井冈蜜柚主产区土壤重金属污染特征及风险评价

林小兵 王斌强 成艳红 周利军 黄尚书 武琳 黄欠如 何绍浪

摘要：为探明井冈蜜柚园土壤重金属污染特征及风险状况，采集江西省吉安市4个主产区18个具有代表性的井冈蜜柚园土壤样品，测定其土壤理化性质和重金属（Cd、Pb、As、Hg和Cr）含量，采用单因子、地累积和内梅罗综合污染指数（PN）评价其污染程度，并采用潜在生态风险指数（RI）评价其生态风险。结果表明，研究区土壤肥力呈中下水平，酸化严重，碱解氮较缺乏。0—20 cm 土壤Cd、Pb、As、Hg 和Cr平均含量为0.23、63.81、13.95、0.10和167.28 mg·kg?1，为背景值的2.30、1.99、1.35、1.25和3.49倍；20—40 cm平均含量为0.26、62.40、13.51、0.10和167.87 mg·kg?1，为背景值的2.60、1.94、1.31、1.25和3.50倍；不同深度重金属含量差异较小。单因子污染指数和地累积指数均表明研究区土壤Cr、Pb和Cd累积程度较为严重，其中Cd有11.11%的属于重度污染。以标准值为参比，研究区土壤重金属污染程度主要呈轻度污染，属低生态危害程度；以背景值为参比，研究区土壤主要为中、重度污染，属中等、强危害程度。相关性分析表明，土壤重金属Cr与Pb、As具有较好的同源性。冗余分析表明，土壤pH和有机质含量是影响井冈蜜柚土壤重金属变化的主要环境因子。总体上，研究区土壤重金属污染较轻，但部分果园存在土壤重金属超标和Cd、Cr和Pb的累积程度较严重的问题，果农和有关部门需引起重视，采取有效措施防范其生态风险。

关键词：井冈蜜柚园；重金属；污染特征；环境因子；潜在生态风险

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0805

中图分类号：X820.4；S153 文献标志码：A 文章编号：1008‐0864（2024）03‐0188‐13

随着城市化、工业化和集约化农业的发展，大气沉降、污水灌溉、工业“三废”、交通活动、化肥及农药的不合理利用等，导致土壤重金属污染问题日益严峻[1‐2]。土壤重金属污染是全球性的环境问题，威胁着人类的身体健康并影响着社会经济的可持续发展。据报道，我国土壤总的点位超标率达到16.1%，其中土壤重金属镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）和铬（Cr）等污染物的点位超标率分别为7.0%、2.7%、1.6%、1.5% 和1.1%[3]。研究发现，重金属污染不仅严重威胁着生态环境、农作物生长和品质安全等，还通过食物链对人类健康造成严重影响[4‐5]。

化肥和有机肥在果园中的普遍施用，以及采矿及其他活动的影响[6]，造成重金属在果园土壤中富集。林媚等[7]对浙江台州柑橘主栽区调查发现，个别橘园存在重金属Cd、Hg和As超标现象；贺灵等[8]对赣南脐橙园土壤重金属调查研究发现，研究区土壤样品As、Cd、Cr和Pb超标率分别为8.3%、2.8%、13.9%和30.6%；王伟等[9]发现重金属Cd是造成重庆东北脐橙主产区土壤污染的主要因素。研究表明，土壤中重金属含量越高，其柑橘果肉中重金属富集量也越高[10]。因此，充分了解果园土壤重金属污染特征关系着食品安全和农业可持续发展。

