城市化發(fā)展對(duì)林地土壤重金屬砷含量的影響*

余 斐 許窕孜 葉彩紅 鄧鑒鋒 張中瑞 朱航勇 張 耕 丁曉綱

（廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

城市化的快速發(fā)展給地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)了巨大變化。城市化的過(guò)程，將導(dǎo)致人口密度、生活垃圾和交通污染等增加。有研究顯示，高密度人口活動(dòng)會(huì)促進(jìn)交通與建筑業(yè)發(fā)展，增加城市揚(yáng)塵，進(jìn)而增加環(huán)境中重金屬濃度[1-2]。城市森林可緩解城市污染，降低人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)，因此城市森林質(zhì)量關(guān)系到地區(qū)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)安全。

城市的發(fā)展容易導(dǎo)致城市的空氣污染，環(huán)境中重金屬污染物可被植被冠層隔斷而減少沉降，但最終還是會(huì)通過(guò)凋落物，使重金屬污染物進(jìn)入城市森林土壤進(jìn)行生物循環(huán)[3]。土壤中重金屬的長(zhǎng)期積累，會(huì)對(duì)土壤功能、植物生長(zhǎng)，甚至生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[4-5]，進(jìn)而影響人類(lèi)健康。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，Cr、As、Hg 這3 種金屬均與城市發(fā)展息息相關(guān)，且屬于燃煤類(lèi)相關(guān)重金屬[6]。

National Forest Protection Program（NFPP）等一系列林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程在我國(guó)的實(shí)施，有效增加了植被覆蓋，保護(hù)了土壤和生物多樣性[7]。然而，廣東省并沒(méi)有實(shí)行NFPP，導(dǎo)致森林面積減少和森林土壤質(zhì)量下降較大[8]。韶關(guān)具有典型的地域性特征，且作為廣東省重要生態(tài)屏障，具有豐富的森林資源和獨(dú)特的森林生態(tài)系統(tǒng)，但森林生態(tài)的保護(hù)與日益進(jìn)步的城市發(fā)展存在鮮明的矛盾。因此，選取韶關(guān)作為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)其不同地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）地區(qū)的林地土壤重金屬As 的污染情況，并分析重金屬與多種社會(huì)因素間的相關(guān)性。研究結(jié)果有利于我們分析城市發(fā)展對(duì)林地土壤重金屬的影響因素，為區(qū)域發(fā)展和生態(tài)友好型城市發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)介紹

韶關(guān)位于廣東省北部，有廣東省北大門(mén)之稱(chēng)，北接湖南，東鄰江西，地理坐標(biāo)介于北緯23°53′～25°31′、東 經(jīng)112°53′～114°45′之 間。本 區(qū)屬南亞熱帶濕潤(rùn)型氣候大區(qū)，氣候具有潮濕、溫暖、多雨、雨季和旱季明顯等特點(diǎn)，年平均氣溫18.8～21.6 ℃；雨量充沛，多年平均降水量1 682.3 mm，3—8 月為雨季，其余月份為旱季[9]。區(qū)域地帶性土壤為紅壤，占全市總面積的50%以上。海拔800 m 以下為亞熱帶常綠闊葉林，800～1 300 m為落葉闊葉林，1 300～1 600 m 為針闊混合林。韶關(guān)是全國(guó)重點(diǎn)林區(qū)，林地面積127.4 萬(wàn)hm2，活立木蓄積量9 045 萬(wàn)m3，森林覆蓋率75.05%[10]。

1.2 調(diào)查及采樣方法

2020 年7—9 月，根據(jù)不同地區(qū)土壤屬性分布特征差異，按不同地區(qū)林地面積比例確定各地區(qū)樣點(diǎn)數(shù)，選擇樣點(diǎn)內(nèi)具有代表性的地區(qū)挖掘3 個(gè)重復(fù)，各重復(fù)水平距離大于10 m，深度為0～20 cm。采集后的土壤樣品用封口袋盛裝，并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過(guò)篩后以用于測(cè)定土壤基本指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

土壤樣品重金屬As 含量參考《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》（GB/T22105-2008)進(jìn)行測(cè)定[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及制圖

采用SPSS 20.0 軟件對(duì)林地土壤重金屬元素含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)及單因素相關(guān)性分析。利用Origin 2022 及Excel 2016 軟件進(jìn)行制圖。

1.5 土壤污染評(píng)價(jià)

