云南八角林地土壤重金属含量特征及潜在风险评价

余兴华，杨艳梅，李玉祥，孟凡来，陶永宏，滕 娟，王春芳

（1.文山州农业科学院食品研究所，云南 文山 663099；2.云南农业大学植物保护学院，云南 昆明 650201；3.曲靖市种子管理站，云南 曲靖 655000）

【研究意义】八角（Illicium verum）是我国南亚热带地区珍贵的经济林树种，属八角科的常绿乔木，其果为著名的调味香料，八角精油在医药、化工等方面也有广泛的应用［1］。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，农产品安全问题成为大家关注的焦点，其中土壤重金属污染是影响农产品安全的重大问题之一［2］。由于受人类和自然界的共同影响，土壤重金属会不断累积［3］，并可通过食物链进行富集，对人体健康造成潜在性的危害［4］。八角果实是其食用的主要部位，产地环境的优劣直接影响果实的品质。因此，加强八角产地土壤重金属含量特征的风险评估对食品的安全生产具有重要意义。【前人研究进展】重金属在土壤中移动性较小，主要积累在0～20 cm耕作层的土壤中，具有性质稳定、难降解、半衰期长等特点，土壤一旦遭受重金属污染就会不断积累，难以治理［5］。当前，针对林地土壤环境质量评价方面的研究已有一些报道，用于土壤重金属污染评价的方法较多，常见的评价方法包括单因子污染指数法［6］、内梅罗综合污染指数法［7］、潜在生态风险指数法［8］、地累积指数法等［9］，研究者常采用多种方法结合的方式进行评价［10-11］。2014 年4 月我国环保部和国土资源部联合发布的全国首次土壤污染状况调查显示，我国天然林、次生林和人工林林地土壤点位超标率高达10.0%，污染的重金属主要是As、Cd 等［12］。张红桔等［13］应用内梅罗综合污染指数与潜在生态危害系数评价了浙江省临安市山核桃林地土壤重金属潜在生态风险，结果表明土壤Cd、Cu、Zn、Ni、Cr 高值分布主要与矿区开采有关，而Pb 与钾肥的施用密切相关，研究区重金属空间分布特征受人为活动影响明显。蔡海丽［14］以国家土壤环境质量的二级标准值为参照，比较分析了邵阳地区油茶产地环境质量，结果表明土壤中重金属元素的含量既与成土母质有密切的关系，也受到局部环境质量状况、地形和生物地球化学循环的深刻影响。闫娜娜等［15］利用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态危险指数法评估了新疆和甘肃香梨产区土壤重金属残留风险，结果表明2 个产区的香梨园土壤重金属总体处于低生态风险水平，属于生产安全区域。赵璇等［16］利用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态危险指数法综合评价了陕南茶区土壤重金属Cu、Cd、Cr、Zn 和Ni 的含量，结果表明茶区土壤总体表现为安全清洁，均达到无公害、绿色食品产地环境土壤标准。【本研究切入点】云南是我国八角种植面积和产量第二大省，主要分布在东南部的文山州［17］，近年来，对八角林地土壤肥力性质［18］、树体营养元素的需求特点等均有研究［19］，但对八角产地土壤重金属含量特征的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以云南省文山州八角种植地区的土壤为研究对象，采用多种指数相结合的方法综合评价土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 和Ni 在八角产地的风险程度，以期为云南八角绿色食品的安全生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土壤样品采集时间为2020 年10 月至2021年1 月，在云南省文山州八角主要种植区的7 个县按八角林分布面积设采样点，选择代表性的林地采样，土壤按S 形采样法，共采集45 个样（马关县6 个，西畴县7 个，广南县7 个，富宁县9 个，文山县5 个，砚山县6 个，麻栗坡县5 个），采样深度为0～20 cm，5 个分点等量混匀为1 个样品，使用四分法取样重500 g，土壤样品经自然干燥后用木锤敲碎，除去样品中的植物碎片、岩屑、原生矿物颗粒等杂物，过孔径0.150 mm 尼龙筛充分混合后待测。

