廣東陰那山土壤重金屬污染特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及源解析*

朱明勇 熊永柱 劉友存 董志成 陳燕奎 張全發(fā) 何文鳴

(1.嘉應(yīng)學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院,廣東 梅州 514015; 2.廣東省山區(qū)特色農(nóng)業(yè)資源保護(hù)與精準(zhǔn)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 梅州 514015;3.中國(guó)科學(xué)院武漢植物園,湖北 武漢 430074;4.嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 梅州 514015)

通過(guò)自然因素(基巖風(fēng)化、大氣沉降等)或人類活動(dòng)(工農(nóng)礦業(yè)生產(chǎn)、交通等)途徑進(jìn)入森林土壤的重金屬會(huì)在土壤中不斷累積,不僅會(huì)使土壤的理化性質(zhì)惡化,而且會(huì)抑制很多植物的生長(zhǎng),造成生物多樣性降低[1]。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旅游等人類活動(dòng)的加劇,自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)的森林土壤重金屬污染問(wèn)題也日益突出[2-7]。調(diào)查土壤重金屬污染特征、解析其來(lái)源并評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于開(kāi)展土壤重金屬污染治理與防控具有重要意義[8-11]。目前,相關(guān)研究多是針對(duì)城市土壤、工礦區(qū)土壤、道路土壤或農(nóng)用地土壤[12-16],但針對(duì)自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)森林土壤的研究較少。

廣東陰那山是省級(jí)自然保護(hù)區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū),其動(dòng)植物資源[17-20]、旅游資源[21]等已基本調(diào)查清楚,而對(duì)于其土壤資源狀況還不曾做過(guò)較詳細(xì)調(diào)查,至于土壤重金屬污染特征、來(lái)源解析及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等研究工作還不曾開(kāi)展過(guò)。近年來(lái),陰那山農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(如柚子、茶葉、毛竹等的種植)、旅游活動(dòng)及宗教活動(dòng)不斷增強(qiáng),森林土壤可能受到重金屬污染,對(duì)陰那山土壤環(huán)境安全產(chǎn)生潛在影響。因此,本研究對(duì)陰那山土壤重金屬的污染特征、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及主要來(lái)源進(jìn)行調(diào)查研究,為保護(hù)其土壤環(huán)境安全及土壤資源合理利用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測(cè)試

由于海拔對(duì)人類活動(dòng)影響較大,從而可能對(duì)陰那山土壤重金屬的來(lái)源及分布產(chǎn)生影響,因此于2020年11—12月在陰那山不同海拔的山區(qū)采集了土壤樣品。自山體基帶開(kāi)始,大致按100 m海拔間隔采樣,共選取12個(gè)采樣區(qū),從下往上依次用英文字母(A至L)編號(hào)。采樣區(qū)選擇無(wú)明顯人為干擾的區(qū)域。確定采樣區(qū)后,在采樣區(qū)以等邊三角形(邊長(zhǎng)為20 m)的3個(gè)頂點(diǎn)為采樣點(diǎn),以5 cm為間隔在土壤表層(0～20 cm)分4層采樣,每個(gè)采樣點(diǎn)的每個(gè)土層樣本取1 kg土樣,用聚乙烯塑料袋密封保存。因?yàn)椴蓸訁^(qū)H土壤表層只有10 cm深,因此每個(gè)樣點(diǎn)只能取到2個(gè)土層樣本,共采集到土壤樣品138個(gè)。將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,除去樣品中的樹(shù)葉、石子等雜物,風(fēng)干、研磨后過(guò)20目尼龍篩,備用。使用PHS-3C離子選擇電極測(cè)定土壤pH。

土壤重金屬采用NitonTMXL3p+ X射線熒光光譜分析儀測(cè)定,測(cè)定元素包括As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ti、V、Mn、Co。測(cè)定過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-12、GSS-1進(jìn)行質(zhì)量控制,同時(shí)測(cè)定全程空白樣,每個(gè)樣品均重復(fù)測(cè)定3次,取均值作為樣品測(cè)定終值。同一采樣點(diǎn)的分層取樣的均值作為該采樣點(diǎn)的測(cè)定終值,同一采樣區(qū)的3個(gè)采樣點(diǎn)的均值作為該采樣區(qū)的測(cè)定終值。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負(fù)荷指數(shù)法

采用污染負(fù)荷指數(shù)法[22]進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià),其中重金屬參比值采用廣東省土壤元素背景值[23]。單因子污染指數(shù)與污染負(fù)荷指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24]如表1所示。

