韶关市花岗岩地区森林土壤重金属污染评价
2022-04-16余斐叶彩红许窕孜张中瑞朱航勇张耕华雷邓鉴锋丁晓纲
余斐，叶彩红, ，许窕孜, ，张中瑞，朱航勇，张耕，华雷，邓鉴锋，丁晓纲*
1. 广东省林业科学研究院/广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520；2. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642
花岗岩是大陆地壳的重要组成部分，主要分布在中国南方地区，总面积约为23.92万km2。研究表明，中国南方地区存在着花岗岩侵蚀现象，受侵蚀的面积高达19.72万km2，占花岗岩区总面积的82.44%，占红黄壤区侵蚀总面积的28.58%（史德明，1991）。中国南方的花岗岩受自身岩性以及亚热带季风性湿润气候的影响，其表面发育着深厚的疏松风化层。此外，南方地区又是中国人口密集区域，受人类活动的影响，南方花岗岩区的生态系统表现出极不稳定性和脆弱性（谢锦升等，2004）。花岗岩地区严重的侵蚀会使得该地区成土母质中的重金属迅速释放入土壤中，而韶关被誉为“金属之都”（田美玲等，2019），土壤母质中的重金属含量相对较高。基于此，为提高花岗岩侵蚀地区土壤的生产力，改善其生态环境，不少学者致力于花岗岩侵蚀区的土壤治理研究，其主要方面集中在土壤理化性质、土壤重金属污染评价以及修复治理研究（陈志彪等，2006；区晓琳等，2016；焦艳金等，2020）。
森林是陆地最大的生态系统，具有涵养水源、保持水土、净化空气、防止污染、调节气候、防风固沙等多种生态功能。土壤是森林生态系统重要的组成部分，是植被生存的物质基础，其质量好坏对森林生态环境起着重要作用。同时，土壤重金属具有不易降解、毒性高、易富集和环境持久性强等特点（杨皓等，2016）。由于城市化进程的快速发展，在人类活动的干扰下，重金属污染物通过大气沉降、工业三废排放、农用化肥使用、交通污染等多种途径进入森林土壤，进而使得森林生态环境遭到破坏。
森林土壤重金属研究是目前研究的热点问题之一（叶俊等，2020），土壤重金属的污染能直接影响到森林生态系统的结构与功能。因此，对森林土壤重金属含量特征、污染程度、生态风险评估等研究显得尤为迫切。有学者利用多种土壤污染评价方法对山东省9个城市功能区64个绿地土壤重金属的污染程度和潜在生态风险进行评估，发现土壤中镉含量严重超标，进而提醒了相关部门，应及时对污染地区土壤加强防治（陈为峰等，2019）。
广东省粤北的韶关市自古以来都有岩浆活动，其中以中生代侵入活动最为频繁，且主要发育花岗岩（骆庭川等，1986），形成了广阔的花岗岩区。同时，韶关市是广东省规划建设的区域性中心城市，是全国交通枢纽城市之一，经济发展快速。经济的快速发展和人类的频繁活动，导致土壤重金属污染加剧。韶关市也正在积极开展土壤污染防治工作（中华人民共和国国务院，2016）。本研究选取韶关市花岗岩区森林土壤作为研究对象，首先分析土壤中铬、铜、铅、汞元素含量分布特征，并利用经典土壤污染评价方法评估土壤中各元素污染程度；其次利用相关性分析，初步探讨花岗岩地区森林土壤重金属的主要影响因素，以期为花岗岩区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，也为花岗岩区森林土壤污染防控和区域生态安全保护提供建议和意见。
1 方法
1.1 研究区概况和花岗岩区确定
韶关市位于广东省北部，北界湖南，东邻江西，东南面、南面和西面分别与广东省河源、惠州、广州及清远等市接壤。介于 23°53′—25°31′N，112°53′—114°45′E 之间，属中亚热带湿润性季风气候区，年平均气温为 18.8—21.6 ℃，年降雨量为1400—2400 mm。韶关地形以山地、丘陵为主，河流主要属珠江水系北江流域，森林覆盖率73.3%，野生动植物资源丰富，被誉为华南生物基因库和珠江三角洲的生态屏障，是全国首批6个生态文明建设试点地区之一。根据2021年韶关市发布的《土壤环境背景值》（DB 4402/T08—2021），确定韶关市花岗岩分布区（如图1所示）。
