雷州半島土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及富集特征研究

汪碧玲，陳碧珊，劉發(fā)耀，蘇薇薇，柯柳聰，黃欣欣

1.廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.嶺南師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，廣東 湛江 524048

土壤是人類生存發(fā)展息息相關(guān)的基本環(huán)境要素（串麗敏等，2014），水果中含有人體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡氖澄铮R萍，2019）。土壤在發(fā)生與發(fā)育過(guò)程中，與水果作物形成一個(gè)藕合的開放系統(tǒng)（李嘉蕊，2019），即土壤-水果作物系統(tǒng)。近年來(lái)，工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的大量重金屬污染物被帶入土壤-作物系統(tǒng)中，造成土壤嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致土壤中重金屬含量增加（劉品禎，2018；馬建華等，2014），而部分重金屬元素累積在作物果實(shí)中，進(jìn)而通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)入人體，對(duì)人體健康帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水果作物質(zhì)量的重金屬形態(tài)、含量及分布特征和土壤污染進(jìn)行了大量研究（Teng et al.，2014；Hu et al.，2017），如鄭國(guó)璋等（2008）認(rèn)為水果中的重金屬主要來(lái)自果園土壤；聶繼云等（2002）認(rèn)為果園土壤中的重金屬來(lái)自“三廢”；董峰光等（2018）針對(duì)不同果類及不同階段人群進(jìn)行重金屬污染調(diào)查與評(píng)價(jià)，得出As和Pb是重金屬人群膳食暴露的主要污染物；王露（2018）以櫻桃作物為例，對(duì)關(guān)中地區(qū)重金屬含量特征、污染評(píng)價(jià)及來(lái)源等進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明土壤重金屬含量大多超過(guò)土壤背景值，土壤重金屬主要來(lái)自農(nóng)業(yè)化肥污染、道路交通污染和自然來(lái)源；櫻桃重金屬與土壤重金屬之間相關(guān)性較低。

雷州半島是中國(guó)第三大半島，位于中國(guó)大陸的最南端，廣東省的西南部，20°13′—21°33′N，109°40′—110°35′E，在行政區(qū)劃上屬于湛江市，轄雷州、廉江、徐聞、遂溪、吳川五縣（市）及赤坎、麻章、霞山、坡頭四區(qū)。雷州半島作為廣東省的重要農(nóng)業(yè)基地，是嶺南水果豐收之地，水果種植產(chǎn)量也在逐年增加，2018年湛江市的水果種植總產(chǎn)量達(dá)到260多萬(wàn)t。雷州半島水果種植面積、總產(chǎn)量和總產(chǎn)值均居廣東省各地級(jí)市的前列，水果產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為湛江市農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。而目前關(guān)于雷州半島土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素的研究仍處于起步階段，因而本研究通過(guò)對(duì)雷州半島土壤及水果作物重金屬元素的含量特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，探討土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素富集特征，進(jìn)一步了解雷州半島土壤-作物系統(tǒng)中重金屬元素的污染狀況及對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)，以期為區(qū)域土壤的管理與修復(fù)以及區(qū)域水果食品安全生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)與建議。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)雷州半島水果作物種植的種類、規(guī)模及分布情況，選取水果作物種植種類多、規(guī)模大的徐聞縣、雷州市、吳川市、廉江市、麻章區(qū)、坡頭區(qū)及霞山區(qū)作為研究區(qū)域，自2018年1月—2019年7月，先后對(duì)番石榴、紅橙、草莓、菠蘿、香蕉、芒果、火龍果、荔枝、青棗、楊桃等10種類型水果果園進(jìn)行表層土壤采集及新鮮水果樣品采摘，土壤及水果作物的采樣點(diǎn)分布如圖1所示，具一定的代表性。土壤樣品采用梅花布點(diǎn)法，使用 PVC管及塑料鏟采集0—20 cm的表層土壤，共55個(gè)土壤樣品，質(zhì)量各約1 kg；水果樣品采用塑料剪刀采集收獲豐盛期作物的可食用部位，每個(gè)樣品共采集2 kg左右，共 34個(gè)水果樣品，但由于部分水果樣品糖分太高，無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，最終分析的水果樣品為14個(gè)。

圖1 雷州半島土壤及水果作物采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of soil and fruit crop sampling points in Leizhou Peninsula

