節(jié)能燈產(chǎn)地竹林土壤重金屬污染的時(shí)空分布特征

張 素，梁 鵬，吳勝春， 張 進(jìn)， 曹志洪

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安311300）

節(jié)能燈產(chǎn)地竹林土壤重金屬污染的時(shí)空分布特征

張 素1,2，梁 鵬1,2，吳勝春1,2， 張 進(jìn)1,2， 曹志洪2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安311300）

于2012年3月、6月、10月，2013年1月在典型節(jié)能燈生產(chǎn)集聚區(qū)浙江省臨安市高虹鎮(zhèn)沿仇溪與猷溪選取17個(gè)采樣點(diǎn)采集竹林土壤樣品，分析其理化性質(zhì)并測量重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對土壤重金屬進(jìn)行描述性分析與聚類分析，并研究其時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：研究區(qū)域竹林土壤平均pH值為pH 5.55，呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.00 g·kg-1，土壤質(zhì)地肥沃；剔除異常值后，除鎳外，其他重金屬均屬非正態(tài)分布，空間變異程度為汞＞砷＞鋅＞硒＞銅＞鎳＞鉻＞鉛＞鎘，說明竹林土壤重金屬已經(jīng)受到人為影響；汞的最高值為0.61 mg·kg-1，超出食用農(nóng)作物產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（HJ/T 332-2006）和土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995）；其他重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土壤背景值附近，表明研究區(qū)域部分竹林土壤已經(jīng)受到汞的污染。相關(guān)性與聚類分析結(jié)果顯示：汞與其他重金屬來源不同，鋅與鉛、鎳、銅、鉻有極顯著相關(guān)性關(guān)系（P＜0.01）。圖2表3參29

森林土壤學(xué)；節(jié)能燈生產(chǎn)；重金屬；汞；聚類分析；時(shí)空分布

土壤重金屬污染是指人類活動(dòng)導(dǎo)致土壤中重金屬積累帶來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象［1］。土壤重金屬污染危害周期長，范圍廣，持續(xù)時(shí)間長，污染隱蔽，且具有生物不可降解性和相對穩(wěn)定性等特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致大氣和水環(huán)境質(zhì)量的進(jìn)一步惡化，影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量；同時(shí)重金屬會(huì)通過食物鏈不斷地在生物體內(nèi)富集，最終在人體內(nèi)蓄積而危害人體健康［1］。節(jié)能燈生產(chǎn)是汞進(jìn)入環(huán)境中的典型通道。有數(shù)據(jù)表明，2008年全國生產(chǎn)48億支熒光燈共使用汞78.2 t［2-3］，1支節(jié)能燈損壞后滲入地下的汞，會(huì)污染大約180 t水［2］。浙江省臨安市高虹鎮(zhèn)是節(jié)能燈生產(chǎn)聚集區(qū)，生產(chǎn)產(chǎn)量占到全國的1/3，是臨安經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一［2］。研究顯示，該地大米樣品中總汞和甲基汞的含量都顯著高于商品大米樣品［4］，提示節(jié)能燈生產(chǎn)已經(jīng)對周圍汞環(huán)境造成影響；而竹筍是臨安經(jīng)濟(jì)的另一支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值約占全市農(nóng)、林、牧、漁業(yè)產(chǎn)值的5.0%，2012年僅雷竹Phyllostachys violascens的栽植面積就達(dá)到216 km2［5-6］，因此，竹林土壤的安全至關(guān)重要。有關(guān)不同行業(yè)對周圍土壤重金屬污染的研究報(bào)道已較多［7-10］，但關(guān)于節(jié)能燈生產(chǎn)對竹林土壤重金屬的影響并不常見。本研究以浙江省臨安市高虹鎮(zhèn)為研究區(qū)域，分析了竹林土壤重金屬的時(shí)空分布特征，并用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探明節(jié)能燈生產(chǎn)對竹林土壤中重金屬含量及分布的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

