長江口新成陸區(qū)域土壤重金屬分布及風險評價

韓濤

摘要：為了解長江口新成陸區(qū)域土壤中重金屬污染特征及其生態(tài)風險，對上海市橫沙東灘71個采樣點土壤中8種重金屬（銅、鉻、鎳、鋅、鉛、鎘、砷、汞）的含量進行檢測和統(tǒng)計分析，并結合蒙特卡洛模擬對其生態(tài)風險進行評價。結果表明：① 表層土壤中重金屬的含量由高到低依次為鋅、鉻、鎳、鉛、銅、砷、鎘、汞，其平均值均低于上海市土壤背景值。鉻、鎳、鋅、鉛、汞服從對數(shù)正態(tài)分布，銅、鎘、砷既不服從正態(tài)分布也非對數(shù)正態(tài)分布。② Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價結果表明，各重金屬潛在生態(tài)風險因子高低順序為汞>鎘>砷>鎳>鉛>銅>鉻>鋅，8種重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）為36.80～150.96，處于輕微至中等生態(tài)風險水平，且以輕微生態(tài)風險水平為主（概率為93.34%）。ERL/ERM法評價結果表明，8種重金屬時常發(fā)生生態(tài)風險的概率極?。?0.72%），鎘、鉛、鋅、銅、汞、鉻、砷很少或者無負面生態(tài)風險，而鎳則偶爾發(fā)生生態(tài)風險（概率為95.04%）。8種重金屬總體發(fā)生生態(tài)風險的等級和頻率均較低，但部分重金屬（如汞、鎳）須予以一定關注。

關 鍵 詞：土壤; 重金屬; 蒙特卡洛模擬; 風險評價; 新成陸區(qū)域; 長江口; 上海市

中圖法分類號： X82

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.008

0 引 言

長江三角洲地區(qū)是中國三大經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一。以2019年為例，長三角地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值占全國的23.9%。然而在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，人為活動（高度的工業(yè)化和城市化、污水廢渣排放、農(nóng)業(yè)徑流等）給長江帶來了巨大的環(huán)境壓力，長江已經(jīng)遭受了各種污染物的污染[1]。這些污染物可以通過富集和生物累積對人類和野生生物造成不利影響[2]，如致癌、破壞神經(jīng)系統(tǒng)、擾亂內(nèi)分泌等。河口區(qū)域在內(nèi)陸河流和海水的交互影響下，常常作為污染物的匯集地，因此也受到各項研究的關注。目前對河口地區(qū)關注較多的為沉積物[3-4]，而對新成陸區(qū)域土壤的研究則較少。

土地資源是最寶貴的資源，也是城市賴以發(fā)展的基礎，隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，上海市對土地資源需求日益增長。2003年以前，長江年輸沙量約為0.48億t，但是隨著三峽大壩的建成運行，大壩下游長江泥沙明顯減少，輸沙量銳減至0.17億t[5]，沙土資源的短缺愈發(fā)嚴重，也減緩了泥沙沉積成灘成陸過程。作為“黃金水道”，長江的貨運量占全國內(nèi)河貨運量的80%。大量貨物的運輸離不開深水航道，為了維護深水航道和解決土地需求矛盾，上海市積極探索并開展航道疏浚土造陸工程[6]。橫沙東灘位于長江入?？谧顤|端，原為灘涂，是長江口的三大淺灘之一。隨著長江口深水航道疏浚土上岸和促淤工程的實施，部分區(qū)域逐漸成陸。自2003年以來橫沙東灘促淤圍墾工程先后開展了8期，其中3期工程于2010年完成，所涉及區(qū)域已為成陸區(qū)，不受潮汐動力變化的影響，目前部分區(qū)域長有大量蘆葦及其他植被，小部分區(qū)域開展糧食種植試點研究。通常航道整治工程會對生態(tài)造成一定影響[7]。重金屬具有在水中沉積物（或疏浚土）中累積的特性，當其轉移至陸地時，疏浚土中吸附的重金屬（如汞、鎘等）可以通過食物鏈的傳遞對生態(tài)系統(tǒng)造成危害。因此，對疏浚土壤的生態(tài)安全利用問題亟待解決。