1.2 樣品處理

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室預(yù)處理

采集的土壤及水果作物樣品經(jīng)自然干燥、研磨和過(guò)篩等預(yù)處理，將采集的土壤樣品混合縮分減少至約 100 g，土樣經(jīng)自然風(fēng)干、剔除雜質(zhì)后，經(jīng)瑪瑙研缽充分研磨，再過(guò)100目篩（0.15 mm）混合均勻后備用；水果樣品清洗表面污垢并去除外表皮，用去離子水反復(fù)漂洗晾干，水果樣品經(jīng)陶瓷刀切成小塊，于60 ℃烘箱中烘干。

1.2.2 重金屬元素的測(cè)定

完成預(yù)處理的土壤、水果樣品將被送往澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室（廣州）進(jìn)行樣品超痕量多元素測(cè)試。其測(cè)試過(guò)程分別為：一方面稱取兩份土壤樣品，分別經(jīng)過(guò)王水消解及四酸（高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸）消解處理，另一方面稱取制備好的水果試樣，經(jīng)稀硝酸進(jìn)行冷消解等處理，再分別使用ICP-AES（電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀）和ICP-MS（電感耦合等離子體質(zhì)譜儀）進(jìn)行綜合分析，根據(jù)土壤、水果樣品的消解效果，將獲得樣品中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、銅（Cu）、汞（Hg）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鋅（Zn）8種重金屬元素的含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

通過(guò)ArcGIS 10.2和Coreldraw 14.0軟件繪制采樣圖、利用Excel 2016和SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理數(shù)據(jù)，并結(jié)合土壤背景值（許煉烽等，1996）、GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，2018）和GB 2762—2017《國(guó)家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)》（中華人民共和國(guó)國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)等，2018），分析不同果園土壤及水果重金屬的含量特征，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)估污染物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，最后通過(guò)富集系數(shù)研究重金屬在土壤-水果作物系統(tǒng)中的富集特征。

1.3.1 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算方法

1.3.2 土壤-水果系統(tǒng)重金屬富集程度計(jì)算方法

富集系數(shù)是指植物上部某一重金屬含量與根部土壤同一重金屬含量的比值，反映了重金屬?gòu)母客线w移的能力，其計(jì)算方法為（何東等，2013）：

式中：TF表示富集系數(shù)，V表示水果可食用部分的元素含量，單位為mg·kg?1；S表示土壤的元素含量，單位為 mg·kg?1。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層土壤重金屬元素含量特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1.1 表層土壤重金屬元素含量特征

研究區(qū)水果作物表層土壤中8種重金屬含量如表1所示，呈Cr>Ni>Zn>Cu>Pb>As>Hg>Cd的特征。對(duì)比區(qū)域土壤背景值發(fā)現(xiàn)，除 Pb元素外，其他 7種重金屬元素平均含量均超出其背景值，如Ni、Cu元素的污染指數(shù)較強(qiáng)，分別為背景值的 7.83、5.30倍，其次為Zn、Cr元素，分別為背景值的 3.61、3.26倍，其余元素僅在個(gè)別樣品上超出其背景值，表明研究區(qū)的土壤遭受一定程度的污染。對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018），所有元素的平均值均未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，但Cr、Cu、Ni等3種元素含量在個(gè)別樣點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)，其中有20個(gè)采樣點(diǎn)的Ni元素含量超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)36.36%，有14個(gè)采樣點(diǎn)的Cr元素含量超標(biāo)，超標(biāo)率為25.50%，有5個(gè)采樣點(diǎn)的Cu元素含量超標(biāo)，超標(biāo)率為9.09%；Hg、As、Pb、Zn、Cd元素沒(méi)有超標(biāo)，水果作物土壤整體上清潔安全，但在個(gè)別樣點(diǎn)受Ni、Cr和Cu等重金屬元素的污染。

表1 雷州半島表層土壤重金屬元素的含量特征Table 1 Content characteristics of heavy metal elements in the surface soil of Leizhou Peninsula