浙江省臨安市高虹鎮(zhèn)地處浙江省西北部，平均海拔為65 m；屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南緣，溫暖濕潤，四季分明；土壤以偏酸性的紅壤為主（pH 4.9）。據(jù)常年氣象資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫為16.1℃，月平均降水量為133.6 mm，年日照時(shí)數(shù)為1 703.6 h。該地區(qū)水資源豐富，中苕溪的2條支流仇溪和猷溪穿越境內(nèi)。鎮(zhèn)內(nèi)建有一處日處理量2 000 t的污水處理廠［2,11］。

1.2 樣品采集

根據(jù)節(jié)能燈廠區(qū)的分布情況，沿仇溪和猷溪布設(shè)17個(gè)采樣點(diǎn)，于2012年3月，6月，10月及2013年1月，在采樣點(diǎn)附近竹林采集土壤樣品。按對角線原則選擇8 m2范圍內(nèi)0～10 cm的表層土壤，4個(gè)·樣點(diǎn)-1，采集到的樣品按四分法取約1.0 kg裝入聚乙烯密封袋保存［2］并帶回實(shí)驗(yàn)室。除去石塊碎屑和植物殘根，經(jīng)冷凍干燥機(jī)（Labconoco，120457321D，美國）干燥后，用研缽（瑪瑙）研磨過100目篩，裝于聚乙烯密封袋待測。每次采樣用全球定位系統(tǒng)（GPS）定位，以保證4個(gè)季節(jié)采樣位點(diǎn)一致。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

土壤樣品［m（土）∶V（水）=1.0∶2.5］pH值用酸度計(jì)測定；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定。

圖1 高虹竹林土壤采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Location of sampling sites in bamboo forest soil in Gaohong

重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定：準(zhǔn)確稱取0.1 g土壤樣品，加入3.0 mL濃鹽酸和1.0 mL濃硝酸，于石墨消解爐消解；待樣品呈現(xiàn)灰白色時(shí)取下冷卻，定容到45.0 mL并搖勻，離心，取上清液；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，Teledyne Leeman Labs，Prodigy 7，美國）測定重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

總汞的測定：為除去可能附著的汞，將實(shí)驗(yàn)過程中用到的玻璃等儀器放入體積分?jǐn)?shù)為10%的稀硝酸中浸泡一夜，沖洗干凈放入馬弗爐，500℃灼燒0.5 h后，自然冷卻過夜，用錫箔紙包好備用。配制汞標(biāo)，氯化溴（BrCl，將樣品中的汞氧化為Hg2+），鹽酸羥胺（NH2OH·HCl，除去多余的Cl-），氯化亞錫（SnCl2，還原Hg2+為 Hg0）等溶液。準(zhǔn)確稱取0.1 g樣品于25.0 mL比色管中，加入5.0 mL的超純水，5.0 mL王水，消解爐消解0.5 h；加入0.5 mL氯化溴繼續(xù)消煮，隔0.5 h手動(dòng)搖1次，6 h后定容到25.0 mL；放置24 h后［2］用手動(dòng)汞形態(tài)測試系統(tǒng)（Brooks Rand Labs，MERX-T，美國）測定總汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 20.0（IBM Analytics，美國）統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)；采用Sigmaplot 10.0（Systat Software，Inc.，美國）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹林土壤pH值和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

本次研究共采集到竹林土壤樣本113個(gè)，分析數(shù)據(jù)可知pH值為pH 5.55±0.09，呈弱酸性；變異系數(shù)為17.6%，表明研究區(qū)域竹林土壤具有較強(qiáng)的空間變異性。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（53.00±21.80）g·kg-1，表明該地質(zhì)地肥沃，處于高肥力水平；變異系數(shù)為41.2%，表明空間變異性較強(qiáng)［12］，與pH值所得結(jié)果一致。

