謝婧，吳健生，*，鄭茂坤，王仰麟，李俊杰，彭建

1.北京大學深圳研究生院城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室，深圳518055

2.北京大學城市與環(huán)境學院，北京100871

基于不同土地利用方式的深圳市農(nóng)用地土壤重金屬污染評價

謝婧1，吳健生1，*，鄭茂坤2，王仰麟2，李俊杰1，彭建2

1.北京大學深圳研究生院城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室，深圳518055

2.北京大學城市與環(huán)境學院，北京100871

為探討深圳市農(nóng)林土壤重金屬的污染現(xiàn)狀，分菜地、果園、林地和荒地等4種不同的土地利用類型，共采集了52個表層土壤樣品，采用原子吸收法測定了其重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和Ni全量，單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價了6種重金屬在土壤中的污染現(xiàn)狀.評價結(jié)果顯示，部分土壤樣點存在較為嚴重的重金屬污染，Cd的污染最為嚴重，Cu的污染最輕；不同用地類型下的污染等級不同，荒地處于尚清潔（警戒限）水平，菜地和林地處于輕度污染水平，果園處于中度污染水平，全市農(nóng)用地土壤處于輕度污染水平.

農(nóng)用地；重金屬；污染評價；深圳

1 引言（Introduction）

土壤與人類的生活密切相關，良好的土壤環(huán)境質(zhì)量是人類健康生活的保障.近年來城市工業(yè)化進程快速推進，人類急于追求經(jīng)濟效益而對土壤環(huán)境的保護重視不夠，廢液、廢氣無節(jié)制的排放使重金屬得以在土壤中積累（Lee et al.,2006;Velea et al.,2009）.土壤中重金屬的累積將導致土壤生態(tài)功能的退化甚至喪失，并有可能通過食物鏈危及當?shù)厝说慕】担‵u et al.,2008;趙金璇等，2009;王玲梅等，2009）.

深圳市土壤重金屬的研究始于20世紀80年代末陶澍等對其重金屬等微量元素背景值的研究（Tao,1990;1995a;1995b;1998）.之后，其他研究者相繼從各個方面對深圳市土壤重金屬進行了研究.目前的研究主要集中于具體用地類型或具體區(qū)域，如城市綠地（史正軍等，2006;2007;盧瑛等，2009）、紅樹林（林初夏，2004）、垃圾填埋場（瘳利等，1999;趙宏偉等，2009）等，對農(nóng)用地的研究則重點關注了部分菜地（金肇熙等，2000;王多加等，2000;寧建鳳等，2007）中重金屬的濃度狀況，尚缺乏對全市尺度不同土地利用方式下土壤重金屬污染及其風險的研究.深圳市我國經(jīng)濟發(fā)展最快的地區(qū)之一，隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，深圳地區(qū)土壤重金屬污染日益加?。ㄠ嵜さ龋?009）.上一次全市尺度重金屬污染調(diào)查已是十余年前，近年來并沒有對深圳全市區(qū)域的農(nóng)業(yè)、林業(yè)及荒地土壤重金屬進行研究，亟需新的研究工作以確認近20年來深圳土壤重金屬的變化及其風險情況（鄭茂坤等，2009）.本文在前期研究（鄭茂坤等，2009）基礎上進一步分析了深圳市不同土地利用方式下農(nóng)用地土壤重金屬的累積特征和污染狀況，以期為全面了解深圳市土壤重金屬污染狀況及其風險評價提供科學依據(jù).

2 材料與方法（Materials and methods）

2.1 研究區(qū)概況

深圳市位于廣東省南部沿海，毗鄰香港，東經(jīng)113°46′至114°37′，北緯22°27′至22°52′，屬亞熱帶海洋性氣候，平均年降雨量1933.3mm，土壤以赤紅壤為主，植被為熱帶季雨林型的常綠季雨林.深圳市自改革開放以來，經(jīng)過30年的建設，由一個邊陲小鎮(zhèn)發(fā)展到現(xiàn)代化都市，是我國快速城市化的典型城市.快速的工業(yè)化使深圳農(nóng)用地面積急劇減少，農(nóng)用地周邊的化工廠、制藥廠等排放的廢液、廢氣分別通過灌溉和大氣沉降等在土壤中積累.