井冈蜜柚是指江西省吉安地区内生产栽培的蜜柚产品的统称，主要包括‘金沙柚‘金兰柚和‘桃溪蜜柚等品种[11]。2018年，吉安市井冈蜜柚总面积为2.66万hm2，总产量约4.5万t，已成为当地农业增效、农民增收的优势产业[12]。蜜柚产量和品质是影响其栽培经济效益的关键，而土壤重金属污染直接影响蜜柚产量和果实品质[10]，摸清井冈蜜柚园土壤重金属污染状况是蜜柚产业可持续发展的基础。目前，对井冈蜜柚园土壤研究主要为肥力分析[13]，重金属污染研究鲜有报道。因此，本文以江西省吉安市青原区、吉州区、永新县和安福县4个井冈蜜柚主产区的井冈蜜柚园土壤为研究对象，研究了18个规模化具有代表性的井冈蜜柚园土壤中重金属Cd、Pb、Cr、As和Hg含量特征，利用单因子指数法、地累积指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法等对5种重金属的污染状况进行评价，并采用冗余分析和相关性分析探究土壤重金属与环境因子的互作关系，以期为准确掌握吉安地区井冈蜜柚土壤重金属污染状况、保障井冈蜜柚品质和食用安全、合理布局井冈蜜柚产业和可持续发展提供数据支撑及理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉安市，属江西省中西部，西接湖南省，南揽罗霄山脉中段，赣江中游。属亚热带湿润性季风气候，四季分明，雨量充沛，气候温和，年均气温18.5 ℃，年均降雨量1 504 mm，降水季节性变化大，河流较多，水系发达，属鄱阳湖水系。

1.2 样品采集与测定

选取江西省吉安市青原区、吉州区、永新县和安福县4个井冈蜜柚主产区的18个规模化、有代表性的井冈蜜柚园进行土壤样品采集。采样时间为2021年10月（果实成熟期），采样区果园树龄均为6～7年，土壤类型均为红壤。采用“S”型采样法随机选取长势一致的5株果树[13]，每个采样点避开当年施肥点位置，沿树冠滴水线向外推10 cm，挖深度45 cm左右的垂直剖面，在该剖面分别采集0—20 cm和20—40 cm土层土壤样品。将5棵树下取的土壤等量混合，剔除树根、杂草、石块等杂物后，充分混合均匀按四分法取土壤样品500 g作为1个土壤样品，待其自然风干后磨碎过筛，用于测定土壤基本理化性质。土壤有机质（organicmatter，OM）、阳离子交换量（cation exchangecapacity，CEC）、pH、碱解氮（alkaline nitrogen，AN）、有效磷（available phosphorus，AP）、速效钾（available potassium，AK）含量等理化性质采用常规分析方法[14]测定。土壤重金属Cr、Pb和Cd含量采用电感耦合等离子体发射光谱法（仪器和型号：电感耦合等离子体质谱仪iCAP-RQ）测定，检测限分别为0.328、0.185和0.025 mg·kg?1，土壤重金属As和Hg含量采用原子荧光光谱法（仪器和型号分别为：原子荧光光度计AF-640A和XGY-1011A）测定，检测限分别为0.01和0. 000 1 mg·kg?1。

1.3 数据处理

采用R语言软件（www.r-project.org，R 4.2.1）进行数据统计分析，通过R语言软件程序包ggplot2制图。参考文献[15] 将变异系数（coefficient ofvariation，CV）划分为：CV<10% 为弱变异，10%≤CV<100%为中等变异，CV≥100%为强变异。

1.4 研究方法

1.4.1 单因子指数 按照以下公式计算土壤重金属单污染指数。

1.4.2 内梅罗综合指数 按照以下公式计算内梅罗综合指数。

1.4.3 地累积指数 按照以下公式计算地积累指数。

1.4.4 潜在生态危害指数 按照以下公式计算潜在生态危害指数。

土壤重金属单因子指数、地累积指数、内梅罗综合指数和潜在生态危害指数污染等级划分标准[17‐18]详见表1。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质和重金属含量描述性分析

井冈蜜柚主产区土壤理化性质如表2所示。研究区域0—20 cm和20—40 cm土层土壤pH值平均为4.63和4.71，表明大部分土壤呈酸性和强酸性；土壤有机质均值为23.64和19.02 g·kg?1，属中等及以下水平；土壤阳离子交换量均值为8.45和7.81 cmol·kg?1，均低于10 cmol·kg?1，属于低水平；土壤有效磷、速效钾、碱解氮含量均值分别为49.15～65.23、142.25～211.90、54.14～80.36 mg·kg?1，表明土壤有效磷、速效钾含量较丰富，而碱解氮较缺乏。从变异系数来看，土壤pH 变异系数均小于10%，属弱变异；20—40 cm土层土壤有效磷和碱解氮变异系数均>100%，属强变异；其他土壤理化指标变异系数在10%～100%，属中等变异。

