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，導(dǎo)致污染生態(tài)系統(tǒng)，并且通過食物鏈危害人類健康[1-2]。由于森林土壤中的重金屬元素進(jìn)入到人類食物鏈的可能性遠(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)查了長沙市6種森林類型土壤重金屬，結(jié)果表明總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)達(dá)到了中等程度的生態(tài)風(fēng)險。Hansen等[14]發(fā)現(xiàn)法國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活動等原因，遠(yuǎn)離城市的森林土壤也會出現(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)勢明顯，而且在我國的社會經(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，其自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也被越來越多的人們關(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象，采用土壤重金屬污染評估的方法，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，因為它的地形就像是張開翅膀的鳳凰，被人們稱為金鳳山。以暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候為主，年平均氣溫為11～14℃，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為主，混生有少量常綠闊葉樹種。

1.2 樣品的采集

林地的選取和土壤樣品采集于2020年。通過調(diào)查商州區(qū)的植被分布和長勢，確定了生長旺盛且能代表本區(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，選擇兩個間距50 m的縱斷面進(jìn)行采樣，每個縱斷面樣點間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（Broussonetia papyrifera）（4份）和橡樹（Quercus palustris Münchh）（3份）林地土壤。采樣土層深度為0～20 cm。采樣時，首先清除地表上的雜物碎屑，然后在距每個采樣點1 m的距離內(nèi)的4個點采集土壤樣品，攪拌混合均勻，取約1 kg裝入塑料袋中，并對所采集的土樣進(jìn)行編號，并帶回實驗室，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100目尼龍篩，存儲在自封袋中待測。

1.3 土壤重金屬含量的測定

土壤樣品中的重金屬元素測定選用火焰原子吸收分光度光法[21]。

1.4 評價方法

以陜西省土壤背景值[22-23]作為土壤重金屬的評價標(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)，對實測的重金屬含量進(jìn)行歸一化處理。計算公式為：

式(1)中，Cn為土壤實測的重金屬含量，Bn為陜西省土壤重金屬含量背景值，K=1.5。地積累指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地積累指數(shù)法分級標(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)法計算綜合污染指數(shù)，用于評價土壤重金屬污染程度。計算公式為：

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個土壤樣品重金屬含量的實測值，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個等級，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤綜合污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(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)險指數(shù)計算公式為：

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Excel2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和制圖。

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為強變異。5種重金屬平均變異程度按從大到小排序為 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變異。由此可見，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)等人類活動引起的。土壤中重金屬元素的來源分為天然來源和人工來源。自然原因主要是來自地球內(nèi)部的地質(zhì)和化學(xué)過程，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工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。金鳳山靠近商州區(qū)北環(huán)公路，受汽車尾氣排放的影響，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)，離居民點密集區(qū)較近，人類的生產(chǎn)生活也會導(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)樹林和橡樹林土壤重金屬元素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，機動車使用的燃料含防抗劑四乙基鉛，燃料燃燒后Pb隨汽車尾氣排放，在周圍林地土壤中積累，造成污染。土壤中重金屬元素Zn主要來源于銅鋅礦開采和冶煉排放的電鍍、煙塵、顏料及化工部門排放的廢水等。本研究中，重金屬元素Zn含量較高主要是因為林地距城市工業(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陜西省背景值。刺槐林和橡樹林土壤重金屬元素Cu含量最大值分別為 35.41 mg·kg-1和 27.00 mg·kg-1， 分別超過陜西省背景值11.50%和26.17%。核桃林、刺槐林、構(gòu)樹林和橡樹林土壤重金屬元素Pb含量最大值分別為 41.52，53.18，31.54，48.69 mg·kg-1，分別超過陜西省背景值 94.02%，154.40%，47.38%，127.52%。刺槐林和構(gòu)樹林土壤重金屬元素Cr含量最大值分別為63.62 mg·kg-1和68.35 mg·kg-1，分別超過陜西省背景值1.79%和9.36%。刺槐林和橡樹林土壤重金屬元素Ni平均含量分別為 44.11 mg·kg-1和 42.50 mg·kg-1，分別超過陜西省背景值53.72%和48.07%。核桃林、刺槐林、構(gòu)樹林和橡樹林土壤重金屬元素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價

2.2.1 林地土壤重金屬的地積累指數(shù)污染評價

圖1為土壤重金屬含量地積累指數(shù)評價。如圖1所示，25個土壤樣點重金屬元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn的地積累指數(shù)Igeo均小于0，地積累指數(shù)的等級為無污染-輕度污染等級，表明土壤沒有受到污染。核桃、刺槐、構(gòu)樹和橡樹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)的等級均為無污染-輕度污染等級，土壤沒有受到污染?？梢?，地積累污染指數(shù)表明4種林地的土壤沒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)評價

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)樹林土壤重金屬污染程度屬于第2級，為尚清潔（警戒線）狀態(tài)；橡樹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，為土壤輕度污染。可知，金鳳山這4種人工林地土壤重金屬量比陜西省重金屬背景高，因此，需加強重金屬的監(jiān)測，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以及橡樹林和構(gòu)樹林土壤重金屬元素 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，為輕污染；核桃林土壤重金屬元素Ni和刺槐林、橡樹林土壤重金屬元素Cr指數(shù)介于0.7～1.0，重金屬污染程度屬于第2級，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)險指數(shù)評價

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)險指數(shù)排序為：刺槐林＞核桃林＞橡樹林＞構(gòu)樹林，刺槐林土壤重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為169.03，總的潛在生態(tài)風(fēng)險程度為中度，核桃林、橡樹林和構(gòu)樹林土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(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)險程度為輕度。

圖4 金鳳山林地土壤潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

圖5 金鳳山林地土壤不同重金屬元素潛在風(fēng)險指數(shù)

如圖5所示，林地土壤不同重金屬元素潛在風(fēng)險指數(shù)差異較大，橡樹林土壤重金屬元素Cu、Ni和刺槐林土壤重金屬元素Pb、Ni潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為40～80，生態(tài)風(fēng)險污染程度為中度。橡樹林土壤重金屬元素Pb潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為80～160，生態(tài)風(fēng)險污染程度為強度。其它重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)小于40，生態(tài)風(fēng)險程度為輕度。因此應(yīng)查明各類型林地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大的重金屬元素的污染來源，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)樹林和橡樹林土壤重金屬元素Pb平均含量分別超過陜西省背景值9.40%和23.41%，刺槐林土壤重金屬元素Zn平均含量超過陜西省背景值11.50%。因此，需要進(jìn)一步開展該地區(qū)不同樹種對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。為利用植物對土壤重金屬的凈化提供可以選用的植物材料。

本研究對重金屬污染采用不同評價方法，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)險指數(shù)結(jié)果表明僅刺槐林土壤總的潛在生態(tài)風(fēng)險程度為中度，核桃林、橡樹林和構(gòu)樹林土壤總的潛在生態(tài)風(fēng)險程度為輕度。因此，為了全面客觀地反映評價土壤中重金屬的含量狀況和評價重金屬污染等級，一方面需要綜合考慮各方面因素，另一方面需要開展林地重金屬生態(tài)閾值及環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究工作。