韶關市花崗巖地區(qū)森林土壤重金屬污染評價

余斐，葉彩紅, ，許窕孜, ，張中瑞，朱航勇，張耕，華雷，鄧鑒鋒，丁曉綱*

1. 廣東省林業(yè)科學研究院/廣東省森林培育與保護利用重點實驗室，廣東 廣州 510520；2. 華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642

花崗巖是大陸地殼的重要組成部分，主要分布在中國南方地區(qū)，總面積約為23.92萬km2。研究表明，中國南方地區(qū)存在著花崗巖侵蝕現(xiàn)象，受侵蝕的面積高達19.72萬km2，占花崗巖區(qū)總面積的82.44%，占紅黃壤區(qū)侵蝕總面積的28.58%（史德明，1991）。中國南方的花崗巖受自身巖性以及亞熱帶季風性濕潤氣候的影響，其表面發(fā)育著深厚的疏松風化層。此外，南方地區(qū)又是中國人口密集區(qū)域，受人類活動的影響，南方花崗巖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出極不穩(wěn)定性和脆弱性（謝錦升等，2004）。花崗巖地區(qū)嚴重的侵蝕會使得該地區(qū)成土母質中的重金屬迅速釋放入土壤中，而韶關被譽為“金屬之都”（田美玲等，2019），土壤母質中的重金屬含量相對較高。基于此，為提高花崗巖侵蝕地區(qū)土壤的生產(chǎn)力，改善其生態(tài)環(huán)境，不少學者致力于花崗巖侵蝕區(qū)的土壤治理研究，其主要方面集中在土壤理化性質、土壤重金屬污染評價以及修復治理研究（陳志彪等，2006；區(qū)曉琳等，2016；焦艷金等，2020）。

森林是陸地最大的生態(tài)系統(tǒng)，具有涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣、防止污染、調節(jié)氣候、防風固沙等多種生態(tài)功能。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，是植被生存的物質基礎，其質量好壞對森林生態(tài)環(huán)境起著重要作用。同時，土壤重金屬具有不易降解、毒性高、易富集和環(huán)境持久性強等特點（楊皓等，2016）。由于城市化進程的快速發(fā)展，在人類活動的干擾下，重金屬污染物通過大氣沉降、工業(yè)三廢排放、農(nóng)用化肥使用、交通污染等多種途徑進入森林土壤，進而使得森林生態(tài)環(huán)境遭到破壞。

森林土壤重金屬研究是目前研究的熱點問題之一（葉俊等，2020），土壤重金屬的污染能直接影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能。因此，對森林土壤重金屬含量特征、污染程度、生態(tài)風險評估等研究顯得尤為迫切。有學者利用多種土壤污染評價方法對山東省9個城市功能區(qū)64個綠地土壤重金屬的污染程度和潛在生態(tài)風險進行評估，發(fā)現(xiàn)土壤中鎘含量嚴重超標，進而提醒了相關部門，應及時對污染地區(qū)土壤加強防治（陳為峰等，2019）。

廣東省粵北的韶關市自古以來都有巖漿活動，其中以中生代侵入活動最為頻繁，且主要發(fā)育花崗巖（駱庭川等，1986），形成了廣闊的花崗巖區(qū)。同時，韶關市是廣東省規(guī)劃建設的區(qū)域性中心城市，是全國交通樞紐城市之一，經(jīng)濟發(fā)展快速。經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類的頻繁活動，導致土壤重金屬污染加劇。韶關市也正在積極開展土壤污染防治工作（中華人民共和國國務院，2016）。本研究選取韶關市花崗巖區(qū)森林土壤作為研究對象，首先分析土壤中鉻、銅、鉛、汞元素含量分布特征，并利用經(jīng)典土壤污染評價方法評估土壤中各元素污染程度；其次利用相關性分析，初步探討花崗巖地區(qū)森林土壤重金屬的主要影響因素，以期為花崗巖區(qū)森林土壤重金屬含量分布特征及污染評價方法的研究奠定基礎，也為花崗巖區(qū)森林土壤污染防控和區(qū)域生態(tài)安全保護提供建議和意見。

1 方法

1.1 研究區(qū)概況和花崗巖區(qū)確定

韶關市位于廣東省北部，北界湖南，東鄰江西，東南面、南面和西面分別與廣東省河源、惠州、廣州及清遠等市接壤。介于 23°53′—25°31′N，112°53′—114°45′E 之間，屬中亞熱帶濕潤性季風氣候區(qū)，年平均氣溫為 18.8—21.6 ℃，年降雨量為1400—2400 mm。韶關地形以山地、丘陵為主，河流主要屬珠江水系北江流域，森林覆蓋率73.3%，野生動植物資源豐富，被譽為華南生物基因庫和珠江三角洲的生態(tài)屏障，是全國首批6個生態(tài)文明建設試點地區(qū)之一。根據(jù)2021年韶關市發(fā)布的《土壤環(huán)境背景值》（DB 4402/T08—2021），確定韶關市花崗巖分布區(qū)（如圖1所示）。

