森林土壤重金属空间分布特征及污染评价——以华南沿海地区为例*

谭 琳 肖丽娜 江 瑶 张中瑞

（1.广东省林业科技推广总站，广东 广州 510173；2.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

森林土壤重金属污染是目前广受关注的热点问题[1]，重金属污染具有持久性、潜伏性、毒害性等特点，容易造成或引起潜在的土壤质量下降、森林生态环境恶化等危害，甚至可能会对林产品安全及人类健康造成严重威胁[2]。目前不少学者陆续开展了森林土壤重金属含量分布特征、污染程度评价、生态风险评估等研究[3-4]。其中，开展土壤重金属元素的空间分布特征研究，能够直接反映污染的重点分布区域及污染蔓延趋势。对森林土壤重金属污染进行客观精确的评价及风险评估，能够为下一步的污染防控和区域生态安全保护提供依据。

华南沿海地区经济发展快、城市化程度高，且长期受到高强度酸沉降的影响，森林土壤重金属大量积累，森林生态系统的承载能力不断下降[5]。森林土壤重金属污染问题正逐步发展成为影响生态环境、制约经济发展的关键因子，应当引起重视。本研究选择华南沿海地区森林土壤作为研究对象，分析土壤中镉、铅、铜、镍元素含量状况及空间分布特征，并利用经典污染评价方法评估土壤中各元素污染程度，以期为森林土壤重金属含量分布特征及污染评价方法的研究奠定基础，也为森林土壤生态环境安全和保护提供建议和意见。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于华南沿海地区珠海市南部的横琴新区，濒临南海，属南亚热带海洋性季风气候区，年平均气温为22-23 ℃，年平均降水量为2 015.9 mm。研究区主要地貌有山地、丘陵、平地、滩涂等。南部主要分布有大横琴山、丘陵、平地、滩涂和水域，北部主要分布有小横琴山、填海、围垦地，中部多是围垦、填海地、滩涂等[6]。总的来说，南、北部地区多山地、森林及旅游景区等，中部地区以居民生活区为主。研究区土壤类型包括红壤、赤红壤、石质土、海滨沙土、盐渍沼泽土、冲积土等。研究区植被茂密，主要的森林类型有榕树林、红树林和野生芦苇Phragmites australis，原生植被覆盖率高。

1.2 调查及采样方法

根据研究区植被、地形、气候特征等状况，确定基本样本量（n=30），并采用典型抽样法布设样点。选择样点内具有代表性的区域挖掘3 个土壤剖面，各剖面水平距离应大于10 m。每个剖面长1.2 ～ 1.5 m，宽0.8 ～ 1.0 m，剖面深度达母质层或地下水，土层较厚时深度达到1.0 m。各剖面每隔20 cm 分层取样，将各层样品混合均匀后作为该剖面的样品。采集后的土壤样品妥善保存，并及时带回实验室，风干、过筛后以便后续分析。

1.3 指标测定方法

土壤样品重金属含量分析与测定方法分别为：镉含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，铅含量采用原子荧光法测定，采用火焰原子吸收分光光度法测定铜、镍含量[7]。

1.4 数据处理及制图

采用 SPSS 18.0 软件对土壤重金属元素含量的均值、标准差及变异系数等作描述性统计，计算Kolmogorov-Smirnov 值以检验数据是否符合正态分布（显著水平α =0.05）。利用ArcGis10.7 软件对土壤重金属含量的空间分布作克里金空间插值分析，并制作空间分布特征图[8]。

1.5 土壤污染评价

土壤重金属污染评价采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法[9]。其中，单因子污染指数法用于研究单一重金属元素对土壤的污染状况；内梅罗综合污染指数法能够综合反应多种重金属对土壤的污染状况，并突出高浓度重金属对土壤质量的影响作用。两种评价方法的计算公式分别为：

公式（1）中，Pi为土壤重金属i 的单因子污染指数；Ci为重金属i 的实测值(mg/kg)；Si为重金属评价标准值(mg/kg)。由于目前尚无森林土壤重金属相关的限量标准，本研究采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[10](GB 15618—2018)中pH<5.5 非水田条件下的风险筛选值。公式（2）中，P 为内梅罗综合污染指数，Pimax为重金属单因子污染指数最大值，Piavg为重金属单因子污染指数平均值。单因子污染指数法评价标准：Pi≤1，无污染；1 ＜Pi≤2，轻度污染；2 ＜Pi≤3，中度污染；Pi≥3，重度污染。内梅罗污染指数可分为5 级，P ≤0.7 时表示土壤仍清洁；0.7 ＜P ≤1.0 表示土壤尚清洁(警戒线)，1.0 ＜P ≤2.0 表示土壤轻度污染，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 潜在生态风险评估