2.2 樣品采集和前處理

土壤樣品于2009年3月采集.以8km×8km的網(wǎng)格，分菜地、果園、林地和荒地4種土地利用方式，采集土壤樣品52個，如圖1所示，龍崗區(qū)35個，保安區(qū)14個，南山區(qū)、福田區(qū)和羅湖區(qū)各1個；菜地10個，果園26個，林地14個，荒地2個.在100m×100m的地塊，以“之”字型多點取樣，四分法混合裝袋的方法采集0～20cm的表層土壤樣品5kg.每個采樣點的經(jīng)緯度均用GPS精確定位給出，并詳細記錄樣點周圍的環(huán)境.采集的土壤樣品室內(nèi)自然風干，分撿出石礫及植物根系等雜物，磨碎，過10目篩待測土壤pH，過100目篩待測土壤重金屬全量和有機質(zhì)含量.

2.3 樣品指標測定

土壤pH和有機質(zhì)含量在北京大學深圳研究生院城市人居環(huán)境科學與技術實驗室測定.土壤pH采用電位法，有機質(zhì)用非擴散性吸附型紅外線法（NDIR）測定.土壤重金屬的全量在中國科學院南京土壤研究所土壤污染與修復重點實驗室測定，HF-HNO3-HClO4消煮后，Cu、Pb、Zn、Cr和Ni的全量采用火焰原子吸收分光光度法，Cd全量用石墨爐原子吸收分光光度法測定.采用20%的樣品重復，并用標準土壤樣品G3和G5進行過程控制以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量.

2.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel_2003軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，并繪圖和制表；采用SPSS 13.0對重金屬含量和土壤理化性質(zhì)進行相關性分析.

2.5 研究方法

2.5.1 評價方法

本研究應用的主要污染評價方法是單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價法（國家環(huán)境保護總局，2004）.其評價公式如下：

單項污染指數(shù)：

式中：Ii為某樣品中污染元素i的分指數(shù)；Ci為某樣品中i元素的實測濃度；Si為i元素的評價標準.

單項污染綜合指數(shù)：式中：P為i元素n個樣品中的平均污染指數(shù)；n為該用地類型參與計算的樣品數(shù)量.

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)：

式中：PN為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；Pave為多個元素單項污染綜合指數(shù)平均值；Pmax為多個元素單項污染綜合指數(shù)最大值.

2.5.2 評價標準

本研究土壤Cu、Zn、Cr和Cd采用國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB 15618-1995）（國家環(huán)境保護總局，1995）的二級標準作為評價標準，其值分別為100mg·kg－1、200mg·kg－1、200mg·kg－1和0.3mg·kg－1，Pb和Ni參考萬洪富等（2009）的研究成果，分別取值100mg·kg－1和60mg·kg－1.等級劃分標準參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準（HJ/T166-2004）（國家環(huán)境保護總局，2004）（表1）.

表1 評價等級劃分標準Table 1Criterions of pollution rank

3 結(jié)果與分析（Results and analysis）

3.1 深圳市農(nóng)用地土壤重金屬的累積特征

深圳農(nóng)用地土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計詳見本研究前期成果（鄭茂坤等，2009）.土壤中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Ni的含量平均值分別為21.64、60.66、2.12、78.54、58.45和15.72mg·kg－1，將土壤重金屬含量/背景值生成百分比堆積柱形圖（圖2），展示出土壤重金屬的含量分布特征.圖2表明，不同重金屬元素在土壤中累積程度存在差異，其中以Cd的累積最為顯著，有超過20%的土樣中Cd含量超過背景值的10倍；所有的土樣中，Ni的含量均未超出背景值的5倍，約10%的樣品中Cd和Cr超過背景值的5倍，僅有個別樣品的Cu、Pb和Zn含量超過背景值5倍.

