上海市崇明岛农田土壤重金属的环境质量评价

第 64 卷第 5 期 2009 年 5 月

地理学报

ACTA GEOGRAPHICA SINICA

Vol.64, No.5 May, 2009

孙超, 陈振楼 , 毕春娟 , 刘耀龙, 张翠 , 王东启 , 史贵涛 , 叶明武

( 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海 200062)

摘要：通过对上海市崇明岛 28 个菜地土壤表层样品、 65 个稻田土壤表层样品及 9 个西瓜地土壤表层样品的分析测试，利用国家、行业和地方的相关标准评价了农田土壤重金属 (Pb 、 Cd 、 Cr 、 As 、 Hg) 的环境质量状况。研究发现：崇明岛农田土壤重金属的总体含量为 Pb

21.597 mg·kg-1、 Cd 0.176 mg·kg-1、 Cr 69.395 mg·kg-1、 As 9.209 mg·kg-1、 Hg 0.128 mg·kg-1。

与上海市土壤背景值相比，除 Pb 、 Cr 外，其余重金属平均含量均高于其背景值， Cd 、 As 和 Hg 分别高出背景值 33.0% 、 1.2% 和 26.3% 。在 GIS 软件支持下，通过空间插值分析了研究区

农田土壤重金属含量的空间分布特征，结果发现，农田土壤质量整体尚好，土壤生态率为

1.26% ，优良率为 97.14% ，合格率为 1.47% ，不合格率为 0.12% 。以背景值为标准，崇明岛农田土壤 Pb 、 Cd 、 Cr 、 As 、 Hg 的超标率分别为 10.1% 、 85.7% 、 27.0% 、 55.4 % 、 55.2% ； 3

种土地利用类型中，菜地受重金属污染最为严重，这主要与菜地施用更多农药有关。崇明岛重金属的年沉降通量分别为 Pb 7735.470 μg m-2 a-1、 Cd 208.432 μg m-2 a-1、 As 2237.738 μg · · · · · m-2 a-1、 Hg 52.783 μg m-2 a-1，农作物秸秆焚烧处理是崇明岛大气重金属沉降的重要来源，大 · · · 气沉降对崇明岛农田土壤重金属有较大的影响。关键词：农田土壤；重金属；评价；崇明岛

引言

农产品的质量安全与产地土壤状况有着密切联系，土壤重金属累积、迁移不仅影响动植物生长发育，而且可通过食物链进入人体，导致一些慢性疾病发生 [1, 2]。因此，针对农田土壤中重金属累积状况进行调查和评价，已是国内外广泛关注的问题。目前国内外有关农田土壤重金属的研究不断增多，重点多为土壤重金属累积特征 [3-8]、空间分异 [9-19]、污染评价 [20-23]、来源解析 [24-26]、食品安全 [27-29]等。崇明岛位于长江流域和东部沿海地区 “T ” 字形格局的交汇点，是上海市最具潜在战略意义的发展空间之一，已被上海市政府列入 “建设现代综合性生态岛” 的规划。其主导产业为农业，水稻是主要粮食作物，而蔬菜种植面积也相当大。近年来，现代农业的发展势必对当地的土壤环境造成一定的影响，进而影响到当地人民的身体健康。已有一些学者对崇明岛土壤重金属含量进行了研究，但这些研究取样点少且主要集中于滩地 [30]、交通干线两侧 [31-33]、城镇河流 [34]、菜地 [35] 等，针对崇明岛农田土壤重金属污染状况全面、系统的调查研究尚未见报道。鉴于此，本研究系统探讨了崇明岛农田土壤重金属污染现状及空间分布特征，以期为崇明岛农田土壤环境质量综合治理提供数据基础和科学依据。

收稿日期：2008-12-30; 修订日期：2009-02-12 基金项目：国家“十一五”重大水专项 (2008ZX07317-006); 国家自然科学基金项目 (40730526; 40701164); 上海市“十一五”重大科技攻关项目 (07DZ12037) [Foundation: National Key Water Program during the 11th Five-Year Plan Period, No.2008ZX07317-006; National Natural Science Foundation of China, No.40730526; No.40701164;

