珠江三角洲林業(yè)用地土壤重金屬潛在生態(tài)風險格局分析

朱立安，張會化，程炯，李婷，林梓，李俊杰

廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，保障陸地生態(tài)功能及穩(wěn)定基礎條件，是生態(tài)文明發(fā)展的基礎條件之一。珠江三角洲在快速經濟發(fā)展和工業(yè)化進程中，人類活動將重金屬以各種途徑“輸入”到土壤中，對于農產品質量安全、人體健康和區(qū)域生態(tài)安全產生重要的影響。

珠江三角洲地區(qū)土壤是重金屬污染較為敏感的區(qū)域（朱永官等，2005）。許多研究表明，土壤重金屬及其浸出液導致土壤生物多樣性減少、影響微生物種群結構、抑制土壤酶活性（Buch et al.，2017；Chen et al.，2020；Liu et al.，2020；王紫泉，2017；章明奎等，2007），從而導致土壤生態(tài)系統(tǒng)退化；當土壤重金屬含量達到一定濃度也會抑制植物種子萌發(fā)，影響植物生長及林地自然演替（Frey et al.，2006；Rico et al.，2011；張金池等，2001；游秀花等，2005；陶玲等，2007；李敏等，2018；夏星等，2019）。由于重金屬元素在土壤中難以降解，固定在土壤中的重金屬受外部因素（氣候變暖、利用方式、pH值變化等）影響而導致形態(tài)改變或大量釋放，其長期累積將威脅土壤生物、生態(tài)過程及功能，甚至引起不可逆的區(qū)域生態(tài)問題（張金池等，2001）。有研究表明，在施用除草劑后，受重金屬污染的土壤的生態(tài)相比對照區(qū)表現(xiàn)出功能和穩(wěn)定性明顯降低（Jiang et al.，2019）。

生態(tài)風險評價（Ecological risk assessment，ERA）是評價人類活動對生態(tài)系統(tǒng)中生物可能構成的危害效應。它可用于確定風險源與生態(tài)效應之間的關系，判斷有毒有害物質對生態(tài)系統(tǒng)產生顯著危害的概率，為環(huán)境管理和決策提供依據(jù)。中國針對土壤重金屬引起的食品安全及健康問題，相繼頒布農用地（GB 15618—2018）和建設用地（GB 36600—2018）風險管控標準，開展農用地及建設用地土壤污染詳查及修復工作，在食品安全及人身接觸健康風險等方面起到重要作用。由于土壤生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，生態(tài)用地風險控制缺少相應基準值及舉措，關于林業(yè)用地方面的生態(tài)風險知之甚少?！癏akanson潛在生態(tài)風險評估”，作為國際上土壤（沉積物）重金屬研究評估常用方法，結合環(huán)境化學、生物毒理學、生態(tài)學等內容，在區(qū)域土壤重金屬背景值基礎上以定量方法劃分出重金屬潛在風險程度，為土壤生態(tài)風險管理提供可能引起不良生態(tài)效應的信息。許多學者采用此方法在土壤生態(tài)風險評估做了較多工作（He et al.，2016；Fang et al.，2017；Jiang et al.，2019；Zhang et al.，2019；Liu et al.，2020；徐爭啟等，2008；方晰等，2012；楚春暉等，2014；王玉軍等，2017；徐湘博等，2017），一些學者也曾對珠江三角洲工業(yè)用地和農業(yè)用地生態(tài)安全進行了評估（Hu et al.，2013；He et al.，2016；Fang et al.，2017；Zhang et al.，2019；陳文新，1990；宗慶霞等，2017；何博等，2019；夏建東等，2020），取得一定的應用效果。

珠江三角洲森林覆蓋率較高，在維持區(qū)域生態(tài)平衡和生態(tài)系統(tǒng)服務方面起到重要作用。維持森林土壤生態(tài)系統(tǒng)及其正常生態(tài)功能亦是保護區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展一個重要方面（Hu et al.，2013；Liu et al.，2017；潘勇軍等，2013；朱立安等，2020a；朱立安等，2020b）。珠三角區(qū)域經濟發(fā)展迅速，調查研究發(fā)現(xiàn)林地土壤環(huán)境質量不容樂觀，2014年全國土壤污染調查顯示森林土壤林地點位超標率為10.0%。鑒于此，本文結合目前土壤重金屬篩選值相關研究成果和Hakanson潛在土壤生態(tài)風險評估法對珠江三角洲林業(yè)用地土壤重金屬生態(tài)風險及其分布格局進行研究，為統(tǒng)籌珠江三角洲生態(tài)土地利用及環(huán)境管控，維護自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康水平，構建粵港澳大灣區(qū)生態(tài)安全一體化格局提供參考。