图1 韶关市花岗岩地区取样点分布Figure 1 Distribution of sampling points in granite area of Shaoguan city
1.2 调查及采样方法
根据韶关市花岗岩区植被、地形、气候等特征，确定基本样本量（n=223），并采用典型抽样法布设样点，如图1所示。所选地区主要包括有人工林（杉木林、桉树林为主）和自然林（常绿阔叶林和落叶阔叶混交林为主），样地类型主要为低山（47%）和丘陵（28%），海拔在800 m左右，坡度为缓坡。根据样点情况，选择地形较为平整、植被能代表该区域水平的地方挖掘3个土壤剖面，每个剖面中心点的水平间距不小于10 m。每个剖面长1.2—1.5 m，宽0.8—1 m，剖面深度为1.0 m。每个剖面间隔20 cm取样，将各层样品均匀混合后作为该剖面的样品。将采集后的土壤样品密封保存，及时运回实验室，风干、研磨筛选后制样，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：铬、铜含量采用火焰原子吸收分光光度法测定，方法参考HJ 491—2019；铅、汞含量采用原子荧光法测定，方法参考GB/T 22105.1—2008。
土壤样品养分含量分析与测定方法分别为：土壤pH值采用电位法测定，方法参考HJ 962—2018；全氮含量采用连续流动分析仪测定，方法参考 HJ 717—2014；全磷含量采用碱熔法测定，方法参考HJ 632—2011；有机碳含量采用硫酸-重铬酸钾容量法测定，方法参考LY/T 1237—1999。
1.4 数据处理及制图
采用SPSS 20.0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ArcGis 10.7软件绘制采样点的空间分布图。采用Origin 2021b绘制散点图并做相关性分析，所有相关性数据均用对数处理以提高数据的正态性。
1.5 评价方法
土壤重金属污染评价采用单项污染指数法和内梅罗综合指数法（陈泽华等，2020），土壤重金属元素对生态系统的风险评价采用潜在生态风险指数法（胡永兴等，2020）。
1.5.1 单项指数法
单项污染指数法是研究某一污染物的污染程度的方法，计算公式为：
式中：
Pi——土壤重金属i的单项污染指数；
Ci——重金属i的实测值，单位 mg·kg−1；
Si——重金属i评价标准值，单位 mg·kg−1。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）》（GB 15618—2018）中非农田条件下的风险筛选值。单项污染指数法评价标准：Pi≤1，无污染；1
1.5.2 内梅罗综合指数法
内梅罗综合指数法是结合单项指数法计算出的各重金属污染指数进行评价的方法，在土壤重金属污染评价被广泛使用一种的方法。计算公式为：
式中：
P——内梅罗综合指数；
Pimax——重金属单项污染指数的最大值；
Piavg——重金属单项污染指数的平均值。内梅罗指数法评价标准为：P≤0.7，安全状态；0.7
1.5.3 潜在生态风险指数法
潜在生态风险指数法是瑞典科学家 Hakanson提出的，用于评价沉积物中重金属潜在风险程度的方法，能综合反映重金属对土壤的污染情况。
单一重金属的潜在生态风险指数的计算公式为：
式中：
Ei——单一重金属的潜在生态风险指数；
Ci——重金属i的实测值，单位 mg·kg−1；
Si——重金属i的土壤背景值，单位 mg·kg−1，本研究选用韶关市《土壤环境背景值》（DB 4402/T08—2021）花岗岩中的元素背景值作为参考。单一重金属的潜在生态风险等级划分为：Ei<40，轻微生态风险；40≤Ei<80，中等生态风险；80≤Ei<160，强生态风险；160≤Ei<320，很强生态风险；Ei≥320，极强生态风险。
多种重金属潜在生态风险综合指数的计算公式为：
式中：
IR——多种重金属潜在生态风险综合指数；
Ei——单一重金属的潜在生态风险指数。多种重金属潜在生态风险等级划分为：IR<150，轻微生态风险；150≤IR<300，中等生态风险；300≤IR<600，强生态风险IR≥600，很强生态风险。
2 结果与分析
2.1 4种土壤重金属含量特征