1.2 试验方法

土壤pH 值测定，称取3 g 土壤样品于50 mL烧杯中，加入7.5 mL 去除CO2的蒸馏水，用水平振荡器剧烈振荡2 min，使土粒充分分散，放置30 min 后，使用pH 计雷磁PHS-3E 进行测定［20］。土壤重金属测定，称取试样0.2 g 于聚四氟乙烯消解内罐，加硝酸5 mL 浸泡过夜。盖好内盖，旋紧不锈钢外套，放入恒温干燥箱，80 ℃保持2 h，120 ℃保持2 h，再升至160 ℃保持4 h，在箱内自然冷却至室温，打开后加热赶酸至近干，将消解液转移至25 mL 容量瓶中，用少量1%的硝酸溶液洗涤内罐和内盖3 次，洗液合并至容量瓶中，用1%硝酸定容，混匀备用［21］，试液在电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）上测定各重金属元素含量。

1.2.1 单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法 单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法分级标准见表1，单因子污染指数Pi=Ci/Si，其中Ci为某种污染物的实际测定浓度，Si为土壤环境质量《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）中的土壤重金属风险筛选值［11］。内梅罗综合污染指数，其中Pave与Pmax分别表示单因子污染指数中的平均值和最大值。

表1 综合评价指数分级标准Table 1 Grading standard of comprehensive evaluation indexes

1.2.2 潜在生态风险指数法 潜在风险指数法评价参照Hakanson［22］、Azhati 等［23］的标准（表2），土壤重金属潜在生态风险指数，其中为重金属元素i 的潜在生态风险因子，Pi为重金属元素i 的单因子污染指数，为重金属元素i 的毒性响应系数。各种重金属毒性响应系数依据Hakanson［22］制定的标准，分别为：Zn=1、Cr=2、Pb=Cu=Ni=5、As=10、Cd=30、Hg=40。

表2 土壤潜在生态风险分级标准Table 2 Classification standard of soil potential ecological risks

1.2.3 地质累积指数法 地质累积指数评价法以云南土壤背景值作为参考标准，地质累积指数分级标准见表3，，其中Cn为重金属元素n 的实测值，Bn为元素n 的云南省土壤背景值［24］。

表3 地质累积指数分级标准Table 3 Classification standard of geological accumulation indexes

试验数据采用Excel 2010 进行统计与整理，采用SPSS 20.0 进行Spearman 相关分析、绘制不同重金属元素的聚类图，采用ArcGIS 10.2 绘制采样分布图。

2 结果与分析

2.1 云南八角林地土壤重金属元素描述性统计分析

由表4 可知，云南八角种植区域土壤为酸性，pH 在4.47～5.82 之间，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的含量范围分别为0.13～0.46、0.12～0.39、30.74～269.08、25.49～126.10、24.90～103.37、16.70～61.99、32.11～121.72、12.26～52.22 mg/kg，8 种金属元素的变异系数在7.11%～18.75%之间。重金属Hg、As、Pb、Cr 的含量均超过云南省土壤重金属背景值，Cu、Zn、Ni 含量小于背景值，Cd 含量与背景值相等。以风险筛选值为对照，As、Pb、Cu 点位超出率分别为66.67%、11.11%、20.00%。

表4 八角林地土壤重金属含量描述性统计分析Table 4 Descriptive statistical analysis of soil heavy metal contents in Illicium verum forest land

2.2 云南八角林地土壤单因子及内梅罗综合污染评价

由表5 可知，8 种重金属的单因子污染指数大小依次为As>Cd>Pb>Cu>Cr>Ni>Zn>Hg。单因子污染指数在1～2 之间的重金属元素为As，污染等级为Ⅰ，污染程度为警戒级；Cd、Pb、Cu、Cr、Hg、Ni、Zn 的单因子污染指数均小于1.0，污染等级为Ⅰ，污染程度为安全。八角不同种植地的内梅罗综合污染指数存在差异，文山县综合污染指数最高，为4.22，污染等级为Ⅳ，污染程度为重污染；马关县、西畴县综合污染指数在1～2 之间，污染等级为Ⅰ，污染程度为警戒级；广南县、砚山县、麻栗坡县、富宁县的综合污染指数小于1.0，污染等级为Ⅰ，污染程度为安全。整个八角种植区的内梅罗综合污染指数为1.52，污染等级为Ⅱ，重金属为轻污染。

表5 八角林地土壤重金属单因子污染及综合污染指数Table 5 Soil heavy metal single factor pollution and comprehensive pollution indexes in Illicium verum forest land

