云南八角林地土壤重金屬含量特征及潛在風(fēng)險評價

余興華，楊艷梅，李玉祥，孟凡來，陶永宏，滕 娟，王春芳

（1.文山州農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品研究所，云南 文山 663099；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，云南 昆明 650201；3.曲靖市種子管理站，云南 曲靖 655000）

【研究意義】八角（Illicium verum）是我國南亞熱帶地區(qū)珍貴的經(jīng)濟林樹種，屬八角科的常綠喬木，其果為著名的調(diào)味香料，八角精油在醫(yī)藥、化工等方面也有廣泛的應(yīng)用［1］。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，農(nóng)產(chǎn)品安全問題成為大家關(guān)注的焦點，其中土壤重金屬污染是影響農(nóng)產(chǎn)品安全的重大問題之一［2］。由于受人類和自然界的共同影響，土壤重金屬會不斷累積［3］，并可通過食物鏈進行富集，對人體健康造成潛在性的危害［4］。八角果實是其食用的主要部位，產(chǎn)地環(huán)境的優(yōu)劣直接影響果實的品質(zhì)。因此，加強八角產(chǎn)地土壤重金屬含量特征的風(fēng)險評估對食品的安全生產(chǎn)具有重要意義。【前人研究進展】重金屬在土壤中移動性較小，主要積累在0～20 cm耕作層的土壤中，具有性質(zhì)穩(wěn)定、難降解、半衰期長等特點，土壤一旦遭受重金屬污染就會不斷積累，難以治理［5］。當前，針對林地土壤環(huán)境質(zhì)量評價方面的研究已有一些報道，用于土壤重金屬污染評價的方法較多，常見的評價方法包括單因子污染指數(shù)法［6］、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法［7］、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法［8］、地累積指數(shù)法等［9］，研究者常采用多種方法結(jié)合的方式進行評價［10-11］。2014 年4 月我國環(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率高達10.0%，污染的重金屬主要是As、Cd 等［12］。張紅桔等［13］應(yīng)用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)與潛在生態(tài)危害系數(shù)評價了浙江省臨安市山核桃林地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險，結(jié)果表明土壤Cd、Cu、Zn、Ni、Cr 高值分布主要與礦區(qū)開采有關(guān)，而Pb 與鉀肥的施用密切相關(guān)，研究區(qū)重金屬空間分布特征受人為活動影響明顯。蔡海麗［14］以國家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標準值為參照，比較分析了邵陽地區(qū)油茶產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量，結(jié)果表明土壤中重金屬元素的含量既與成土母質(zhì)有密切的關(guān)系，也受到局部環(huán)境質(zhì)量狀況、地形和生物地球化學(xué)循環(huán)的深刻影響。閆娜娜等［15］利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)危險指數(shù)法評估了新疆和甘肅香梨產(chǎn)區(qū)土壤重金屬殘留風(fēng)險，結(jié)果表明2 個產(chǎn)區(qū)的香梨園土壤重金屬總體處于低生態(tài)風(fēng)險水平，屬于生產(chǎn)安全區(qū)域。趙璇等［16］利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)危險指數(shù)法綜合評價了陜南茶區(qū)土壤重金屬Cu、Cd、Cr、Zn 和Ni 的含量，結(jié)果表明茶區(qū)土壤總體表現(xiàn)為安全清潔，均達到無公害、綠色食品產(chǎn)地環(huán)境土壤標準?！颈狙芯壳腥朦c】云南是我國八角種植面積和產(chǎn)量第二大省，主要分布在東南部的文山州［17］，近年來，對八角林地土壤肥力性質(zhì)［18］、樹體營養(yǎng)元素的需求特點等均有研究［19］，但對八角產(chǎn)地土壤重金屬含量特征的研究鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以云南省文山州八角種植地區(qū)的土壤為研究對象，采用多種指數(shù)相結(jié)合的方法綜合評價土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 和Ni 在八角產(chǎn)地的風(fēng)險程度，以期為云南八角綠色食品的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤樣品采集時間為2020 年10 月至2021年1 月，在云南省文山州八角主要種植區(qū)的7 個縣按八角林分布面積設(shè)采樣點，選擇代表性的林地采樣，土壤按S 形采樣法，共采集45 個樣（馬關(guān)縣6 個，西疇縣7 個，廣南縣7 個，富寧縣9 個，文山縣5 個，硯山縣6 個，麻栗坡縣5 個），采樣深度為0～20 cm，5 個分點等量混勻為1 個樣品，使用四分法取樣重500 g，土壤樣品經(jīng)自然干燥后用木錘敲碎，除去樣品中的植物碎片、巖屑、原生礦物顆粒等雜物，過孔徑0.150 mm 尼龍篩充分混合后待測。