韶关市花岗岩区森林土壤重金属铬、铜、铅、汞元素含量均低于土壤污染风险筛选值，如表1所示。对4种重金属元素的变异系数进行分析，变异值由小到大依次为汞<铬<铅<铜。由此发现铜元素含量存在较大波动，其离散程度最高，受极端值的强干扰，因此可以看出土壤中的铜元素受环境影响程度最大。铬、铅元素含量变异系数相对而言较小，变异较为集中。在显著水平α=0.05的单样本K-S检验水平下，4种元素均符合正态分布。
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
2.2 土壤重金属污染评价及风险评估
对韶关市花岗岩区森林土壤重金属进行单项污染指数、内梅罗综合污染指数法进行评价（表2），研究区内土壤重金属铬、铜、铅、汞元素均处于非污染（0.11—0.70）及清洁等级（0.27）。对研究区内土壤重金属铬、铜、铅、汞元素进行潜在生态风险指数法进行评价发现（表3），铬、铜、铅这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；而汞元素的潜在生态风险指数为63.95，属中度生态风险（40≤Ei<80）。此外，韶关市花岗岩区土壤的综合风险指数为73.84，说明这4种重金属元素在该地的综合生态风险属于轻微程度（IR<150）。
表2 森林土壤重金属单项及综合污染指数评价Table 2 Individual 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价Table 3 Potential ecological risk assessment forest soil heavy metals
2.3 母质层与表层土壤重金属含量的相关性
韶关市花岗岩区森林土壤母质层（80—100 cm）和表层（0—20 cm）中铬、铜、铅、汞元素含量进行相关性分析（图2），发现只有铬、汞的两层土壤具有显著相关性（P<0.05）。随着母质层土壤中的铬含量越大，表层土壤中铬含量却越小，二者存在显著负相关性。随着母质层土壤中的汞含量越大，表层土壤中汞含量也越大，二者存在显著正相关性。因此证明，表层土壤中铬、汞含量受母质层土壤含量的影响较大；而表层土壤中铜、铅含量波动较大，受多方面环境影响，也验证了变异性也高于铬、汞这一结果（表1）。
图2 80—100 cm土壤重金属对0—20 cm土壤重金属含量的影响Figure 2 Influence of heavy metals in 80‒100 cm soil on heavy metal content in 0‒20 cm soil
2.4 土壤特性、养分与重金属含量的相关性
土壤特性会影响到土壤重金属的沉积状况。森林土壤养分能支撑植被生长，为其提供生长必要的氮素、磷素、钾素等。因此，研究土壤特性、养分和重金属含量的相关性也十分重要。试验发现，土壤pH仅与铅含量呈显著正相关；土壤有机碳与铬含量呈显著负相关，与铅、汞含量呈显著正相关（图3）。土壤全氮、全磷与4种重金属含量的相关性散点图发现（图4），土壤全氮与铬含量呈显著负相关，与铅、汞含量呈显著正相关，相关性情况与土壤有机碳相似；土壤全磷与铬、铜、汞含量呈显著正相关。从土壤重金属元素来看，变异性最大的铜含量却仅与全磷含量具有显著相关性；铅含量与pH、有机碳、全氮含量均具有显著相关性。在表1中变异值最低的铬、汞元素，均与有机碳、全氮、全磷含量显著相关。
图3 有机碳、pH对森林0—20 cm土壤重金属含量的影响Figure 3 Influence of organic carbon and pH on heavy metal content in forest soil in the depth of 0‒20 cm
图4 土壤全氮、全磷对森林0—20 cm土壤重金属含量的影响Figure 4 Influence of Total Nitrogen and Total Phosphorus on heavy metal content in forest soil in the depth of 0‒20 cm
3 讨论
