譚 琳 肖麗娜 江 瑤 張中瑞

（1.廣東省林業(yè)科技推廣總站，廣東 廣州 510173；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

森林土壤重金屬污染是目前廣受關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]，重金屬污染具有持久性、潛伏性、毒害性等特點(diǎn)，容易造成或引起潛在的土壤質(zhì)量下降、森林生態(tài)環(huán)境惡化等危害，甚至可能會對林產(chǎn)品安全及人類健康造成嚴(yán)重威脅[2]。目前不少學(xué)者陸續(xù)開展了森林土壤重金屬含量分布特征、污染程度評價(jià)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估等研究[3-4]。其中，開展土壤重金屬元素的空間分布特征研究，能夠直接反映污染的重點(diǎn)分布區(qū)域及污染蔓延趨勢。對森林土壤重金屬污染進(jìn)行客觀精確的評價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評估，能夠?yàn)橄乱徊降奈廴痉揽睾蛥^(qū)域生態(tài)安全保護(hù)提供依據(jù)。

華南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、城市化程度高，且長期受到高強(qiáng)度酸沉降的影響，森林土壤重金屬大量積累，森林生態(tài)系統(tǒng)的承載能力不斷下降[5]。森林土壤重金屬污染問題正逐步發(fā)展成為影響生態(tài)環(huán)境、制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因子，應(yīng)當(dāng)引起重視。本研究選擇華南沿海地區(qū)森林土壤作為研究對象，分析土壤中鎘、鉛、銅、鎳元素含量狀況及空間分布特征，并利用經(jīng)典污染評價(jià)方法評估土壤中各元素污染程度，以期為森林土壤重金屬含量分布特征及污染評價(jià)方法的研究奠定基礎(chǔ)，也為森林土壤生態(tài)環(huán)境安全和保護(hù)提供建議和意見。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華南沿海地區(qū)珠海市南部的橫琴新區(qū)，瀕臨南海，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為22-23 ℃，年平均降水量為2 015.9 mm。研究區(qū)主要地貌有山地、丘陵、平地、灘涂等。南部主要分布有大橫琴山、丘陵、平地、灘涂和水域，北部主要分布有小橫琴山、填海、圍墾地，中部多是圍墾、填海地、灘涂等[6]。總的來說，南、北部地區(qū)多山地、森林及旅游景區(qū)等，中部地區(qū)以居民生活區(qū)為主。研究區(qū)土壤類型包括紅壤、赤紅壤、石質(zhì)土、海濱沙土、鹽漬沼澤土、沖積土等。研究區(qū)植被茂密，主要的森林類型有榕樹林、紅樹林和野生蘆葦Phragmites australis，原生植被覆蓋率高。

1.2 調(diào)查及采樣方法

根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，確定基本樣本量（n=30），并采用典型抽樣法布設(shè)樣點(diǎn)。選擇樣點(diǎn)內(nèi)具有代表性的區(qū)域挖掘3 個(gè)土壤剖面，各剖面水平距離應(yīng)大于10 m。每個(gè)剖面長1.2 ～ 1.5 m，寬0.8 ～ 1.0 m，剖面深度達(dá)母質(zhì)層或地下水，土層較厚時(shí)深度達(dá)到1.0 m。各剖面每隔20 cm 分層取樣，將各層樣品混合均勻后作為該剖面的樣品。采集后的土壤樣品妥善保存，并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過篩后以便后續(xù)分析。

1.3 指標(biāo)測定方法

土壤樣品重金屬含量分析與測定方法分別為：鎘含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，鉛含量采用原子熒光法測定，采用火焰原子吸收分光光度法測定銅、鎳含量[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及制圖

采用 SPSS 18.0 軟件對土壤重金屬元素含量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)等作描述性統(tǒng)計(jì)，計(jì)算Kolmogorov-Smirnov 值以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布（顯著水平α =0.05）。利用ArcGis10.7 軟件對土壤重金屬含量的空間分布作克里金空間插值分析，并制作空間分布特征圖[8]。

1.5 土壤污染評價(jià)

土壤重金屬污染評價(jià)采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[9]。其中，單因子污染指數(shù)法用于研究單一重金屬元素對土壤的污染狀況；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法能夠綜合反應(yīng)多種重金屬對土壤的污染狀況，并突出高濃度重金屬對土壤質(zhì)量的影響作用。兩種評價(jià)方法的計(jì)算公式分別為：

公式（1）中，Pi為土壤重金屬i 的單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬i 的實(shí)測值(mg/kg)；Si為重金屬評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)。由于目前尚無森林土壤重金屬相關(guān)的限量標(biāo)準(zhǔn)，本研究采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[10](GB 15618—2018)中pH<5.5 非水田條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。公式（2）中，P 為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pimax為重金屬單因子污染指數(shù)最大值，Piavg為重金屬單因子污染指數(shù)平均值。單因子污染指數(shù)法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Pi≤1，無污染；1 ＜Pi≤2，輕度污染；2 ＜Pi≤3，中度污染；Pi≥3，重度污染。內(nèi)梅羅污染指數(shù)可分為5 級，P ≤0.7 時(shí)表示土壤仍清潔；0.7 ＜P ≤1.0 表示土壤尚清潔(警戒線)，1.0 ＜P ≤2.0 表示土壤輕度污染，2.0＜P ≤3.0 表示土壤中度污染，P ＞3.0 表示土壤受到重污染。

1.6 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

本研究采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[11]來評價(jià)重金屬元素對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。該方法能夠分別反映研究區(qū)域中單個(gè)及多種重金屬元素對土壤的潛在生態(tài)影響。計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

