葉彩紅 鄒祖有 許窕孜 張中瑞 朱航勇 張 耕 何 茜 丁曉綱

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；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）

土壤是人類(lèi)生存和發(fā)展的必要資源之一，也是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。重金屬具有普遍存在、微量毒性、生物富集和持久性等特點(diǎn)[1]，進(jìn)入土壤后容易造成土壤生態(tài)環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量下降等危害[2]，土壤重金屬污染因此也逐漸成為威脅土壤生態(tài)環(huán)境的重要因素[3-4]。森林作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，重金屬污染森林土壤已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[5-6]。國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者致力于森林土壤重金屬的研究，研究?jī)?nèi)容也主要集中在土壤重金屬空間分布特征[7]、污染評(píng)價(jià)[8]、影響因子[9]、污染修復(fù)[10]以及污染來(lái)源[11]等方面。

重金屬的污染會(huì)直接影響森林的土壤生態(tài)環(huán)境，因此對(duì)森林土壤中重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等研究是十分重要的。陳錦等[12]運(yùn)用單因子法和綜合污染指數(shù)法對(duì)官莊金礦地區(qū)周?chē)寥乐亟饘傥廴厩闆r進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，發(fā)現(xiàn)越靠近尾礦庫(kù)重金屬污染越嚴(yán)重，且污染嚴(yán)重程度依次為As、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni和Hg。樊 志 穎 等[13]對(duì)色季拉山森林土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，通過(guò)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)在0～20 cm土層中重金屬含量，結(jié)果表明Ni、Cd、Hg 3種重金屬元素均已達(dá)到污染程度。葉俊等[14]利用4種經(jīng)典的重金屬污染評(píng)價(jià)方法對(duì)中國(guó)13個(gè)具有代表性的林地土壤重金屬（Pb、Cd、Cu、Zn）進(jìn)行評(píng)價(jià)。Mohammed等[15]以馬來(lái)西亞吉隆坡自然公園土壤重金屬為研究對(duì)象，利用3種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法評(píng)估研究區(qū)土壤，發(fā)現(xiàn)吉隆坡雪蘭莪河口重金屬的風(fēng)險(xiǎn)較低，經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)不同的紅樹(shù)林對(duì)重金屬的分配和吸收能力不同。

韶關(guān)市是我國(guó)重要的礦產(chǎn)基地，Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、U、W等礦產(chǎn)儲(chǔ)量位居全省第一[16]，被譽(yù)為“金屬之都”[17]，土壤母質(zhì)的重金屬含量相對(duì)較高[18]。其中曲江區(qū)自然資源豐富，被譽(yù)為“有色金屬之鄉(xiāng)”[19]，森林覆蓋率74.55%[20]。自印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》后[21]，韶關(guān)市作為土壤污染綜合防治先行區(qū)開(kāi)展了土壤污染調(diào)查工作。本研究選取韶關(guān)市曲江區(qū)森林土壤作為研究對(duì)象，分析Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8種重金屬元素含量分布特征，利用經(jīng)典土壤評(píng)價(jià)方法單因子法和綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度，以期為曲江區(qū)森林土壤重金屬污染治理和安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

曲江區(qū)（113°06′30″E～113°59′57″E，24°27′18″N～25°08′12″N）位于廣東省韶關(guān)市南部，總面積1 620 km2。曲江區(qū)地處北回歸線以北，南嶺山間盆地，南離海洋較遠(yuǎn)，北被南嶺山脈阻隔，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候明顯，冷暖交替明顯，夏季長(zhǎng)、冬季短，年均氣溫20.1℃，夏季平均氣溫28.9℃，最熱可到39.5℃，最冷月平均氣溫9.6℃，極端最低零下5.3℃；年降雨量1 640 mm。

1.2 樣品采集和測(cè)定

根據(jù)曲江區(qū)森林植被、地形（坡向、坡度等）等特征，確定采樣點(diǎn)107個(gè)，并采用典型抽樣法布設(shè)樣點(diǎn)。根據(jù)樣點(diǎn)情況，選擇地形較為平整、植被能代表該區(qū)域水平的地方挖掘3個(gè)土壤剖面，每個(gè)剖面中心點(diǎn)的水平間距不小于10 m。每個(gè)剖面深度在0～20 cm，在此區(qū)間取土壤樣品，每份樣品不少于500 g。將樣品均勻混合后作為該剖面的樣品。將采集后的土壤樣品密封保存，及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、研磨篩選后制樣，以便后續(xù)分析。

土壤重金屬銅、鋅、鉻、鎳元素含量參照《土壤和沉積物銅、鋅、鎳、鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》HJ 491-2019進(jìn)行測(cè)定[22]，土壤重金屬汞、砷、鉛元素含量參照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》GB/T 22105.3-2008進(jìn)行測(cè)定[23]，土壤重金屬鎘元素含量參照《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測(cè)定石墨爐原子吸收分光光度法》GB/T 17141-1997進(jìn)行測(cè)定[24]。