1 研究區(qū)概況

珠江三角洲位于廣東省中南部、珠江下游（112°45′—113°50′E、21°31′—23°10′N）瀕臨南海，舊稱粵江平原，是西江、北江共同沖積成的大三角洲與東江沖積成的小三角洲的總稱。區(qū)域總面積4.17萬km2，包括廣州、深圳、佛山、中山、惠州、東莞、珠海、江門、肇慶，南瀕臨香港、澳門，屬于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域。珠江三角洲屬于南亞熱帶季風氣候，年均溫 21—23 ℃，冬短夏長，降雨集中6—9月，年均降水量1500 mm以上。區(qū)域水土資源豐富，西江、北江、東江等諸河構成珠江水系在區(qū)內交錯縱橫。區(qū)域森林植被覆蓋率在50%以上。2016年8月28日，中國國家林業(yè)局正式批復珠江三角洲地區(qū)為“國家森林城市群建設示范區(qū)”。區(qū)域原生植被為亞熱帶闊葉林，目前珠江三角洲林地以人工林為主，沖積三角洲地區(qū)成土母質主要為第四紀沉積物，山地林地成土母質主要為花崗巖和砂頁巖為主，區(qū)內土壤類型以赤紅壤和水稻土分布最廣。

2 研究方法

2.1 土壤重金屬潛在風險值計算及評價方法

為方便應用與比較分析，根據(jù) Hakanson潛在生態(tài)風險模型（史明易等，2019），計算出土壤重金屬潛在風險值，以下簡稱“風險值”。

計算方法：

式中：

Ci、C0i、Tir——分別為重金屬含量（mg·kg-1）、參比值（mg·kg-1）和毒性系數(shù)；

Ei——潛在生態(tài)風險評價指標。

重金屬毒性系數(shù)（Tir）：Zn=1、Cr=2、Cu=Ni=Pb=5、As=10、Cd=30、Hg=40（徐爭啟等，2008）。參比值采用《土壤重金屬風險評價篩選值珠江三角洲（DB44/T 1415—2014）》背景值（廣東省質量技術監(jiān)督局，2014）。計算的風險值見表1。

基于風險值，將珠江三角洲土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風險評估一級分類分為 5個不同潛在生態(tài)風險等級，分別為：低潛在生態(tài)風險、中潛在生態(tài)風險、較強潛在生態(tài)風險、強潛在生態(tài)風險和極強潛在生態(tài)風險，分別對應8種重金屬含量（表1）。

表1 基于Hakanson潛在生態(tài)風險風險值Table 1 Risk value of potential ecological risks based on Hakanson mg·kg-1

2.2 篩選值對比法及評價方法

土壤重金屬 Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 篩選值摘自英國環(huán)保署土壤污染推薦篩選值，篩選值均基于物種敏感性分布法（SSD）（田大勇等，2015），評價系數(shù)1—2；土壤As摘自參考文獻（王紫泉，2017），見表2，以下簡稱“篩選值”。基于篩選值將林地土壤重金屬生態(tài)風險劃分為無生態(tài)風險（≤篩選值）和存在生態(tài)風險（>篩選值）。土壤重金屬含量值越大，生態(tài)影響及風險越大。

表2 風險評價分析篩選值Table 2 Screening values of risk assessment analysis mg·kg-1

2.3 反距離插值

反距離加權插值，即 IDW（Inverse Distance Weight），也可以稱為距離倒數(shù)乘方法。

式中：

Z(X0)——取樣點土壤金屬元素含量（mg·kg-1）；

Z(Xi)——插值點位重金屬元素含量（mg·kg-1）；

λi——插值相關點位權重值；

Li——已知點位與插值點位間距離（km）；

i——插值元素相關點位，i=1—12；

p——估算參數(shù)（p=0.5—3，本文取系統(tǒng)默認值2）。

2.4 數(shù)據(jù)分析及測試方法

（1）數(shù)據(jù)布局：根據(jù)珠江三角洲林業(yè)用地分布，共提取2010年土壤環(huán)境調查440個土壤表層（0—20 cm）重金屬（類重金屬）含量數(shù)據(jù)，土壤樣點按4 km×4 km方格布局，涉重金屬企業(yè)（320個國控和省控企業(yè)，數(shù)據(jù)來源：原國家環(huán)保部），圖1。