正態(tài)分布檢驗(yàn)采用描述性統(tǒng)計(jì)頻率分布正態(tài)性檢驗(yàn)法，偏度系數(shù)小于1則為正態(tài)分布；結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，pH值偏度1.16，有機(jī)質(zhì)偏度1.38，均不符合正態(tài)分布。有數(shù)據(jù)顯示［13-15］，竹農(nóng)為了提高竹筍產(chǎn)量，大量施用化肥和有機(jī)肥，單施化肥全年用量為3.0～4.5 t·hm-2，化肥和有機(jī)肥配施的全年用量分別為1.0～2.0 t·hm-2和80～100 t·hm-2。因此，可以推測研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高很可能是竹農(nóng)大量施肥造成的。

2.2 竹林土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)竹林土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。通過計(jì)算，對9種重金屬進(jìn)行了異常值處理，分別剔除了3個(gè)鉻、2個(gè)銅、1個(gè)鉛、1個(gè)硒和1個(gè)汞的異常值。整體來看，研究區(qū)域竹林土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)除鎳外，其他均不符合正態(tài)分布。重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為概率分布的正偏［16-17］，表明研究區(qū)域的竹林土壤環(huán)境已經(jīng)受到人為活動(dòng)的影響。綜合高虹鎮(zhèn)節(jié)能燈生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)現(xiàn)狀，可以推測節(jié)能燈生產(chǎn)排放的污水、廢氣，竹林施肥行為與土壤中重金屬富集呈正相關(guān)關(guān)系。9種重金屬的變異程度為汞＞砷＞鋅＞硒＞銅＞鎳＞鉻＞鉛＞鎘；其中汞的變異系數(shù)最大，為81.98%，偏度為2.20。這種空間變異性較大的現(xiàn)象表明研究區(qū)域的汞受外界條件干擾明顯［18］。研究區(qū)域內(nèi)的汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為0.61 mg·kg-1，高于土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995）和食用農(nóng)作物產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（HJ/T 332-2006）（pH＜6.5），說明當(dāng)?shù)毓?jié)能燈產(chǎn)業(yè)已經(jīng)引起了竹林土壤汞的污染。

表1 高虹鎮(zhèn)竹林土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistics summary of heavy metals concentration in bamboo forest soil in Gaohong

2.3 竹林土壤重金屬時(shí)空分布特征

竹林土壤重金屬的空間分布特征見表2。除汞外，其他重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值，說明這幾種重金屬未對研究區(qū)域內(nèi)的竹林土壤造成污染。汞在7號，10號，16號采樣點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.37，0.61，0.47 mg·kg-1，超過了土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)；尤其10號采樣點(diǎn)的汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的2倍。比對采樣位置可知，7號采樣點(diǎn)靠近節(jié)能燈廠聚集區(qū)，10號采樣點(diǎn)位于污水處理廠附近，16號采樣點(diǎn)位于仇溪和猷溪的匯合處。本結(jié)果與LIANG等［19］發(fā)現(xiàn)的該地區(qū)污水處理廠周圍水生生態(tài)系統(tǒng)中水體、沉積物以及生物體內(nèi)汞含量均高于其他采樣點(diǎn)的結(jié)果一致，推測原因是高虹鎮(zhèn)污水廠排放到附近水體中汞含量超標(biāo)，引水灌溉造成竹林土壤汞污染。雷竹是臨安地區(qū)主要的竹類品種，竹林土壤汞污染會(huì)導(dǎo)致潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，需引起足夠的重視。

表2 高虹鎮(zhèn)不同采樣點(diǎn)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Concentration of heavy metals in different sampling sets in Gaohong

對不同季節(jié)測定的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明：9種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在四季中不存在顯著性差異。因此，可以推斷，季節(jié)變化對研究區(qū)域內(nèi)土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著影響。

