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        河源市紫金縣森林土壤重金屬分布特征及污染評價(jià)*

        2022-02-20 11:54:30張亞男張中瑞朱航勇張丁曉綱
        關(guān)鍵詞:紫金縣森林土壤金屬元素

        張亞男 張中瑞 魏 丹 朱航勇張 耕 余 斐 丁曉綱

        (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)

        土壤是森林植被的基礎(chǔ),土壤質(zhì)量直接影響森林的生長發(fā)育[1]。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),人類對土地和礦物資源的過度開發(fā)、對農(nóng)藥和化肥的不合理使用,導(dǎo)致土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降,甚至造成土壤污染,其中重金屬污染是其污染源之一。重金屬穩(wěn)定性強(qiáng)、難降解、半衰期長,土壤一旦遭受重金屬污染將會(huì)影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,并通過食物鏈富集,最終對人類健康造成危害[2-5]。

        2014 年4 月環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國首次土壤污染狀況調(diào)查顯示,我國天然林、次生林和人工林林地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)10.0%,污染的重金屬主要是鎘、砷等[6]。有研究表明,銅礦開采以及長期過度施肥造成浙江地區(qū)香榧Torreya grandis集中種植區(qū)土壤處于輕度污染狀態(tài),其中鎘污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)最大[4]。張富貴等[7]基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度對西南地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),發(fā)現(xiàn)鎘是污染風(fēng)險(xiǎn)最大的元素,且存在多種重金屬復(fù)合污染,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。

        紫金縣是華南地區(qū)重要的茶葉主產(chǎn)區(qū)和森林資源分布區(qū),在土壤質(zhì)量方面有著更高需求[8-9]。本研究以紫金縣森林土壤為研究對象,分析其重金屬含量(鎘Cd、砷As、鉛Pb、銅Cu、鎳Ni),進(jìn)而評價(jià)紫金縣森林土壤重金屬污染狀況,為提高紫金縣森林土壤質(zhì)量,維持生態(tài)系統(tǒng)安全提供參考[10-11]。

        1 材料與方法

        1.1 研究地概況

        研究區(qū)系廣東省中東部的河源市紫金縣(114°40′~115°30′E, 23°10′~23°45′N), 屬 南 亞 熱帶季風(fēng)氣候區(qū),季風(fēng)明顯,夏長冬短,年均氣溫20.5 ℃,年均降水量1 733.9 mm,年均日照時(shí)數(shù)1 705.7 h,年均相對濕度83%。地形以山地、丘陵為主,面積為3 046 km2,占全縣總面積的84%,具有“八山一水一分田”的特點(diǎn)。成土母質(zhì)為花崗巖,土壤以黃壤、紅壤和赤紅壤為主。研究區(qū)內(nèi)森林覆蓋率高達(dá)75.62%,主要為暖性針闊混交林、熱性針葉林、常綠闊葉林[8]。

        1.2 試驗(yàn)方法

        2020 年7—9 月,根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況,確定30 個(gè)林分(即基本樣本量n=30),所選林分主要包括有人工林(杉木林、桉樹林為主)和自然林(常綠闊葉林、落葉闊葉混交林為主),并采用典型抽樣法布設(shè)樣點(diǎn),各樣點(diǎn)均選擇有代表性地段并間隔一定距離(>10 m)挖掘3 個(gè)土壤剖面,剖面長1.2 m,寬1 m,深1 m。每個(gè)剖面均間隔20 cm 分層取樣,從上至下依次為0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm,將5 層土樣分裝并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室,在室內(nèi)常溫下風(fēng)干,揀出雜物,磨碎并充分混合,過100 目尼龍篩后用于檢測土壤樣品中的砷、鉛、鎘、銅和鎳的含量[12-13]。

        1.3 項(xiàng)目測定

        土壤樣品重金屬含量測定:原子熒光法測定砷(As)、鉛(Pb)含量,參照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》(GB/T22105-2008)[14];火焰原子吸收分光光度法測定銅(Cu)、鎳(Ni)含量,參照《土壤和沉積物銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ491-2019)[15];石墨爐原子吸收分光光度法測定鎘(Cd)含量,參照《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T17141-1997)[16]。

        1.4 統(tǒng)計(jì)方法

        采用描述性統(tǒng)計(jì)分析分別研究5 層土壤重金屬元素含量;采用相關(guān)性分析研究土壤重金屬元素含量間的相關(guān)性(取5 層土壤樣品的平均值);采用單因子污染指數(shù)法(單一重金屬元素對土壤的污染狀況)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法(多種重金屬元素對土壤的污染狀況,特別是高濃度重金屬對土壤的影響)評價(jià)土壤重金屬污染狀況(取5 層土壤樣品的平均值),單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算公式如下:

        公式(1)中,Pi為土壤重金屬的單因子污染指數(shù);Ci為重金屬i的實(shí)測值(mg·kg-1);Si為重金屬評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1)。本研究以《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)》(GB15618-2018)中pH ≤ 5.5 其他類型下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值[17]。單因子污染指數(shù)法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分4 級:無污染(Pi≤ 1.0)、輕度污染(1.0 <Pi≤ 2.0)、中度污染(2.0 <Pi≤ 3.0)、重度污染(Pi≥ 3.0)。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。內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分5 級:清潔(P≤ 0.7)、尚清潔(即警戒線0.7 <P≤ 1.0)、輕度污染(1.0 <P≤ 2.0)、中度污染(2.0 <P≤ 3.0)、重度污染(P≥ 3.0)[3-5,18]。

        1.5 數(shù)據(jù)分析

        采用Excel 和SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 紫金縣森林土壤重金屬含量

        紫金縣森林土壤重金屬含量如表1。0~100 cm層的砷超過污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,0~80 cm 層的鉛、銅、鎳、鎘低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。砷和鉛含量在60~80 cm 土層中含量最高,隨著土層加深先增后減;銅和鎳含量在80~100 cm 土層中最高,隨著土層加深逐漸遞增;鎘含量在0~20 cm 土層中最高,其含量在各層土壤中變化不明顯。

        表1 紫金縣森林土壤重金屬含量比較Table 1 Comparison of heavy metal content in forest soil of Zijin county

        5 層土壤混合樣中,砷超過了污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,鉛、銅、鎳、鎘均低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

        2.2 紫金縣森林土壤重金屬含量相關(guān)性分析

        紫金縣森林土壤重金屬含量相關(guān)性分析如表2,砷含量與銅含量呈極顯著正相關(guān);鉛含量與鎘含量呈極顯著正相關(guān);銅含量與鎘含量呈顯著正相關(guān);其余元素間相關(guān)性不顯著。

        表2 紫金縣森林土壤重金屬含量相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis in forest soils heavy metals content of Zijin county

        2.3 紫金縣森林土壤重金屬污染評價(jià)

        紫金縣森林土壤重金屬元素污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果如表3。重金屬元素鉛、銅、鎳、鎘的單因子污染指數(shù)均小于1.0,屬無污染等級;重金屬元素砷的單因子污染指數(shù)為1.905,屬輕度污染。紫金縣森林土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為 1.439,屬輕度污染。

        表3 紫金縣森林土壤重金屬污染評價(jià)Table 3 The evaluation of heavy metals pollution in forest soils of Zijin County

        3 結(jié)論與討論

        對土壤造成重金屬污染的主要是密度大于5 g·cm3的金屬:鉻Cr、鎘Cd、鉛Pb、砷As、汞Hg 和銅Cu,其中砷由于化學(xué)性質(zhì)及毒性被歸于重金屬污染。重金屬在土壤中具有易積累、難降解、隱蔽性強(qiáng)、殘留時(shí)間長、難以徹底去除等特性,當(dāng)土壤中重金屬含量過高時(shí),依附于土壤生存的動(dòng)植物及微生物均會(huì)受到影響[19-24]。紫金縣森林土壤各層重金屬元素含量不完全相同,5 層土壤及混合后的土壤砷含量均超過污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,鉛、銅、鎳、鎘含量處在污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值以內(nèi)。

        土壤重金屬既來源于土壤母質(zhì),也受人類活動(dòng)的影響,相同來源的重金屬間存在一定的相關(guān)性。同時(shí),相關(guān)性顯著的重金屬具有較好的伴生關(guān)系[19,25-26]。本研究得出:砷含量與銅含量呈極顯著正相關(guān),鉛含量與鎘含量呈極顯著正相關(guān),銅含量與鎘含量呈顯著正相關(guān),表明砷、銅、鉛、鎘元素可能來自同一污染源,同時(shí)這些重金屬之間存在一定的伴生關(guān)系。

        從單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價(jià)結(jié)果來看,紫金縣森林土壤重金屬中砷的單因子污染指數(shù)超過1,屬輕度污染,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.439,屬輕度污染等級。農(nóng)藥、殺蟲劑、冶煉原料、染料等工業(yè)制品中含有大量砷、鎘、鎳元素及其化合物[3,11,27-28],本研究結(jié)果表明人類的生產(chǎn)活動(dòng)已經(jīng)對紫金縣森林土壤產(chǎn)生影響,需對紫金縣森林土壤定期開展污染檢測,控制并降低污染風(fēng)險(xiǎn),減少重金屬對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。

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