崇明岛农田土壤重金属的分布与累积特征

土壤是一种重要的自然资源,它不仅是农业生产的基础,而且还是人类环境的重要组成部分,可以通过各种途径直接或间接影响人类健康。Pb、Cd、Cr、As、Hg等重金属作为持久性有毒污染物的重要组成部分已越来越受到国内外学者的重视。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,主导产业为农业,水稻是主要的粮食作物,而蔬菜的种植面积也相当大。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。 本研究依据上海市科委重大项目：“崇明岛数字生态建设决策支持系统的开发与利用——崇明生态岛建设农业用地健康诊断决策支持系统开发与应用示范”(07DZ12037)的研究内容,并在此项目及国家自然科学基金项目“饮用水源地底泥重金属再悬浮释放与水源地水质安全研究”(40701164)、上海市环保局招标项目“饮用水源地持久性毒害污染物调研及对策”(07-15)、国家环保部公益项目(WFLY-2009-1-SK-06-03)及国家重大水专项课题“城市黑臭河道外源阻断、工程修复与原位多级生态净化关键技术研究与示范”(2009ZX07317-006)的资助下,以崇明岛为研究区域,分析了农田土壤重金属Pb、Cd、Cr、As、Hg的含量特征及时空分布特征、蔬菜地重金属的分布及富集特征、重金属元素Pb、Cd、Cr、As、Hg的大气沉降通量及典型生态农业示范区土壤重金属的环境质量评价等,以期为研究区农田土壤重金属的进一步研究提供基础数据和理论依据。 取得的主要研究结果如下： 1.崇明岛农田土壤重金属Pb、Cd、Cr、As和Hg的平均含量分别为：Pb 21.60mg.kg-1、Cd 0.176 mg.kg-1、Cr 69.40 mg·kg-1、As 9.209 mg·kg-1、Hg 0.128 mg·kg-1。除Pb、Cr外,其余重金属平均含量均高于该区的背景值含量,Cd、As和Hg分别高出其背景值33.0%、1.2%和26.3%。不同土地利用方式对土壤重金属的累积影响明显,菜地受重金属的污染程度最为严重,这可能与菜地施用更多的农药、化肥有关。 2.崇明岛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%,不合格率仅为0.12%。生态级土壤呈小面积块状分布；优级土壤分布于崇明大部；良级土壤主要分布于陈家镇、港沿镇、竖新镇、三星镇和农场的部分地区；合格级土壤主要分布于港沿镇、陈家镇和农场的部分地区；不合格土壤分布于港沿镇。本次调查农田土壤质量较03年有一定程度下降,生态级、优级土壤面积有一定程度减小,良级、合格级和不合格级土壤已出现。 3.崇明岛菜地土壤Pb、Cd、Cr、As和Hg平均含量分别为20.51 mg·kg-1、0.22mg·kg-1、72.15 mg·kg-1、12.30 mg·kg-1和0.1894 mg·kg-1。蔬菜中Pb、Cd、Cr、As和Hg平均含量分别为0.0081 mg·kg-1、0.0078 mg·kg-1、0.0100 mg·kg-1、0.0186mg·kg-1和0.0049 mg·kg-1。对于Pb、Cd和Cr而言,全部样品均未超过《食品中污染物限量标准》(GB2762-2005)中的限量值。对于As而言,9.52%的样品(茄子和空心菜)超过了该标准的限量值,对于Hg而言,14%的样品(空心菜和卷心菜)超过了该标准的限量值。蔬菜中Pb、Cd、Cr、As含量与它们的富集系数呈极显著的正相关关系,蔬菜Hg含量与土壤Hg含量呈显著性正相关。在种植蔬菜时,应根据土壤重金属含量状况选择富集能力较弱的蔬菜品种,但对于Hg污染严重的土壤除外。4.各类蔬菜中Pb、Cd、Cr、As和Hg的年健康风险均表现为儿童大于成人。对于基因毒物质(Cd、Cr、As)而言,成人和儿童的年平均风险值分别为2.53E-06a-1、5.37E-06 a1-,高于大部分机构和学者的最大可接受水平,低于美国环保局(EPA)和国际辐射防护委员会(ICRP)的最大可接受水平。对于躯体毒物质(Pb、Hg)而言,成人的年平均风险值为5.81E-07 a-1,低于大部分机构和学者的最大可接受水平。儿童的年平均风险值为1.23E-06 a-1,高于大部分机构和学者的最大可接受水平,低于美国环保局(EPA)和国际辐射防护委员会(ICRP)的最大可接受水平。 5.崇明岛重金属Pb、Cd、Cr、As和Hg年沉降通量分别为：Pb 7735μg·m-2·a-1、Cd 208μg·m-2·a-1、Cr 4620μg·m-2·a-1、As 2238μg·m-2·a-1、Hg 52.78μg·m-2·a-1,具体表现为Pb>Cr>As>Cd>Hg。Pb、Cr、As主要以颗粒态形式存在于沉降样品中,Cd、Hg主要以溶解态形式存在于沉降样品中。1年中有两个时间段各重金属的沉降通量较大,第一时间段是12、1、2、3月,第二时间段是5、6、8、9月。大气沉降对研究区农田表层土壤中As、Hg的年净贡献率约为16%和2%。与国内外某些地区相比,崇明岛重金属大气沉降通量相对较小,这可能与研究区所处的地理位置、较少的工业污染及生态岛的规划建设有关。 6.大棚芦笋种植示范区LS04和LS07大棚土壤质量为1级,属于清洁水平。LS98大棚土壤质量为2级,属于尚清洁水平。3个不同年限大棚土壤重金属含量均未超标,适宜作为无公害蔬菜的种植基地。土壤中各重金属含量与大棚使用年限密切相关,所有重金属均与棚龄呈正相关关系,即土壤中重金属的含量随大棚使用年限的增加而增加,其中Cd的含量与棚龄的相关性较强,达到显著水平(P<0.05)。清园工作对大棚土壤重金属含量影响显著,期间频繁施肥与灌溉导致部分重金属含量明显增加。露天花菜种植示范区和稻-麦轮作种植示范区土壤环境质量属于2级,为优级土壤,符合上海市地方标准及安全卫生优质农产品(或原料)产地环境标准。绝大多数重金属元素在土壤表层呈现出一定的累积。