2.4 竹林土壤重金屬相關(guān)性與聚類分析

對研究區(qū)域土壤重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析與聚類分析，結(jié)果如表3所示：在所有樣品中，銅與鉻、鉛；鎳與鉻；鋅與鉻、銅、鎳、鉛之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。鎳與銅；硒與鉛、砷；汞與砷達(dá)到顯著相關(guān)性（P＜0.05）。表明土壤中這些重金屬的污染源相同［20-21］或者存在伴生關(guān)系［20,22］。其他重金屬之間相關(guān)性不顯著，表明這些重金屬來源可能差異較大。

聚類分析的結(jié)果（圖2）顯示：鎘、硒、砷、鎳、鉻、銅和鉛之間的聚類距離非常接近，污染同源的可能性較大。鎳、鉻、銅、鉛、鋅的聚類距離也較為接近，但與鎘、硒、硒、鎳、鉻、銅和鉛有一定的聚類距離，其來源有一定的差異，鋅與另外4種重金屬之間呈現(xiàn)相互伴隨的復(fù)合污染現(xiàn)象。而汞與另外8種重金屬的聚類距離相距甚遠(yuǎn)，表現(xiàn)出其污染來源的獨(dú)特性。由此可知：除汞外，其他重金屬來源幾乎相同，可能是因?yàn)橛糜谥窳止喔鹊乃聪嗤?，抑或是竹林施肥措施相同所致。而汞的來源?dú)特，極有可能與高虹節(jié)能燈生產(chǎn)引起的汞沉降有關(guān)，這與前面竹林土壤重金屬統(tǒng)計(jì)分析及時(shí)空分布特征分析結(jié)果一致。

表3 高虹鎮(zhèn)竹林土壤中9種重金屬相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of the nine heavy metals in the bamboo forest soil in Gaohong

3 結(jié)論與討論

土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生物圈的重要碳庫［23-24］，土壤酸堿性可以改變有機(jī)碳的溶解性［25］，也可以通過改變土壤微生物活性和酶活性進(jìn)而改變微生物種群的組成和數(shù)量，是影響土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)過程的主要因素之一［26-27］。土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤肥力水平密切相關(guān)，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)［18］。研究結(jié)果表明：高虹鎮(zhèn)竹林土壤酸堿度平均值為pH 5.55，呈弱酸性；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為53.00 g·kg-1，處于高肥力水平；但無論pH值還是有機(jī)質(zhì)都處于中等強(qiáng)度以上的空間變異性。土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯的非正態(tài)分布，且空間變異性較大，9種重金屬的變異程度為汞＞砷＞鋅＞硒＞銅＞鎳＞鉻＞鉛＞鎘；其中，汞的空間變異系數(shù)高達(dá)81.98%，受人為影響較為嚴(yán)重；最高值為0.61 mg·kg-1，超出食用農(nóng)作物產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（HJ/T 332-2006）（pH＜6.5）和土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995）。鎘、硒、砷、鎳、鉻、銅、鉛、鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)多數(shù)與自然背景值持平，有個(gè)別樣點(diǎn)略為偏高，但仍低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。土壤中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯的空間分布特征，在節(jié)能燈廠聚集區(qū)和污水處理廠附近明顯高于仇溪與猷溪的下游，但四季變化不明顯。通過聚類分析可知汞與其他重金屬來源不同，有明顯的獨(dú)特性，節(jié)能燈廠是主要的汞污染源。同時(shí)鋅與多數(shù)重金屬有極顯著的相關(guān)性，可能是受礦物伴生關(guān)系的影響。

