商洛金鳳山不同林地土壤重金屬含量研究

楊維鴿，岳軍偉，張雁

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

重金屬難以被微生物直接分解，難以移動(dòng)，導(dǎo)致污染生態(tài)系統(tǒng)，并且通過(guò)食物鏈危害人類(lèi)健康[1-2]。由于森林土壤中的重金屬元素進(jìn)入到人類(lèi)食物鏈的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬元素，因此對(duì)森林土壤中重金屬元素污染的研究較少[3-9]。目前，關(guān)于森林土壤重金屬的研究聚焦在城市、郊區(qū)和典型污染區(qū)[10-12]。如方晰等[13]調(diào)查了長(zhǎng)沙市6種森林類(lèi)型土壤重金屬，結(jié)果表明總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)到了中等程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Hansen等[14]發(fā)現(xiàn)法國(guó)城市森林土壤中重金屬含量Cr>Zn>Pb>Ni>Cu>Co>Cd。杜俊平等[15]分析了太白山土壤中6種重金屬元素的含量和特征。寧曉波等[16]研究了典型石灰土林地土壤重金屬污染特征。研究表明由于大氣沉降和其他人類(lèi)活動(dòng)等原因，遠(yuǎn)離城市的森林土壤也會(huì)出現(xiàn)大量重金屬元素的累積[17-19]。秦嶺地處陜西南部、渭河與漢水之間，境內(nèi)山體高大、山巒重疊、溝壑縱橫。秦嶺不僅地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，而且在我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展方面起著比較重要的作用[20]。隨著陜西省生態(tài)旅游的發(fā)展，秦嶺在吸引了很多游客的同時(shí)，其自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也被越來(lái)越多的人們關(guān)注。目前關(guān)于秦嶺山區(qū)環(huán)境質(zhì)量的研究較少。鑒于此，本文以秦嶺南麓的陜西省商洛市商州區(qū)金鳳山為研究區(qū)，以4種典型的人工林地土壤為研究對(duì)象，采用土壤重金屬污染評(píng)估的方法，分析4種人工林地土壤中重金屬的含量和污染特征，為研究秦嶺人工林土壤中重金屬元素的變化和累積規(guī)律提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

商洛市商州區(qū)金鳳山位于商洛市北部，地處秦嶺腹地，109°56'～109°57'E，33°52'～33°53'N，海拔約為930 m，東接?xùn)|龍山，西至二龍山，北靠戴云山，南臨丹江，因?yàn)樗牡匦尉拖袷菑堥_(kāi)翅膀的鳳凰，被人們稱為金鳳山。以暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候?yàn)橹?，年平均氣溫?1～14℃，最高氣溫為37～40.8 ℃，最低氣溫為-11.8～-21.6 ℃，年平均降水量710～930 mm，呈現(xiàn)出四季分明、雨熱同期的氣候特征。土壤以黃棕壤、棕壤為主，呈酸性或微酸性反應(yīng)。土地利用主要以林地為主，森林植被以喜濕性針闊葉樹(shù)為主，混生有少量常綠闊葉樹(shù)種。

1.2 樣品的采集

林地的選取和土壤樣品采集于2020年。通過(guò)調(diào)查商州區(qū)的植被分布和長(zhǎng)勢(shì)，確定了生長(zhǎng)旺盛且能代表本區(qū)域人工林的金鳳山作為研究區(qū)。3月底，在同一坡向沿著徑流的方向，選擇兩個(gè)間距50 m的縱斷面進(jìn)行采樣，每個(gè)縱斷面樣點(diǎn)間20 m。共采集了25份土壤樣品，分別采自于核桃（Juglandis）（5份）、刺槐（Robinia pseudoacacia）（13 份）、構(gòu)樹(shù)（Broussonetia papyrifera）（4份）和橡樹(shù)（Quercus palustris Münchh）（3份）林地土壤。采樣土層深度為0～20 cm。采樣時(shí)，首先清除地表上的雜物碎屑，然后在距每個(gè)采樣點(diǎn)1 m的距離內(nèi)的4個(gè)點(diǎn)采集土壤樣品，攪拌混合均勻，取約1 kg裝入塑料袋中，并對(duì)所采集的土樣進(jìn)行編號(hào)，并帶回實(shí)驗(yàn)室，將土壤樣品自然風(fēng)干后，去除土塊中的草根和小石塊等。土樣研磨后通過(guò)100目尼龍篩，存儲(chǔ)在自封袋中待測(cè)。

