 個(gè)、麻章區(qū)4 個(gè)、坡頭區(qū)1 個(gè),共采得土壤樣品38 個(gè)。在同一采樣基地內(nèi),采用梅花型采樣法均勻選取5 個(gè)采樣點(diǎn),在采樣中心點(diǎn)(用GPS 定位)20 m半徑范圍內(nèi),避開施肥點(diǎn),用PVC 管采集相同土壤類型和用地類型的0~20 cm 土柱,將5 個(gè)土壤樣品剔除雜物后混合裝進(jìn)乙烯封口袋中,1 個(gè)基地采集1 kg 以上的樣品。
將采集的土壤樣品混勻后風(fēng)干,除去土樣中石頭和動(dòng)植物殘?bào)w等異物,經(jīng)瑪瑙研缽研磨,過0.150 mm 的尼龍篩,混勻后備用。將粒徑小于0.150 mm 的土壤樣品送至澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室(廣州)進(jìn)行超痕量多元素測試。樣品測試過程為:稱取兩份試樣,一份加入王水,在石墨爐上消解。消解完并待溶液冷卻后,用去離子水在容量瓶定容,搖勻,然后用等離子體發(fā)射光譜和質(zhì)譜儀綜合分析。另一份試樣用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸進(jìn)行消解,蒸至近干后的樣品用稀鹽酸溶解定容,再用等離子體發(fā)射光譜和質(zhì)譜儀綜合分析。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、氫氟酸和鹽酸進(jìn)行消解。
測試分析湛江市蔬菜地土壤樣品中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等8 種主要元素,運(yùn)用變異系數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分析測試所得的數(shù)據(jù),再討論得出結(jié)果。
1.3.1 土壤重金屬元素含量特征分析方法 變異系數(shù)是說明實(shí)測數(shù)據(jù)變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量,反映的是數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度。其計(jì)算公式為:
式中,CV表示變異系數(shù),SD表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差,MN表示樣本平均值。變異系數(shù)越大,說明重金屬元素含量間的差異和離散程度越大,受人類影響也越大,反之則說明重金屬元素含量間的差異和離散程度越小,受人類影響越?。?]。
1.3.2 土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法 選用瑞典科學(xué)家Hakanson 于1980 年提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法,是一種相對快速、簡便和標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)沉積物污染程度及其潛在生態(tài)危害的方法,被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染評價(jià)[14]。計(jì)算公式為:
式中,RI為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù),為某一種重金屬元素的污染富集系數(shù),Ci為某一種沉積物中重金屬元素的實(shí)測含量,為土壤重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)[15],為某一重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù),為計(jì)算所需某一重金屬元素的參比值。本研究區(qū)典型地帶性土壤為磚紅壤性紅壤,所以選擇廣東省土壤背景值中磚紅壤背景值作為參比值。不同指標(biāo)表示不同的污染程度與風(fēng)險(xiǎn),重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。
表1 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)[16]Table 1 Potential ecological risk indicators and classification standard of heavy metal pollution
湛江市蔬菜地土壤重金屬元素含量見表2。由表2 可知,研究區(qū)表層土壤中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等元素的含量大體呈Cr>Zn>Ni >Cu>Pb>As>Cd>Hg 的特征。對比湛江市土壤環(huán)境背景值,8 種重金屬元素含量平均值均超過背景值,其中Cd、Hg 元素富集程度較強(qiáng),分別為背景值的5.53、5.37 倍,其次為Ni、Cu、Zn 元素,分別為背景值的4.65、4.28、3.95 倍,其余元素僅在個(gè)別樣點(diǎn)超過背景值。研究區(qū)中大部分樣品土壤pH 大于6.5,選取《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2018)中6.5<pH≤7.5 各重金屬元素風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行比較,所有元素的平均值均沒有超過標(biāo)準(zhǔn)值,但Cr、Cd、Cu、Ni、Zn 等5 種元素在個(gè)別樣點(diǎn)均有不同程度的超標(biāo),其中Ni 元素超標(biāo)率達(dá)到21.1%,其次是Cr 元素,超標(biāo)率為15.18%,As、Hg、Pb 元素沒有超標(biāo),說明研究區(qū)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 元素變異系數(shù)分別為34%、122%、127%、103%、81%、150%、53%、83%,按大小排列為:Ni>Cd>Cr>Cu>Zn>Hg>Pb>As。依據(jù)變異系數(shù)分級系統(tǒng),將8 種元素的變異系數(shù)分為兩個(gè)層次:Ni、Cd、Cr、Cu 元素變異系數(shù)大于100%,為強(qiáng)度變異性,說明這4 種元素在雷州半島的不同地點(diǎn)含量差異極大,受外界干擾強(qiáng)烈;其余4 種元素變異系數(shù)在30%~100%之間,為中等變異性,受外界影響相對較小。綜上,湛江市蔬菜地土壤重金屬元素受人為活動(dòng)影響較大,說明其來源與人類活動(dòng)密切相關(guān)。