土壤重金屬污染評(píng)價(jià)采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[12]，并計(jì)算超標(biāo)率。其中，單因子污染指數(shù)法用于研究單一重金屬元素對(duì)土壤的污染狀況；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法能夠綜合反應(yīng)多種重金屬對(duì)土壤的污染狀況，并突出高濃度重金屬對(duì)土壤質(zhì)量的影響作用。3 種評(píng)價(jià)方法的計(jì)算公式分別為：

公式（1）中，Pi為土壤重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)值（mg/kg）；Si為重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（mg/kg）。由于目前尚無(wú)森林土壤重金屬相關(guān)的限量標(biāo)準(zhǔn)，本研究采用《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)（試行）》（GB 15618—2018）中非水田條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Pi≤1，無(wú)污染；1 ＜Pi≤2，輕度污染；2 ＜Pi≤3，中度污染；Pi≥3，重度污染。

公式（2）中，P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pimax為重金屬單因子污染指數(shù)最大值，Piavg為重金屬單因子污染指數(shù)平均值。內(nèi)梅羅污染指數(shù)可分為5 級(jí)，P≤0.7 時(shí)表示土壤仍清潔；0.7 ＜P≤1.0 表示土壤尚清潔（警戒線(xiàn)），1.0＜P≤2.0 表示土壤輕度污染，2.0 ＜P≤3.0 表示土壤中度污染，P＞3.0 表示土壤重度污染。

公示（3）中，φi為污染元素i的超標(biāo)率；nip為污染元素i的所有調(diào)查點(diǎn)中污染指數(shù)Pi＞1 的個(gè)數(shù)；ni0為污染元素i的所有調(diào)查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)年鑒統(tǒng)計(jì)

本研究涉及的地區(qū)主要位于韶關(guān)的武江區(qū)、翁源縣、乳源縣、始興縣和新豐縣這5 個(gè)區(qū)（縣）（圖1）。根據(jù)其GDP 的大小分為高GDP 地區(qū)（武江區(qū)）、中GDP 地區(qū)（翁源縣和乳源縣）和低GDP 地區(qū)（始興縣和新豐縣）。武江區(qū)的GDP 分別為翁源縣、乳源縣、始興縣和新豐縣的2.64、2.91、3.48、3.95 倍。這5 個(gè)區(qū)（縣）的第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值均為占比最大的產(chǎn)業(yè)（46%～57%），而第一產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值最低（8%～28%）（圖2）。武江區(qū)的土地面積和建設(shè)用地面積、林地面積為最小，但總?cè)丝跀?shù)（32.14 萬(wàn)人）和人口城鎮(zhèn)率（76.07%）較大，形成的人口密集地區(qū)導(dǎo)致了該區(qū)具有較高的民用汽車(chē)保有量和廢水排放量。新豐縣的工業(yè)生產(chǎn)單位較多，進(jìn)而導(dǎo)致了較高的工業(yè)廢氣量和一般工業(yè)固體廢物量（表1）。

表1 韶關(guān)不同地區(qū)年鑒統(tǒng)計(jì)Table 1 Yearbook statistics in different regions in Shaoguan

圖1 韶關(guān)所調(diào)查地區(qū)樣點(diǎn)Figure 1 Sample map of the investigated area in Shaoguan

圖2 韶關(guān)不同地區(qū)第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值及人均地區(qū)生產(chǎn)總值Figure 2 GDP and per capita GDP of primary, secondary and tertiary industries in different regions in Shaoguan

2.2 土壤重金屬含量特征

不同GDP 地區(qū)的林地土壤重金屬As 含量不同（表2）。其中，高GDP 地區(qū)（51.75 mg/kg）As含量的平均值大于中GDP 地區(qū)（28.03 mg/kg），大于低GDP 地區(qū)（20.30 mg/kg）。同時(shí)，各GDP 地區(qū)的最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和顯著性從大到小排列均為高GDP 地區(qū)＞中GDP 地區(qū)＞低GDP 地區(qū)。變異系數(shù)決定重金屬變異程度，As 的變異系數(shù)大于1.0，因此屬于強(qiáng)變異。在顯著水平α =0.05 的單樣本K-S 檢驗(yàn)水平下，As 符合正態(tài)分布。

表2 韶關(guān)不同GDP 地區(qū)林地土壤重金屬As 含量的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of heavy metals As content in woodland soils of different GDP regions in Shaoguan