井冈蜜柚主产区土壤重金属含量如表3 所示。0—20 cm 土层，研究区土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr的平均含量分别为0.23、63.81、13.95、0.10和167.28 mg·kg?1，均超过江西省土壤环境背景值（以下简称“背景值”），且分别为背景值的2.30、1.99、1.35、1.25 和3.49 倍，表明该区域土壤重金属污染较为严重。这5种重金属元素超标率大小依次为Cr=Pb>Cd>As=Hg，超标率分别达到了100.00%、100.100%、72.22%、66.67%和66.67%，土壤中Cr、Pb 和Cd 的累积情况较As、Hg 严重。研究区仅Cr的平均含量超过国家土壤环境质量标准农用地土壤污染风险筛选值（以下简称“标准值”），为标准值的1.12倍，其超标率为55.56%；其他4 种重金属元素平均含量均未超过国家标准值，但Cd和Pb仍有部分样品超标，其超标率均为27.78%，表明这2种重金属元素均存在不同程度累积，可能会对该地区井冈蜜柚产量和品质产生影响。由表3可知，研究区5种重金属元素的变异系数由大到小依次为Cd>Hg>As>Cr>Pb，均属中等变异。

20—40 cm 土层，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的平均含量分别为0.26、62.40、13.51、0.10和167.87 mg·kg?1，均超过土壤背景值，且分别为背景值的2.60、1.94、1.31、1.25 和3.50倍，表明该区域土壤重金属污染较为严重。这5种重金属元素超标率大小依次为Cr=Pb>Cd>As=Hg，超标率分别达到了100.00%、100.100%、72.22%、66.67%和66.67%，土壤中Cr、Pb和Cd累积情况较As、Hg严重。研究区仅有Cr的平均含量超过土壤标准值，为标准值的1.12倍；其他4种重金属元素平均含量均未超过国家标准值，但Cd和Pb 仍有部分样品超标，其超标率分别为22.22%和33.33%，表明这2种重金属元素均存在不同程度累积，会对该地区井冈蜜柚产量和品质产生影响。由表3可知，工矿区5种重金属元素的变异系数由大到小依次为Cd>Hg>As>Cr>Pb，其中Cd 表现为强变异；Hg、Pb、Cd 和Cr 均属中等变异。

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数法 由图1可知，以背景值为评价标准时，0—20 cm 土层，井冈蜜柚主产区土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr的单因子污染指数平均值分别为2.33、1.99、1.35、1.21 和3.48，轻度污染以上分别为38.89%、44.44%、5.56%、16.67%和55.56%，其中Cd有11.11%属于重度污染；20—40 cm土层，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的单因子污染指数平均值分别为2.57、1.94、1.31、1.19和3.50，轻度污染以上分别为44.45%、38.89%、5.56%、11.11%和100.00%，其中Cd有11.11%属于重度污染。

由图2 可知，以标准值为评价标准时，0—20 cm 土层，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr的单因子污染指数平均值分别为0.78、0.91、0.35、0.07和1.12，仅Cd有5.56% 属于轻度污染；20—40 cm土层下，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的单因子污染指数平均值分别为0.86、0.89、0.34、0.07和1.12，仅Cd有11.11%属于轻度污染。

2.2.2 地累积指数法 以背景值为评价标准，应用地累积指数法（Igeo）对井冈蜜柚主产区土壤重金属污染进行评价（图3）。0—20 cm土层，研究区域土壤中重金属污染的强弱依次为：Cr>Pb>Cd>As>Hg，其地累积指数平均值分别为1.16、0.38、0.27、-0.35和-0.62。其中Cr污染级别为2级，表示中度污染；Pb和Cd污染级别为1级，表示无污染到中度污染。20—40 cm 土层，研究区域土壤中重金属污染的强弱依次为：Cr>Pb>Cd>As>Hg，其地累积指数平均值分别为：1.16、0.34、0.14、-0.42和-0.68。其中Cr污染级别为2级，表示中度污染；Pb和Cd污染级别为1级，表示无污染到中度污染。说明0—40 cm土层土壤中重金属Cr、Pb和Cd累积程度较严重，这与Cr、Pb和Cd超标率较高相一致。