表2 湛江市蔬菜地土壤重金屬元素含量Table 2 Contents of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City
本研究運(yùn)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)湛江市蔬菜地表層土壤的重金屬污染程度,通過計(jì)算潛在生態(tài)富集系數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值,了解湛江市蔬菜地表層土壤重金屬富集程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。
湛江市蔬菜地表層土壤重金屬潛在生態(tài)富集系數(shù)如圖1所示,Ni、Cd、Cu、Hg、Zn 等5種金屬元素屬于強(qiáng)富集;As、Cr、Pb屬于中等富集。8 種金屬元素的污染程度呈Cd>Hg>Cu>Zn>Ni>Cr>As>Pb 的規(guī)律排列。
圖1 湛江市蔬菜地土壤重金屬潛在生態(tài)富集系數(shù)Fig.1 Potential ecological enrichment coefficients of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City
從各個(gè)縣市區(qū)來看,Cd 在廉江市、麻章區(qū)和徐聞縣為很強(qiáng)富集,表現(xiàn)為廉江市>麻章區(qū)>徐聞縣,有4 個(gè)縣市區(qū)為強(qiáng)富集,1 個(gè)縣市區(qū)為中等富集。Hg 在雷州市和徐聞縣為很強(qiáng)富集,有4 個(gè)縣市區(qū)為強(qiáng)富集,3 個(gè)縣市區(qū)為中等富集。Cu 在徐聞縣為很強(qiáng)富集,有2 個(gè)縣市區(qū)為強(qiáng)富集,5 個(gè)縣市區(qū)為中等富集。Zn 在徐聞縣為很強(qiáng)富集,在雷州市為強(qiáng)富集,有6 個(gè)縣市區(qū)為中等富集。Ni 在徐聞縣為很強(qiáng)富集,有4 個(gè)縣市區(qū)為中等富集,其余為輕微富集。Cr 在徐聞縣為很強(qiáng)富集,有3 個(gè)縣市區(qū)為中等富集,其余為輕微富集。As除坡頭區(qū)為輕微富集外,其余縣市區(qū)均為中等富集。Pb 含量較小,在5 個(gè)縣市區(qū)為中等富集,其余為輕微富集。
湛江市蔬菜地表層土壤8 種重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)如圖2 所示,8 種重金屬元素中,Hg 污染最為嚴(yán)重,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)平均值在160~320 之間,為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。其中,在雷州市為極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),有4 個(gè)縣市區(qū)為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),3 個(gè)縣市區(qū)為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)平均值在80~160 之間,屬于強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。其余6 種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)平均值均小于40,均屬于輕微風(fēng)險(xiǎn),污染程度表現(xiàn)為:Cu>Ni>As>Pb>Cr>Zn。這一結(jié)果與戴軍等報(bào)道廣州市約有9.5%的菜區(qū)土壤受重金屬污染,其中Cd 的含量為廣東省土壤背景值的2.77 倍這一研究結(jié)果相近[19]。與周建利等報(bào)道我國城郊土壤和農(nóng)產(chǎn)品(尤其是蔬菜)重金屬的污染多以Pb、Cd 和Hg 等3 種元素為主這一結(jié)論相吻合[20]。
圖2 湛江市土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)Fig.2 Potential ecological risk parameter of heavy metals in soil of Zhanjiang City
從不同采樣縣市區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(圖3)來看,湛江市蔬菜地表層土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在186.08~729.04 之間,平均值為386.86,屬于強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。分析各縣市區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度,發(fā)現(xiàn)徐聞縣為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),廉江市、遂溪縣、麻章區(qū)、赤坎區(qū)和雷州市為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),霞山區(qū)、坡頭區(qū)和吳川市為中等風(fēng)險(xiǎn)。重金屬元素不僅在耕地過程中由于施用有機(jī)肥、化肥等產(chǎn)生累積,還可能通過水流滯留或大氣沉降等方式累積到表層土壤中,這與蔬菜地附近的環(huán)境息息相關(guān)。在野外采樣的過程中發(fā)現(xiàn),污染強(qiáng)的幾個(gè)縣市區(qū)的采樣點(diǎn)周邊都有重金屬沉降的環(huán)境,如徐聞縣采樣點(diǎn)附近有采石場、居民區(qū)等,廉江市和麻章區(qū)采樣點(diǎn)附近有居民區(qū)、排水溝、高壓電線纜等,雷州市采樣點(diǎn)靠近西湖水庫,平時(shí)捕撈作業(yè)可能有重金屬元素脫落、遺留;而霞山區(qū)、吳川市和坡頭區(qū)采樣點(diǎn)附近沒有居民區(qū)、水庫等,受到輕微污染。
