喀斯特地區(qū)無(wú)籽刺梨種植基地土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張澤東， 李朝嬋， 黃先飛， 胡繼偉， 范明毅， 李婕羚， 吳先亮

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州貴陽(yáng) 550001； 2.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng) 550001)

無(wú)籽刺梨(RosasterilisS. D. Shi)別稱金刺梨，屬薔薇科薔薇屬多年生攀緣類果樹，為貴州省特有種，集中分布于貴陽(yáng)市、安順市、黔西南、黔南州等地區(qū)[1]。無(wú)籽刺梨在貴州喀斯特地區(qū)瘠薄的土壤條件下能很好地生長(zhǎng)，其特有的生態(tài)適應(yīng)性，抗旱、耐瘠、淺根系，是貴州喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)的重要樹種。無(wú)籽刺梨單株產(chǎn)量高，富含糖、維生素、氨基酸等，且還含有10余種對(duì)人體有益的微量元素[2]，市場(chǎng)前景廣闊，在貴州各地被廣泛引種栽種。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)綠色無(wú)公害有機(jī)產(chǎn)品的需求也不斷增大，有機(jī)農(nóng)業(yè)種植已經(jīng)成為人類獲取安全食品和農(nóng)民增產(chǎn)增收的主要種植方式[3]。近年來(lái)，人們不斷地追求農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)值大量施用化肥農(nóng)藥以及開采礦山，土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[4-5]。一旦重金屬的含量超標(biāo)，會(huì)危及到農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)量，并通過(guò)食物鏈的富集和生物的放大作用對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來(lái)極大的危害[6-7]。重金屬是一種難于控制的污染物，具有強(qiáng)毒性，長(zhǎng)期潛伏，能不斷在食物鏈中富集等特點(diǎn)[8-10]，重金屬污染很難被生物降解或通過(guò)土壤自凈，所以土壤遭受重金屬污染很難恢復(fù)[11]，如何有效減輕和修復(fù)重金屬污染，緩解其對(duì)人體、生物和生態(tài)環(huán)境的危害是當(dāng)今環(huán)境問(wèn)題的難題之一[12]。喀斯特地區(qū)地貌類型復(fù)雜、山高坡陡、土層瘠薄而不連續(xù)，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地承載負(fù)荷大，污染不易被修復(fù)[3]，加大了該地區(qū)土壤重金屬的治理難度。目前，喀斯特地區(qū)土壤研究主要集中于喀斯特坡地石漠化治理以及水分變異規(guī)律[13-14]、土地利用方式的研究[15-16]、土壤重金屬評(píng)價(jià)[17]、土壤肥力評(píng)價(jià)[18]、土壤有效養(yǎng)分[19]以及土壤酶與養(yǎng)分關(guān)系等[20-21]，對(duì)無(wú)籽刺梨種植基地土壤重金屬含量的分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究較少。

本研究以貴州省10個(gè)無(wú)籽刺梨種植基地為對(duì)象，選取銅(Cu)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)等5種重金屬元素，通過(guò)單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)基地土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究5種重金屬在各種植基地土壤的污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為基地土壤研究提供必要的數(shù)據(jù)支持與參考依據(jù)，對(duì)促進(jìn)貴州喀斯特地區(qū)無(wú)籽刺梨基地土壤治理具有一定指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔西南州、貴陽(yáng)市和安順市，經(jīng)緯度位置分別為25°05′～26°29′N、104°53′～105°29′E；26°48′～27°22′N、106°45′～107°17′E；25°21′～26°38′N、105°13′～106°34′E；平均海拔分別為1 430、1 165、1 398 m；年均溫度分別為15.2、12.9、14.1 ℃；年降雨量分別為1 178、1 258、1 360 mm。氣候類型為亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，在濕潤(rùn)氣候的影響下，碳酸鹽巖發(fā)育，土壤類型為亞熱帶常綠闊葉林紅、黃壤。研究區(qū)位于全球著名的喀斯特發(fā)育地帶，是一個(gè)典型的喀斯特地貌區(qū)，該區(qū)屬于國(guó)家科技部劃定的石漠化工程治理區(qū)域，近年來(lái)在石漠化的修復(fù)過(guò)程中，無(wú)籽刺梨的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值得到發(fā)掘。共10個(gè)基地分別為1號(hào)：禾豐鄉(xiāng)(HF)，2號(hào)：回龍鎮(zhèn)(HL)，3號(hào)：雨樟鎮(zhèn)(YZ)，4號(hào)：石廠鄉(xiāng)(SC)，5號(hào)：寧谷鎮(zhèn)(NG)，6號(hào)：雞場(chǎng)鄉(xiāng)(JC)，7號(hào)：龍宮鎮(zhèn)(LG)，8號(hào)：七眼橋鎮(zhèn)(QYQ)，9號(hào)：雙堡鎮(zhèn)(SP)，10號(hào)：夏云鎮(zhèn)(XY)。采樣點(diǎn)地理位置見(jiàn)圖1。