Shanghai Key Technologies R&D Program of Shanghai during the 11th Five-Year Plan Period, No.07DZ12037] 作者简介：孙超 (1985-), 男, 硕士生, 研究方向为城市水资源与水环境。E-mail: keaiachao@sina 通讯作者：陈振楼, 教授, 博士生导师, E-mail: u.edu

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31o48'N

31o42'N

31o36'N

图例

道路分布菜地样点稻田样点西瓜地样点

31o30'N

121o12'E

121o18'E

121o24'E

121o30'E

联想网御防火墙121o36'E

121o42'E

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121o54'E

图 1 土壤采样点分布图

Fig. 1 A sketch map showing the sampling sites

材料与方法

2.1 研究区域概况

崇明岛位于长江入海口，东经 121.16o~121.90o，北纬 31.45o~31.85o。气候、水土资源十分优越，而且水运交通便利，具有特别有利的新型城市农建条件。岛上地势平坦，西北部和中部稍高，西南部和东部略低，土壤类型主要包括水稻土、潮土和滨海盐土。 2.2 样品采集与分析根据崇明岛土地利用遥感数据、农作物种植类型、土壤类型、功能区布局和实地考察结果，利用 GIS 软件，对其进行 2km×2km 网格化处理，在每个网格内选取大片菜地、稻田、西瓜地进行布点，共计 102 个 ( 图 1) 。其中，菜地样点 28 个，稻田样点 65 个，西瓜地样点 9 个。样品采集采用多点混合方法，每个样点设置 8~10 个分点，取 0~20 cm 表层土样组成混合样品，并用手持式 GPS 定位。样品经冷冻干燥、过 120 目筛后，用 HNO3-HClO4-HF 进行微波消解。大气沉降样品用无盖聚乙烯桶 ( 内径 31.5 cm ， 4 只 ) 采集，采样时段为 2007 年 11 月至 2008 年 10 月，每月采集 1 次。为保证样品能准确反映较大范围的大气状况，避免受到个别点源污染、人为干扰、低空地面扬尘及桶内颗粒态物质反复扬起等影响 [36]，沉降桶放在远离公路、树木、建筑物的平台上，放置前预存极少量去离子水以利于干沉降沉着。所采集样品经 0.45 μm 聚酯纤维滤膜过滤，记

录滤液体积，沉淀风干后称重。分别测试溶液和沉淀物中重金属元素含量，从而得到年沉降通量。土壤粒度采用 Beckman Coulter 公司生产的 LS13320 激光粒度分析仪测定， Hg、 As 采用北京吉天仪器公司生产的最新型号 AFS-9230 双道原子荧光光度计测定， Pb 、 Cd 采用 Perkin Elmer 公司生产的 AANALYST 800 型原子吸收光谱仪石墨炉法测定， Cr 采用原子吸收光谱仪火焰法测定。重金属的分析测定中，均加入国家标准土壤样品 (GSD-9) 进行全过程的分析质量控制，分析结果符合质量控制要求。为检测实验分析的可靠性，随机抽取一个样品作 5 次重复实验，其相对标准偏差小于 10% 。实验过程所用试剂均为优级纯，溶液均用电阻率 > 18.2 MΩ cm 超纯水配制。 ·

5期

孙超等：上海市崇明岛农田土壤重金属的环境质量评价

3 结果与分析

圈疗

， 3.1 土壤样品的基本理化性质，， pH 6.01 8.12 7.31 0.43 0.06 从崇明岛农田土壤 pH 值、 Eh -66.00 55.70 -18.53 23.53 -1.27 氧化还原电位 (Eh) 、 TOC 及平 TOC/% 0.37 4.29 2.16 0.74 0.34 均粒径的测定结果 ( 表 1) 可以看，，/µm 15.90 47.46 27.22 6.39 0.23 出，土壤略显碱性， pH 平均值为 7.31 ，土壤碱性物质可能来源于大气颗粒物的沉降、各种建筑材料的输入等。土壤 Eh 的平均值为 -18.53 ，说明大部分样点显示出还原性，这与约 64% 的样点采自水稻田