2.2.3 潜在生态风险指数法 研究区域土壤重金属潜在生态风险系数（Ei）如图4和图5所示。以背景值作为参比时，0—20 cm 土层，土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr的潜在生态风险系数分别为69.80、99.39、13.54、48.34和6.97，其Ei大小顺序为Pb>Cd>Hg>As>Cr。其中，Pb 的Ei 最高，存在83.34%强及以上风险；其次为Cd，存在33.33%强及以上风险；Hg存在11.11%强风险，而；As和Cr较低，均为轻微风险。20—40 cm土层，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr的潜在生态风险系数分别为76.95、97.19、13.12、47.77 和6.99，其Ei 大小顺序为Pb>Cd>Hg>As>Cr。其中，Cd 存在5.56%极强风险；Pb存在61.11%强风险；Hg存在11.11% 强风险；As 和Cr 较低，均为轻微风险（图4）。

以标准值作为参比时，0—20 cm 土层，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr的潜在生态风险系数分别为23.27、45.58、3.49、2.97 和2.23，其Ei 大小顺序为Pb>Cd>As>Hg>Cr。其中，Pb 最高，存在77.78% 中等风险；其次为Cd，存在11.11%中等风险；As、Hg和Cr较低，均为轻微风险。20—40 cm 土层，研究区域土壤重金属Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的潜在生态风险系数分别为25.65、44.57、3.38、2.94 和2.24，其Ei 大小顺序为Pb>Cd>As>Hg>Cr。其中，Cd 存在5.56% 中等风险和5.56% 强风险；Pb 存在61.11% 强风险；As、Hg和Cr较低，均为轻微风险（图5）。

2.2.4 内梅罗综合污染指数 分析研究区井冈蜜柚土壤重金属内梅罗综合污染指数，结果如表4所示。以背景值为评价标准时，0—20 cm土层，研究区域土壤重金属污染程度呈中度污染和重度污染的样品比例分别为33.33%和66.67%；20—40 cm土层，呈轻度污染、中度污染和重度污染的样品比例分别为11.11%、27.78%和61.11%。以标准值为评价标准时，0—20 cm土层，研究区域土壤重金属污染程度主要处在轻度污染，占样品总数的66.67%；20—40 cm土层，重金属污染程度主要呈轻度污染，占样品总数的50.00%，但仍有部分样品属于重度污染，占样品总数的5.56%。

2.2.5 综合潜在生态风险指数 从综合潜在生态风险指数（RI）来看（表5），以背景值作为参比时，0—20 cm土层，研究区域井冈蜜柚土壤重金属RI为238.04，中等危害的达到88.89%，强危害的为10.71%；20—40 cm土层，研究区域土壤重金属RI为242.02，中等危害的达到77.78%，强危害的为16.67%。以标准值作为参比时，研究区域土壤重金属均属于低生态危害程度。

2.3 土壤重金属影响因素

2.3.1 土壤重金属相关性分析 为了得出土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr间的同源性及关联性，对井冈蜜柚土壤重金属进行相关性分析，结果（图6）表明，0—20 cm土层，土壤重金属Cd与As、Cr呈显著负相关，重金属Cr与Pb、As呈显著正相关；20—40 cm土层，重金属Cd与Pb、As、Cr呈显著负相关；Cr与Pb、As呈显著正相关。总体上，井冈蜜柚土壤中重金属Cr与Pb、As具有较好的同源性及关联性，而其他土壤重金属可能为单一来源。

2.3.2 冗余分析 冗余分析（redundancy analysis，RDA）表明，0—20 cm土层，土壤有机质含量（OM，R2=0.33，P<0.05）是影响土壤重金属含量变化的主要因子；20—40 cm 土层，土壤pH（R2=0.33，P<0.05）和有机质含量（OM，R2=0.35，P<0.05）是影响土壤重金属含量变化的主要因子（图7）。

3 讨论

土壤中的重金属元素是自然和人为因素综合作用的结果[8]。本研究发现，井冈蜜柚园土壤重金属Cd、Pb、As、Hg和Cr含量均超过背景值，其中部分土壤Cr、Cd和Pb超过标准值，即研究区土壤重金属Cr、Pb和Cd累积程度较为严重，与前人研究结果一致[19‐20]。以标准值为参比，研究区土壤重金属污染程度主要呈轻度污染，属低生态危害程度；但以背景值为标准，研究区土壤主要为中重度污染，属中等、强危害程度。杨玉等[21]调查发现，土壤重金属Cd、Hg和Cr是长沙和株洲地区葡萄果园主要污染因子；贺灵等[8]研究发现，赣南脐橙果园存在土壤As、Cd、Cr、Cu 和Pb 污染；王伟等[9]针对重庆东北脐橙调查发现，除As、Pb含量低于背景值外，其他重金属含量均高于土壤背景值。由此说明，重金属问题是果园土壤污染的重要因素，其重金属污染主要来源于污水灌溉、化肥农药的不合理使用、城镇垃圾等[22]。康智明等[23]研究发现，农用地土壤易受到农药、化肥、有机肥、地膜等携带的重金属污染。