1.2 樣品采集

于2015年10月選定貴州省喀斯特地區(qū)10個(gè)無(wú)籽刺梨栽培基地，覆蓋貴陽(yáng)市、黔西南州、安順市3個(gè)市(州)?；诟骰胤N植面積大小與地理概況，采用分層隨機(jī)抽樣布點(diǎn)法確定采樣點(diǎn)數(shù)并編號(hào)，每個(gè)基地分別隨機(jī)采取5～10個(gè)土樣，采樣深度為0～30 cm，混合均勻后按四分法各取1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，室內(nèi)除石粒、植物根，研磨，過(guò)100目篩，供測(cè)試分析用。

1.3 測(cè)定方法

土壤Pb、Cu、Cd含量的測(cè)定，采用全消解方法進(jìn)行處理[22]；Hg和As的測(cè)定采用王水消解[23]；土壤pH值的測(cè)定用水位浸提電位法，水土比為5 ∶1，測(cè)定參考GB 1121—2006《土壤檢測(cè)》；Pb、Cd、Cu含量用德國(guó)耶拿ZEEnit700P型石墨爐與火焰原子吸收光譜儀測(cè)定(YY3橫向加熱石墨管)；As和Hg含量采用AF933型原子熒光光譜儀測(cè)定(北京吉天)。土壤試樣的測(cè)定結(jié)果均以干質(zhì)量計(jì)。

1.4 質(zhì)量控制

樣品的處理及測(cè)試過(guò)程中可能帶入雜質(zhì)，為保證測(cè)量的精密度，樣品測(cè)定時(shí)均做空白試驗(yàn)和3組平行試驗(yàn)。分析過(guò)程中所用容器均在5%硝酸中浸泡48 h以上，用去離子水沖洗后烘干。測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均保證小于10%，滿足定量測(cè)定的要求。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS軟件制作無(wú)籽刺梨基地土壤位置分布圖，采用Excel、SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析等。

1.6 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1.6.1 單因子評(píng)價(jià) 采用單因子指數(shù)法對(duì)土壤進(jìn)行單一元素污染評(píng)價(jià)[24]，公式為

Pi=Ci/C0。

(1)

式中：Pi為單向污染指數(shù)；Ci為污染物實(shí)測(cè)平均含量(mg/kg)；C0為起始值；i代表某種污物。貴州省土壤元素平均背景值見(jiàn)表1。污染等級(jí)劃分按丁桑嵐所劃的4個(gè)等級(jí)[25]：Ⅰ未污染，實(shí)測(cè)值<背景值(Pi<1)；Ⅱ輕度污染級(jí)，1倍污染起始值≤實(shí)測(cè)值<2倍污染起始值(1≤Pi<2)；Ⅲ中度污染級(jí)，2倍污染起始值≤實(shí)測(cè)值<3倍污染起始值(2≤Pi<3)；Ⅳ重度污染級(jí)，實(shí)測(cè)值≥3倍污染起始值(Pi≥3)。

表1 貴州省土壤重金屬平均背景值及其毒性系數(shù)

注：毒性系數(shù)源于文獻(xiàn)[26]。

1.6.2 尼梅羅綜合污染指數(shù) 采用尼梅羅(N. L. Nemerow)綜合污染指數(shù)法全面反映污染物對(duì)土壤的作用(表2)，突出高濃度污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響，公式為

(2)

式中：P為尼梅羅綜合指數(shù)；Pave為土壤中所有污染物單因子指數(shù)平均值；Pmax為土壤中所有污染物單因子指數(shù)最大值。

表2 土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.6.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法劃分出潛在生態(tài)危害的程度[26]。該指數(shù)反映特定環(huán)境中每種污染物產(chǎn)生的影響，也反映了多種污染物之間的綜合影響。污染土壤中污染物的潛在風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法按下式可表示為：

Fi=Ci/Ce；

(3)

Ei=Ti×Fi；

(4)

(5)