圖1 珠江三角洲林業(yè)用地樣點布局Figure 1 Layout of forest land samples in the Pearl River Delta

（2）重金屬分析方法：重金屬元素Cr、Cu、Zn、Ni含量采樣用原子吸收光度法測定（GB/T 17141—1997）（國家環(huán)境保護局，1997）；重金屬As、Hg含量用原子熒光法測定（GB/T 22105.1—2008、GB/T 22105.2—2008）（國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008），重金屬Cd、Pb含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測定（GB/T 17141—1997）。

（3）數(shù)據(jù)處理分析采用Excel 2010、SPSS 20.0，制圖采用Origin 9.0、ArcMap 10.3等軟件。

3 結果與分析

3.1 數(shù)據(jù)分析及生態(tài)風險評價

利用SPSS軟件對8種土壤重金屬含量進行分布檢驗，基本服從對數(shù)正態(tài)分布或近似對數(shù)正態(tài)分布，說明總體數(shù)據(jù)基本合理（圖 2）。調查樣地土壤pH值以弱酸及酸性為主，均值5.26，有機質平均含量 1.71%，8種土壤重金屬平均含量均低于背景值，區(qū)域分布差異大，較為離散，如變異系數(shù)較大的As（2.17）、Cd（1.25）、Cu（1.10），說明土壤As、Cd、Cu受環(huán)境因素影響（表3）。土壤重金屬平均值含量均高于中位數(shù)，個別區(qū)域可能存在重金屬含量較高現(xiàn)象。

表3 研究區(qū)域土壤重金屬含量分析Table 3 Soil heavy metal content analysis in the study area mg·kg-1

圖2 珠江三角洲林業(yè)用地8種土壤重金屬正態(tài)分布特征Figure 2 Normal distribution characteristics of eight heavy metals in soil of forest land in the Pearl River Delta

在所調查的林地土壤點位中，重金屬Cd低潛在風險點位占比91.17%，重金屬Hg低潛在風險點位占比83.17%。如果未考慮土壤重金屬疊加綜合污染，根據(jù)風險值分析，珠江三角洲林地土壤生態(tài)風險應不小于73.43%處于低潛在生態(tài)風險等級，其余為中潛在生態(tài)風險至強潛在生態(tài)風險等級，不存在極強潛在生態(tài)風險等級林地（圖 3）。其中，中潛在生態(tài)風險至強潛在生態(tài)風險點位主要來自于土壤重金屬Hg和Cd，分別占比16.83%和8.83%；其次為As和Pb，分別占比0.68%和0.23%；Zn、Ni、Cu、Cr基本100%都處于低潛在生態(tài)風險。

圖3 林地土壤重金屬污染評價分析Figure 3 Evaluation and analysis of heavy metal pollution in forest land

篩選值分析表明：絕大部分重金屬都有不同程度和占比超出篩選值，珠江三角洲林業(yè)用地土壤重金屬高于篩選值點位最多的重金屬為Cr、Hg和Cd，占點位總數(shù)69.36%、50.90%和20.72%，其次為Zn、As和 Ni，點位占比為 10%和 7.04%，因此珠江三角洲一些區(qū)域林地土壤生態(tài)系統(tǒng)可能受到重金屬一定生態(tài)毒理影響（圖4）。

圖4 基于篩選值林地土壤重金屬污染評價分析Figure 4 Evaluation and analysis of heavy metal pollution in forest land based on screening values

3.2 珠江三角洲林業(yè)用地潛在生態(tài)風險分布及格局

利用 ArcMap 10.3軟件反距離加權插值法（P=2）和基于評估分類體系進行空間可視化表達（圖5）。本次珠江三角洲土壤風險評估共統(tǒng)計研究林地面積1.2256×104km2，包括有林地、疏林地和灌木林等，不同重金屬在不同水平生態(tài)風險林地土壤面積占比（表4），約至少面積占比77.61%林地土壤處于低潛在生態(tài)風險區(qū)，（中-高生態(tài)風險）面積占比不超過22.39%。而基于篩選值分析，不低于面積占比79.49%林地土壤存在一定生態(tài)風險，主要風險重金屬為 Hg、Cr和 Cd，面積占比分布為79.49%、78.46%和26.73%（表5）。

