汪碧玲，陳碧珊，劉發(fā)耀，蘇薇薇，柯柳聰，黃欣欣

1.廣州大學地理科學與遙感學院，廣東 廣州 510006；2.嶺南師范學院地理科學學院，廣東 湛江 524048

土壤是人類生存發(fā)展息息相關的基本環(huán)境要素（串麗敏等，2014），水果中含有人體所需的營養(yǎng)物質成為人們日常生活不可或缺的食物（馬萍，2019）。土壤在發(fā)生與發(fā)育過程中，與水果作物形成一個藕合的開放系統(tǒng)（李嘉蕊，2019），即土壤-水果作物系統(tǒng)。近年來，工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的大量重金屬污染物被帶入土壤-作物系統(tǒng)中，造成土壤嚴重的污染，導致土壤中重金屬含量增加（劉品禎，2018；馬建華等，2014），而部分重金屬元素累積在作物果實中，進而通過生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)進入人體，對人體健康帶來風險。目前國內外學者對水果作物質量的重金屬形態(tài)、含量及分布特征和土壤污染進行了大量研究（Teng et al.，2014；Hu et al.，2017），如鄭國璋等（2008）認為水果中的重金屬主要來自果園土壤；聶繼云等（2002）認為果園土壤中的重金屬來自“三廢”；董峰光等（2018）針對不同果類及不同階段人群進行重金屬污染調查與評價，得出As和Pb是重金屬人群膳食暴露的主要污染物；王露（2018）以櫻桃作物為例，對關中地區(qū)重金屬含量特征、污染評價及來源等進行綜合分析，結果表明土壤重金屬含量大多超過土壤背景值，土壤重金屬主要來自農(nóng)業(yè)化肥污染、道路交通污染和自然來源；櫻桃重金屬與土壤重金屬之間相關性較低。

雷州半島是中國第三大半島，位于中國大陸的最南端，廣東省的西南部，20°13′—21°33′N，109°40′—110°35′E，在行政區(qū)劃上屬于湛江市，轄雷州、廉江、徐聞、遂溪、吳川五縣（市）及赤坎、麻章、霞山、坡頭四區(qū)。雷州半島作為廣東省的重要農(nóng)業(yè)基地，是嶺南水果豐收之地，水果種植產(chǎn)量也在逐年增加，2018年湛江市的水果種植總產(chǎn)量達到260多萬t。雷州半島水果種植面積、總產(chǎn)量和總產(chǎn)值均居廣東省各地級市的前列，水果產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為湛江市農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。而目前關于雷州半島土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素的研究仍處于起步階段，因而本研究通過對雷州半島土壤及水果作物重金屬元素的含量特征及潛在生態(tài)風險進行分析評價，探討土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素富集特征，進一步了解雷州半島土壤-作物系統(tǒng)中重金屬元素的污染狀況及對人體健康的風險，以期為區(qū)域土壤的管理與修復以及區(qū)域水果食品安全生產(chǎn)提供科學的指導與建議。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)雷州半島水果作物種植的種類、規(guī)模及分布情況，選取水果作物種植種類多、規(guī)模大的徐聞縣、雷州市、吳川市、廉江市、麻章區(qū)、坡頭區(qū)及霞山區(qū)作為研究區(qū)域，自2018年1月—2019年7月，先后對番石榴、紅橙、草莓、菠蘿、香蕉、芒果、火龍果、荔枝、青棗、楊桃等10種類型水果果園進行表層土壤采集及新鮮水果樣品采摘，土壤及水果作物的采樣點分布如圖1所示，具一定的代表性。土壤樣品采用梅花布點法，使用 PVC管及塑料鏟采集0—20 cm的表層土壤，共55個土壤樣品，質量各約1 kg；水果樣品采用塑料剪刀采集收獲豐盛期作物的可食用部位，每個樣品共采集2 kg左右，共 34個水果樣品，但由于部分水果樣品糖分太高，無法進行實驗室測試，最終分析的水果樣品為14個。

圖1 雷州半島土壤及水果作物采樣點分布圖Fig.1 Distribution map of soil and fruit crop sampling points in Leizhou Peninsula

