新建城市零散作物种植地重金属污染研究
——以昆明呈贡新区为例

徐武美，许 俊，何翰宇，李思民，许庆豪，蜂建军，李 静，王昆艳，官会林

(云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500)

【研究意义】根据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，中国近1/5的耕地主要受重金属污染[1]，农田重金属污染问题已成为中国重点关注的重大生态环境问题，严重影响着农产品质量安全与居民身体健康[2]。土壤重金属污染由于具有隐蔽性、多元性、积蓄性、难以恢复性和污染后的难治理性，被喻为“化学定时炸弹”[3]，当在农田中累积达到一定程度时，会严重威胁生态系统和人类安全[4-5]。如近年来广受关注的“镉米”事件，其主要原因是不合理地耕作导致土壤镉含量超标，进而使其在作物中富集，严重影响稻米品质与人体健康，因此，对耕地土壤的重金属污染评估显得尤为必要。【前人研究进展】人类活动是导致土壤重金属含量超标的主要原因，如金属矿物开采[6]、施用劣质肥料[7-8]、农药[9]、污水灌溉[10]、汽车尾气排放[11]等。城市化作为中国当前最显著的特征之一，其对土壤环境的影响不容小觑。目前针对城乡结合带的研究较多，主要是由于其兼具城市和乡村土地利用性质，环境问题集城市工业污染与农业生态破坏于一身，受到广泛关注[12-13]；然而，城市化过程中，一些零散分布于城市中的闲置土地常被用来种植农作物，与一般农业生态系统相比较，由于大型机械设备施工，扬尘、汽车尾气排放加剧，且城市建设过程中产生的含重金属废水也有可能用于作物浇灌，从而导致土壤重金属污染，进而通过食物链进入人体，危害身体健康；这种情况在新建城市中可能并不少见，然而相关研究较少。【本研究切入点】以近10多年发展建设的昆明市呈贡新区为例，通过调查区域内零散分布的作物种植地重金属污染程度与空间分布情况，摸清其污染状况，为科学使用该类土地提供依据。【拟解决的关键问题】昆明市呈贡新区零散作物种植地重金属污染程度与可能的污染来源。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测定

在昆明市呈贡新区随机选取28块零散作物种植地，作物类型主要有豆类、蔬菜、谷物等；每块种植地面积一般在0.1 hm2以上，用GPS记录各样点经纬度，具体采样点分布情况见图1。每块耕地用塑料铲在土壤表层20 cm内随机采集3个土样，带回实验室自然风干、混样。用研钵研磨土样，过100目尼龙筛，根据标准HJ 803-2016，用王水(HCl∶HNO= 3∶1)消解、定容，随后用电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima 8300, PerkinElmer, USA)测定各土样铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)含量，根据标准NY/T 1377-2007测定土壤pH值。

图1 昆明市呈贡新区零散作物种植地土壤重金属污染调查采样点Fig.1 Sampling sites for the investigation of heavy metal pollution of the dispersed farmland in Chenggong New District, Kunming

1.2 数据分析

1.2.3 统计分析 为探讨各重金属元素的空间变异情况及可能的污染来源，主要进行了以下3方面的统计分析：①计算各样点不同重金属含量的变异系数，计算公式为CV=S/X，c.v.为变异系数，S为某一重金属含量的标准差，X为平均值；②利用相关分析与主成分分析，探讨不同重金属含量的内在关联性与受影响因素的同源性[19]；③计算样点间各重金属的Moran指数，通过9999次permutation计算其是否存在显著的空间自相关[20]。用Geoda 1.12.1.59计算Moran指数并获得其显著水平，其它统计分析均在SPSS 16.0中进行(SPSS Inc., Chicago, IL)。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属污染状况

各样点土壤pH值在5.17～8.05，平均值为6.75；土壤重金属含量基本情况见表1。不同重金属在各样点间的含量差异较大，如Cu在各样点间的含量为89.94～259.72 mg·kg-1。Cu、Pb的空间变异较大，变异系数在0.3以上。单因子污染指数与内梅罗综合污染指数分析表明，Cu、Zn的单因子污染指数较高，分别为1.48～4.29与1.29～2.66，属轻度至重度污染，其中有43 %的位点存在Cu污染，最大测量值达背景值的4.29倍(表2)。各样点内梅罗综合污染指数均在1以上，最小值为1.39，最大值为3.43，呈现一定程度的重金属污染(图2-a)；由于所调查的各重金属元素毒性响应指数较低，反映出的各样点潜在生态风险较低(图2-b)。