本研究通過對長江口橫沙東灘新成陸區(qū)域土壤中的8項重金屬進行測定，以上海市土壤背景值作為環(huán)境基準值，對土壤重金屬的分布特征進行探討，結合蒙特卡洛模擬對其生態(tài)風險進行評價，可為長江口新成陸區(qū)域土壤的可持續(xù)開發(fā)、生態(tài)保護和污染防治提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于上海市橫沙島尾東側的橫沙東灘，地理位置為31°17′N～31°22′N，121°51′E～121°55′E。橫沙島地處長江入?？冢拿姝h(huán)水，東瀕東海，北與崇明島隔水相望，西毗鄰長興島，南與浦東新區(qū)隔江相望。全島地貌為江口平原類型，平均海拔2.8 m。屬于北亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，年平均氣溫16.5 ℃，年平均總日照時數(shù)約1 640 h，年平均降水量約1 280 mm。橫沙島屬平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，受沿海潮汐影響，周圍潮汐流向基本為往復流，屬不規(guī)則淺海半日潮型。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

土壤樣品參照HJ/T 166-2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》采集，用系統(tǒng)隨機布點法將該新成陸區(qū)域以400 m×400 m的網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格內(nèi)布設一個監(jiān)測點位，用梅花點法采集混合樣（即每個點位設置5個分點，各分點混合均勻后用四分法采集相應樣品）。2020年10～11月，于長江入?？跈M沙新成陸區(qū)域采集深度為0～0.2 m土壤樣品71個（見圖1），同時采集了13個深度為0.8～1.0 m土壤樣品，13個深度為1.3～1.5 m土壤樣品（土壤剖面樣品自下而上依次采集1.3～1.5，0.8～1.0，0～0.2 m樣品，土壤剖面點根據(jù)分割的田塊布設且相鄰兩個土壤剖面點位的間隔不小于600 m），以及相應的質量控制樣。每個樣品用竹刀切除與金屬采樣器接觸的部分土壤后再采集，其原始質量不少于2 kg。樣品采集完畢后，封裝于棕色玻璃瓶中，置于4 ℃以下的冰箱中保存運送至實驗室分析檢測。

2.2 分析方法

分析指標為8項重金屬（砷、銅、汞、鎘、鉛、鋅、鉻、鎳）和土壤顆粒組成。其中pH采用HJ962-2018《土壤pH值的測定電位法》分析檢測;鎘、鉛采用GB/T 17141-1997《土壤質量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》分析檢測;鉻、鎳、銅、鋅采用HJ491-2019《土壤和沉積物銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定火焰原子吸收分光光度法》分析檢測;汞、砷采用HJ680-2013《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》分析檢測;土壤顆粒組成采用LY/T 1225-1999《森林土壤顆粒組成（機械組成）的測定密度計法》分析檢測。647D1A98-8E9A-48E5-AA3B-BE2BCD2E46DB

2.3 評價與分析方法

2.3.1 Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法

Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法[8]的計算過程如下：

（1） 首先計算單個重金屬污染系數(shù)（Cif），計算公式為

Cif=CiD/CiB（1）

式中：CiD為土壤樣品中重金屬的檢測值，CiB為上海市土壤環(huán)境背景值。

（2） 計算單個重金屬潛在生態(tài)風險因子（Eir），計算公式為

Eir=Tir×Cif（2）

式中：Tir為污染物毒性響應系數(shù)，銅、鉻、鎳、鋅、鉛、鎘、砷、汞的毒性響應系數(shù)分別為5，2，5，1，5，30，10，40[9]。根據(jù)Eir值的大小，單一污染物的生態(tài)環(huán)境風險從低到高分為輕微（Eir<40）、中等（40≤Eir<80）、強（80≤Eir<160）、很強（160≤Eir<320）、極強（Eir≥320）生態(tài)危害5個等級。

（3） 計算多個重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI），其公式為

RI=ni=1Eir（3）

根據(jù)RI值的大小，多個重金屬的潛在生態(tài)風險劃分為輕微（RI<110）、中等（110≤RI<220）、強（220≤RI<440）、很強（RI≥440）生態(tài)危害4個等級。