圖2 土壤重金屬含量/背景值百分比堆積柱形圖（背景值參考Tao（1990））Fig.2Stacked column chart of heavy metal content per background value（Background values see Tao（1990））

同香港（Lee et al.,2006）、廣州（柴世偉等，2003）和北京（霍霄妮等，2009）土壤重金屬平均含量相比，深圳市農(nóng)用地土壤中Cd和Pb的含量顯著高于其他城市；Cu、Cr的含量與其他城市相差不大，Zn含量低于廣州、高于香港，Ni含量低于北京，而與廣州和香港相差不大.

3.2 深圳市農(nóng)用地土壤重金屬的污染評價

3.2.1 深圳市農(nóng)用地土壤重金屬的單項污染指數(shù)評價

根據(jù)公式（2）對測得的數(shù)據(jù)進行處理，得到各重金屬單項污染指數(shù)統(tǒng)計表（表2）.由表2可見，所有的土樣中Cu的指數(shù)值均處于清潔水平，Cr和Ni的指數(shù)值均處于尚清潔（警戒限）和清潔水平；1個土樣（1.92%）中的Zn達到輕度污染水平，其余土樣均為清潔或尚清潔水平；5個土樣（9.62%）中的Pb達到輕度和中度污染水平；6種重金屬中僅有Cd達到重度污染水平（12個土樣，23.08%），達到輕度和中度污染的土樣也達到15.39%（8個土樣）.可見，深圳市農(nóng)用地表層土壤已受到重金屬不同程度的污染，其中受Cd污染最嚴重，其次為Pb.

對各樣點進行單項污染指數(shù)排序，各種重金屬污染指數(shù)最大值多為菜地或果園.其中，位于龍崗上山村某坡地荔枝園的Cd指數(shù)最大，是所有樣點平均值的80多倍，這可能是因為該果園靠近工業(yè)園區(qū)且灌溉用水來自旁邊的河流，受污染的可能性較大.此外，工業(yè)區(qū)附近和道路兩側(cè)的樣點均表現(xiàn)為Pb指數(shù)較大，而水庫附近的林地和菜地則顯示各項指數(shù)較小，與其他相關研究結(jié)果較為一致.

表2 單項污染指數(shù)統(tǒng)計Table 2The heavy metal pollution indexes

3.2.2 深圳市農(nóng)用地土壤重金屬的綜合污染指數(shù)評價

根據(jù)公式（3）計算得到的深圳農(nóng)用地土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)列于表3.由表3可見，中荒地綜合污染指數(shù)值為0.87，處于尚清潔（警戒限）水平；菜地和林地綜合污染指數(shù)值分別為1.06和1.85，處于輕度污染水平，但林地的綜合污染指數(shù)值已很接近中度污染，若不加重視，會很快突破警戒，達到中度污染的水平；果園綜合污染指數(shù)值為2.01，達到中度污染的控制水平.從全市水平來看，深圳市農(nóng)用地土壤污染處于輕度污染水平.

無論從土地利用類型還是從區(qū)域尺度來看，Cu、Pb、Zn、Cr和Ni的單項污染綜合指數(shù)值均在清潔水平范圍內(nèi)，其中菜地、果園和林地的Pb含量接近輕度污染，Cd的單項污染綜合指數(shù)均在輕度污染以上，果園、林地達到中度污染水平.由公式（3）可知，單項污染綜合指數(shù)的最大值對內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)的大小有著重要的影響，因此，判斷深圳農(nóng)業(yè)土壤的污染水平，主要關注土壤中Cd的含量.Cd的單項污染綜合指數(shù)最大，這可能是由于部分制造業(yè)，尤其是汽車制造業(yè)的蓄電池生產(chǎn)工藝中大量使用Cd，富含Cd的廢水排放到周邊的土壤中.其次，Pb的平均污染指數(shù)接近警戒限，土壤中鉛可能主要來源于歷史尾氣排放沉降、污水灌溉和廢棄的含鉛蓄電池滲出液.