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

不同GDP 地區(qū)的林地土壤重金屬As 元素評(píng)價(jià)結(jié)果不同，高GDP 地區(qū)的單項(xiàng)污染指數(shù)Pi（1.31）大 于 中GDP 地 區(qū) 的Pi（0.70），大 于低GDP 地區(qū)的Pi（0.52）。韶關(guān)林地土壤重金屬As 超標(biāo)地區(qū)較多，其中高GDP 地區(qū)的超標(biāo)率超過(guò)1/4，遠(yuǎn)大于中GDP（17.53%）和低GDP 地區(qū)（11.89%）的超標(biāo)率（表3）。高GDP 地區(qū)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)處于尚清潔程度，而中GDP 和低GDP 地區(qū)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)處于清潔程度。

表3 韶關(guān)不同GDP 地區(qū)林地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of heavy metal pollution of forest soil in different GDP regions in Shaoguan

2.4 不同GDP 地區(qū)的土壤重金屬含量差異

研究各地區(qū)實(shí)際GDP 值和林地土壤重金屬As含量的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，As 含量隨GDP 的增大而增大，但到達(dá)一定程度后，增長(zhǎng)速度趨于減緩，呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)模式，且R2為0.996 1（圖3）。

圖3 不同GDP 地區(qū)的土壤重金屬As 含量的差異Figure 3 Differences in soil heavy metals As content in different GDP regions

2.5 土壤重金屬含量的影響因素

各地區(qū)的林地土壤重金屬含量受不同社會(huì)因素影響。As 含量與戶(hù)籍人口城鎮(zhèn)化率、民用汽車(chē)保有量、廢水排放量具有顯著相關(guān)性（表4），證明林地土壤中的As 可能與人類(lèi)活動(dòng)、汽車(chē)廢氣污染有關(guān)。As 含量還與第二、第三產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值顯著相關(guān)，證明第二、第三產(chǎn)業(yè)是林地土壤As 污染的主要來(lái)源。

表4 土壤重金屬含量受多種因素影響的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil heavy metal content affected by various factors

3 結(jié)論與討論

通過(guò)單項(xiàng)污染指數(shù)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)及超標(biāo)率對(duì)林地土壤重金屬As 污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，高GDP地區(qū)的單項(xiàng)污染指數(shù)普遍較高，內(nèi)梅羅污染指數(shù)接近污染警戒線(xiàn)，處于尚清潔的狀態(tài)，但存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；中、低GDP 地區(qū)的土壤仍處于清潔狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。GDP 發(fā)達(dá)程度對(duì)土壤重金屬含量有一定的影響，高GDP 地區(qū)可能由于其人口活動(dòng)更密集、工商業(yè)流動(dòng)頻繁等因素，引發(fā)更高的土壤重金屬污染[13]，這一點(diǎn)與Jia等[14]對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)進(jìn)行的基于源庫(kù)理論的土壤重金屬污染潛在危險(xiǎn)區(qū)識(shí)別結(jié)論相似，認(rèn)為快速的城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)增加重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。城市不同功能區(qū)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境會(huì)影響土壤重金屬的分布差異，因?yàn)?%的城市土地空間負(fù)載80%以上的工業(yè)和生活污染物[15]。從林地土壤重金屬含量均值與GDP 的相關(guān)性來(lái)看，As 含量與GDP 呈現(xiàn)對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，其中As 含量主要來(lái)源于城市煤炭燃燒和鋼鐵冶煉[16]，與韶關(guān)市發(fā)展方向吻合。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)韶關(guān)市5 個(gè)區(qū)（縣）林地土壤重金屬As 的變異系數(shù)（1.27～1.65）較大。影響不同元素變異的因素很多[17-18]，其中有可能為不同區(qū)域的背景土壤重金屬值的差異，即土壤母質(zhì)層的重金屬含量。已有學(xué)者對(duì)廣東省的土壤做過(guò)相似研究，Yin 等[19]利用主成分分析研究了珠江三角洲地區(qū)土壤重金屬的空間分布和來(lái)源，結(jié)果顯示，該地區(qū)Pb、Hg、As 含量與廣東省背景土壤重金屬值相比，分別高出1.17、1.67、1.62 倍，其中土壤As 的變異系數(shù)均超過(guò)100%。結(jié)果顯示空間異質(zhì)性明顯，可能是人類(lèi)活動(dòng)的結(jié)果[20]，這一點(diǎn)也解釋了本研究中As 含量與GDP 呈對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系。

林地土壤重金屬受多種因素影響，且潛在風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加[21]。本研究發(fā)現(xiàn)As 的變異性較大，且受人類(lèi)活動(dòng)和地區(qū)生產(chǎn)總值（尤其第二、第三產(chǎn)業(yè)）的影響顯著，這證明Wang等[22]認(rèn)為GDP 是重金屬As 空間變異的主導(dǎo)因素的說(shuō)法。