通過(guò)計(jì)算水果作物表層土壤中8種重金屬的變異系數(shù)在離散程度中的大小排序?yàn)椋篘i>Cr>Cu>Cd>Zn>Pb>Hg>As，在表2中可將這8種元素劃分為3個(gè)層次：Ni元素的變異系數(shù)為115%，屬于強(qiáng)變異性，受人為活動(dòng)影響很大；其余7種元素的變異系數(shù)在10%—100%之間，具中等變異性，如Cu、Cr、Cd、Zn、Pb元素的變異系數(shù)在 54%—90%之間。結(jié)果顯示，重金屬元素含量在研究區(qū)的差異很大，受人類活動(dòng)影響大而離散程度高；As和Hg元素的變異系數(shù)小于50%，分別為42%和48%，說(shuō)明As和Hg元素在研究區(qū)的差異較小，受人類活動(dòng)干擾較小而離散程度低。土壤中的重金屬含量除受成土母質(zhì)影響（陳燕等，2009），人為因素的作用也逐漸加強(qiáng)；研究區(qū)表層土壤重金屬的變異系數(shù)，整體表明研究區(qū)水果作物表層土壤重金屬元素受人為活動(dòng)影響較大，與前人的研究結(jié)果相似（楊彥等，2012；羅松英等，2019）。

表2 雷州半島不同水果種類可食用部分重金屬元素含量Table 2 Results of heavy metal elements in edible parts of different fruit types in Leizhou Peninsula μg·g?1

2.1.2 表層土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

圖2 雷州半島表層土壤重金屬潛在生態(tài)富集系數(shù)Fig.2 Potential ecological enrichment coefficient of heavy metals in the surface soil of Leizhou Peninsula

圖3 雷州半島各市（縣、區(qū)）土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)Fig.3 Potential ecological risk parameters of heavy metals in soils of cities (counties and districts) in Leizhou Peninsula

雷州半島不同市縣區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如圖4所示，水果作物表層土壤在不同采樣區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為 159.44≤RI<388.90，平均值為267.16，為中等—強(qiáng)污染。其中霞山區(qū)、坡頭區(qū)、廉江市和吳川市為中等污染，麻章區(qū)、雷州市和徐聞縣為強(qiáng)污染。

圖4 雷州半島各市（縣、區(qū)）土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Fig.4 Potential Ecological Risk Index of Heavy Metals in Soils (Counties and Districts) of Leizhou Peninsula

2.2 水果作物的重金屬元素含量特征

研究區(qū)水果的可食用部分各重金屬元素含量如表2所示，其中含量最高為Zn元素，范圍在8.2—30.2 μg·g?1之間，其次為 Cu元素，范圍在 3.15—8.54 μg·g?1之間，而其余重金屬元素含量表現(xiàn)為：Ni>Cr>Pb>As>Cd>Hg。與GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》對(duì)應(yīng)的 Cd和Pb元素限量指標(biāo)相比較，除了草莓中Cd和Pb元素含量超過(guò)限量標(biāo)準(zhǔn)，為限量值的 5.44倍和 1.02倍；其他水果種類可食用部分重金屬元素含量遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的限量指標(biāo)。其中番石榴的Cd和Pb元素含量分別為限量值的38.0%和83.9%；紅橙的Cd和Pb元素含量分別為限量值的18.0%和62.4%；菠蘿的 Cd和 Pb元素含量分別為限量值的 70.0%和78.4%；香蕉的Cd和Pb元素含量分別為限量值的4.0%和9.2%；芒果的Cd和Pb元素含量分別為限量值的 26.0%和 19.5%。由此可以看出大部分水果重金屬元素含量目前處于安全狀態(tài)，但不同水果對(duì)重金屬元素的吸附能力存在差異，以草莓、菠蘿和番石榴對(duì)Cd和Pb重金屬元素的吸附能力較強(qiáng)。而草莓中 Cd和 Pb元素含量超過(guò)國(guó)家規(guī)定的限量標(biāo)準(zhǔn)，其原因主要與化肥農(nóng)藥的殘留有關(guān)（王宇，2014）。目前，水果作物中As、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn等元素還未制定限量標(biāo)準(zhǔn)，因而無(wú)法判定其在水果作物中的安全性水平。建議相關(guān)部門根據(jù)發(fā)展需要，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不斷修訂和完善，以發(fā)揮其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展應(yīng)有的重要作用（郝變青等，2015）。

2.3 土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素富集特征及規(guī)律分析

2.3.1 土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素的相關(guān)性分析

經(jīng)軟件SPSS 25.0的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析后，將水果作物及其相應(yīng)土壤中的8種元素的含量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。在相關(guān)性分析中，Hg、As、Ni、Cu、Pb元素呈現(xiàn)正相關(guān)，Zn、Cd、Cr元素呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，Cu元素在0.05水平上呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，主要原因是Cu元素作為植物生長(zhǎng)所需的微量元素，在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)隨養(yǎng)分而遷移富集于植物體內(nèi)。研究區(qū)土壤和水果作物之間的重金屬含量整體呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)關(guān)系，可能是由于水果作物實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)量較少，因而相關(guān)系數(shù)較低，這表明重金屬元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化、富集能力較低。