圖1 韶關市花崗巖地區(qū)取樣點分布Figure 1 Distribution of sampling points in granite area of Shaoguan city

1.2 調查及采樣方法

根據(jù)韶關市花崗巖區(qū)植被、地形、氣候等特征，確定基本樣本量（n=223），并采用典型抽樣法布設樣點，如圖1所示。所選地區(qū)主要包括有人工林（杉木林、桉樹林為主）和自然林（常綠闊葉林和落葉闊葉混交林為主），樣地類型主要為低山（47%）和丘陵（28%），海拔在800 m左右，坡度為緩坡。根據(jù)樣點情況，選擇地形較為平整、植被能代表該區(qū)域水平的地方挖掘3個土壤剖面，每個剖面中心點的水平間距不小于10 m。每個剖面長1.2—1.5 m，寬0.8—1 m，剖面深度為1.0 m。每個剖面間隔20 cm取樣，將各層樣品均勻混合后作為該剖面的樣品。將采集后的土壤樣品密封保存，及時運回實驗室，風干、研磨篩選后制樣，以便后續(xù)分析。

1.3 指標測定方法

土壤樣品重金屬含量分析與測定方法分別為：鉻、銅含量采用火焰原子吸收分光光度法測定，方法參考HJ 491—2019；鉛、汞含量采用原子熒光法測定，方法參考GB/T 22105.1—2008。

土壤樣品養(yǎng)分含量分析與測定方法分別為：土壤pH值采用電位法測定，方法參考HJ 962—2018；全氮含量采用連續(xù)流動分析儀測定，方法參考 HJ 717—2014；全磷含量采用堿熔法測定，方法參考HJ 632—2011；有機碳含量采用硫酸-重鉻酸鉀容量法測定，方法參考LY/T 1237—1999。

1.4 數(shù)據(jù)處理及制圖

采用SPSS 20.0軟件對土壤重金屬元素含量的均值、標準差及變異系數(shù)等作描述性統(tǒng)計，計算Kolmogorov-Smirnov值以檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布（顯著水平α=0.05）。利用ArcGis 10.7軟件繪制采樣點的空間分布圖。采用Origin 2021b繪制散點圖并做相關性分析，所有相關性數(shù)據(jù)均用對數(shù)處理以提高數(shù)據(jù)的正態(tài)性。

1.5 評價方法

土壤重金屬污染評價采用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（陳澤華等，2020），土壤重金屬元素對生態(tài)系統(tǒng)的風險評價采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法（胡永興等，2020）。

1.5.1 單項指數(shù)法

單項污染指數(shù)法是研究某一污染物的污染程度的方法，計算公式為：

式中：

Pi——土壤重金屬i的單項污染指數(shù)；

Ci——重金屬i的實測值，單位 mg·kg?1；

Si——重金屬i評價標準值，單位 mg·kg?1。本研究采用《土壤環(huán)境質量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中非農(nóng)田條件下的風險篩選值。單項污染指數(shù)法評價標準：Pi≤1，無污染；13，重度污染。

1.5.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是結合單項指數(shù)法計算出的各重金屬污染指數(shù)進行評價的方法，在土壤重金屬污染評價被廣泛使用一種的方法。計算公式為：

式中：

P——內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；

Pimax——重金屬單項污染指數(shù)的最大值；

Piavg——重金屬單項污染指數(shù)的平均值。內(nèi)梅羅指數(shù)法評價標準為：P≤0.7，安全狀態(tài)；0.73.0，重度污染。

1.5.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典科學家 Hakanson提出的，用于評價沉積物中重金屬潛在風險程度的方法，能綜合反映重金屬對土壤的污染情況。

單一重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)的計算公式為：

式中：

Ei——單一重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)；

Ci——重金屬i的實測值，單位 mg·kg?1；

Si——重金屬i的土壤背景值，單位 mg·kg?1，本研究選用韶關市《土壤環(huán)境背景值》（DB 4402/T08—2021）花崗巖中的元素背景值作為參考。單一重金屬的潛在生態(tài)風險等級劃分為：Ei<40，輕微生態(tài)風險；40≤Ei<80，中等生態(tài)風險；80≤Ei<160，強生態(tài)風險；160≤Ei<320，很強生態(tài)風險；Ei≥320，極強生態(tài)風險。

多種重金屬潛在生態(tài)風險綜合指數(shù)的計算公式為：

式中：

IR——多種重金屬潛在生態(tài)風險綜合指數(shù)；

Ei——單一重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)。多種重金屬潛在生態(tài)風險等級劃分為：IR<150，輕微生態(tài)風險；150≤IR<300，中等生態(tài)風險；300≤IR<600，強生態(tài)風險IR≥600，很強生態(tài)風險。