表4 基于風險值的潛在生態(tài)風險林地土壤面積占比Table 4 Proportion of soil area in forest land with ecological risk of heavy metals at different levels %

表5 基于篩選值的生態(tài)風險林地土壤面積占比Table 5 Soil area proportion of ecological risk forest land based on screening value %

從分布格局來看，土壤重金屬 Cd（中-高潛在生態(tài)風險）主要分布于珠江三角洲中部區(qū)域，與西、北江河流空間格局基本對應，而重金屬Hg（中-高潛在生態(tài)風險）分布相對分散，主要分布于涉重金屬企業(yè)周邊或主體涉重金屬企業(yè)區(qū)域主導風向下風向，其低山丘陵南坡及山坳區(qū)域比較集中，在珠三角中部和東部區(qū)域面積較廣，As只存在局部區(qū)域中高潛在生態(tài)風險。而超出篩選值的土壤重金屬以Cr和Hg最為明顯，在珠江三角洲林地土壤分布廣泛（圖5）。

圖5 珠江三角洲林地土壤重金屬潛在生態(tài)風險分布格局Figure 5 Distribution pattern of potential ecological risks of heavy metals in forest land in the Pearl River Delta

4 討論

土壤環(huán)境質量評價作為確定污染程度和制定污染策略的重要參考而被廣泛關注（李飛等，2015）。較常用的土壤環(huán)境質量評價方法包括：內梅羅綜合污染指數(shù)法（奚旦立等，2004）、地累積指數(shù)法（Muller，1969）、單因子污染指數(shù)法（奚旦立等，2004）和Hakanson潛在生態(tài)風險（Hakanson，1980）。Hakanson潛在生態(tài)風險評價將毒理學、環(huán)境效應和生態(tài)效應聯(lián)系在一起，以定量方法劃分出重金屬潛在風險程度，指標簡單且考慮到參比值（背景值）及毒性問題，彌補了內梅羅綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法和單因子污染指數(shù)法的缺點，被大多研究者應用于土壤生態(tài)風險研究，作為區(qū)域性不同污染水平下潛在風險預判具有較好應用。但土壤生態(tài)系統(tǒng)是及其復雜的生態(tài)系統(tǒng)，土壤重金屬生態(tài)風險值受到各方面影響，比如pH值、受體、有機質、陽離子交換量、碳酸鹽、離子沖量及計算方法等（Wan et al.，2020；夏增祿，1994；王小慶等，2014；常春英等，2016；王玉軍等，2016），尤其是pH值、有機質及陽離子交換量（王小慶等，2014），因此毒性系數(shù)的生態(tài)風險并不能完全代表其產生了毒理作用。而基于生物毒理學的篩選值是重金屬對土壤生物毒理敏感性反應，作為Hakanson潛在生態(tài)風險評估生態(tài)效應補充，對全面認識珠江三角洲林地土壤重金屬生態(tài)影響及潛在風險有一定促進作用。

本研究結果顯示，從點位土壤重金屬含量統(tǒng)計可知，珠江三角洲絕大部分林地土壤處于低潛在生態(tài)風險水平；從林地土壤重金屬分布格局分析可知，Hg和Cd在珠江三角洲的中部和東部存在局部中-強潛在風險。土壤Cd中-強潛在風險空間分布與珠三角礦山空間格局有一定耦合關系，南嶺多金屬成礦帶位于西、北江上游，西北江攜帶的泥沙具有較高的重金屬含量（Zhang et al.，2014），為珠三角沖積平原區(qū)土壤提供了大量的重金屬來源，而Cd更易隨水和少量空氣遷移（Zhang et al.，2014；李鋮等，2015），二者疊加可能是導致土壤重金屬Cd呈在東部地區(qū)中-強度風險分布面積較大的原因。Hg是珠江三角洲典型的人為污染元素，人為來源對土壤Hg含量的貢獻高達72%—90%，產生于化工、電鍍等行業(yè)的Hg經大氣干濕沉降分布于各個地區(qū)（Zhang et al.，2001；Zhang et al.，2014）。從潛在生態(tài)風險分布格局分析，中潛在生態(tài)風險在中東部區(qū)域，分布于涉重金屬企業(yè)周邊或主體涉重金屬企業(yè)區(qū)域主導風向下風向，其低山丘陵南坡區(qū)或山坳區(qū)域比較集中，工業(yè)產生的重金屬經干濕沉降落于土壤，導致土壤重金屬含量升高；較強和強度潛在生態(tài)風險是局部分布，與該地區(qū)頻繁的人為開發(fā)活動密切相關，且隨空氣傳播范圍、強度及距離明顯高于Cd元素。根據(jù)篩選值風險格局分析，Cd超出篩選值且處于低潛在生態(tài)風險區(qū)域主要在涉重金屬企業(yè)主導風向的下風向，加之此區(qū)域內丘陵山地分布較廣，山地和盛行風加劇了含重金屬污染物的沉降，因此導致了該區(qū)域Cd含量亦偏高。Hg和Cr超出風險值的面積在珠三角林地分布面積較廣泛，土壤Cr含量分布相對均勻，其含量主要受母巖和成土過程影響（陳俊堅等，2011；韓志軒等，2018）；土壤重金屬Hg易受干濕沉降影響，其含量偏高與工業(yè)沉降、累積和區(qū)域開發(fā)有關（Zhang et al.，2014）。