表3 不同土地利用類型的綜合污染指數(shù)Table 3The heavy metal pollution indexes under different land use

在所有用地類型中，Cd的單項污染綜合指數(shù)均為最大，Cu的單項污染綜合指數(shù)均為最小，表明在所有的土地利用類型中，Cd的污染程度最高，Cu的污染程度最低.對比圖2，Zn的累積作用明顯比Cu弱.這是因為在國家二級標準中Cu的標準值為100mg·kg-1，Zn為200mg·kg-1，而Cu的深圳背景值為22.6mg·kg-1，Zn為74.2mg·kg-1，由這兩組數(shù)據(jù)可知Zn較Cu超過背景值后更易達到污染標準值.還需要注意的是，荒地中Cr的單項污染綜合指數(shù)排序第二，而相比其他土地利用類型，Cr在荒地中累積作用最弱，表明荒地受重金屬污染影響最小.但由于荒地樣本數(shù)量偏少，在后續(xù)研究中需追加樣點來進一步說明.

3.3 深圳土壤各重金屬污染的相關關系

同一來源的重金屬之間存在著一定的相關性，根據(jù)相關性可以判斷土壤重金屬污染來源是否相同（Galley and Lloyd,1985）.各重金屬含量之間的相關關系如表4所示.由表4可見，Cu和Pb、Cr、Ni存在較強的相關性，相同的來源可能是電子制品生產(chǎn)；Zn和Pb存在較強的相關性，相同的來源可能是交通污染，Zn是汽車輪胎硬度添加劑（張志紅和楊文敏，2001），輪胎磨損會產(chǎn)生含鋅含鉛粉塵；Cr和Ni存在較強的相關性，同源污染可能來自電動汽車制造等相關制造業(yè).

表4 各重金屬含量之間的相關系數(shù)Table 4Pearson’s correlation coefficients between heavy metals

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Evaluation of the Heavy Metal Pollution in Different Agricultural Soils of Shenzhen City

XIE Jing1，WU Jian-sheng1，*，ZHENG Mao-kun2，WANG Yang-lin2，LI Jun-jie1，PENG Jian2

1.The Key Laboratory for Environmental and Urban Sciences,Shenzhen Graduate School,Peking University,Shenzhen 518055
2.School of Urban and Environmental Sciences,Peking University,Beijing 100871

In order to analyze the content of agricultural surface soil and evaluate the hazard of heavy metals（Cu,Pb,Zn,Cd,Cr and Ni）in such field in Shenzhen,a survey was conducted.Twelve,twenty three,fifty,and two soil samples were collected from vegetable land,fruit land,wood land,and grass land,respectively.Pollution situation of the six heavy metals were evaluated using single contamination index method and Nemerow composite index.Results showed that serious heavy metal pollution was found in some soil samples.The pollution of Cd was most serious and Cu was slightest.There were different heavy metal pollution levels in different land-use types.The grass land was at good level,vegetable land and wood land were slightly polluted,and fruit land was moderately polluted.On the whole,the agricultural surface soils of Shenzhen were at slight pollution level.

agricultural land；heavy metal；evaluation；Shenzhen

3 February 2010accepted4 March 2010

1673-5897（2010）2-202-06

X82

A

2010-02-03錄用日期：2010-03-04

國家自然科學基金重點項目（No.40635028）；國家自然科學基金青年項目（No.40801066）；中國博士后科學基金項目（No.200801017）

謝婧（1986—），女，碩士研究生，E-mail:xiejingsweety@126.com；*通訊作者（Corresponding author），E-mail:wujs@szpku.edu.cn

吳健生（1965—），男，湖南新化人，副教授，主要從事遙感與GIS、景觀生態(tài)學與土地利用、數(shù)字城市與城市安全等方面的研究.