1.2 樣品處理

1.2.1 實驗室預處理

采集的土壤及水果作物樣品經(jīng)自然干燥、研磨和過篩等預處理，將采集的土壤樣品混合縮分減少至約 100 g，土樣經(jīng)自然風干、剔除雜質后，經(jīng)瑪瑙研缽充分研磨，再過100目篩（0.15 mm）混合均勻后備用；水果樣品清洗表面污垢并去除外表皮，用去離子水反復漂洗晾干，水果樣品經(jīng)陶瓷刀切成小塊，于60 ℃烘箱中烘干。

1.2.2 重金屬元素的測定

完成預處理的土壤、水果樣品將被送往澳實礦物實驗室（廣州）進行樣品超痕量多元素測試。其測試過程分別為：一方面稱取兩份土壤樣品，分別經(jīng)過王水消解及四酸（高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸）消解處理，另一方面稱取制備好的水果試樣，經(jīng)稀硝酸進行冷消解等處理，再分別使用ICP-AES（電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀）和ICP-MS（電感耦合等離子體質譜儀）進行綜合分析，根據(jù)土壤、水果樣品的消解效果，將獲得樣品中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、銅（Cu）、汞（Hg）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鋅（Zn）8種重金屬元素的含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

通過ArcGIS 10.2和Coreldraw 14.0軟件繪制采樣圖、利用Excel 2016和SPSS 25.0統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)，并結合土壤背景值（許煉烽等，1996）、GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部，2018）和GB 2762—2017《國家食品污染物限量標準》（中華人民共和國國家衛(wèi)生和計劃生育委員會等，2018），分析不同果園土壤及水果重金屬的含量特征，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評估污染物重金屬的潛在生態(tài)風險水平，最后通過富集系數(shù)研究重金屬在土壤-水果作物系統(tǒng)中的富集特征。

1.3.1 土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價計算方法

1.3.2 土壤-水果系統(tǒng)重金屬富集程度計算方法

富集系數(shù)是指植物上部某一重金屬含量與根部土壤同一重金屬含量的比值，反映了重金屬從根部往上遷移的能力，其計算方法為（何東等，2013）：

式中：TF表示富集系數(shù)，V表示水果可食用部分的元素含量，單位為mg·kg?1；S表示土壤的元素含量，單位為 mg·kg?1。

2 結果與討論

2.1 表層土壤重金屬元素含量特征及潛在生態(tài)風險評價

2.1.1 表層土壤重金屬元素含量特征

研究區(qū)水果作物表層土壤中8種重金屬含量如表1所示，呈Cr>Ni>Zn>Cu>Pb>As>Hg>Cd的特征。對比區(qū)域土壤背景值發(fā)現(xiàn)，除 Pb元素外，其他 7種重金屬元素平均含量均超出其背景值，如Ni、Cu元素的污染指數(shù)較強，分別為背景值的 7.83、5.30倍，其次為Zn、Cr元素，分別為背景值的 3.61、3.26倍，其余元素僅在個別樣品上超出其背景值，表明研究區(qū)的土壤遭受一定程度的污染。對照《土壤環(huán)境質量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018），所有元素的平均值均未超過國家標準值，但Cr、Cu、Ni等3種元素含量在個別樣點出現(xiàn)不同程度的超標，其中有20個采樣點的Ni元素含量超標，超標率達36.36%，有14個采樣點的Cr元素含量超標，超標率為25.50%，有5個采樣點的Cu元素含量超標，超標率為9.09%；Hg、As、Pb、Zn、Cd元素沒有超標，水果作物土壤整體上清潔安全，但在個別樣點受Ni、Cr和Cu等重金屬元素的污染。

表1 雷州半島表層土壤重金屬元素的含量特征Table 1 Content characteristics of heavy metal elements in the surface soil of Leizhou Peninsula