此次研究數(shù)據(jù)可以確認(rèn)高虹鎮(zhèn)周邊的竹林土壤已經(jīng)受到不同程度的汞污染，而且進(jìn)入土壤中的汞可以在硫酸還原菌或化學(xué)作用下，轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)、能通過食物鏈產(chǎn)生生物放大效應(yīng)的甲基汞，進(jìn)而可以導(dǎo)致汞的生物積累效應(yīng)的發(fā)生［28］。因此，土壤中汞元素的富集不僅直接破壞土壤和水體的功能，還會(huì)影響植物、動(dòng)物，最終威脅人體健康。汞對環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)性、嚴(yán)重性危害已引起全球性的關(guān)注［30］。中國汞污染研究處于剛剛起步階段，嚴(yán)重滯后于社會(huì)發(fā)展需要，今后除應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作，還要對重要汞污染地區(qū)的污染狀況、機(jī)制、環(huán)境效應(yīng)開展研究，以全面掌握汞污染的來源、污染源分布以及環(huán)境治理現(xiàn)狀［29］。

圖2 高虹鎮(zhèn)竹林土壤中9種金屬聚類分析圖Figure 2 The clustering analysis of the nine heavy metals in the bamboo forest soil in Gaohong

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Temporal and spatial distribution of heavy metal contamination in Gaohong,Lin’an,Zhejiang Province

ZHANG Su1,2,LIANG Peng1,2,WU Shengchun1,2,ZHANG Jin1,2,CAO Zhihong2
（1.Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China）

Gaohong,a small town situated at the west of Hangzhou,is one of the largest production bases of compact fluorescent lamps （CFLs）in China.To determine the influence of local CFL production on temporal and spatial distribution characteristics of heavy metals in ambient bamboo forest soils during the four seasons,a systematic survey was conducted in March,July,and October of 2012 and January of 2013 with a total of 272 soil samples collected at 17 sampling sites in CFL production areas.Each sampling site was 8 m×8 m,on which four topsoil samples （0-10 cm）per time were collected by a soil auger in the diagonal position.Each sample’s representativeness was ensured by collecting four field replicates in a one-meter diameter area and then mixed together as one sample.The chemical properties and heavy metals contents of the samples were determined,and the spatial and temporal distribution characteristics of heavy metals in soils was elucidated using descriptive and cluster analysis.Results showed that the average pH value of the bamboo forest soils was 5.55, and the mean organic matter content was 53.00 g·kg-1.The highest value for Hg was 0.61 mg·kg-1,two times higher than the Environmental Threshold for Agricultural Soil（HJ/T 332-2006）and the GradeⅡStandard ofSoil Environment Quality in China （GB 15618-1995）.Spatial variability of the heavy metals was in an order of Hg＞As＞Zn＞Se＞Cu＞Ni＞Cr＞Pb＞Cd.After eliminating outliers,the heavy metals,except Ni,were non-normally distributed.The cluster analyses showed that there was a significant mutually associated compound contamination property between Zn and Pb,Ni,Cu,and Cr （P＜ 0.01）,while Hg and the other heavy metals （Zn,Pb,Cu,Cr,Ni,As,Se,and Cd）might have originated from different sources.Thus,even though these acidic bamboo forest soils with abundant organic matter had been polluted by mercury,an essential raw material for the CFL industry,and even though heavy metal contamination had possibly been induced by anthropogenic activities,it was possible that Zn,Pb,Cu,Cr,Ni,As,Se,and Cd in the bamboo soils did not originate from the CFL industry.［Ch,2 fig.3 tab.29 ref.]

forest soils;CFL production;heavy metals;mercury;cluster analysis;spatial-temporal distribution

S714；X53

A

2095-0756（2017）03-0484-07

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2017，34（3）：484-490

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.014

2016-05-16；

2016-07-22

浙江省科技廳重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2013TD12）；浙江省科技廳公益技術(shù)研究社發(fā)項(xiàng)目（2015C33050）；浙江省 “三農(nóng)六方”科技協(xié)作項(xiàng)目（CTZB-F150922AWZ-SNY1）

張素，從事重金屬環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail：18868801653@163.com。通信作者：張進(jìn)，副教授，博士，從事生物質(zhì)廢棄物的資源化利用及環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng)等方面研究。E-mail：jzhang@zafu.edu.cn