表3 土壤-水果作物重金屬元素相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果Table 3 Analysis results of correlation coefficients of heavy metal elements in soil-fruit crops

2.3.2 重金屬元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中的富集特征

土壤中的重金屬元素在生長(zhǎng)過(guò)程中主要被水果作物吸收，因生物學(xué)特性和生長(zhǎng)周期的差異，不同水果對(duì)不同重金屬的吸收能力存在巨大差異。衡量不同水果可食用部分吸收土壤重金屬元素的能力可用富集系數(shù)表示。研究區(qū)不同水果可食用部位對(duì)所生長(zhǎng)土壤中 8種重金屬的富集情況如表 4所示，可以看出不同水果作物針對(duì)不同重金屬的富集能力排序?yàn)镃d>Zn>Cu>Hg>Cr>Ni>Pb>As，這與龐榮麗等（2019）、葉嘉敏等（2016）學(xué)者對(duì)土壤-水果作物系統(tǒng)中重金屬富集特征的分析結(jié)果基本相同，特別是Cd元素的富集能力遠(yuǎn)高于Ni、Pb、As等元素，在中國(guó)不同區(qū)域農(nóng)田重金屬研究表明農(nóng)田土壤Cd元素均出現(xiàn)不同程度的富集（吳洋等，2015；竇韋強(qiáng)，2020）。雷州半島Cd元素的富集系數(shù)范圍為0.005—6.846，平均值為0.922，表明Cd元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中具較好的富集能力，更易被土壤吸收并向地上部分富集，這在所測(cè)的水果樣品（草莓、菠蘿）中表現(xiàn)得最為明顯，Cd元素在土壤中已構(gòu)成中等污染，應(yīng)成為研究區(qū)重點(diǎn)關(guān)注的元素之一。Zn、Cu是植物生長(zhǎng)必不可少的微量元素，具極高的富集能力，均在草莓樣品中表現(xiàn)得最為突出，而As作為植物生長(zhǎng)非必需的微量元素，在各類水果樣品中富集系數(shù)均為較小，表明不易從土壤向水果的可食用部分富集（張默，2010）。

表4 雷州半島中土壤-水果作物系統(tǒng)重金屬元素富集系數(shù)Table 4 Migration coefficient of heavy metal elements in soil-fruit crop system in Leizhou Peninsula

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)雷州半島55個(gè)土壤樣品和14個(gè)水果作物樣品進(jìn)行測(cè)試，分析了表層土壤和水果作物中的8種重金屬的含量，并對(duì)表層土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討土壤-水果作物系統(tǒng)中重金屬元素的富集特征。

（1）從表層土壤重金屬含量看，研究區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬元素含量的平均值除 Pb元素之外，其他均超過(guò)環(huán)境背景值，變異系數(shù)均在中等變異性之上，表明隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，表層土壤重金屬存在一定的富集現(xiàn)象。

（2）從表層土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)上，總體上屬于中等—強(qiáng)污染；其中，徐聞縣、雷州市、麻章區(qū)為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，廉江市、霞山區(qū)、坡頭區(qū)和吳川市為中等風(fēng)險(xiǎn)?？梢钥闯鐾寥乐亟饘僭诳臻g分布上存在明顯差異；由于土壤重金屬具有高隱蔽和多源性等特點(diǎn)，區(qū)域土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)狀況有待于進(jìn)一步深入了解。

（3）從水果作物重金屬含量看，不同水果作物對(duì)重金屬的吸附能力不同，除草莓外，其他水果作物等Cd和Pb元素含量均未超過(guò)國(guó)家規(guī)定的限量標(biāo)準(zhǔn)，表明大部分水果作物重金屬元素含量處于安全狀態(tài)，但不同水果對(duì)同一種重金屬元素的吸附能力存在差異，尤其以草莓、番石榴和菠蘿3種水果的吸附能力較強(qiáng)，與農(nóng)藥化肥的施用有一定的關(guān)系。

（4）從重金屬元素在土壤-水果作物的富集情況看，雷州半島表層土壤和水果作物之間的重金屬含量整體呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)關(guān)系，不同種類水果對(duì)不同元素的富集有很大差異，水果對(duì) Cd元素的富集能力最強(qiáng)，而其他重金屬元素富集系數(shù)較低，表明重金屬元素在土壤-水果作物系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化、富集能力較低。