通過計算水果作物表層土壤中8種重金屬的變異系數(shù)在離散程度中的大小排序為：Ni>Cr>Cu>Cd>Zn>Pb>Hg>As，在表2中可將這8種元素劃分為3個層次：Ni元素的變異系數(shù)為115%，屬于強變異性，受人為活動影響很大；其余7種元素的變異系數(shù)在10%—100%之間，具中等變異性，如Cu、Cr、Cd、Zn、Pb元素的變異系數(shù)在 54%—90%之間。結果顯示，重金屬元素含量在研究區(qū)的差異很大，受人類活動影響大而離散程度高；As和Hg元素的變異系數(shù)小于50%，分別為42%和48%，說明As和Hg元素在研究區(qū)的差異較小，受人類活動干擾較小而離散程度低。土壤中的重金屬含量除受成土母質影響（陳燕等，2009），人為因素的作用也逐漸加強；研究區(qū)表層土壤重金屬的變異系數(shù)，整體表明研究區(qū)水果作物表層土壤重金屬元素受人為活動影響較大，與前人的研究結果相似（楊彥等，2012；羅松英等，2019）。

表2 雷州半島不同水果種類可食用部分重金屬元素含量Table 2 Results of heavy metal elements in edible parts of different fruit types in Leizhou Peninsula μg·g?1

2.1.2 表層土壤重金屬元素潛在生態(tài)風險評價

圖2 雷州半島表層土壤重金屬潛在生態(tài)富集系數(shù)Fig.2 Potential ecological enrichment coefficient of heavy metals in the surface soil of Leizhou Peninsula

圖3 雷州半島各市（縣、區(qū)）土壤重金屬潛在生態(tài)風險參數(shù)Fig.3 Potential ecological risk parameters of heavy metals in soils of cities (counties and districts) in Leizhou Peninsula

雷州半島不同市縣區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)如圖4所示，水果作物表層土壤在不同采樣區(qū)的潛在生態(tài)風險指數(shù)為 159.44≤RI<388.90，平均值為267.16，為中等—強污染。其中霞山區(qū)、坡頭區(qū)、廉江市和吳川市為中等污染，麻章區(qū)、雷州市和徐聞縣為強污染。

圖4 雷州半島各市（縣、區(qū)）土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)Fig.4 Potential Ecological Risk Index of Heavy Metals in Soils (Counties and Districts) of Leizhou Peninsula

2.2 水果作物的重金屬元素含量特征

研究區(qū)水果的可食用部分各重金屬元素含量如表2所示，其中含量最高為Zn元素，范圍在8.2—30.2 μg·g?1之間，其次為 Cu元素，范圍在 3.15—8.54 μg·g?1之間，而其余重金屬元素含量表現(xiàn)為：Ni>Cr>Pb>As>Cd>Hg。與GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》對應的 Cd和Pb元素限量指標相比較，除了草莓中Cd和Pb元素含量超過限量標準，為限量值的 5.44倍和 1.02倍；其他水果種類可食用部分重金屬元素含量遠低于國家規(guī)定的限量指標。其中番石榴的Cd和Pb元素含量分別為限量值的38.0%和83.9%；紅橙的Cd和Pb元素含量分別為限量值的18.0%和62.4%；菠蘿的 Cd和 Pb元素含量分別為限量值的 70.0%和78.4%；香蕉的Cd和Pb元素含量分別為限量值的4.0%和9.2%；芒果的Cd和Pb元素含量分別為限量值的 26.0%和 19.5%。由此可以看出大部分水果重金屬元素含量目前處于安全狀態(tài)，但不同水果對重金屬元素的吸附能力存在差異，以草莓、菠蘿和番石榴對Cd和Pb重金屬元素的吸附能力較強。而草莓中 Cd和 Pb元素含量超過國家規(guī)定的限量標準，其原因主要與化肥農(nóng)藥的殘留有關（王宇，2014）。目前，水果作物中As、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn等元素還未制定限量標準，因而無法判定其在水果作物中的安全性水平。建議相關部門根據(jù)發(fā)展需要，對標準進行不斷修訂和完善，以發(fā)揮其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展應有的重要作用（郝變青等，2015）。

2.3 土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素富集特征及規(guī)律分析

2.3.1 土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素的相關性分析

經(jīng)軟件SPSS 25.0的皮爾遜相關系數(shù)分析后，將水果作物及其相應土壤中的8種元素的含量進行對比，結果如表3所示。在相關性分析中，Hg、As、Ni、Cu、Pb元素呈現(xiàn)正相關，Zn、Cd、Cr元素呈現(xiàn)負相關，Cu元素在0.05水平上呈現(xiàn)顯著正相關，主要原因是Cu元素作為植物生長所需的微量元素，在生長過程中可能會隨養(yǎng)分而遷移富集于植物體內。研究區(qū)土壤和水果作物之間的重金屬含量整體呈現(xiàn)較弱的正相關關系，可能是由于水果作物實驗測試的數(shù)量較少，因而相關系數(shù)較低，這表明重金屬元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中遷移、轉化、富集能力較低。