2 結果與分析

2.1 4種土壤重金屬含量特征

韶關市花崗巖區(qū)森林土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞元素含量均低于土壤污染風險篩選值，如表1所示。對4種重金屬元素的變異系數(shù)進行分析，變異值由小到大依次為汞<鉻<鉛<銅。由此發(fā)現(xiàn)銅元素含量存在較大波動，其離散程度最高，受極端值的強干擾，因此可以看出土壤中的銅元素受環(huán)境影響程度最大。鉻、鉛元素含量變異系數(shù)相對而言較小，變異較為集中。在顯著水平α=0.05的單樣本K-S檢驗水平下，4種元素均符合正態(tài)分布。

表1 森林土壤重金屬描述性統(tǒng)計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of heavy metals in forest soil

2.2 土壤重金屬污染評價及風險評估

對韶關市花崗巖區(qū)森林土壤重金屬進行單項污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行評價（表2），研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞元素均處于非污染（0.11—0.70）及清潔等級（0.27）。對研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞元素進行潛在生態(tài)風險指數(shù)法進行評價發(fā)現(xiàn)（表3），鉻、銅、鉛這3種重金屬元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)均小于40，潛在生態(tài)風險程度為輕微；而汞元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)為63.95，屬中度生態(tài)風險（40≤Ei<80）。此外，韶關市花崗巖區(qū)土壤的綜合風險指數(shù)為73.84，說明這4種重金屬元素在該地的綜合生態(tài)風險屬于輕微程度（IR<150）。

表2 森林土壤重金屬單項及綜合污染指數(shù)評價Table 2 Individual and Nemerow pollution index evaluation of forest soil heavy metals

表3 森林土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價Table 3 Potential ecological risk assessment forest soil heavy metals

2.3 母質層與表層土壤重金屬含量的相關性

韶關市花崗巖區(qū)森林土壤母質層（80—100 cm）和表層（0—20 cm）中鉻、銅、鉛、汞元素含量進行相關性分析（圖2），發(fā)現(xiàn)只有鉻、汞的兩層土壤具有顯著相關性（P<0.05）。隨著母質層土壤中的鉻含量越大，表層土壤中鉻含量卻越小，二者存在顯著負相關性。隨著母質層土壤中的汞含量越大，表層土壤中汞含量也越大，二者存在顯著正相關性。因此證明，表層土壤中鉻、汞含量受母質層土壤含量的影響較大；而表層土壤中銅、鉛含量波動較大，受多方面環(huán)境影響，也驗證了變異性也高于鉻、汞這一結果（表1）。

圖2 80—100 cm土壤重金屬對0—20 cm土壤重金屬含量的影響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、養(yǎng)分與重金屬含量的相關性

土壤特性會影響到土壤重金屬的沉積狀況。森林土壤養(yǎng)分能支撐植被生長，為其提供生長必要的氮素、磷素、鉀素等。因此，研究土壤特性、養(yǎng)分和重金屬含量的相關性也十分重要。試驗發(fā)現(xiàn)，土壤pH僅與鉛含量呈顯著正相關；土壤有機碳與鉻含量呈顯著負相關，與鉛、汞含量呈顯著正相關（圖3）。土壤全氮、全磷與4種重金屬含量的相關性散點圖發(fā)現(xiàn)（圖4），土壤全氮與鉻含量呈顯著負相關，與鉛、汞含量呈顯著正相關，相關性情況與土壤有機碳相似；土壤全磷與鉻、銅、汞含量呈顯著正相關。從土壤重金屬元素來看，變異性最大的銅含量卻僅與全磷含量具有顯著相關性；鉛含量與pH、有機碳、全氮含量均具有顯著相關性。在表1中變異值最低的鉻、汞元素，均與有機碳、全氮、全磷含量顯著相關。

圖3 有機碳、pH對森林0—20 cm土壤重金屬含量的影響Figure 3 Influence of organic carbon and pH on heavy metal content in forest soil in the depth of 0?20 cm

圖4 土壤全氮、全磷對森林0—20 cm土壤重金屬含量的影響Figure 4 Influence of Total Nitrogen and Total Phosphorus on heavy metal content in forest soil in the depth of 0?20 cm