式中：Fi為污染因子(mg/kg)；Ce為某污染物參比值(mg/kg)；Ei為單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Ei<40為低度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，40≤Ei<80為中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，80≤Ei<160為較重潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，160≤Ei<320為重度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Ei≥320為嚴(yán)重潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Ti為單個(gè)污染物毒性響應(yīng)參數(shù)，Cd、As、Cu、Hg和Pb的毒性系數(shù)見(jiàn)表1；RI為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)，RI<150為低度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，150≤RI<300為中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，300≤RI<600為重度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，RI≥600為嚴(yán)重潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。本研究中采用貴州省土壤元素平均背景值為參比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)籽刺梨基地土壤重金屬的含量與分布

貴州省10個(gè)無(wú)籽刺梨基地土壤Cu、As、Pb、Cd、Hg含量及其變異系數(shù)見(jiàn)表3。結(jié)果表明，基地Cu、Cd、Hg平均含量均超過(guò)貴州省土壤背景值，SC、XY基地Pb平均含量超過(guò)貴州省土壤背景值，所有基地As平均含量低于貴州省土壤背景值。與《國(guó)家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[27]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，所有基地土壤As和Pb平均含量均未超標(biāo)，但基地土壤Cu、Cd、Hg超標(biāo)率分別達(dá)50%、100%、60%。

表3 貴州省不同基地?zé)o籽刺梨種植土壤重金屬含量比較

從各基地土壤重金屬的空間變異程度分析，各基地土壤的變異系數(shù)差別很大，其中，整體以Hg的變異系數(shù)較大，如NG土壤基地Hg的變異系數(shù)為1.32%，表明基地土壤中重金屬的空間分布有一定差異，各基地重金屬含量的最高值與最低值之比均大于2倍以上，這可能與受外界的干擾活動(dòng)有關(guān)。通過(guò)基地土壤pH值和重金屬含量頻次分布圖，用Shapiro-Wilk法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，得出pH值、As含量屬于正態(tài)分布，Cu、Pb、Cd和Hg含量屬于偏正態(tài)分布(圖2)。

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 喀斯特地區(qū)無(wú)籽刺梨種植基地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)與單因子評(píng)價(jià) 土壤重金屬污染是眾多指標(biāo)綜合作用產(chǎn)生的結(jié)果，在氣候條件和生產(chǎn)技術(shù)水平相同的地理區(qū)域，往往受成土母質(zhì)、人類活動(dòng)影響[27]，喀斯特地區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。因此，選取Cu、As、Pb、Cd、Hg含量和pH值6個(gè)指標(biāo)對(duì)喀斯特地區(qū)10個(gè)無(wú)籽刺梨種植基地土壤重金屬污染進(jìn)行定量化綜合評(píng)價(jià)。從表4可以看出，喀斯特地區(qū)無(wú)籽刺梨種植基地土壤重金屬綜合污染指數(shù)變幅在7.38～68.42。綜合污染指數(shù)大于3，均為重度污染級(jí)。

2.2.1.1 單一元素的影響 除HF刺梨基地土壤Cd輕度污染外，其他基地Cd為重度污染；As在所有刺梨基地土壤中均未受污染；Cu在HF、SC、JC、SP、XY基地為輕度污染，在HL、LG基地為中度污染，在YZ、QYQ基地為重度污染；Pb在XY、SC基地土壤中為輕度污染，其他基地土壤均無(wú)污染；Hg在HF、YZ、SC、JC、LG、XY基地為重度污染，在HL、NG、QYQ、SP基地為輕度污染。

表4 貴州省無(wú)籽刺梨種植不同基地土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)指數(shù)

注：輕表示輕度污染；中表示中度污染；重表示重度污染；未表示未污染。

2.2.1.2 單一基地的影響 不同重金屬元素對(duì)無(wú)籽刺梨土壤的影響不同，HF基地土壤中Hg是重度污染因子，土壤受Cd、Cu輕度污染，土壤未受As、Pb污染；HL基地土壤Cd是重度污染因子，土壤受Cu中度污染和Hg輕度污染，未受As、Pb污染；YZ基地土壤Cu、Cd、Hg是重度污染因子，未受As、Pb污染；SC基地土壤Hg、Cd為重度污染因子，土壤受Cu、Pb輕度污染，未受As污染；NG基地土壤中Cd是重度污染因子，土壤受Cu中度污染和Hg輕度污染，未受As和Pb污染；JC基地土壤中Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu輕度污染，未受As、Pb污染；LG基地土壤Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu中度污染，未受As、Pb污染；QYQ刺梨基地土壤的重度污染因子是Cu和Cd，土壤受Hg輕度污染，未受As、Pb污染；SP基地土壤Cd為重度污染因子，土壤受Cu、Hg輕度污染，未受As、Pb污染；XY刺梨基地土壤Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu、Pb輕度污染，未受As污染。