表3 土壤-水果作物重金屬元素相關系數(shù)分析結果Table 3 Analysis results of correlation coefficients of heavy metal elements in soil-fruit crops

2.3.2 重金屬元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中的富集特征

土壤中的重金屬元素在生長過程中主要被水果作物吸收，因生物學特性和生長周期的差異，不同水果對不同重金屬的吸收能力存在巨大差異。衡量不同水果可食用部分吸收土壤重金屬元素的能力可用富集系數(shù)表示。研究區(qū)不同水果可食用部位對所生長土壤中 8種重金屬的富集情況如表 4所示，可以看出不同水果作物針對不同重金屬的富集能力排序為Cd>Zn>Cu>Hg>Cr>Ni>Pb>As，這與龐榮麗等（2019）、葉嘉敏等（2016）學者對土壤-水果作物系統(tǒng)中重金屬富集特征的分析結果基本相同，特別是Cd元素的富集能力遠高于Ni、Pb、As等元素，在中國不同區(qū)域農(nóng)田重金屬研究表明農(nóng)田土壤Cd元素均出現(xiàn)不同程度的富集（吳洋等，2015；竇韋強，2020）。雷州半島Cd元素的富集系數(shù)范圍為0.005—6.846，平均值為0.922，表明Cd元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中具較好的富集能力，更易被土壤吸收并向地上部分富集，這在所測的水果樣品（草莓、菠蘿）中表現(xiàn)得最為明顯，Cd元素在土壤中已構成中等污染，應成為研究區(qū)重點關注的元素之一。Zn、Cu是植物生長必不可少的微量元素，具極高的富集能力，均在草莓樣品中表現(xiàn)得最為突出，而As作為植物生長非必需的微量元素，在各類水果樣品中富集系數(shù)均為較小，表明不易從土壤向水果的可食用部分富集（張默，2010）。

表4 雷州半島中土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素富集系數(shù)Table 4 Migration coefficient of heavy metal elements in soil-fruit crop system in Leizhou Peninsula

3 結論

通過對雷州半島55個土壤樣品和14個水果作物樣品進行測試，分析了表層土壤和水果作物中的8種重金屬的含量，并對表層土壤重金屬的潛在生態(tài)風險進行評價，探討土壤-水果作物系統(tǒng)中重金屬元素的富集特征。

（1）從表層土壤重金屬含量看，研究區(qū)內表層土壤重金屬元素含量的平均值除 Pb元素之外，其他均超過環(huán)境背景值，變異系數(shù)均在中等變異性之上，表明隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展等經(jīng)濟活動，表層土壤重金屬存在一定的富集現(xiàn)象。

（2）從表層土壤潛在生態(tài)風險評價上，總體上屬于中等—強污染；其中，徐聞縣、雷州市、麻章區(qū)為強風險，廉江市、霞山區(qū)、坡頭區(qū)和吳川市為中等風險?？梢钥闯鐾寥乐亟饘僭诳臻g分布上存在明顯差異；由于土壤重金屬具有高隱蔽和多源性等特點，區(qū)域土壤重金屬的風險狀況有待于進一步深入了解。

（3）從水果作物重金屬含量看，不同水果作物對重金屬的吸附能力不同，除草莓外，其他水果作物等Cd和Pb元素含量均未超過國家規(guī)定的限量標準，表明大部分水果作物重金屬元素含量處于安全狀態(tài)，但不同水果對同一種重金屬元素的吸附能力存在差異，尤其以草莓、番石榴和菠蘿3種水果的吸附能力較強，與農(nóng)藥化肥的施用有一定的關系。

（4）從重金屬元素在土壤-水果作物的富集情況看，雷州半島表層土壤和水果作物之間的重金屬含量整體呈現(xiàn)較弱的正相關關系，不同種類水果對不同元素的富集有很大差異，水果對 Cd元素的富集能力最強，而其他重金屬元素富集系數(shù)較低，表明重金屬元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中遷移、轉化、富集能力較低。