1.2 試驗方法

土壤pH 值測定，稱取3 g 土壤樣品于50 mL燒杯中，加入7.5 mL 去除CO2的蒸餾水，用水平振蕩器劇烈振蕩2 min，使土粒充分分散，放置30 min 后，使用pH 計雷磁PHS-3E 進行測定［20］。土壤重金屬測定，稱取試樣0.2 g 于聚四氟乙烯消解內(nèi)罐，加硝酸5 mL 浸泡過夜。蓋好內(nèi)蓋，旋緊不銹鋼外套，放入恒溫干燥箱，80 ℃保持2 h，120 ℃保持2 h，再升至160 ℃保持4 h，在箱內(nèi)自然冷卻至室溫，打開后加熱趕酸至近干，將消解液轉(zhuǎn)移至25 mL 容量瓶中，用少量1%的硝酸溶液洗滌內(nèi)罐和內(nèi)蓋3 次，洗液合并至容量瓶中，用1%硝酸定容，混勻備用［21］，試液在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）上測定各重金屬元素含量。

1.2.1 單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分級標準見表1，單因子污染指數(shù)Pi=Ci/Si，其中Ci為某種污染物的實際測定濃度，Si為土壤環(huán)境質(zhì)量《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB15618-2018）中的土壤重金屬風(fēng)險篩選值［11］。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，其中Pave與Pmax分別表示單因子污染指數(shù)中的平均值和最大值。

表1 綜合評價指數(shù)分級標準Table 1 Grading standard of comprehensive evaluation indexes

1.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 潛在風(fēng)險指數(shù)法評價參照Hakanson［22］、Azhati 等［23］的標準（表2），土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，其中為重金屬元素i 的潛在生態(tài)風(fēng)險因子，Pi為重金屬元素i 的單因子污染指數(shù)，為重金屬元素i 的毒性響應(yīng)系數(shù)。各種重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)依據(jù)Hakanson［22］制定的標準，分別為：Zn=1、Cr=2、Pb=Cu=Ni=5、As=10、Cd=30、Hg=40。

表2 土壤潛在生態(tài)風(fēng)險分級標準Table 2 Classification standard of soil potential ecological risks

1.2.3 地質(zhì)累積指數(shù)法 地質(zhì)累積指數(shù)評價法以云南土壤背景值作為參考標準，地質(zhì)累積指數(shù)分級標準見表3，，其中Cn為重金屬元素n 的實測值，Bn為元素n 的云南省土壤背景值［24］。

表3 地質(zhì)累積指數(shù)分級標準Table 3 Classification standard of geological accumulation indexes

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進行統(tǒng)計與整理，采用SPSS 20.0 進行Spearman 相關(guān)分析、繪制不同重金屬元素的聚類圖，采用ArcGIS 10.2 繪制采樣分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南八角林地土壤重金屬元素描述性統(tǒng)計分析