圖3 湛江市蔬菜地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Fig.3 Potential ecological risk indexes of heavy metals in vegetable soil of Zhanjiang City
通過對比湛江市與其他城市蔬菜土壤重金屬平均含量,發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)蔬菜土壤中Pb、Zn 元素含量處于較低水平,As、Cd、Cu、Hg 元素含量處于中等水平,Cr、Ni 元素含量偏高。相比之下,天津市的蔬菜地Zn 元素平均含量較高,這可能與蔬菜種植過程中進(jìn)行污灌、施肥有關(guān)[9];天水市蔬菜地由于有機(jī)肥、化肥、農(nóng)藥的不合理使用導(dǎo)致Cu 元素含量較高[21];拉薩市作為西藏省會(huì)城市,蔬菜種植面積逐年增加,肥料的大量施用使土壤中的重金屬元素也在逐年累積[22];百色市擁有大量的鋁土礦區(qū),重金屬元素的增加不僅受到噴灑農(nóng)藥和施肥的影響,還會(huì)受到礦粒粉塵的影響,導(dǎo)致百色市蔬菜土壤重金屬含量均較高[23];貴陽市屬于喀斯特地區(qū),大量的公路使蔬菜地零散分布,而交通運(yùn)輸可能會(huì)導(dǎo)致公路兩側(cè)蔬菜地Pb 元素含量增加[24]。
綜合3 種分析方法對湛江市土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià),結(jié)果顯示研究區(qū)土壤整體上未受明顯污染,但局部地區(qū)具有較強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。在土壤重金屬含量特征分析中,共有5 種元素超標(biāo),分別為Ni、Cr、Cd、Cu、Zn,其中Ni、Cr元素超標(biāo)率相對其他元素較高,分別為21.1%、15.18%,但有研究表明,這兩種元素可能與土壤地球化學(xué)過程有關(guān),自然來源比重較大[25]。
值得注意的是,超標(biāo)率為10.50%的Cd 元素,變異系數(shù)達(dá)127%,說明受人為因素影響較大,且Cd 元素的土壤重金屬富集程度為強(qiáng)污染程度、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。Cd 是農(nóng)業(yè)種植過程中使用化肥和農(nóng)藥的標(biāo)識(shí)元素[26],湛江市是重要的北運(yùn)菜種植基地[27],在蔬菜種植過程中大量使用化肥與農(nóng)藥,土壤中的Cd 含量逐年累積,因人為用藥、用肥的劑量不同而造成Cd 含量的差異也是存在的。
重金屬Cu、Zn 的土壤重金屬富集程度也屬于強(qiáng)污染程度,而化石燃料燃燒、汽車輪胎摩擦、工業(yè)生產(chǎn)、生活污水排放會(huì)產(chǎn)生大量含Cu、Zn的有害物質(zhì)[28-30],這與近年來大量工廠入駐湛江市、經(jīng)濟(jì)增長速度加快、人們生活水平日益提高密切相關(guān)。
研究區(qū)中的Hg 元素雖沒有超標(biāo),但潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),且土壤樣品中Hg 含量平均值為背景值的5.3 倍。有研究發(fā)現(xiàn),蔬菜地土壤Hg 含量隨著種植年份的增加呈上升趨勢,且Hg含量與種植年份呈顯著正相關(guān)[31],說明Hg 含量的增加是一個(gè)累積的過程。在市郊區(qū),Hg 含量的增加不僅受污水排放和干濕沉降的影響,還可能受到交通干道分布的影響[32]。因此,蔬菜種植區(qū)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離市區(qū)、工業(yè)等,還需遠(yuǎn)離交通干道,適時(shí)進(jìn)行輪作、休耕,及時(shí)注意重金屬含量增加的趨勢。
整體而言,我國對土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評估起步較晚,目前主要應(yīng)用國外的評價(jià)方法,還沒有建立完全適宜我國國情特征的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。在分析蔬菜土壤重金屬含量特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí),還應(yīng)考慮不同種類的蔬菜對重金屬的吸附程度,結(jié)合不同區(qū)域人群勞作方式、體質(zhì)特征、膳食結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)的影響,針對蔬菜的可食部分進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估。因此,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法仍需進(jìn)一步探討。
湛江市蔬菜地土壤總體上屬于強(qiáng)-中等污染程度,土壤重金屬元素含量具有Cr>Zn>Ni>Cu>Pb>As>Cd>Hg 的特征,8 種重金屬元素的平均值均超過廣東省土壤環(huán)境背景值,Ni、Cd、Cu、Hg、Zn元素屬于強(qiáng)富集程度,重金屬元素受人為活動(dòng)影響較大。Hg、Cd 元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大,屬于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),其余元素均為輕微風(fēng)險(xiǎn);各縣(市、區(qū))中,徐聞縣為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),廉江市、遂溪縣、麻章區(qū)、赤坎區(qū)和雷州市為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),霞山區(qū)、坡頭區(qū)和吳川市為中等風(fēng)險(xiǎn)。日常施用化肥、汽車尾氣排放、工業(yè)廢水排放等導(dǎo)致土壤重金屬元素含量增加的現(xiàn)象應(yīng)引起重視。