研究区井冈蜜柚园地处乡村，远离城市，受城镇垃圾和工业污染的可能性小；该地区降水丰富，灌溉常用地下水，受污水灌溉影响较少；农药、化肥是柑橘、蜜柚生产的重要农用物资，长期不合理使用易导致果园土壤重金属污染[24]。施用含重金属的肥料或农药是造成目前果园土壤重金属积累的主要原因[22]。研究表明，化学肥料中特别是过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Pb等[25]；磷肥中含有较多的有害重金属，Cd常随着磷肥的施加而进入土壤[26]；Cd被认为是施用农药和化肥等农业活动的象征元素[27]；土壤中的Hg除大气沉降外，主要还受到有机肥、农药和化肥的影响[28‐29]；土壤中重金属Cr最初来源于岩石风化[30]。陈学民等[31]研究发现，影响果园土壤中Cr含量的主要因素是成土母质，过多化肥、农药中的有机磷沉积于土壤中，与土壤重金属Cd、Cr可形成难溶性的磷酸盐。研究区土壤重金属除了受土壤母质和化肥农药的不合理使用影响外，还可能与果园长期施用未经处理的禽畜粪便有机肥有关。倪治华等[32]调查发现，有机肥存在重金属As、Cd、Pb、Cu、Hg等超标现象，其中畜禽粪便重金属残留是有机肥中重金属污染的主要来源。韩建等[33]试验表明，高量有机肥处理会快速增加果园土壤重金属累积。本研究调查的果园树龄为6～7年，多年施用化肥特别是磷肥、除草剂和杀虫剂等农药以及动物粪便等有机肥易造成土壤重金属积累。研究表明，土壤重金属与柑橘果肉重金属含量呈显著正相关[10]。王春发等[34]调查发现，果实对土壤镉的富集能力表现为猕猴桃<柑橘类<葡萄类<桃。因此，应进一步调查和分析土壤重金属对柑橘类果实的长期影响。

本研究表明，井冈蜜柚园不同土层深度土壤重金属差异较小，与陆泰良等[35]在广西桂林市桃园土壤重金属研究结果相似，说明0—40 cm土壤均易受到重金属污染的影响。井冈蜜柚园土壤重金属Cr与Pb、As具有较好的同源性，Cd具有单一来源，受人类因素影响大。杨玉等[21]研究表明，相同土层中重金属Pb与As、Cr呈显著相关，同源性很高，可能来自同一污染源。本研究还发现，土壤pH和有机质含量是影响井冈蜜柚土壤重金属变化的主要环境因子。调查区地处亚热带季风气候区，高温多雨，大部分土壤呈酸性或强酸性，土壤肥力较低。该地区还是酸雨污染区，随着土壤pH的降低，增加了土壤重金属的活性，且在酸性环境下，酸离子与土壤胶体吸附的重金属离子易发生交换，造成土壤中被固定的重金属淋溶，从而使土壤中重金属含量增加[36]。

井冈蜜柚园土壤重金属污染要重点控制和消除污染源，应严禁使用重金属超标的农药和化肥，并逐步降低化肥和农药的使用量，增施有机肥并选择无污染的有机肥；新建果园时需考虑远离公路、工矿企业等。针对研究区土壤具有酸性强、养分不均等特点，建议采取科学措施平衡和补充土壤养分，防范土壤酸化导致的重金属活化。研究区部分果园土壤重金属超标严重，果农和有关部门需引起重视，需采取有效措施防范其风险，加强对重点区域井冈蜜柚果实的重金属检测，同时重金属Cd、Pb和Cr是井冈蜜柚园土壤今后监测和控制的重点。

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（责任编辑：张冬玲）