由表4 可知，云南八角種植區(qū)域土壤為酸性，pH 在4.47～5.82 之間，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的含量范圍分別為0.13～0.46、0.12～0.39、30.74～269.08、25.49～126.10、24.90～103.37、16.70～61.99、32.11～121.72、12.26～52.22 mg/kg，8 種金屬元素的變異系數(shù)在7.11%～18.75%之間。重金屬Hg、As、Pb、Cr 的含量均超過云南省土壤重金屬背景值，Cu、Zn、Ni 含量小于背景值，Cd 含量與背景值相等。以風(fēng)險篩選值為對照，As、Pb、Cu 點位超出率分別為66.67%、11.11%、20.00%。

表4 八角林地土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計分析Table 4 Descriptive statistical analysis of soil heavy metal contents in Illicium verum forest land

2.2 云南八角林地土壤單因子及內(nèi)梅羅綜合污染評價

由表5 可知，8 種重金屬的單因子污染指數(shù)大小依次為As>Cd>Pb>Cu>Cr>Ni>Zn>Hg。單因子污染指數(shù)在1～2 之間的重金屬元素為As，污染等級為Ⅰ，污染程度為警戒級；Cd、Pb、Cu、Cr、Hg、Ni、Zn 的單因子污染指數(shù)均小于1.0，污染等級為Ⅰ，污染程度為安全。八角不同種植地的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)存在差異，文山縣綜合污染指數(shù)最高，為4.22，污染等級為Ⅳ，污染程度為重污染；馬關(guān)縣、西疇縣綜合污染指數(shù)在1～2 之間，污染等級為Ⅰ，污染程度為警戒級；廣南縣、硯山縣、麻栗坡縣、富寧縣的綜合污染指數(shù)小于1.0，污染等級為Ⅰ，污染程度為安全。整個八角種植區(qū)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.52，污染等級為Ⅱ，重金屬為輕污染。

表5 八角林地土壤重金屬單因子污染及綜合污染指數(shù)Table 5 Soil heavy metal single factor pollution and comprehensive pollution indexes in Illicium verum forest land

2.3 云南八角林地土壤潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果見表6，在土壤 pH 值小于5.82 的八角種植區(qū)，土壤重金屬元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni、As 和 Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險因子均小于40，生態(tài)風(fēng)險等級均為低風(fēng)險，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值為58.22，屬于低生態(tài)風(fēng)險程度。八角不同種植地的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于150，等級均為低生態(tài)風(fēng)險。

表6 八角林地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Table 6 Potential ecological risk indexes of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.4 云南八角林地土壤地質(zhì)累積評價

由表7 可知，8 種重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)具有不同的變化，基于地質(zhì)累積指數(shù)評判標準，Hg和As 的指數(shù)分別為1.19 和1.17，在1～2 之間，等級為中度污染；Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Ni 均小于0，屬于未污染的等級。不同種植地的重金屬潛地質(zhì)累積指數(shù)存在差異，馬關(guān)縣、富寧縣、麻栗坡縣的Hg 在1～2 之間、為中度污染級別，As在0～1 之間、為無污染-中度污染的級別；西疇縣的Hg 在2～3 之間、為中度污染-強度污染等級，As 在1～2 之間、為中度污染級別；廣南縣、硯山縣Hg 和As 在0～1 之間，為無污染-中度污染的級別；文山縣Hg 和As 為1.20 和3.07、為中度污染和強度污染級別，Pb 在0～1 之間、為無污染-中度污染的級別；其余均小于0，為無污染等級。

表7 八角林地土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)Table 7 Geological accumulation indexes of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.5 八角林地不同重金屬元素的相關(guān)性分析

云南八角林地重金屬元素的相關(guān)性分析結(jié)果（表8）表明，Cd 與As、Zn 呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.871、0.648，與Pb 呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.460；Hg 與Zn 呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.545；As 與Pb 呈極顯著正相關(guān)，與Zn 呈顯著正相關(guān)，與Ni 呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.690、0.443 和-0.616；Pb 與Ni 呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.652；Cr 與Cu 呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.604；Cu 與Zn 呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.844。