有关。土壤 TOC 的平均含量为 2.16% 。从平均粒径来看，土壤介于 15.90~47.46 μm 之间。 3.2 土壤重金属含量统计分析研究区 102 个农田表层土壤重金属含量测定结果如表 2 。

表 2 崇明岛农田土壤重金属含量统计

/ /杨从保

Tab. 2 Statistics of heavy metals concentrations in agricultural soils of Chongming Island

/ mg·kg 25.47 0.1323 75.00 9.10 0.1012 mg·kg 14.190 0.087 49.815 2.142 0.000 mg·kg 29.255 0.330 92.261 18.373 0.388

/ mg·kg 21.597 0.176 69.395 9.209 0.128

/ mg·kg 3.028 0.046 8.854 3.354 0.079

Pb Cd Cr As Hg

99 97 102 101 96

-0.115 0.895 0.301 -0.072 0.820

0.056 1.464 -0.261 -0.459 0.549

与 1991 年上海市土壤环境背景值 [37]比较可知， Pb 、 Cr 的平均含量均低于背景值，说明近年来农田土壤中 Pb 、 Cr 的平均含量呈降低趋势，而其余重金属 Cd 、 Hg、 As 的平均含量皆有不同程度的增加，略高于背景值。从变异系数来看，除 Hg 的变异系数较大外，其余重金属 Pb 、 Cd 、 Cr 、 As 的变异系数介于 0.128~0.364 ，均属于中等变异强度，说明 Hg 的空间差异较大，而 Pb 、 Cd 、 Cr 、 As 的空间差异不大。从偏度和峰度来看，土壤中各种重金属均符合正态分布。从超标率来看，以背景值为标准，崇明岛农田土壤 Pb 、 Cd 、 Cr 、 As、 Hg 的超标率分别为 10.1% 、 85.7% 、 27.0% 、 55.4% 、 55.2% ，表现为 Cd > As > Hg > Cr > Pb 。 3.3 土壤重金属空间分布特征根据上海市土壤环境状况，参照国家、行业和地方的相关标准，依据各样点 pH 值与重金属含量状况，将土壤环境质量分为表 3 不同 pH 下的各级土壤评价标准 /mg kg-1 · 相应的 5 级标准 ( 表 3) 。一级为生态 Tab. 3 Evaluation standards of soil/mg· -1 kg 级，重金属含量不高于上海市土壤环境 pH Pb Cd Cr As Hg 背景值 [37]； 2 级为优级，符合上海市地 1 25.47 0.1323 75.00 9.10 0.1012 35 0.3 85 13 0.20 方标准，安全卫生优质农产品 ( 或原料 ) 2 < 6.5 50 0.3 120 25 0.25 产地环境标准 [38]； 3 级为良级，符合我 3 6.5~7.5 50 0.3 120 20 0.30 国绿产品产地环境技术条件 [39]； 4 级 > 7.5 50 0.4 120 20 0.35 为合格级，符合农业部发布的无公害食 4 < 6.5 250 0.3 150 40 0.30 6.5~7.5 300 0.3 200 30 0.50 品产地环境条件 [40]； 5 级为不合格。 > 7.5 350 0.

