杭州湾不同围垦年限农田土壤重金属污染风险分析

摘要 以杭州湾滨海围垦湿地为研究对象，采用空间代时间的方法对不同围垦年限（50、100、300、500、700、1 000、2 000年）的农田土壤重金属铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）含量及分布特征进行分析，并应用地累积指数（Igeo）法、内梅罗（Nemoro）指数法进行土壤污染评价。结果表明，重金属含量在不同围垦年限农田土壤中的变化趋势相似，随着围垦年限的增加而呈现上升趋势。土壤重金属含量与土壤pH、电导率、总磷含量呈负相关，与总碳、总氮含量呈正相关;各重金属元素之间也呈现出一定的相关性。跨度长达2 000年的围垦时间梯度更准确地揭示了土壤理化性质及重金属变化规律，为促进杭州湾滨海湿地农田高效可持续发展利用、把握杭州大湾区建设整体污染状况、实现对围垦滩涂的安全利用提供参考依据。

关键词 滨海湿地;围垦年限;重金属污染;地累积指数;内梅罗指数;相关性分析

中图分类号 X 131;X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）03-0059-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.03.016

Risk Analysis of Heavy Metal Pollution in Farmland Soil with Different Reclamation Years in Hangzhou Bay

XIN Fu-meng1， L Xiao-fei1，2，3，4，XU Lin-ya3，4 et al

（1.College of Quality & Safety Engineering， China Jiliang University， Hangzhou，Zhejiang 310018;2.Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation，Nanjing Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing，Jiangsu 210008;3.Institute of Soil Water Resources and Environment， Zhejiang University， Hangzhou，Zhejiang 310058;4.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment， Hangzhou，Zhejiang 310058）

Abstract Taking the Hangzhou Bay Coastal Reclamation Wetland as the research object，the method of space to replace time was used to analyze the content and distribution characteristics of heavy metals Cr， Cd， Pb， Zn， Cu and Ni in farmland soils of different reclamation years（50，100，300，500，700，1 000，2 000）.The results showed that the change trend of heavy metal content in farmland soils of different reclamation years was similar， and showed an upward trend with the increase of reclamation years.Soil heavy metal content was negatively correlated with soil pH， EC and TP content， and positively correlated with total carbon and TN content;there was also a certain correlation between heavy metal elements.The 2 000-year-long reclamation time gradient more accurately revealed the physical and chemical properties of the soil and the law of heavy metal changes， in order to provide reference for promoting the efficient and sustainable use of coastal wetlands， grasping the overall pollution status of the region and realizing the safe use of reclamation wetlands.

Key words Coastal wetlands;Reclamation years;Heavy metal pollution;Geoaccumulation index;Nemoro index;Correlation analysis

基金项目 浙江省自然科学基金项目（LQ20C030006，LD19D060001）;中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室（南京土壤研究所）2020年度开放基金项目（SEPR2020-11）;中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室（烟台海岸带研究所）开放基金项目（2020KFJJ08）;浙江省农业绿色生物制造核心菌种改良重点实验室开放课题（2020KFKT07）;国家级大学生创新创业训练计划项目（202010356040）;中国计量大学开放实验项目（XL2020069）。

作者简介 辛福萌（1999—），女，江西赣州人，从事土壤重金属污染和湿地微生物研究。通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事滨海湿地土壤研究。

收稿日期 2021-05-11;修回日期 2021-06-25

重金属污染问题随着我国经济社会的快速发展和人类活动的强烈干扰日益严重，探寻其来源，解决污染问题已迫在眉睫，不容忽视[1-3]。近年来，由于沿海大开发导致的工业化、城镇化进程加快，人为干扰活动的加剧以及经济的快速发展，工业、农业向自然界的排污增多使得土壤重金属含量明显升高[4-7]。据估算，全世界每年排放到环境中的镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、铜（Cu）、镍（Ni）分别约为1.0×106、1 500、5×106、3.4×106、1.0×106 t[8]。土壤中重金属的来源及其污染程度受人类活动影响较大，滩涂湿地土壤受镉、锌、镍等重金属污染十分严重，给滩涂围垦带来了严重的生态风险[9-10]。重金属污染很难因自然退化过程发生迁移和降解，更有可能在沉积物和土壤中产生长时间的积累，其具备隐蔽性、长期性、不可逆性等特点[11-12]，其经由污水灌溉、大气沉降、污泥农用等途径进入土壤，再通过食物链的放大效应而产生富集作用，进而可以在生物体内产生积累对生命健康产生潜在的危害[13-15]，已引起人们的广泛关注[16]。近年来，国内外一些学者对各种不同场地的重金属污染进行了分析并开展风险评估。如段嘉欣等[17]采用地累积指数（Igeo）方法对四川宜宾市富硒酸化水稻土的重金属污染程度进行表征，发现土壤中铬和镍几乎没有污染，砷、铜、锌、铅、汞为无污染—轻度污染，镉属于中度—强度污染;潘存庆等[18]在金川区某土壤重金属污染的调查中采用内梅罗（Nemoro）综合指数法，发现调查区土壤铜、镍、镉和砷存在环境风险。通过重金属污染评价可以充分了解土壤的污染现状以及风险程度，为保育土壤质量、维持滨海湿地生态的可持续发展和土壤环境重金属污染的防治提供理论支持和科学依据。

