基于地累积指数法的连平 林地土壤重金属污染评价*

孙冬晓 曲 仡 邹祖有 张中瑞

（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）

土壤重金属污染是污染面积广、危害性大的环境污染问题之一，重金属在土壤中具有隐蔽性、潜伏性且不易降解，重金属污染成为近年来土壤领域研究的热点问题[1]。土壤重金属主要包括铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）[2]。目前许多研究对城市[3-4]、农田[5-6]、江河流域[7]的土壤重金属污染以及潜在风险进行了评价，为了解林地土壤重金属污染状况，亟需加强对林地土壤污染状况的评价研究。

Muller[8]曾提出用地累积指数定量评价沉积物中的重金属污染程度，并规定了相应的污染程度级别划分标准，该方法同样可用来评价土壤中重金属的污染程度及分级状况[9-11]。因此，本研究运用地累计指数法对连平县林地土壤重金属污染状况进行分析评价，以为林地土壤的污染及修复提供基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

连平县位于广东省北部，河源市西北部，属粤北九连山区。地理坐标为东经114°14′44″～114°56′51″，北纬24°05′48″～24°28′08″。东邻和平县，南连东源县、新丰县，西接翁源县，北与江西省龙南、全南两县交界，总面积2 275.08 km2,北、中部多为中低山，西南部大多是丘陵地带，东南部以谷底盆地为主，山地、丘陵、盆地占全县总面积的90%以上，是一个典型的山区县。属中亚热带季风气候，气候温和，夏冬长、春秋短，日照充足，热量丰富，降水季节明显，境内日照总时数1 615.4 h，平均气温20.4 ℃，降雨量1 923.3 mm。土壤类型主要为红壤、赤红壤。

1.2 数据获取

土壤样点布设采取了随机布点与专题布点相结合的方法，在连平县布设155 个样点，如表1。专题布点使得土壤样点能够充分代表连平县不同坡度、坡向、土壤类型、植被类型的林地土壤。随机布点是在专题布点的基础上，使得样点在空间上能均匀分布。按照《中华人民共和国林业行业标准》（LY/T 2250-2014）森林土壤调查技术规程[10]采集0～20 cm 表层土壤。土壤样品经自然风干后，磨碎过筛，进行重金属各元素指标含量测定，如表2。

表1 河源市连平县土壤样点布设Table 1 Layout of soil sample points in Lianping, Heyuan

表2 土壤重金属测定方法Table 2 Soil heavy metal determination methods

1.3 地累积指数法

地累积指数法近年来被国内用于土壤重金属污染的评价，表达式为：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

其中Cn是重金属元素n在土壤中的含量；Bn是土壤中该重金属元素的地球化学背景值（本次研究按广东省背景值计算）；k为考虑岩石差异可能会引起背景值变动而取的系数（一般取值为1.5）[11]。地累积指数分级如下表3。

表3 Muller 地累积指数分级[11]Table 3 Muller cumulative index grading

1.4 统计方法

数据标准化处理与运算使用Excel 2010；聚类分析使用SPSS 19 处理。

2 结果与分析

2.1 连平县林地土壤重金属污染地累积指数法评价

依据地累积指数法，对广东省河源市连平县林地土壤重金属污染状况进行评价，如表4。连平县林地土壤中存在一定的As、Cd 与Hg 元素污染，污染等级为轻度—中等污染，其余5 种元素未造成污染。

表4 连平县林地土壤土壤重金属地累积指数值及其分级Table 4 Geo-accumulation index value and grading of heavy metals in forest soil, Lianping

对广东省河源市连平县林地土壤重金属污染地累积指数分级及其频率进行统计，如表5。广东省背景值地累积指数计算的结果显示，Cd 的污染频率最大，达到100%（指1 级及以上级别占全部样本的百分比，以下同）；其次为As 与Hg，污染频率分别为98.71%与50.32%，其中As 存在1级、2 级、3 级、5 级污染，各级污染频率分别为81.29%、14.19%、2.58%、0.65%；其余元素按污染频率由大到小排序为：Zn、Pb、Cu、Ni、Cr。Pb 存在1 级、2 级、3 级污染，污染频率分别为6.54%、2.58%、0.65%、；Ni、Zn 存在2 级污染；所有元素均存在1 级污染。

表5 连平县林地土壤重金属地累积指数值分级频率分布Table 5 Classification frequency distribution of heavy metal geo-accumulation index in forest soil, Lianping