通过单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对韶关市花岗岩区内森林土壤重金属污染进行评价，与当地农用地土壤重金属污染相比，农用地可能受污水灌溉、农用化肥的使用、大气沉降、交通污染、工业污染等影响，重金属含量严重超标（冯慧敏等，2018）。研究发现研究区森林土壤重金属含量在单项污染指数评价上均为非污染，这可能与森林的植被有关，树木个体大，生活周期长，栽培适应性强，且可以富集土壤中的重金属（陈志萍等，2020）。车继鲁等（2017）研究发现香樟树对铜、锌、铅、铬、锰、镍7种重金属元素均有一定的富集能力；焦艳金等（2020）研究发现马尾松树轮可富集土壤中的重金属，富集能力表现为铬>镍>锌>铜>镉。但是综合而言，本研究对研究区内土壤重金属污染进行潜在风险评估，研究表明森林土壤中汞元素存在一定的潜在生态风险，为中等潜在生态风险，可能原因是不同的污染评价方法对结果存在一定影响，也可能汞的毒性系数较大，使汞的潜在生态风险系数计算结果偏大，但仍需加强汞元素的污染防治，防范于未然。
研究表明在自然条件下，土壤重金属含量在土壤深度为 50—100 cm时受到外界干扰较小，主要与母质层重金属含量相关（蔡雄飞等，2021），基于此，本研究将80—100 cm层土壤视为母质层。通过母质层（80—100 cm）与表层（0—20 cm）森林土壤重金属含量的散点图可以看出，土壤母质层也会影响土壤重金属含量，主要对铬、汞元素含量影响比较大。有学者研究发现铬元素在红壤土中容易受降雨的影响向下迁移沉积（吴敏，2021），使得铬元素在深层积累因此母质层土壤与表层土壤中铬元素表现为负相关。土壤中汞元素主要来源于成土母质和煤燃烧及有色金属冶炼（李林等，2014），研究发现表层土壤中汞元素含量平均值超过其韶关市花岗岩区规定的背景值（0.09 mg·kg−1），因此表层土壤中的汞元素可能受到人为因素的影响，母质层土壤汞元素含量大于表层土壤汞元素含量，说明成土母质也可能是影响母质层土壤汞元素含量的因素之一。曾昭婵等（2016）研究发现汞元素在表层富集后受降雨影响向下迁移，但受到土壤环境的影响，迁移能力较弱。张福刚等（2013）通过对表层和深层土壤研究发现，土壤中的汞元素受成土母质和人类活动影响。此外，研究显示不同植被可富集不同土壤层次重金属（朱立安等，2021），这也可能是母质层与表层森林土壤中铬、汞元素显著相关的原因之一。
从森林土壤养分和重金属的相关性分析来看，土壤有机碳、全氮、全磷含量对土壤重金属含量的影响较大，大部分都达到显著性水平；土壤pH值对重金属含量的影响比较小，仅铅元素含量与其相关性显著。土壤有机碳对重金属具有一定的络合作用，土壤中有机碳含量增加重金属含量也随之增加。首先这与有机碳具有大量官能团有关，它可以吸附土壤中的重金属离子；其次土壤有机碳可以分解形成腐殖酸，腐殖酸与重金属元素可形成络合物，从而使有机态重金属含量增加（Zeng et al.，2011）。一般情况下，随着pH值升高，土壤对重金属的吸附固定能力增强，重金属有效态含量降低。但研究发现，仅铅元素含量与pH值相关性显著，这可能是pH值导致土壤重金属吸附、微生物活动、有机质分解等多个化学反应综合的结果（王文栋等，2021）。已有研究显示，土壤中全氮、全磷含量对于土壤重金属的影响在不同重金属类型中，表现不同。周曼等（2021）的研究表明，氮、磷的增加一定程度上减少了土壤 Cr的含量，但是会增加土壤Fe的含量。这与本研究结果中，氮、磷与土壤重金属之间存在不同的相关性相一致。这一结果，也表明氮、磷对于土壤重金属的影响是个复杂的过程，可能会通过影响不同植物的生长发育，或者改变土壤理化性质（土壤含水量、土壤pH等），从而最终改变土壤重金属含量。
4 结论
韶关市花岗岩地区森林土壤重金属铬、铜、铅、汞含量较低，未超过土壤污染风险筛选值，综合污染等级为清洁，属轻微生态风险程度，但单项汞元素为中等生态风险。土壤重金属铬、铜、铅、汞含量受土壤有机碳、全氮、全磷含量影响较大，pH影响较小。土壤重金属铜、铅的变异性较大，受多方面的影响。表层土壤重金属铬、汞含量受土壤母质层的显著影响。综上所述，应定期对韶关市森林土壤重金属情况进行监测，及时对个别重污染地区进行重金属的防治和修复。