1.3 污染評(píng)價(jià)方法

采用單因子指數(shù)法[25]、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[26]進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)。

單因子指數(shù)法[25]是研究某一污染物的污染程度的方法，計(jì)算公式為：

公式（1）中，Pi為土壤重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)值，單位mg·kg-1；Si為重金屬i評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，單位mg·kg-1。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）》[27]（GB 15618—2018）中非農(nóng)田條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為標(biāo)準(zhǔn)值（表1）。單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表1 土壤重金屬評(píng)價(jià)參考值Table 1 Reference value of soil heavy metal evaluation mg·kg-1

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[26]是結(jié)合單因子指數(shù)法計(jì)算出的各重金屬污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中被廣泛使用一種的方法。計(jì)算公式為：

公式（2）中，P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，Pimax為重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值，Piavg為重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table2 Single factor index and Nemerow comprehensive pollution index evaluation index

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[26]是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的，用于評(píng)價(jià)沉積物中重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，能綜合反映重金屬對(duì)土壤的污染情況，其公式為：

表3 生態(tài)危害程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Evaluation index of ecological hazard degree and potential ecological risk degree

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析等使用SPSS 20.0軟件，污染程度圖使用Origin 2022軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林土壤重金屬含量特征

曲江區(qū)森林土壤重金屬元素含量的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4，由表可知8種重金屬元素含量的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等。對(duì)Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8種重金屬的變異系數(shù)進(jìn)行分析，其變異系數(shù)有小到大依次為Hg＜Cu＜Cr＜Zn＜Pb＜Ni＜Cd＜As。由 此 可 知Pb、Ni、Cd、As 4種元素極度變異，離散程度最高，受極端值的極強(qiáng)干擾，由此可以發(fā)現(xiàn)這4種重金屬元素受環(huán)境影響程度大，在森林土壤中含量分布不均；Cu、Cr、Zn元素為高度變異；Hg元素為中等變異，變異程度相對(duì)而言較為集中。

表4 曲江區(qū)森林土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Descriptive statistical characteristics of heavy metals in forest soil of Qujiang district mg·kg-1

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)曲江區(qū)森林土壤重金屬進(jìn)行單因子指數(shù)、內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)（表5），曲江區(qū)Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8種 重金屬元素的單因子指數(shù)小于1，均處于非污染等級(jí)（0.13～0.63）。曲江區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.51＜0.7，綜合污染等級(jí)為安全狀態(tài)。

表5 曲江區(qū)森林土壤重金屬單因子指數(shù)及綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)Table 5 Evaluation of forest soil heavy metal single factor index and comprehensive pollution index in Qujiang district

以農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值為背景值，曲江區(qū)森林土壤重金屬元素中僅Hg元素未出現(xiàn)污染超標(biāo) 情 況，其 余Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb 7種重金屬含量均存在高于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的情況，超標(biāo)率分別為0.93%、0.93%、1.87%、1.87%、12.15%、9.35%和13.08%，污染程度如圖1所示。由圖可知As元素污染情況最為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在重度污染和輕度污染上，其占比分別為4%和8%，其次到Cd、Pb元素，其重度污染分別為4%、2%，說(shuō)明這3種元素雖然存在嚴(yán)重的點(diǎn)狀污染，但污染范圍較?。籆r、Ni、Cu、Zn元素僅出現(xiàn)輕度污染，且污染占比小，污染程度相對(duì)而言較輕，其污染范圍小。

圖1 以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為參考值的重金屬單因子指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度Fig. 1 Heavy metal single factor index was used as reference value to evaluate the pollution degree of agricultural land soil

Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8種 重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)程度見(jiàn)表6。曲江區(qū)Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb 6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)程度為輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在40～80之間，為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；Hg元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在80～160之間，其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。此外，曲江區(qū)的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在150～300之間，綜合風(fēng)險(xiǎn)程度為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表6 曲江區(qū)森林土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估Table 6 Potential ecological risk assessment of heavy metals in forest soil of Qujiang district

2.3 森林土壤重金屬相關(guān)性分析

為探討曲江區(qū)8種重金屬的來(lái)源和遷移，分析了8種重金屬元素之間的相關(guān)關(guān)系。由表7可知，Ni元素與Cr、Cu、Zn、Cd元素分別存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，Cu元素與Cr、Zn、As、Pb元素分別存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，Zn元素與Cr、As、Cd、Pb元素分別存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，As元素與Pb元素之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，Hg與As、Pb元素分別存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。其中Ni與Cr相關(guān)系數(shù)達(dá)0.741，表明Ni與Cr可能存在相同的來(lái)源，Zn與Ni、Cu、、Cd、Pb的相關(guān)系數(shù)分別為0.631、0.578、0.527、0.591，說(shuō)明Zn元素與這4種元素呈現(xiàn)復(fù)合污染的可能性大。