研究區(qū)森林土壤重金屬元素含量的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1。其中，鉛元素含量平均值最高，達(dá)到88.54 mg/kg，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鉛元素土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（70 mg/kg）；鎘元素含量平均值最低，為0.05 mg/kg，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鎘元素污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.3 mg/kg）；銅、鎳元素含量平均值分別為7.36 mg/kg，9.03 mg/kg，均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銅、鎳元素污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（50 mg/kg，60 mg/kg）。對4 種重金屬元素的變異系數(shù)進(jìn)行分析，變異值由大到小依次為鎘(0.40)，鎳（0.39），銅（0.38），鉛（0.29），均處于中等變異程度（0.1 ≤CV ≤1.0）。在顯著水平 α =0.05 的單樣本K-S 檢驗(yàn)水平下，均符合正態(tài)分布。

2.2 土壤重金屬元素空間分布

依據(jù)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤鉛含量較高，基本超過70 mg/kg 的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。其中，西部至中部地區(qū)，土壤鉛的含量相對低，基本處于90 mg/kg 以下的水平，東北部地區(qū)土壤鉛含量略高于90 mg/kg，整體呈現(xiàn)自西向東逐漸升高的趨勢。土壤銅含量總體低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值50 mg/kg。其中，西北局部區(qū)域土壤銅含量相對較高，東北局部區(qū)域土壤銅含量相對較低，整體呈自西向東逐漸降低的趨勢。研究區(qū)絕大部分區(qū)域土壤鎳的含量處于8 mg/kg 水平，遠(yuǎn)低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值60 mg/kg。其中，西南區(qū)域土壤鎳含量相對較高，東北部土壤鎳含量相對較低，整體呈自西向東降低的趨勢。土壤鎘含量相對較低，基本處于0.05 mg/kg 以下的水平，低于0.3 mg/kg 的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。其中，西南部及西北局部區(qū)域土壤鎘含量相對較高，東部區(qū)域土壤鎘含量相對較低，整體呈自西南向東北逐漸降低的趨勢。

表1 森林土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of heavy metals in forest soil

2.3 土壤重金屬污染評價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評估

研究區(qū)森林土壤重金屬元素單因子及綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果如表2 所示。土壤重金屬鎘、銅、鎳元素單因子指數(shù)小于1，處于非污染等級。土壤鉛的單項(xiàng)污染指數(shù)大于1，呈輕污染等級。研究區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.945，綜合污染等級達(dá)到警戒線。

表2 森林土壤重金屬單因子及綜合污染指數(shù)評價(jià)Table 2 Single and Nemerow pollution index evaluation of forest soil heavy metals

表3 森林土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估Table 3 Potential ecological risk assessment of forest soil heavy metals

鎘、鉛、銅、鎳4 種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)程度分級見表3。研究區(qū)鉛、銅、鎳3 種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕微；研究區(qū)鎘元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在40～80 范圍內(nèi)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為中等。此外，研究區(qū)土壤的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于150，說明這4 種重金屬元素在研究區(qū)的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于輕微程度。

3 結(jié)論與討論

通過分析研究區(qū)內(nèi)重金屬含量空間分布可以看出，除鉛外，其它重金屬元素含量均在風(fēng)險(xiǎn)篩選值以內(nèi)。整體上看，鎳、鎘元素含量呈西南向東北逐漸降低的趨勢，銅元素含量呈自西向東逐漸降低的趨勢，鉛元素含量呈西南向東北逐漸升高的趨勢，但總體變化均屬于中等變異程度。參照土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)鉛含量普遍處于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，同時(shí)，結(jié)合其空間分布狀態(tài)也可以推斷，鉛含量與研究區(qū)內(nèi)頻繁的人為活動(dòng)直接關(guān)聯(lián)[13]，在靠近景區(qū)、港口或其它居民聚集點(diǎn)，土壤鉛含量相對較高。鉛元素對人體健康危害性極大，一直以來是土壤研究中重點(diǎn)關(guān)注的一類污染因子[14]。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)森林土壤鉛含量環(huán)境監(jiān)測，原則上應(yīng)盡快采取安全防治措施。

通過單因子污染和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對研究區(qū)內(nèi)森林土壤重金屬污染進(jìn)行評價(jià)，研究區(qū)森林土壤重金屬單因子指數(shù)小于1，說明森林土壤重金屬含量均未超標(biāo)，森林土壤中鉛的單因子污染指數(shù)大于1，呈輕污染等級。研究區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.945，綜合污染等級達(dá)到警戒線。對研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)評估，鉛、銅、鎳3 種金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕微；鎘在研究區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于40 但小于80，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中等。此外，研究區(qū)的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值小于150，說明這4 種金屬元素在研究區(qū)的總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于輕微程度。已有研究指出，華南沿海區(qū)域普通受到重金屬污染的影響，由于大面積的圍墾農(nóng)田易造成鉛、鎳、銅、鎘等元素的富集，往往表現(xiàn)為以鎘元素為主的多種重金屬混合污染[15]，相似地，本研究中鎘處于中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。另外，靠近城市中心區(qū)或工業(yè)活動(dòng)密集區(qū)往往存在較高的污染風(fēng)險(xiǎn)[16]，本研究區(qū)城市化程度較高且人為活動(dòng)密集，存在一定的總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要進(jìn)行定期森林土壤污染監(jiān)測，加強(qiáng)污染源控制，并對污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行土壤理化性質(zhì)適當(dāng)調(diào)節(jié)，減輕對森林土壤生態(tài)環(huán)境的危害作用，從而保證森林生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定。