3 討論

通過單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對韶關市花崗巖區(qū)內(nèi)森林土壤重金屬污染進行評價，與當?shù)剞r(nóng)用地土壤重金屬污染相比，農(nóng)用地可能受污水灌溉、農(nóng)用化肥的使用、大氣沉降、交通污染、工業(yè)污染等影響，重金屬含量嚴重超標（馮慧敏等，2018）。研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)森林土壤重金屬含量在單項污染指數(shù)評價上均為非污染，這可能與森林的植被有關，樹木個體大，生活周期長，栽培適應性強，且可以富集土壤中的重金屬（陳志萍等，2020）。車繼魯?shù)龋?017）研究發(fā)現(xiàn)香樟樹對銅、鋅、鉛、鉻、錳、鎳7種重金屬元素均有一定的富集能力；焦艷金等（2020）研究發(fā)現(xiàn)馬尾松樹輪可富集土壤中的重金屬，富集能力表現(xiàn)為鉻>鎳>鋅>銅>鎘。但是綜合而言，本研究對研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染進行潛在風險評估，研究表明森林土壤中汞元素存在一定的潛在生態(tài)風險，為中等潛在生態(tài)風險，可能原因是不同的污染評價方法對結果存在一定影響，也可能汞的毒性系數(shù)較大，使汞的潛在生態(tài)風險系數(shù)計算結果偏大，但仍需加強汞元素的污染防治，防范于未然。

研究表明在自然條件下，土壤重金屬含量在土壤深度為 50—100 cm時受到外界干擾較小，主要與母質層重金屬含量相關（蔡雄飛等，2021），基于此，本研究將80—100 cm層土壤視為母質層。通過母質層（80—100 cm）與表層（0—20 cm）森林土壤重金屬含量的散點圖可以看出，土壤母質層也會影響土壤重金屬含量，主要對鉻、汞元素含量影響比較大。有學者研究發(fā)現(xiàn)鉻元素在紅壤土中容易受降雨的影響向下遷移沉積（吳敏，2021），使得鉻元素在深層積累因此母質層土壤與表層土壤中鉻元素表現(xiàn)為負相關。土壤中汞元素主要來源于成土母質和煤燃燒及有色金屬冶煉（李林等，2014），研究發(fā)現(xiàn)表層土壤中汞元素含量平均值超過其韶關市花崗巖區(qū)規(guī)定的背景值（0.09 mg·kg?1），因此表層土壤中的汞元素可能受到人為因素的影響，母質層土壤汞元素含量大于表層土壤汞元素含量，說明成土母質也可能是影響母質層土壤汞元素含量的因素之一。曾昭嬋等（2016）研究發(fā)現(xiàn)汞元素在表層富集后受降雨影響向下遷移，但受到土壤環(huán)境的影響，遷移能力較弱。張福剛等（2013）通過對表層和深層土壤研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的汞元素受成土母質和人類活動影響。此外，研究顯示不同植被可富集不同土壤層次重金屬（朱立安等，2021），這也可能是母質層與表層森林土壤中鉻、汞元素顯著相關的原因之一。

從森林土壤養(yǎng)分和重金屬的相關性分析來看，土壤有機碳、全氮、全磷含量對土壤重金屬含量的影響較大，大部分都達到顯著性水平；土壤pH值對重金屬含量的影響比較小，僅鉛元素含量與其相關性顯著。土壤有機碳對重金屬具有一定的絡合作用，土壤中有機碳含量增加重金屬含量也隨之增加。首先這與有機碳具有大量官能團有關，它可以吸附土壤中的重金屬離子；其次土壤有機碳可以分解形成腐殖酸，腐殖酸與重金屬元素可形成絡合物，從而使有機態(tài)重金屬含量增加（Zeng et al.，2011）。一般情況下，隨著pH值升高，土壤對重金屬的吸附固定能力增強，重金屬有效態(tài)含量降低。但研究發(fā)現(xiàn)，僅鉛元素含量與pH值相關性顯著，這可能是pH值導致土壤重金屬吸附、微生物活動、有機質分解等多個化學反應綜合的結果（王文棟等，2021）。已有研究顯示，土壤中全氮、全磷含量對于土壤重金屬的影響在不同重金屬類型中，表現(xiàn)不同。周曼等（2021）的研究表明，氮、磷的增加一定程度上減少了土壤 Cr的含量，但是會增加土壤Fe的含量。這與本研究結果中，氮、磷與土壤重金屬之間存在不同的相關性相一致。這一結果，也表明氮、磷對于土壤重金屬的影響是個復雜的過程，可能會通過影響不同植物的生長發(fā)育，或者改變土壤理化性質（土壤含水量、土壤pH等），從而最終改變土壤重金屬含量。

4 結論

韶關市花崗巖地區(qū)森林土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞含量較低，未超過土壤污染風險篩選值，綜合污染等級為清潔，屬輕微生態(tài)風險程度，但單項汞元素為中等生態(tài)風險。土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞含量受土壤有機碳、全氮、全磷含量影響較大，pH影響較小。土壤重金屬銅、鉛的變異性較大，受多方面的影響。表層土壤重金屬鉻、汞含量受土壤母質層的顯著影響。綜上所述，應定期對韶關市森林土壤重金屬情況進行監(jiān)測，及時對個別重污染地區(qū)進行重金屬的防治和修復。