1.3 土壤重金屬含量的測(cè)定

土壤樣品中的重金屬元素測(cè)定選用火焰原子吸收分光度光法[21]。

1.4 評(píng)價(jià)方法

以陜西省土壤背景值[22-23]作為土壤重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用地積累指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法分析金鳳山不同林地土壤重金屬污染水平和潛在的生態(tài)危害。

1.4.1 地積累污染指數(shù)法

地積累污染指數(shù)引入背景值作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)測(cè)的重金屬含量進(jìn)行歸一化處理。計(jì)算公式為：

式(1)中，Cn為土壤實(shí)測(cè)的重金屬含量，Bn為陜西省土壤重金屬含量背景值，K=1.5。地積累指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 地積累指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

采用內(nèi)梅羅（Nemerow）污染指數(shù)法計(jì)算綜合污染指數(shù)，用于評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度。計(jì)算公式為：

式(2)中，Pi為綜合污染指數(shù)，(Ci/Si)max為土壤重金屬元素中污染指數(shù)的最大值，(Ci/Si)ave為土壤各污染指數(shù)的平均值，Ci為第i個(gè)土壤樣品重金屬含量的實(shí)測(cè)值，Si為陜西省土壤重金屬背景值。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可將土壤綜合污染劃分為5個(gè)等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 土壤綜合污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

參考Hakanson[24]提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)分析法。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式為：

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地土壤重金屬的含量

如表4所示，4種林地的土壤重金屬元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 平均含量均低于陜西省背景值。土壤重金屬含量差異較大，Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的含量分別介于2.30～35.41，4.04～54.18，7.19～63.02，4.88～44.11，20.08～283.67 mg·kg-1， 平均值分別為 9.53，13.7，16.4，11.56，57.3 mg·kg-1，5 種重金屬平均值由大到小依次為 Zn＞Cr＞Pb＞Ni＞Cu。 變異系數(shù)是表征樣本變異程度的重要指標(biāo)，可以在一定程度上反映人為因素影響的程度，變異系數(shù)CV＜0.10為弱變異，0.10≤CV≤0.30為中等變異，CV＞0.30為強(qiáng)變異。5種重金屬平均變異程度按從大到小排序?yàn)?Ni＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn， 重金屬Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的變異系數(shù)均大于 0.5，表明這5種重金屬元素均為強(qiáng)變異。由此可見(jiàn)，金鳳山土壤中的這5種重金屬受外界干擾的影響較顯著，具有很大的空間變異性，其主要可能是由工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)化肥和旅游業(yè)等人類(lèi)活動(dòng)引起的。土壤中重金屬元素的來(lái)源分為天然來(lái)源和人工來(lái)源。自然原因主要是來(lái)自地球內(nèi)部的地質(zhì)和化學(xué)過(guò)程，大氣重金屬粉塵和自然土壤污染的影響。人為原因主要包括人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。金鳳山靠近商州區(qū)北環(huán)公路，受汽車(chē)尾氣排放的影響，重金屬元素經(jīng)大氣自然遷移和沉降作用進(jìn)入土壤并累積，這可能是重金屬污染林地土壤的原因之一。此外，金鳳山位于商州區(qū)，離居民點(diǎn)密集區(qū)較近，人類(lèi)的生產(chǎn)生活也會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬含量變異。