本研究采用潜在生态风险指数法[11]来评价重金属元素对生态系统的潜在风险。该方法能够分别反映研究区域中单个及多种重金属元素对土壤的潜在生态影响。计算公式为：

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

研究区森林土壤重金属元素含量的描述统计结果见表 1。其中，铅元素含量平均值最高，达到88.54 mg/kg，高于标准规定的铅元素土壤污染风险筛选值（70 mg/kg）；镉元素含量平均值最低，为0.05 mg/kg，低于标准规定的镉元素污染风险筛选值（0.3 mg/kg）；铜、镍元素含量平均值分别为7.36 mg/kg，9.03 mg/kg，均低于标准规定的铜、镍元素污染风险筛选值（50 mg/kg，60 mg/kg）。对4 种重金属元素的变异系数进行分析，变异值由大到小依次为镉(0.40)，镍（0.39），铜（0.38），铅（0.29），均处于中等变异程度（0.1 ≤CV ≤1.0）。在显著水平 α =0.05 的单样本K-S 检验水平下，均符合正态分布。

2.2 土壤重金属元素空间分布

依据土壤污染风险管控标准，研究区土壤铅含量较高，基本超过70 mg/kg 的风险筛选值。其中，西部至中部地区，土壤铅的含量相对低，基本处于90 mg/kg 以下的水平，东北部地区土壤铅含量略高于90 mg/kg，整体呈现自西向东逐渐升高的趋势。土壤铜含量总体低于风险筛选值50 mg/kg。其中，西北局部区域土壤铜含量相对较高，东北局部区域土壤铜含量相对较低，整体呈自西向东逐渐降低的趋势。研究区绝大部分区域土壤镍的含量处于8 mg/kg 水平，远低于风险筛选值60 mg/kg。其中，西南区域土壤镍含量相对较高，东北部土壤镍含量相对较低，整体呈自西向东降低的趋势。土壤镉含量相对较低，基本处于0.05 mg/kg 以下的水平，低于0.3 mg/kg 的风险筛选值。其中，西南部及西北局部区域土壤镉含量相对较高，东部区域土壤镉含量相对较低，整体呈自西南向东北逐渐降低的趋势。

表1 森林土壤重金属描述性统计特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of heavy metals in forest soil

2.3 土壤重金属污染评价及风险评估

研究区森林土壤重金属元素单因子及综合污染指数评价结果如表2 所示。土壤重金属镉、铜、镍元素单因子指数小于1，处于非污染等级。土壤铅的单项污染指数大于1，呈轻污染等级。研究区内梅罗综合污染指数为0.945，综合污染等级达到警戒线。

表2 森林土壤重金属单因子及综合污染指数评价Table 2 Single and Nemerow pollution index evaluation of forest soil heavy metals

表3 森林土壤重金属潜在生态风险评估Table 3 Potential ecological risk assessment of forest soil heavy metals

镉、铅、铜、镍4 种重金属元素的潜在生态风险指数及风险程度分级见表3。研究区铅、铜、镍3 种重金属元素的潜在生态风险指数均小于40，潜在生态风险程度为轻微；研究区镉元素的潜在生态风险指数在40～80 范围内，潜在生态风险程度为中等。此外，研究区土壤的综合风险指数小于150，说明这4 种重金属元素在研究区的综合生态风险属于轻微程度。

3 结论与讨论

通过分析研究区内重金属含量空间分布可以看出，除铅外，其它重金属元素含量均在风险筛选值以内。整体上看，镍、镉元素含量呈西南向东北逐渐降低的趋势，铜元素含量呈自西向东逐渐降低的趋势，铅元素含量呈西南向东北逐渐升高的趋势，但总体变化均属于中等变异程度。参照土壤污染风险管控标准，研究区内铅含量普遍处于风险状态，同时，结合其空间分布状态也可以推断，铅含量与研究区内频繁的人为活动直接关联[13]，在靠近景区、港口或其它居民聚集点，土壤铅含量相对较高。铅元素对人体健康危害性极大，一直以来是土壤研究中重点关注的一类污染因子[14]。因此，应当加强森林土壤铅含量环境监测，原则上应尽快采取安全防治措施。

通过单因子污染和内梅罗综合指数法对研究区内森林土壤重金属污染进行评价，研究区森林土壤重金属单因子指数小于1，说明森林土壤重金属含量均未超标，森林土壤中铅的单因子污染指数大于1，呈轻污染等级。研究区内梅罗综合污染指数为0.945，综合污染等级达到警戒线。对研究区内土壤重金属污染进行潜在风险评估，铅、铜、镍3 种金属元素的潜在生态风险指数均小于40，潜在生态风险程度为轻微；镉在研究区的潜在生态风险指数大于40 但小于80，潜在生态风险为中等。此外，研究区的综合风险指数值小于150，说明这4 种金属元素在研究区的总生态风险属于轻微程度。已有研究指出，华南沿海区域普通受到重金属污染的影响，由于大面积的围垦农田易造成铅、镍、铜、镉等元素的富集，往往表现为以镉元素为主的多种重金属混合污染[15]，相似地，本研究中镉处于中等潜在生态风险。另外，靠近城市中心区或工业活动密集区往往存在较高的污染风险[16]，本研究区城市化程度较高且人为活动密集，存在一定的总体潜在生态风险。因此，有必要进行定期森林土壤污染监测，加强污染源控制，并对污染风险区进行土壤理化性质适当调节，减轻对森林土壤生态环境的危害作用，从而保证森林生态系统健康稳定。