图2 各样点土壤重金属综合污染指数与潜在生态风险指数分布情况Fig.2 Distribution pattern of Nemerow integrated pollution index and potential ecological risk index across the sampling sites

表1 各样点土壤pH值与重金属含量

表2 各样点重金属污染情况

2.2 各样点不同重金属含量的关联性与空间自相关情况

Pearson相关分析表明，不同重金属之间存在显著的相关性(表3)，如各样点Cu与Zn含量的相关系数为0.65，P<0.01；Ni与Zn含量的相关系数为0.51，P<0.01，显示受类似因素的影响。主成分分析表明，第一主成分(特征根为2.19，方差贡献率为54.62 %)主要解释了Ni、Cu、Zn的变化情况，第二主成分(特征根为1.23，方差贡献率为30.67 %)主要解释了Pb的变化情况(图3)，与相关分析的结果一致，表明各样点Cu、Ni、Zn含量变化受相似因素的影响，而Pb的含量变化受其它因素影响。基于Moran指数的空间自相关分析表明，Cu与Pb呈现极显著的空间自相关，Ni与Zn呈现正的空间自相关，但不显著(图4)。

图4 基于Moran指数的各重金属元素空间自相关分析Fig.4 Spatial autocorrelation analysis for the soil heavy metals investigated based on Moran’s I

表3 各样点不同土壤重金属含量的相关性分析

图3 不同土壤重金属的主成分分析载荷图Fig.3 Loading plot of principle component analysis across the different soil heavy metals

3 讨 论

3.1 昆明呈贡新区零散作物种植地土壤重金属污染特征与程度

土壤重金属污染会严重影响农作物生长与品质，进而危害人体健康。有研究表明，人体血清中铜含量升高与癌症发病率密切相关，铅导致的健康危害包括神经、免疫、血液和造血、生殖内分泌与消化系统损害等[21]。近年来，随着土壤污染问题日益得到重视，针对土壤重金属污染的调查已开展了大量研究，如对重要作物种植地[22]、矿区耕地[23]、工厂周边土壤[24]、城乡结合带[25]等土壤重金属污染的调查。然而，许多新建城市中常存在一些暂时闲置土地被农民用于作物种植，其土壤污染状况有待评价。昆明呈贡新区近年来已取得了很大的发展，但城市建设过程中产生的废渣、废水、废气、扬尘等，会使零散作物种植地土壤重金属含量增加，影响农产品质量与人体健康。本研究发现，各样点均存在一定程度的Cu、Ni、Zn超标(表2)，内梅罗综合污染指数均大于1，部分样点超过3，达到严重污染水平(图2)。呈现城市建设过程会导致土壤重金属累积，需要引起有关方面的关注。

3.2 不同重金属元素的关联性与空间分布格局

不同重金属元素的关联性与空间分布情况可反应出重金属来源[19, 26]。本研究发现，Cu、Ni、Zn呈现出显著的正相关(表3)，推测其主要受相似因素的影响。主成分分析表明，第一主成分的方差贡献率为54.62 %，其中Cu、Ni、Zn在第一主成分具有较高的载荷，研究显示Cu、Ni、Zn均有一定程度的超标，因此人类活动是主要影响因素；第二主成分的方差贡献率为30.67 %，Pb元素具有较高的载荷，考虑到土壤Pb含量并未高于背景值，且远低于国家环境质量二级标准，自然因素是影响Pb元素空间变化的关键因素。基于Moran指数的空间自相关分析表明，Cu、Pb表现出显著的空间自相关，结合上述分析可以认为，Cu主要是受人类活动的影响，表现出局域性含量偏高或偏低，而Pb则主要受土壤母质等的影响，也呈现一定的空间自相关性。

4 结 论

昆明市呈贡新区零散作物种植地4种重金属(Cu、Ni、Pb、Zn)污染状况的调查研究结果表明，其存在不同程度的Cu、Ni、Zn污染，多元统计分析表明，土壤重金属含量偏高主要受人为因素的影响。特别值得注意的是各样点土壤Cu平均含量为背景值的2.77倍，是国家土壤环境质量二级标准的1.68倍，最大值达259.72 mg·kg-1，污染较为严重，需要引起注意。由于种种原因，一些新建城市内的土地由于长期得不到开发而被用于作物种植，然而，这些“耕地”往往位于城市建筑之间、道路两侧，土壤污染问题不容小觑，对于一些污染较轻的土地建议种植树木隔离带，减少扬尘的危害，而对于一些污染严重的土地，相关部门应当禁止进行作物种植，以保障农产品安全与居民健康。