6 250 25 1.00 在重金属综合评价分级中，等级划 5 < 6.5 > 250 0.3 150 40 0.30 分的依据是不同 pH 范围内所有重金属 6.5~7.5 > 300 0.3 200 30 0.50 > 7.5 > 350 0.6 250 25 1.00 潜在生态危害指数 (RI) 大小，划分为 5

甲烷燃料电池

ÁÁ ÂÂ Á Â

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表 1 崇明岛农田土壤基本理化参数

in Chongming Island Tab. 1 Physical and chemical parameters of agricultural soils

0.140 0.263 0.128 0.364 0.618

/ % 10.1 85.7 27.0 55.4 55.2

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级。基于 GIS 软件，通过空间插值得到崇明岛农田土壤综合评价分级图 ( 图 2) 。

n n i r

RI =

i = 1

ΣE

i = 1

ΣT C /C

r n i

i 0

式中， RI 为多种重金属潜在生态危害指数； Er 为单个重金属潜在生态危害系数；

综合分级

1 2 3 4 5 生态级优级良级合格级不合格级

Tr 为各重金属的毒性响应系数， Pb 、 Cd 、 Cr 、 As、 Hg 的毒性系数分别为 5 、 30 、 2 、 10 、 40 ； Cn 为重金属浓

影剧院i i

图 2 崇明岛农田土壤重金属综合分级评价

Fig. 2 Evaluation of heavy metals of agricultural soils in Chongming Island

度的实测值； C0 为计算所需的参比值 ( 上海市土壤重金属背景值 ) 。在重金属单指标评价分级中，等级划分的依据是不同 pH 范围内单一重金属的相应浓度大小，划分为 5 级。基于 GIS 软件，通过

空间插值得到崇明岛农田土壤单指标评价分级图 ( 图 3) 。崇明岛农田土壤质量整体尚好 ( 图 2) ，土壤生态率为 1.26% ，优良率为 97.14% ，合格率为 1.47% ，不合格率为 0.12% 。 1 级土壤呈小面积块状分布； 2 级土壤面积最大，占 72.11% ，分布于崇明大部； 3 级土壤次之，主要分布于陈家镇、港沿镇、竖新镇、三星镇和农场的部分地区； 4 级土壤主要分布于港沿镇、陈家镇和农场的部分地区；不合格土壤面积最小，分布于港沿镇。在各乡镇土壤重金属的含量状况中，三星镇、新村乡、城桥镇、庙镇、港西镇、建设镇、堡镇、新河镇、竖新镇、向化镇、港沿镇、中兴镇、陈家镇和农场的样本数分别为 5 、 2 、 5 、 8 、 4 、 2 、 2 、 3 、 3 、 3 、 8 、 4 、 7 和 46 个 ( 图 4) 。从图 3 和图 4 可以看出， Cd 、 As、 Hg 是引起崇明岛土壤质量下降的主要原因，土壤质量受各种重金属不同程度的影响，存在显著的空间差异。 Cd 污染主要分布于城桥镇、向化镇、新河镇和新村乡。究其原因，城桥镇是崇明岛第一大镇及工业重镇，也是崇明岛政治、经济、文化和交通中心，拥有企业 800 余家，工业分布较集中；而向化镇、新河镇和新村乡近年来工业经济发展迅速，已拥有企业 100 余家，工业发展以金属制品业和服装服饰业为主，长期的含 Cd “三废” 排放势必会导致农田土壤中 Cd 的富集。 As 污染除在三星镇、港沿镇浓度较高外，还分布于新村乡的部分地区。数据分析表明，极个别样点 As 含量是上海市土壤背景值的 5 倍，据当地农民介绍，该采样点蔬菜农药施用较频繁。因此，频繁使用农药对该样点 As 含量有较大的贡献率。 Hg 的累积浓度高且集中分布于港沿镇、陈家镇和农场的部分地区，在其他地区污染不明显。从各个行政区受污染情况来看，城桥镇、向化镇和新河镇主要受到 Cd 的污染；

新村乡以 Cd 、 As 的累积比较严重；三星镇以 As 的累积最为严重；港沿镇主要受到 Hg、 As 的污染；陈家镇土壤中主要富集了 Hg。 4.4 不同土地利用方式下土壤重金属含量差异土地利用是把土地的自然生态系统变为人工生态系统，是一个自然、社会、经济、技术等诸要素结合的复杂过程，受诸多方面条件的影响和制约 [41]。不同土地利用方式对土

49未知天命

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