2.3.2 效應區(qū)間低值及效應區(qū)間中值法

效應區(qū)間低值（Effect Range Low，ERL）及效應區(qū)間中值（Effect Range Median，ERM）法，即ERL/ERM法，常用于土壤和沉積物生態(tài)風險評價，若重金屬的濃度低于ERL，可認為很少或者無負面生態(tài)風險。若重金屬的濃度等于或者高于ERL但是低于ERM，可認為偶爾會發(fā)生生態(tài)風險;如果重金屬的濃度大于ERM則認為生態(tài)風險會時常發(fā)生[10]。

2.3.3 蒙特卡洛法

蒙特卡洛（Monte-Carlo）法[11]是以數(shù)理統(tǒng)計和概率論為基礎構建概率模型的隨機抽樣數(shù)值模擬方法，常用于生態(tài)風險評價中的不確定性分析。該方法基于變量的密度函數(shù)進行大量重復隨機抽樣，經(jīng)模型計算可得到生態(tài)風險的概率分布及參數(shù)的敏感性等信息。

3 結果與討論

3.1 土壤中重金屬含量水平及分布特征

該長江口新成陸區(qū)域土壤樣品的pH范圍為8.00～9.34，為堿性-強堿性。由表1可以看出，表層土壤中重金屬的含量由高到低依次為鋅、鉻、鎳、鉛、銅、砷、鎘、汞，其平均值分別為61.758，54.828，27.352，13.879，13.445，6.109，0.081，0.061 mg/kg，均低于上海市土壤背景值。各重金屬的最大檢出值也低于GB 15618-2018《土壤環(huán)境質量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》中相應的風險篩選值。除鉛外，其他7種重金屬均有樣品超過背景值，鎳的超背景率最高（29.6%），這表明該長江口新成陸區(qū)域土壤可能受到外源性污染。

通過Crystal ball 11.1擬合，本次調查鉻、鎳、鋅、鉛、汞服從對數(shù)正態(tài)分布，汞的分布情況與上海市農(nóng)田土壤的調查結果一致[12]。變異系數(shù)可以反映環(huán)境變量因人為因素影響的程度，根據(jù)數(shù)值大小可分為小變異（<15%）、中等變異（15%～36%）以及高度變異（>36%）[13]。本次調查的8種重金屬的變異系數(shù)在18.3%～100.9%之間，其中鉻、鎳、鋅、鉛、鎘、砷屬于中等變異;銅、汞屬于高度變異。汞的變異系數(shù)最高，為100.9%，這說明該長江口新成陸區(qū)域土壤中汞受人為因素影響程度最大，分布最不均勻。

除汞外，土壤中鋅、鎳、銅、鉛、砷、鎘、鉻的含量均在0.8～1.0 m深度處最高，這可能是該層土壤（0.8～1.0 m）的粒度較小的緣故，土壤粒徑的測試結果表明：0.8～1.0 m土壤、0～0.2 m土壤、1.3～1.5 m土壤中，黏粒粒徑小于0.002 mm的百分比分別為20.8%，20.0%，18.1%;粉（砂）粒粒徑為0.002～0.05 mm的百分比分別為64.4%，51.3%，45.8%。粒徑越小，比表面自由能越強，對重金屬的吸附容量也越大[14]。

3.2 土壤重金屬污染狀況及生態(tài)風險評價

Hakanson潛在生態(tài)風險評價結果見表2，銅、鉻、鎳、鋅、鉛、砷的潛在生態(tài)風險因子均小于40，僅為輕微生態(tài)風險等級;鎘的潛在生態(tài)風險因子為8.70～45.65，為輕微-中等生態(tài)風險等級;而汞的潛在生態(tài)風險因子為8.00～120.84，為輕微-強生態(tài)風險等級。汞的潛在生態(tài)風險因子平均值最高（25.88），鎘的潛在生態(tài)風險因子平均值次之（17.67），其他6種不同重金屬的潛在生態(tài)風險因子由高到低依次為砷>鎳>鉛>銅>鉻>鋅，均為輕微生態(tài)風險。汞和鎘的潛在生態(tài)風險系數(shù)變化區(qū)間較大，主要原因可能是汞和鎘的污染物毒性響應系數(shù)較高。8種重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)范圍為36.80～150.96，對應的生態(tài)風險為輕微至中等，僅有6個點位存在中等風險（110≤RI<220）。根據(jù)RI平均值的計算結果（62.40）可知，該長江口新成陸區(qū)域土壤主要存在輕微生態(tài)危害。