2.2 连平县各乡镇（林场）林地土壤重金属地累积指数值及分级比较

计算连平县各地区（乡镇/林场）样点地累积指数平均值，显示连平县各区域重金属元素的污染情况，如表6、表7。其中各地区Zn、Pb、Hg均为无污染；大湖镇存在1 级Cr、Ni、As、Cd 污染；高莞镇存在2 级As 和1 级Cd 污染，忠信镇存在1 级Cu、As、Cr 污染，其他地区包括陂头镇、隆街镇、内莞镇、上坪镇、田源镇、溪山镇、绣缎镇、油溪镇、黄牛石镇、元善镇、九连山林场、牛岭水林场）均存在1 级As、Cd 污染。

表6 连平县各乡镇（林场）林地土壤重金属地累积指数值Table 6 Geo-accumulation index of heavy metals in towns (forest farms) forest land soil, Lianping

表7 连平县各乡镇（林场）林地土壤重金属地累积指数污染等级Table7 Geo-accumulation index classification of heavy metals in towns (forest farms) forest land soil, Lianping

2.3 连平县各乡镇（林场）林地土壤重金属地累积指数聚类分析

聚类分析是进行元素间或区域间环境质量比较研究的重要手段[11]，能够分析元素间或区域间土壤重金属污染状况的分布特征[11-13]。本次研究采用SPSS 软件的群集分析功能，使用连平县各乡镇（林场）地累积指数平均值进行系统聚类形成树状图，如图1。树状图显示，在组间距离5～10时，隆街镇、内莞镇、陂头镇、黄牛石镇、九连山林场、牛岭水林场、上坪镇、田源镇、溪山镇、油溪镇、元善镇、高莞镇、忠信镇聚为一类，绣缎镇单独为一类、大湖镇单独为一类。

图1 连平县各乡镇（林场）土壤重金属地累积指数聚类分析Fig. 1 Cluster analysis of soil heavy metal geo-accumulation index of towns (forest farms) in Lianping

以各区域地累积指数平均值为连平县地累积指数，参与系统聚类形成树状图，如图2。在组间距离5～10 时，连平县与隆街镇、内莞镇、陂头镇、黄牛石镇、九连山林场、牛岭水林场、上坪镇、田源镇、溪山镇、油溪镇、元善镇、高莞镇、忠信镇聚为一类，绣缎镇单独为一类、大湖镇单独为一类。

图2 连平县与各乡镇（林场）土壤重金属地累积指的数聚类分析Fig. 2 Cluster analysis of soil heavy metal geo-accumulation index in Lianping and towns (forest farms)

3 结论与讨论

3.1 地累积指数法对连平县林地土壤重金属污染指数分级结果以及各污染分等级的分布频率来看，连平县林地土壤存在As、Cd 与Hg 元素污染，污染等级均为1 级污染（轻度—中等污染），其余5种元素包括Zn、Pb、Cu、Ni、Cr 未造成污染。其中Cd 的污染频率最大，达到100%；其次为As 与Hg，污染频率分别为98.71 %与50.32 %；其余元素污染频率由大到小依次为Zn、Pb、Cu、Ni、Cr。

3.2 连平县各乡镇（林场）的污染元素、污染程度又有明显区别。其中大湖镇存在1 级Cr、Ni、As、Cd 污染；高莞镇存在2 级As 和1 级Cd 污染，忠信镇存在1 级Cu、As、Cr 污染，其他地区均存在1 级As、Cd 污染。另外，各乡镇（林场）的林地土壤重金属Zn、Pb、Hg 均为无污染。

3.3 各区域地累积指数系统聚类结果显示，绣缎镇单独为一类、大湖镇单独为一类，连平县与其余地区归为一类。其中，绣缎镇除铅外各项元素地累积指数为各区域最低，大湖镇各项元素地累积指数均处于较高水平。因此认为大湖镇为污染相对严重区域、绣缎镇为污染程度相对较低区域。整体上看连平县各乡镇（林场）存在多种元素污染风险，但并不严重。

3.4 连平县以铁矿开采为主要工业生产内容，设工业邨两个，工业园一个，物流园一个。高彦鑫[14]对密云水库上游金属矿区重金属污染进行风险评估，发现铁矿区土壤Hg、Cd 元素污染程度较高；王丹丹[15]对五台山铁矿区重金属污染情况进行风险评价，发现铁矿区存在Hg、As、Cd 元素富集。因此认为连平县内Cd、Hg、As 元素污染源可能为铁矿开采过程中的排污行为，排污物包括尾矿、矿渣以及废水等。