表8 八角林地土壤重金屬相關(guān)性分析Table 8 Correlation analysis of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.6 八角林地土壤重金屬潛在來源的識別分析

對云南八角林地土壤中重金屬的含量進行聚類分析，結(jié)果顯示8 種重金屬可分為2 類（圖1），第一類包含As、Pb、Cd、Cu、Zn、Hg，其中Cd與云南土壤背景值相當，Pb 超過云南土壤背景值，As 的單因子污染程度為警戒級，Hg 和As 的地質(zhì)累積污染指數(shù)為中度。云南省碳酸鹽巖地區(qū)土壤明顯富集As、Cd，主要表現(xiàn)出成土母巖中重金屬含量高，再者其在風(fēng)化成土過程中引起二次富集，為自然來源［25-26］。西南地區(qū)土壤中As、Pb、Hg的主要來源為農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)排放與燃煤［27-28］，Cu 和Zn 主要也受工業(yè)活動、農(nóng)業(yè)活動以及交通排放的影響［29］。由此可知，云南八角林地的6種重金屬含量可能主要受土壤母質(zhì)和人類活動的共同影響。第二類包含Cr 和Ni，其單因子污染程度為安全、低生態(tài)風(fēng)險，地質(zhì)累積污染指數(shù)屬于未污染等級。韓琳等［30］研究表明Cr 和Ni 在土壤中主要受控于地質(zhì)背景，Cr 和Ni 同為鐵族元素，易與土壤內(nèi)氧化物結(jié)合，與成土母質(zhì)關(guān)系密切［31］，表明此類2 種重金屬含量主要受土壤母質(zhì)的影響。

圖1 八角林地土壤重金屬的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of soil heavy metals in Illicium verum forest land

3 討論

3.1 云南八角產(chǎn)區(qū)土壤重金屬特征和污染程度評價

本研究結(jié)果表明，云南八角種植區(qū)土壤重金屬Hg、As、Pb、Cr 的含量超過云南省土壤重金屬背景值，這與前人研究該區(qū)域土壤重金屬污染特征的結(jié)果相似。王喬林等［24］研究指出滇東南地區(qū)為巖溶山原赤紅壤、紅色石灰土區(qū)，除Mn元素背景值與全省Mn 背景值接近外，其他元素背景值均顯著高于全省土壤背景值。張麗等［11］研究了滇東南農(nóng)田土壤重金屬分布特征及污染風(fēng)險，結(jié)果表明研究區(qū)土壤Cd、Zn、Ni、Cr 和Hg的平均含量均超過了云南省土壤重金屬背景值，受人類活動影響的重金屬主要是As 和Hg，Cu 和Zn 的來源受自然和人為疊加影響，Pb、Cd 主要來源于工業(yè)活動。李雅［32］研究的基于土壤發(fā)生分類的云南省土壤重金屬空間分異及污染評估表明，滇東南區(qū)土壤重金屬As、Cd和Hg的含量較高，土壤存在輕微的Hg 污染。本研究中，云南八角林地As 超出了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準》中的重金屬規(guī)定值，單因子污染指數(shù)表明As 污染等級為Ⅰ，污染程度為警戒級，地質(zhì)累積指數(shù)評價表明Hg 和As 為中度污染等級。因此，云南省文山州八角生產(chǎn)需要重視區(qū)域內(nèi)土壤重金屬As 和Hg 的污染狀況，防止其污染程度進一步加深，同時需加強地上部分果實重金屬富集特征的評價研究。