采用Crystal ball 進行300 000次隨機模擬抽樣，基于蒙特卡洛模擬的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）概率分布如圖2所示，在95%置信水平下，擬合結果呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布。由表3可以看出，RI存在輕微生態(tài)風險的概率為93.34%，中等生態(tài)風險的概率為5.02%，強生態(tài)風險的概率為1.24%，而存在很強生態(tài)風險的概率僅為0.40%。根據(jù)每項重金屬潛在生態(tài)風險因子的蒙特卡洛模擬結果，銅、鉻、鎳、鋅、鉛、砷存在輕微生態(tài)風險的概率為100%，而鎘存在輕微生態(tài)風險的概率為99.67%，存在中等生態(tài)風險的概率為0.33%。汞存在輕微、中等、強、很強、極強生態(tài)風險的概率分別為85.31%，8.82%，3.74%，1.48%，0.65%。647D1A98-8E9A-48E5-AA3B-BE2BCD2E46DB

根據(jù)潛在生態(tài)風險指數(shù)RI預測值的敏感度分析結果（見圖3），對RI起主導作用的是汞和鎘，其敏感度分別為74.65%，20.67%。這可能與不同重金屬的毒性響應系數(shù)有關，汞、鎘的毒性響應系數(shù)分別為40，30，均高于其他幾種重金屬。因此，控制該新成陸區(qū)域土壤生態(tài)風險的關鍵在于降低土壤中汞、鎘的含量，可以通過種植汞、鎘富集植物如苧麻[15]、伴礦景天[16]等方式實現(xiàn)調控。

對于該長江口新成陸區(qū)域土壤，69個樣品中鎳的檢測值位于ERL～ERM之間;16個樣品中鉻的檢測值在ERL～ERM之間;對于砷、汞、銅，分別有11，10和1個樣品的檢測值位于ERL～ERM之間，但所有樣品8種重金屬的檢測結果均小于ERM（見表4）。因此，基于實測結果，鎳、鉻、砷、汞、銅可能會偶爾發(fā)生生態(tài)風險，鋅、鉛、鎘很少存在生態(tài)風險，8種重金屬均不存在時常發(fā)生生態(tài)風險的情況。

基于蒙特卡洛模擬的ERL/ERM法評估結果表明，汞時常發(fā)生生態(tài)風險的概率最大，為0.72%;其次是鎳和鉻，分別為0.17%，0.01%;銅、鋅、鉛、鎘、砷時常發(fā)生生態(tài)風險的概率則為0。鎳、砷、鉻、汞、銅、鋅、鉛、鎘偶爾發(fā)生生態(tài)風險的概率分別為95.04%，11.72%，9.92%，7.43%，1.06%，0.11%，0.03%，0。鎘、鉛、鋅、銅、汞、鉻、砷、鎳很少或者無負面生態(tài)風險的概率分別為100%，99.97%，99.89%，98.94%，91.85%，90.07%，88.28%，4.79%。因此，該長江口新成陸區(qū)域土壤中8種重金屬時常發(fā)生生態(tài)風險的概率極小;鎳、砷、鉻、汞偶爾發(fā)生生態(tài)風險概率不容忽視（均大于5%），需予以關注;鎘、鋅、鉛、銅則很少發(fā)生生態(tài)風險。

對比兩種生態(tài)風險評價方法，Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法將重金屬的背景值和毒性[17]納入了評估計算，考慮了研究區(qū)域的地域特征，具有一定的針對性，而ERL/ERM法則采用固定值進行評判，評價方式簡單明了，在一定程度上較客觀地反映生態(tài)風險。Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法可反映土壤中污染物發(fā)生生態(tài)風險的等級，ERL/ERM法則側重土壤發(fā)生生態(tài)風險的頻率，采用實測數(shù)據(jù)兩種方法均可以實現(xiàn)對個別點位的生態(tài)風險評價，有利于具體區(qū)域土壤修復的開展，但是由于土壤是非均質多相體系，實際樣品采集過程中存在隨機性，樣品采集的數(shù)量也有限，因此在采用實測數(shù)據(jù)進行評價時，可能疏漏極端狀況，同時也缺乏對研究區(qū)域整體狀況的把握，而兩種方法與蒙特卡洛模擬相結合可以在一定程度上彌補這方面的不足，并可以給出發(fā)生相應生態(tài)風險等級的概率。