表4 金鳳山林地土壤重金屬的平均含量

不同林地的土壤重金屬含量如表5所示，盡管所有樣點(diǎn)土壤重金屬 Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 平均含量均低于陜西省背景值，但不同林地土壤重金屬含量差異明顯。不同林地5種重金屬含量的變異系數(shù)變化很大，其中Zn和Cu含量的變異系數(shù)較高，分別為0.369～0.980和0.232～0.921，其次是Pb含量的變異系數(shù)，為0.355～0.783，Cr和Ni含量的變異系數(shù)較小，分別為0.344～0.684和0.309～0.690。表明不同林地重金屬Zn和Cu空間分布差異最明顯，Pb、Ni、Cr空間分布差異較明顯。構(gòu)樹(shù)林和橡樹(shù)林土壤重金屬元素Pb平均含量分別為23.41 mg·kg-1和26.41 mg·kg-1，分別超過(guò)陜西省背景值9.40%和23.41%。刺槐林土壤重金屬元素Zn平均含量為77.38 mg·kg-1，超過(guò)陜西省背景值11.50%。土壤中重金屬元素Pb含量較高的主要原因是林地分布在商州區(qū)北環(huán)公路和高速公路附近，機(jī)動(dòng)車(chē)使用的燃料含防抗劑四乙基鉛，燃料燃燒后Pb隨汽車(chē)尾氣排放，在周?chē)值赝寥乐蟹e累，造成污染。土壤中重金屬元素Zn主要來(lái)源于銅鋅礦開(kāi)采和冶煉排放的電鍍、煙塵、顏料及化工部門(mén)排放的廢水等。本研究中，重金屬元素Zn含量較高主要是因?yàn)榱值鼐喑鞘泄I(yè)區(qū)較近，Zn的積累受工業(yè)生產(chǎn)影響較大。因此，土壤重金屬元素Pb和Zn是金鳳山土壤重金屬治理的主要元素。此外，部分不同林地土壤重金屬元素含量最大值超過(guò)陜西省背景值。刺槐林和橡樹(shù)林土壤重金屬元素Cu含量最大值分別為 35.41 mg·kg-1和 27.00 mg·kg-1， 分別超過(guò)陜西省背景值11.50%和26.17%。核桃林、刺槐林、構(gòu)樹(shù)林和橡樹(shù)林土壤重金屬元素Pb含量最大值分別為 41.52，53.18，31.54，48.69 mg·kg-1，分別超過(guò)陜西省背景值 94.02%，154.40%，47.38%，127.52%。刺槐林和構(gòu)樹(shù)林土壤重金屬元素Cr含量最大值分別為63.62 mg·kg-1和68.35 mg·kg-1，分別超過(guò)陜西省背景值1.79%和9.36%。刺槐林和橡樹(shù)林土壤重金屬元素Ni平均含量分別為 44.11 mg·kg-1和 42.50 mg·kg-1，分別超過(guò)陜西省背景值53.72%和48.07%。核桃林、刺槐林、構(gòu)樹(shù)林和橡樹(shù)林土壤重金屬元素Zn含量最大值分別為 103.04，283.67，95.13，137.89 mg·kg-1，分別超過(guò)陜西省背景值48.47%，308.75%，37.07%，98.69%?？傊?，金鳳山土壤重金屬元素治理應(yīng)該 因林而異，因地而異。

表5 不同林地土壤重金屬的含量

2.2 土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)

2.2.1 林地土壤重金屬的地積累指數(shù)污染評(píng)價(jià)

圖1為土壤重金屬含量地積累指數(shù)評(píng)價(jià)。如圖1所示，25個(gè)土壤樣點(diǎn)重金屬元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn的地積累指數(shù)Igeo均小于0，地積累指數(shù)的等級(jí)為無(wú)污染-輕度污染等級(jí)，表明土壤沒(méi)有受到污染。核桃、刺槐、構(gòu)樹(shù)和橡樹(shù)4種林地土壤重金屬元素 Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的地積累指數(shù)均小于0，4種林地土壤重金屬地積累指數(shù)的等級(jí)均為無(wú)污染-輕度污染等級(jí)，土壤沒(méi)有受到污染?？梢?jiàn)，地積累污染指數(shù)表明4種林地的土壤沒(méi)有受到重金屬元素的污染。