表7 曲江區(qū)森林土壤重金屬元素相關(guān)關(guān)系Table 7 Correlation of heavy metal elements in forest soil of Qujiang district

3 討論與結(jié)論

曲江區(qū)森林土壤重金屬含量特征結(jié)果表明：該區(qū)域森林土壤重金屬含量差異較大，但大部分樣點(diǎn)的重金屬含量均為超過(guò)農(nóng)用地土壤篩選值；重金屬的變異系數(shù)表現(xiàn)為Hg元素最小，As元素變異系數(shù)最大，說(shuō)明該地區(qū)森林土壤重金屬存在比較明顯的空間分布差異。

以農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值為參考值，計(jì)算研究區(qū)森林土壤重金屬的單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明8種重金屬平均含量單因子指數(shù)均小于1，土壤無(wú)污染，其中As和Pb的單因子指數(shù)最高，Ni的單因子指數(shù)最低。8種重金屬的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為0.51＜0.7，綜合評(píng)價(jià)為安全狀態(tài)?；趶V東省土壤背景值的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示，研究區(qū)森林土壤重金屬的單一潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)有小到大依次為Zn ＜ Cr ＜ Ni ＜ Cu ＜ Pb ＜ As＜ Cd ＜ Hg，其中Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As元素為輕度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd元素為中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg元素為強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。8種重金屬的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為220.36，潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中度生態(tài)風(fēng)。單因子指數(shù)法是通過(guò)對(duì)單一重金屬的含量進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的，而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法充分考慮了不同重金屬生物毒性系數(shù)，計(jì)算時(shí)增加了重金屬的毒性系數(shù)，其對(duì)土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)也會(huì)更加綜合和全面[30]。潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中Hg、Cd的毒性系數(shù)較大，而Zn的毒性系數(shù)較小，說(shuō)明Hg、Cd元素對(duì)人體和植物的毒害作用較大，因此在通過(guò)單因子指數(shù)法計(jì)算出Hg、Cd元素的污染等級(jí)為無(wú)污染的情況下，Hg、Cd元素在生態(tài)系統(tǒng)中仍存在較大的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

土壤重金屬的來(lái)源主要為自然來(lái)源和人為來(lái)源[31]，自然來(lái)源主要是通過(guò)母質(zhì)和基巖風(fēng)化而產(chǎn)生的巖石輸入[3]，人為來(lái)源主要是人類(lèi)的采礦活動(dòng)、冶煉廠、工業(yè)使用、化石燃燒粉塵廢氣等產(chǎn)生的[32]。具有相同來(lái)源的重金屬之間往往具有一定的相關(guān)性，因此可通過(guò)分析相同土層的重金屬含量之間的相關(guān)性來(lái)推測(cè)其來(lái)源[33]。研究發(fā)現(xiàn)Ni與Cr相關(guān)系數(shù)達(dá)0.741，表明Ni與Cr可能具有相同的來(lái)源，通過(guò)單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)分析，Ni、Cr均處于無(wú)污染狀態(tài)，因此推測(cè)其來(lái)源可能為成土母質(zhì)。Zn與Ni、Cu、Cd、Pb的相關(guān)系數(shù)分別為0.631、0.578、0.527、0.591，說(shuō)明Zn元素與這4種元素可能存在復(fù)合污染的可能性大，或其具有相同的污染來(lái)源。研究區(qū)位于韶關(guān)市曲江區(qū)，被譽(yù)為“有色金屬之鄉(xiāng)”，礦產(chǎn)資源豐富，頻繁的礦山開(kāi)采冶煉、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)，會(huì)排放大量重金屬?gòu)U氣，通過(guò)大氣自然遷移和沉降等途徑進(jìn)入土壤并累積，使得研究區(qū)的大部分重金屬之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。Cheng等[34]研究發(fā)現(xiàn)土壤重金屬As、Cd、Pb、Zn、Cu的污染主要來(lái)自礦石開(kāi)采、尾礦風(fēng)化以及冶煉廠的廢氣排放，Hg主要來(lái)源為冶煉廠和尾礦壩的降塵和氣體排放，Cr、Ni主要來(lái)源成土母質(zhì)。

韶關(guān)市曲江區(qū)森林土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg元素平均含量較低，均未超過(guò)農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)為安全狀態(tài)。通過(guò)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，除Cd、Hg元素外，其余6種重金屬均屬于輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，而Cd元素為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg為強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，因此研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)定期對(duì)曲江區(qū)森林土壤重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)Cd、Hg這兩種中、高等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)元素的檢測(cè)，避免這些元素的潛在危害。研究區(qū)森林土壤重金屬間存在不同的相關(guān)性，表明重金屬之間存在一定的同源性，其主要來(lái)源可能為成土母質(zhì)、礦山開(kāi)采冶煉及化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)等，因此應(yīng)加強(qiáng)污染源控制。