作为我国海陆交错带生态系统的南北分界线，杭州湾的生态安全对我国东南沿海的可持续发展至关重要[19]。杭州湾滨海湿地是我国重要湿地之一，也是我国滨海湿地的南北过渡带，其生物多样性丰富且具有重要的生态系统和生物多样性保护作用;同时对沪、杭、甬城市群的水质净化和生态安全具有极其重要的意义。杭州湾南岸具有很长的滨海湿地改造历史，围塘造田历史悠久，是我国农业种植等人类生产活动影响最剧烈的区域之一。同时，作为我国经济最为发达的区域之一，杭州湾海洋开发活动极为频繁，近几年来，浙江省千里高标准海塘的建设工程、杭州湾跨海大桥工程以及杭州湾新城建设工程等的实施都已经或正在对杭州湾海岸带产生重大影响，为城市建设和经济发展拓展了道路。但滨海湿地围垦导致长期的生态破坏，其严重破坏了沿海生态系统的结构，有研究表明，土地围垦创造的经济效益无法补偿生态系统服务价值的损失[20]。滨海湿地改造虽然带来了可观的经济利益，但是由于工农业的发展和人类活动的影响，土壤重金属含量发生改变导致土壤质量产生影响[21]。因此，为探寻围垦年限是否对土壤重金属含量有影响，可设置长跨度的围垦时间梯度，对不同围垦年限的农田土壤开展杭州湾滨海湿地区域土壤重金属含量的研究，对于促进杭州湾滨海湿地农田高效可持续利用、把握区域整体污染状况、改善污染防治措施、实现生态价值和经济效益的平衡具有重要意义。该研究在杭州湾南岸设置了跨度长达2 000年的围垦时间梯度，对不同围垦年限的农田土壤中铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）等重金属含量及变化趋势进行分析，并运用地积累指数法和内梅罗指数法进行重金属污染评价、重金属相关性分析，以此调查评估杭州湾南岸区域内农田土壤重金属的污染状况。该研究可以更好地揭示理化因子与重金属含量存在的关系，为杭州湾围垦农田土壤合理利用和可持续发展提供思路方法，为滨海围垦区域土壤重金属污染研究提供更多的案例依据，为即将用于农业生产的滨海滩涂资源以及现有土地利用状况的发展方向提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况 杭州湾位于浙江省东部，形状为喇叭口形状，是延伸的河口海湾，其西面与钱塘江接壤、东部延伸至东海。该区域内气候为北亚热带海洋性季风气候，年平均气温为16 ℃，年平均降水量为1 273 mm，日照时数为2 038 h，无霜期为244 d。研究区选在杭州湾南岸的慈溪三北滩涂湿地核心地块（图1）。

1.2 样品采集 根据资料收集以及现场勘踏，以空间代时间的方法沿着杭州湾南岸海岸线方向由北向南选择7处不同围垦年代的农田土壤作为采样点（图1和表1）。根据围垦历史分别采集围垦50、100、300、500、700、1 000和2 000年样点。对每一个取样点随机布设3个样方（5 m×5 m），且样方间隔不小于10 m，每个样方按照梅花型取5个土壤样品（0～20 cm）混合为一个样。土壤样品采集后放入聚乙烯袋中，密封以避免样品被破坏或被污染。样品经冷冻干燥仪冻干、研磨、过筛（2 mm）后，密封冷藏保存。

1.3 分析方法

1.3.1 样品分析。通过测定土壤理化因子（pH、含盐量、碳、氮、磷）含量和重金属（Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr）含量进行土壤质量分析及重金属污染分析[19]。土壤pH和电导率分别用pH仪和电导仪测定。土壤总碳、总氮测定：取过100目筛的风干土壤100 mg左右，用元素分析仪（Vario Micro cube，德国Elmentar）测定土壤中总碳、总氮的百分含量。土壤全磷测定：采用硫酸-高氯酸消煮，钼锑抗比色法。土壤重金属含量测定：先用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解提取土壤重金属全量，再用于测定Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr，其中Cd、Cu、Zn、Pb、Ni先用硝酸-高氯酸消解，再选用原子吸收分光光度计进行测定，采用原子吸收法;Cr则选用火焰原子吸收分光光度法进行测定。