2.3 云南八角林地土壤潜在生态风险评价

潜在生态风险指数法评价结果见表6，在土壤 pH 值小于5.82 的八角种植区，土壤重金属元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni、As 和 Hg 的潜在生态风险因子均小于40，生态风险等级均为低风险，潜在生态风险指数平均值为58.22，属于低生态风险程度。八角不同种植地的潜在生态风险指数均小于150，等级均为低生态风险。

表6 八角林地土壤重金属潜在生态风险指数Table 6 Potential ecological risk indexes of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.4 云南八角林地土壤地质累积评价

由表7 可知，8 种重金属的地质累积指数具有不同的变化，基于地质累积指数评判标准，Hg和As 的指数分别为1.19 和1.17，在1～2 之间，等级为中度污染；Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Ni 均小于0，属于未污染的等级。不同种植地的重金属潜地质累积指数存在差异，马关县、富宁县、麻栗坡县的Hg 在1～2 之间、为中度污染级别，As在0～1 之间、为无污染-中度污染的级别；西畴县的Hg 在2～3 之间、为中度污染-强度污染等级，As 在1～2 之间、为中度污染级别；广南县、砚山县Hg 和As 在0～1 之间，为无污染-中度污染的级别；文山县Hg 和As 为1.20 和3.07、为中度污染和强度污染级别，Pb 在0～1 之间、为无污染-中度污染的级别；其余均小于0，为无污染等级。

表7 八角林地土壤重金属地质累积指数Table 7 Geological accumulation indexes of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.5 八角林地不同重金属元素的相关性分析

云南八角林地重金属元素的相关性分析结果（表8）表明，Cd 与As、Zn 呈极显著正相关，相关系数分别为0.871、0.648，与Pb 呈显著正相关，相关系数为0.460；Hg 与Zn 呈显著正相关，相关系数为0.545；As 与Pb 呈极显著正相关，与Zn 呈显著正相关，与Ni 呈显著负相关，相关系数分别为0.690、0.443 和-0.616；Pb 与Ni 呈极显著负相关，相关系数为-0.652；Cr 与Cu 呈极显著负相关，相关系数为-0.604；Cu 与Zn 呈极显著正相关，相关系数为0.844。

表8 八角林地土壤重金属相关性分析Table 8 Correlation analysis of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.6 八角林地土壤重金属潜在来源的识别分析

对云南八角林地土壤中重金属的含量进行聚类分析，结果显示8 种重金属可分为2 类（图1），第一类包含As、Pb、Cd、Cu、Zn、Hg，其中Cd与云南土壤背景值相当，Pb 超过云南土壤背景值，As 的单因子污染程度为警戒级，Hg 和As 的地质累积污染指数为中度。云南省碳酸盐岩地区土壤明显富集As、Cd，主要表现出成土母岩中重金属含量高，再者其在风化成土过程中引起二次富集，为自然来源［25-26］。西南地区土壤中As、Pb、Hg的主要来源为农业活动、工业排放与燃煤［27-28］，Cu 和Zn 主要也受工业活动、农业活动以及交通排放的影响［29］。由此可知，云南八角林地的6种重金属含量可能主要受土壤母质和人类活动的共同影响。第二类包含Cr 和Ni，其单因子污染程度为安全、低生态风险，地质累积污染指数属于未污染等级。韩琳等［30］研究表明Cr 和Ni 在土壤中主要受控于地质背景，Cr 和Ni 同为铁族元素，易与土壤内氧化物结合，与成土母质关系密切［31］，表明此类2 种重金属含量主要受土壤母质的影响。

图1 八角林地土壤重金属的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of soil heavy metals in Illicium verum forest land