4 結 論

該長江口新成陸區(qū)域土壤中不同重金屬的含量存在差異，鉻、鎳、鋅、鉛、汞服從對數(shù)正態(tài)分布。由于毒性的差異，重金屬含量的高低與其所造成的生態(tài)風險的大小并不一致。Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法評估結果表明，土壤中各重金屬以輕微生態(tài)風險為主（概率為93.34%），其中汞對生態(tài)風險的貢獻最大（敏感度為74.65%），而其處于中等-極強生態(tài)風險水平的概率為14.69%。ERL/ERM法評價結果則表明8種重金屬時常發(fā)生生態(tài)風險的概率極?。ǜ怕示淮笥?.72%），其中汞時常發(fā)生生態(tài)風險的概率最大（0.72%），鎳偶爾發(fā)生生態(tài)風險的概率較大（95.04%）。兩種方法與蒙特卡洛模擬相結合均可以識別出潛在的生態(tài)風險，得到對應生態(tài)風險等級發(fā)生的概率。由于該新成陸區(qū)域后期規(guī)劃為耕地，建議通過替代種植（如種植重金屬積累能力弱的果菜類和豆類作物）、輪間套作等農(nóng)藝調控措施實現(xiàn)地塊的安全利用，或者通過用富集植物修復的方式降低土壤中汞、鎳等重金屬的生態(tài)風險。

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（編輯：劉 媛）

Distribution of heavy metals in soil of newly formed land area at Yangtze River Estuary and risk assessment：case of East Hengsha Shoal，Shanghai City

HAN Tao1，2

（1.Shanghai Geotechnical Engineering and Geology Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200072，China; 2.Technology Innovation Center for Land Spatial Eco-Restoration in Metropolitan Area，Ministry of Natural Resources，Shanghai 200003，China）

Abstract：

In order to understand the characteristics and ecological risks of heavy metal pollution in the soil of the newly formed land areas at the Yangtze River Estuary，8 kinds of heavy metals （Cu，Cr，Ni，Zn，Pb，Cd，As，and Hg） in the soil of 71 sampling points in East Hengsha Shoal of Shanghai City were detected and statistical analyzed，combined with Monte Carlo simulation to estimate the ecological risk.The results showed that：① The concentration levels of heavy metals in the surface soil followed the sequence from highest to lowest as Zn，Cr，Ni，Pb，Cu，As，Cd，and Hg，and their average values were all lower than the soil environmental background values of Shanghai City.The concentrations of Cr，Ni，Zn，Pb，and Hg obeyed a lognormal distribution，while Cu，Cd，and As did not obey a normal distribution nor a lognormal distribution.② The evaluation results of the Hakanson potential ecological risk index method showed that the potential ecological risk factors of various heavy metals ranked as ：Hg> Cd> As> Ni> Pb> Cu> Cr> Zn.The potential ecological risk index （RI） of the 8 heavy metals was 36.80～150.96，at the stage of slight to medium ecological risk，and RI was mainly at a slight ecological risk level with a probability of 93.34%.The evaluation result of the ERL/ERM method claimed that the probability of frequently occurrence of ecological risks for 8 heavy metals was extremely low （<0.72%）.Cd，Pb，Zn，Cu，Hg，Cr，and As had little or no negative ecological risks，while Ni occasionally had ecological risks （the probability was 95.04%）.The overall level and frequency of ecological risks of the 8 heavy metals were relatively low，while some heavy metals such as Hg and Ni required certain attentions.

Key words：

soil;heavy metals;Monte Carlo simulation;risk assessment;newly formed land area;Yangtze River Estuary;Shanghai City647D1A98-8E9A-48E5-AA3B-BE2BCD2E46DB