低潛在生態(tài)風險區(qū)一般被認為是土壤生態(tài)安全區(qū)域，珠江三角洲林地土壤重金屬除 Cd和 Hg外，其余元素均處于土壤生態(tài)安全區(qū)域。重金屬Cd和Hg不同等級潛在污染風險在珠江三角洲林地土壤局部區(qū)域存在較大分布范圍，對區(qū)域生態(tài)存在潛在威脅，因此要加強該區(qū)域土壤 Hg和Cd重金屬管控。Cr和Hg較大面積的超出篩選值，也應引起重視，從篩選值的生物毒理角度分析，土壤重金屬的生態(tài)效應受土壤性質、背景、保護受體、生態(tài)過程及功能冗余規(guī)律（孟紫強，2006）等影響，同時也受區(qū)域氣候的影響（Rico et al.，2011），因此其實際生態(tài)影響還亟待深入研究，珠三角土壤生態(tài)系統(tǒng)雖未表現(xiàn)出明顯不平衡，但重金屬長期在土壤累積的地球化學過程、區(qū)域土壤生產力及生態(tài)演替響應還不得而知。

珠江三角洲氣候條件和成土母質決定了該區(qū)域土壤風化程度高，重金屬活性強，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)安全容易造成威脅。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性、滯后性等特點，根據(jù)珠江三角洲林地土壤重金屬生態(tài)風險及潛在生態(tài)風險影響及構成分析，土壤重金屬Hg、Cd是珠江三角洲區(qū)域林地土壤重金屬污染防控的關鍵因子，其次是Cr和As。

5 結論

（1）基于風險值生態(tài)風險評估分析，珠江三角洲森林土壤大部分處于潛在低生態(tài)分析水平，局部存Hg和Cd潛在土壤重金屬中級風險-強度風險，珠江三角洲林業(yè)用地土壤環(huán)境整體還有一定的承載空間，尤其是重金屬Zn、Ni、Cu、Pb?；诤Y選值分析，部分珠江三角洲林地土壤生態(tài)可能已經受到不同程度影響，以土壤重金屬Hg和Cr為主。

（2）從珠江三角洲林地土壤重金屬潛在風險分布格局分析，重金屬Cd潛在風險主要分布在中部地區(qū)，中-強潛在風險與西、北江河流空間格局基本對應，來自水流遷移影響因素較大，其次為干濕沉降。Hg潛在風險主要分布在東部和中部區(qū)域，可能來自工業(yè)干濕沉降和區(qū)域開發(fā)。Hg和Cr超出篩選值分布廣泛，Cr可能是自然本底值較高引起，而Hg可能主要來自工業(yè)沉降。

（3）從珠江三角洲區(qū)域林地土壤重金屬生態(tài)風險及構成分析可知，由于重金屬Hg、Cd的生物毒性系數(shù)高、來源復雜且廣泛，加強土壤Hg、Cd重金屬管控或消減土壤Hg、Cd總體含量水平（尤其是珠江三角洲中部和東部林地土壤），對緩解區(qū)域土壤重金屬風險有重要意義。其次為管控或消減土壤Cr和As總體含量水平。