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 從表5可以看出，10個(gè)無(wú)籽刺梨基地土壤中，除HF、NG基地重金屬為重度潛在風(fēng)險(xiǎn)，其他基地土壤為嚴(yán)重潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表5 無(wú)籽刺梨不同基地土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析，Cd、Hg、Cu是整個(gè)研究區(qū)受到污染的元素，由于Cd、Hg毒性系數(shù)高，使無(wú)籽刺梨基地土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)程度高，Cu的毒性系數(shù)相對(duì)小，基地土壤Cu雖然受到污染，但對(duì)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率不大。所以，無(wú)籽刺梨基地土壤的潛在危害風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于Cd、Hg。

3 討論與結(jié)論

基于喀斯特山區(qū)無(wú)籽刺梨基地土壤重金屬含量分析研究、土壤污染定量化綜合分析、單因子與潛在風(fēng)險(xiǎn)分析，發(fā)現(xiàn)基地土壤中重金屬含量差異較大，不同基地的污染、風(fēng)險(xiǎn)程度不同。其中，基地土壤Cd元素全部超出GB 15618—1995《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，此研究與廖銀芳等的研究結(jié)果一致，貴州省土壤Cd污染尤為嚴(yán)重，全省大部分地區(qū)遭受Cd污染[28-29]，主要與土壤的基質(zhì)有關(guān)，可能與燃煤及礦產(chǎn)開采有關(guān)[30]。6個(gè)基地土壤Hg超過(guò)GB 15618—1995《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可能與自然原因有關(guān)，貴州省位于汞礦化帶，自然釋放的汞污染物進(jìn)入大氣環(huán)境，通過(guò)大氣沉降到達(dá)土壤[31]。也與人為原因有關(guān)，由于Hg的特殊理化性質(zhì)，人們對(duì)Hg的需求越來(lái)越大，而貴州省境內(nèi)分布著大量的汞礦床，汞礦大量開采造成土壤污染[32]。5個(gè)基地土壤Cu超過(guò)《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這可能與土壤的成土母質(zhì)、土壤施肥和含硫酸銅殺蟲劑等有關(guān)[33]。

在地質(zhì)上喀斯特山區(qū)是重要的成礦富集帶，已成為我國(guó)重要的礦產(chǎn)產(chǎn)區(qū)，由于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱[34]，碳酸鹽巖母質(zhì)發(fā)育土壤中Pb、Cd、Hg、As、Cu等重金屬元素背景值通常也高于非喀斯特地區(qū)成土母質(zhì)發(fā)育的土壤[35]；重金屬污染物在土壤環(huán)境中長(zhǎng)期潛伏，很難被植物和土壤降解，它不僅影響農(nóng)作物產(chǎn)量和生長(zhǎng)，可能還使土壤結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，對(duì)喀斯特山區(qū)影響尤為嚴(yán)重[36]。土壤污染具有隱蔽性、滯后性、累積性、不可逆轉(zhuǎn)性等特點(diǎn)，而喀斯特山區(qū)裂隙構(gòu)造發(fā)育過(guò)程中通過(guò)大氣降水的淋溶作用，下滲到深層土壤，對(duì)深層土壤造成污染，須引起足夠重視。

貴州省10個(gè)無(wú)籽刺梨種植基地土壤Hg、Cd、Cu元素均呈現(xiàn)不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，Pb、As含量符合無(wú)公害產(chǎn)地環(huán)境要求。其中，基地土壤中Hg的超標(biāo)率達(dá)60%，Cu的超標(biāo)率達(dá)50%，Cd的超標(biāo)率達(dá)100%。

尼梅羅綜合污染指數(shù)法顯示，所有基地土壤重金屬污染為重污染級(jí)；單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)顯示，所有的無(wú)籽刺梨基地土壤受到不同程度的重金屬污染，Cd污染較嚴(yán)重，9個(gè)種植基地土壤受到Cd的嚴(yán)重污染，6個(gè)基地土壤受到Hg的重度污染。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)顯示，大部分基地土壤Hg、Cd的潛在風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)很高，7個(gè)基地土壤Hg、Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以上；RI顯示8個(gè)基地土壤重金屬處于嚴(yán)重潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。