河源市紫金縣森林土壤重金屬分布特征及污染評價*

張亞男 張中瑞 魏 丹 朱航勇張 耕 余 斐 丁曉綱

（廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

土壤是森林植被的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量直接影響森林的生長發(fā)育[1]。近年來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展、城市化進程的不斷推進，人類對土地和礦物資源的過度開發(fā)、對農(nóng)藥和化肥的不合理使用，導(dǎo)致土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至造成土壤污染，其中重金屬污染是其污染源之一。重金屬穩(wěn)定性強、難降解、半衰期長，土壤一旦遭受重金屬污染將會影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并通過食物鏈富集，最終對人類健康造成危害[2-5]。

2014 年4 月環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國首次土壤污染狀況調(diào)查顯示，我國天然林、次生林和人工林林地土壤點位超標(biāo)率高達10.0%，污染的重金屬主要是鎘、砷等[6]。有研究表明，銅礦開采以及長期過度施肥造成浙江地區(qū)香榧Torreya grandis集中種植區(qū)土壤處于輕度污染狀態(tài)，其中鎘污染的潛在風(fēng)險最大[4]。張富貴等[7]基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度對西南地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬進行風(fēng)險評價，發(fā)現(xiàn)鎘是污染風(fēng)險最大的元素，且存在多種重金屬復(fù)合污染，生態(tài)風(fēng)險較高。

紫金縣是華南地區(qū)重要的茶葉主產(chǎn)區(qū)和森林資源分布區(qū)，在土壤質(zhì)量方面有著更高需求[8-9]。本研究以紫金縣森林土壤為研究對象，分析其重金屬含量（鎘Cd、砷As、鉛Pb、銅Cu、鎳Ni），進而評價紫金縣森林土壤重金屬污染狀況，為提高紫金縣森林土壤質(zhì)量，維持生態(tài)系統(tǒng)安全提供參考[10-11]。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)系廣東省中東部的河源市紫金縣（114°40′～115°30′E, 23°10′～23°45′N）， 屬 南 亞 熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)明顯，夏長冬短，年均氣溫20.5 ℃，年均降水量1 733.9 mm，年均日照時數(shù)1 705.7 h，年均相對濕度83%。地形以山地、丘陵為主，面積為3 046 km2，占全縣總面積的84%，具有“八山一水一分田”的特點。成土母質(zhì)為花崗巖，土壤以黃壤、紅壤和赤紅壤為主。研究區(qū)內(nèi)森林覆蓋率高達75.62%，主要為暖性針闊混交林、熱性針葉林、常綠闊葉林[8]。

1.2 試驗方法

2020 年7—9 月，根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，確定30 個林分（即基本樣本量n=30），所選林分主要包括有人工林（杉木林、桉樹林為主）和自然林（常綠闊葉林、落葉闊葉混交林為主），并采用典型抽樣法布設(shè)樣點，各樣點均選擇有代表性地段并間隔一定距離（＞10 m）挖掘3 個土壤剖面，剖面長1.2 m，寬1 m，深1 m。每個剖面均間隔20 cm 分層取樣，從上至下依次為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，將5 層土樣分裝并及時帶回實驗室，在室內(nèi)常溫下風(fēng)干，揀出雜物，磨碎并充分混合，過100 目尼龍篩后用于檢測土壤樣品中的砷、鉛、鎘、銅和鎳的含量[12-13]。

1.3 項目測定

土壤樣品重金屬含量測定：原子熒光法測定砷（As）、鉛（Pb）含量，參照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》（GB/T22105-2008）[14]；火焰原子吸收分光光度法測定銅（Cu）、鎳（Ni）含量，參照《土壤和沉積物銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ491-2019）[15]；石墨爐原子吸收分光光度法測定鎘（Cd）含量，參照《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）[16]。

1.4 統(tǒng)計方法

采用描述性統(tǒng)計分析分別研究5 層土壤重金屬元素含量；采用相關(guān)性分析研究土壤重金屬元素含量間的相關(guān)性（取5 層土壤樣品的平均值）；采用單因子污染指數(shù)法（單一重金屬元素對土壤的污染狀況）和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（多種重金屬元素對土壤的污染狀況，特別是高濃度重金屬對土壤的影響）評價土壤重金屬污染狀況（取5 層土壤樣品的平均值），單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算公式如下：