圖1 金鳳山林地土壤重金屬地積累指數(shù)污染

2.2.2 林地土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

如圖2所示，4種林地的土壤多因子內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均值為1.14，為輕度污染狀態(tài)。核桃林和構(gòu)樹(shù)林土壤的綜合污染指數(shù)分別為0.85和0.85，表明金鳳山核桃林和構(gòu)樹(shù)林土壤重金屬污染程度屬于第2級(jí)，為尚清潔（警戒線）狀態(tài)；橡樹(shù)林和刺槐林土壤的綜合污染指數(shù)分別為1.28和1.62，屬于第3級(jí)，為土壤輕度污染?？芍瘌P山這4種人工林地土壤重金屬量比陜西省重金屬背景高，因此，需加強(qiáng)重金屬的監(jiān)測(cè)，采取一定的防護(hù)與治理措施，防止重金屬繼續(xù)積累和林地土壤質(zhì)量環(huán)境繼續(xù)惡化。

圖2 金鳳山林地土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

圖3為4種林地的5種土壤重金屬元素內(nèi)梅羅污染指數(shù)圖。如圖3所示，僅刺槐林土壤重金屬元素Zn污染程度明顯，為中度污染；核桃林土壤重金屬元素Pb、Zn和刺槐林土壤重金屬元素Cu、Pb、Ni以及橡樹(shù)林和構(gòu)樹(shù)林土壤重金屬元素 Cu、Pb、Ni、Zn的指數(shù)介于1.0～2.0，重金屬污染程度屬于第3級(jí)，為輕污染；核桃林土壤重金屬元素Ni和刺槐林、橡樹(shù)林土壤重金屬元素Cr指數(shù)介于0.7～1.0，重金屬污染程度屬于第2級(jí)，尚清潔（警戒線）狀態(tài)；核桃林地土壤重金屬元素Cu和Cr，為清潔（安全）狀態(tài)。

圖3 金鳳山林地土壤不同重金屬元素內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

2.2.3 林地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

以陜西省土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，林地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如圖4和圖5所示。如圖4所示，4種林地的土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)椋捍袒绷郑竞颂伊郑鞠饦?shù)林＞構(gòu)樹(shù)林，刺槐林土壤重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為169.03，總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為中度，核桃林、橡樹(shù)林和構(gòu)樹(shù)林土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值均小于150，表明4種林地的土壤重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕度。

圖4 金鳳山林地土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

圖5 金鳳山林地土壤不同重金屬元素潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

如圖5所示，林地土壤不同重金屬元素潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)差異較大，橡樹(shù)林土壤重金屬元素Cu、Ni和刺槐林土壤重金屬元素Pb、Ni潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為40～80，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度為中度。橡樹(shù)林土壤重金屬元素Pb潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為80～160，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度為強(qiáng)度。其它重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于40，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕度。因此應(yīng)查明各類(lèi)型林地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大的重金屬元素的污染來(lái)源，采取有效措施防治外 源重金屬元素繼續(xù)向林地土壤流入。

3 討論和結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，金鳳山林地的土壤重金屬元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的含量平均值分別為 9.53、13.7、16.4、11.56、57.3 mg·kg-1， 參照陜西土壤重金屬背景含量值的標(biāo)準(zhǔn)可知，4種林地的土壤中重金屬元素 Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的含量均小于背景值。此外，構(gòu)樹(shù)林和橡樹(shù)林土壤重金屬元素Pb平均含量分別超過(guò)陜西省背景值9.40%和23.41%，刺槐林土壤重金屬元素Zn平均含量超過(guò)陜西省背景值11.50%。因此，需要進(jìn)一步開(kāi)展該地區(qū)不同樹(shù)種對(duì)重金屬的富集特征研究，初步篩選出適合該地區(qū)土壤的超富集植物或耐性植物。為利用植物對(duì)土壤重金屬的凈化提供可以選用的植物材料。

本研究對(duì)重金屬污染采用不同評(píng)價(jià)方法，結(jié)果存在一定的差異。地積累污染指數(shù)表明4種林地的土壤沒(méi)有受到重金屬污染，多因子內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明4種林地的土壤重金屬污染程度為輕度，而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)結(jié)果表明僅刺槐林土壤總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為中度，核桃林、橡樹(shù)林和構(gòu)樹(shù)林土壤總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕度。因此，為了全面客觀地反映評(píng)價(jià)土壤中重金屬的含量狀況和評(píng)價(jià)重金屬污染等級(jí)，一方面需要綜合考慮各方面因素，另一方面需要開(kāi)展林地重金屬生態(tài)閾值及環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究工作。