3.2 人類活動及自然因素對林地土壤重金屬的影響

土壤中重金屬含量主要受到人類活動和成土母質(zhì)的影響［33-34］，人類活動主要有大氣降塵、汽車尾氣、污水灌溉、采礦活動、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥化肥施用等［3］。人類活動向大氣釋放的Hg、Pb、Cd、Zn 等重金屬的量已分別超過自然源排放總量的1.5、18、5、3 倍［35］，這些污染物最終經(jīng)過干濕沉降進入到森林等生態(tài)系統(tǒng)中，是土壤中重金屬的重要來源之一。在人工森林生態(tài)系統(tǒng)中，不合理的施肥是造成土壤重金屬污染的主要原因，一般來說重金屬含量呈現(xiàn)的特點是磷肥＞復(fù)合肥＞鉀肥＞氮肥，我國南方的紅壤地區(qū)，由于人工林土壤有效磷含量少，以使用含重金屬較多的磷肥為主，由此增加了土壤重金屬潛在的環(huán)境風(fēng)險［12］。礦山開采可對周邊林區(qū)的土壤造成嚴重的污染，滇東南地區(qū)的鋁土礦、Sn、Mn、Cu、Pb、Zn、Hg 等礦產(chǎn)資源豐富，土壤重金屬背景值相應(yīng)較高，礦業(yè)開發(fā)活動是造成土壤重金屬含量較高的一個重要原因［32］。王厚杰［36］對文山州馬關(guān)縣礦區(qū)土壤重金屬污染調(diào)查顯示該地區(qū)土壤主要為重金屬As 污染嚴重，Cu、Pb 和Zn 的污染次之。鐘格梅等［37］研究表明，Pb 和As 兩種重金屬元素的環(huán)境污染主要來源于礦山開采和金屬冶煉，兩者通常同時存在。本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明，As 與Pb 呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.690。八角為人工造林，其在生活區(qū)、公路兩旁、農(nóng)作物耕地、礦區(qū)等均有種植。再者，產(chǎn)區(qū)在管理過程中盲目施用復(fù)合肥、磷肥等可造成重金屬污染，因此人類活動是影響八角產(chǎn)地土壤重金屬含量變化的一個重要原因。成土母質(zhì)是造成土壤重金屬含量變化的另一個重要途徑，位于文山縣八角種植區(qū)的采集點，其As 的地質(zhì)累積指數(shù)較高。這與陳揚玉［38］研究的滇東地區(qū)微量元素分布地球化學(xué)特征的結(jié)果相同，即文山州屬于高砷背景區(qū)域，與地殼原始化學(xué)成分作用有關(guān)。張家春等［39］評價了貴州喀斯特林地土壤重金屬污染及其生物有效性，結(jié)果表明喀斯特林地土壤主要受到As、Cd、Cu、Ni 4種重金屬的影響，酸性土壤中As 的生物有效性指數(shù)最高。文山州為典型的喀斯特巖溶地貌，八角種質(zhì)區(qū)土壤均為酸性，pH 在4.47～5.82 之間，其As 的高含量可能也與其地質(zhì)地貌相關(guān)，綜合分析可知云南八角林地土壤重金屬As、Pb、Cu、Zn、Hg 和Cd 可能主要受人類活動和自然土壤母質(zhì)的共同影響。

4 結(jié)論

云南八角種植林地土壤重金屬Hg、As、Pb和Cr 的含量均超過云南省土壤重金屬背景值，Cu、Zn 和Ni 小于背景值，Cd 與背景值相等。As的單因子污染程度為警戒級，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級為輕度污染程度，單項生態(tài)風(fēng)險因子和潛在生態(tài)危害指數(shù)均屬于低生態(tài)風(fēng)險程度，地質(zhì)累積指數(shù)Hg 和As 的污染等級為中度。綜合分析表明八角林地土壤重金屬Cd、Cu、As、Pb、Zn、Hg 主要受土壤母質(zhì)和人類活動的影響，Cr 和Ni受自然成土壤母質(zhì)影響。因此，在八角產(chǎn)區(qū)，需要加強肥料、農(nóng)藥、礦產(chǎn)開采活動等方面的重金屬監(jiān)測，以保障云南八角產(chǎn)區(qū)土壤具有綠色和可持續(xù)的生產(chǎn)能力。