公式(1)中，Pi為土壤重金屬的單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測值（mg·kg-1）；Si為重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)值（mg·kg-1）。本研究以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）中pH ≤ 5.5 其他類型下的風(fēng)險篩選值作為評價標(biāo)準(zhǔn)值[17]。單因子污染指數(shù)法評價標(biāo)準(zhǔn)分4 級：無污染（Pi≤ 1.0）、輕度污染（1.0 ＜Pi≤ 2.0）、中度污染（2.0 ＜Pi≤ 3.0）、重度污染（Pi≥ 3.0）。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)評價標(biāo)準(zhǔn)分5 級：清潔（P≤ 0.7）、尚清潔（即警戒線0.7 ＜P≤ 1.0）、輕度污染（1.0 ＜P≤ 2.0）、中度污染（2.0 ＜P≤ 3.0）、重度污染（P≥ 3.0）[3-5,18]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 和SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進行整理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫金縣森林土壤重金屬含量

紫金縣森林土壤重金屬含量如表1。0～100 cm層的砷超過污染風(fēng)險篩選值，0～80 cm 層的鉛、銅、鎳、鎘低于污染風(fēng)險篩選值。砷和鉛含量在60～80 cm 土層中含量最高，隨著土層加深先增后減；銅和鎳含量在80～100 cm 土層中最高，隨著土層加深逐漸遞增；鎘含量在0～20 cm 土層中最高，其含量在各層土壤中變化不明顯。

表1 紫金縣森林土壤重金屬含量比較Table 1 Comparison of heavy metal content in forest soil of Zijin county

5 層土壤混合樣中，砷超過了污染風(fēng)險篩選值，鉛、銅、鎳、鎘均低于污染風(fēng)險篩選值。

2.2 紫金縣森林土壤重金屬含量相關(guān)性分析

紫金縣森林土壤重金屬含量相關(guān)性分析如表2，砷含量與銅含量呈極顯著正相關(guān)；鉛含量與鎘含量呈極顯著正相關(guān)；銅含量與鎘含量呈顯著正相關(guān)；其余元素間相關(guān)性不顯著。

表2 紫金縣森林土壤重金屬含量相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis in forest soils heavy metals content of Zijin county

2.3 紫金縣森林土壤重金屬污染評價

紫金縣森林土壤重金屬元素污染指數(shù)評價結(jié)果如表3。重金屬元素鉛、銅、鎳、鎘的單因子污染指數(shù)均小于1.0，屬無污染等級；重金屬元素砷的單因子污染指數(shù)為1.905，屬輕度污染。紫金縣森林土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為 1.439，屬輕度污染。

表3 紫金縣森林土壤重金屬污染評價Table 3 The evaluation of heavy metals pollution in forest soils of Zijin County

3 結(jié)論與討論

對土壤造成重金屬污染的主要是密度大于5 g·cm3的金屬：鉻Cr、鎘Cd、鉛Pb、砷As、汞Hg 和銅Cu，其中砷由于化學(xué)性質(zhì)及毒性被歸于重金屬污染。重金屬在土壤中具有易積累、難降解、隱蔽性強、殘留時間長、難以徹底去除等特性，當(dāng)土壤中重金屬含量過高時，依附于土壤生存的動植物及微生物均會受到影響[19-24]。紫金縣森林土壤各層重金屬元素含量不完全相同，5 層土壤及混合后的土壤砷含量均超過污染風(fēng)險篩選值，鉛、銅、鎳、鎘含量處在污染風(fēng)險篩選值以內(nèi)。

土壤重金屬既來源于土壤母質(zhì)，也受人類活動的影響，相同來源的重金屬間存在一定的相關(guān)性。同時，相關(guān)性顯著的重金屬具有較好的伴生關(guān)系[19,25-26]。本研究得出：砷含量與銅含量呈極顯著正相關(guān)，鉛含量與鎘含量呈極顯著正相關(guān)，銅含量與鎘含量呈顯著正相關(guān)，表明砷、銅、鉛、鎘元素可能來自同一污染源，同時這些重金屬之間存在一定的伴生關(guān)系。

從單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價結(jié)果來看，紫金縣森林土壤重金屬中砷的單因子污染指數(shù)超過1，屬輕度污染，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.439，屬輕度污染等級。農(nóng)藥、殺蟲劑、冶煉原料、染料等工業(yè)制品中含有大量砷、鎘、鎳元素及其化合物[3,11,27-28]，本研究結(jié)果表明人類的生產(chǎn)活動已經(jīng)對紫金縣森林土壤產(chǎn)生影響，需對紫金縣森林土壤定期開展污染檢測，控制并降低污染風(fēng)險，減少重金屬對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。