3 讨论

3.1 云南八角产区土壤重金属特征和污染程度评价

本研究结果表明，云南八角种植区土壤重金属Hg、As、Pb、Cr 的含量超过云南省土壤重金属背景值，这与前人研究该区域土壤重金属污染特征的结果相似。王乔林等［24］研究指出滇东南地区为岩溶山原赤红壤、红色石灰土区，除Mn元素背景值与全省Mn 背景值接近外，其他元素背景值均显著高于全省土壤背景值。张丽等［11］研究了滇东南农田土壤重金属分布特征及污染风险，结果表明研究区土壤Cd、Zn、Ni、Cr 和Hg的平均含量均超过了云南省土壤重金属背景值，受人类活动影响的重金属主要是As 和Hg，Cu 和Zn 的来源受自然和人为叠加影响，Pb、Cd 主要来源于工业活动。李雅［32］研究的基于土壤发生分类的云南省土壤重金属空间分异及污染评估表明，滇东南区土壤重金属As、Cd和Hg的含量较高，土壤存在轻微的Hg 污染。本研究中，云南八角林地As 超出了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中的重金属规定值，单因子污染指数表明As 污染等级为Ⅰ，污染程度为警戒级，地质累积指数评价表明Hg 和As 为中度污染等级。因此，云南省文山州八角生产需要重视区域内土壤重金属As 和Hg 的污染状况，防止其污染程度进一步加深，同时需加强地上部分果实重金属富集特征的评价研究。

3.2 人类活动及自然因素对林地土壤重金属的影响

土壤中重金属含量主要受到人类活动和成土母质的影响［33-34］，人类活动主要有大气降尘、汽车尾气、污水灌溉、采矿活动、农业生产中农药化肥施用等［3］。人类活动向大气释放的Hg、Pb、Cd、Zn 等重金属的量已分别超过自然源排放总量的1.5、18、5、3 倍［35］，这些污染物最终经过干湿沉降进入到森林等生态系统中，是土壤中重金属的重要来源之一。在人工森林生态系统中，不合理的施肥是造成土壤重金属污染的主要原因，一般来说重金属含量呈现的特点是磷肥＞复合肥＞钾肥＞氮肥，我国南方的红壤地区，由于人工林土壤有效磷含量少，以使用含重金属较多的磷肥为主，由此增加了土壤重金属潜在的环境风险［12］。矿山开采可对周边林区的土壤造成严重的污染，滇东南地区的铝土矿、Sn、Mn、Cu、Pb、Zn、Hg 等矿产资源丰富，土壤重金属背景值相应较高，矿业开发活动是造成土壤重金属含量较高的一个重要原因［32］。王厚杰［36］对文山州马关县矿区土壤重金属污染调查显示该地区土壤主要为重金属As 污染严重，Cu、Pb 和Zn 的污染次之。钟格梅等［37］研究表明，Pb 和As 两种重金属元素的环境污染主要来源于矿山开采和金属冶炼，两者通常同时存在。本研究相关性分析结果表明，As 与Pb 呈极显著正相关，相关系数为0.690。八角为人工造林，其在生活区、公路两旁、农作物耕地、矿区等均有种植。再者，产区在管理过程中盲目施用复合肥、磷肥等可造成重金属污染，因此人类活动是影响八角产地土壤重金属含量变化的一个重要原因。成土母质是造成土壤重金属含量变化的另一个重要途径，位于文山县八角种植区的采集点，其As 的地质累积指数较高。这与陈扬玉［38］研究的滇东地区微量元素分布地球化学特征的结果相同，即文山州属于高砷背景区域，与地壳原始化学成分作用有关。张家春等［39］评价了贵州喀斯特林地土壤重金属污染及其生物有效性，结果表明喀斯特林地土壤主要受到As、Cd、Cu、Ni 4种重金属的影响，酸性土壤中As 的生物有效性指数最高。文山州为典型的喀斯特岩溶地貌，八角种质区土壤均为酸性，pH 在4.47～5.82 之间，其As 的高含量可能也与其地质地貌相关，综合分析可知云南八角林地土壤重金属As、Pb、Cu、Zn、Hg 和Cd 可能主要受人类活动和自然土壤母质的共同影响。

4 结论

云南八角种植林地土壤重金属Hg、As、Pb和Cr 的含量均超过云南省土壤重金属背景值，Cu、Zn 和Ni 小于背景值，Cd 与背景值相等。As的单因子污染程度为警戒级，内梅罗综合污染指数等级为轻度污染程度，单项生态风险因子和潜在生态危害指数均属于低生态风险程度，地质累积指数Hg 和As 的污染等级为中度。综合分析表明八角林地土壤重金属Cd、Cu、As、Pb、Zn、Hg 主要受土壤母质和人类活动的影响，Cr 和Ni受自然成土壤母质影响。因此，在八角产区，需要加强肥料、农药、矿产开采活动等方面的重金属监测，以保障云南八角产区土壤具有绿色和可持续的生产能力。