表1 土壤重金屬污染指數(shù)法的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of pollution load index method

1.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

采用HAKANSON[25]的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。毒性系數(shù)參考文獻(xiàn)[25]和文獻(xiàn)[26],重金屬參比值仍然采用廣東省土壤元素背景值。單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:≤10為輕微風(fēng)險(xiǎn),>10～20為中等風(fēng)險(xiǎn),>20～40為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),>40～80為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),>80為極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:<40為輕微風(fēng)險(xiǎn),40～<80為中等風(fēng)險(xiǎn),80～<160為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),≥160為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 陰那山土壤重金屬含量及分布特征

陰那山各采樣區(qū)土壤重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征如表2所示,低于檢出限按零計(jì)。從表2可知,Mn的均值為212.57 mg/kg,低于廣東省土壤元素背景值(279 mg/kg);Cu、Cr、Ti、V均值與廣東省土壤元素背景值大體相當(dāng);As、Pb、Zn均值分別高出廣東省土壤元素背景值77.19%、86.61%、45.33%;Co均值達(dá)到廣東省土壤元素背景值的5.4倍。各重金屬的變異系數(shù)較大,說(shuō)明受到了人類活動(dòng)的影響。

表2 陰那山土壤重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistics of soil heavy metals mass concentrations in Yinna Mountain

陰那山土壤的pH為 6.75～7.54,均值為7.10,高于廣東省土壤pH均值5.44[27]。土壤酸堿性受自然因素和人類活動(dòng)的影響。從土壤形成的歷史過(guò)程來(lái)看,土壤pH的長(zhǎng)期時(shí)空變化主要取決于自然因素(如土壤物質(zhì)組成和地球化學(xué)性質(zhì)、酸雨等),但短期內(nèi)pH的急劇變化主要受到人類活動(dòng)的干擾(如大量使用化肥導(dǎo)致土壤pH下降、工礦業(yè)發(fā)展使堿性物質(zhì)擴(kuò)散導(dǎo)致pH升高等)。

分析重金屬與海拔的關(guān)系發(fā)現(xiàn),中間海拔(500～900 m)的采樣區(qū)重金屬含量較高。但需要指出的是,采樣區(qū)E因其位于特別陰冷、潮濕的地方,所以各重金屬含量相比鄰近海拔處的采樣區(qū)明顯低。

2.2 陰那山土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

陰那山土壤各重金屬的污染負(fù)荷指數(shù)Co>As>Pb>Zn>Cu>Ti>Cr>Mn>V(見(jiàn)表3),其中Co屬重度污染,V、Mn為無(wú)污染,其他均為輕度污染。

表3 陰那山土壤各重金屬的污染負(fù)荷指數(shù)Table 3 Pollution load index of soil heavy metals in the Yinna Mountain

各采樣區(qū)的污染負(fù)荷指數(shù)如圖1所示。采樣區(qū)F為中度污染,從采樣區(qū)F向低海拔和高海拔總體都呈遞減趨勢(shì)。陰那山海拔大于800 m的地帶一般坡度較陡,巖石裸露,土層較淺,巖石風(fēng)化程度高,容易隨降雨徑流沖刷下移而積累在比較平緩的中間海拔地區(qū)[28]。

圖1 陰那山各采樣區(qū)的污染負(fù)荷指數(shù)Fig.1 Pollution load index of sampling sites in Yinna Mountain

圖2具體分析了各采樣區(qū)的各重金屬單因子污染指數(shù),8.33%的采樣區(qū)As污染程度屬重度污染,16.67%的采樣區(qū)屬中度污染;25.00%的采樣區(qū)Pb污染程度屬重度污染,8.33%的采樣區(qū)屬中度污染;58.33%的采樣區(qū)Co污染程度屬重度污染;Cu和Zn分別有8.33%、33.33%的采樣區(qū)屬中度污染。

圖2 陰那山土壤重金屬單因子污染指數(shù)在各采樣區(qū)的占比Fig.2 Proportion of single pollution index of soil heavy metals in Yinna Mountain sampling sites

對(duì)重金屬的單因子污染指數(shù)進(jìn)行聚類分析(見(jiàn)圖3)發(fā)現(xiàn),第一類為Co,污染負(fù)荷指數(shù)屬重度污染;第二類為Co以外的另外8種重金屬,又可以分成兩小類,一小類為Pb和As,都有一定比例的采樣區(qū)屬于重度污染,而其他重金屬的污染都較輕或無(wú)污染。

圖3 陰那山土壤重金屬單因子污染指數(shù)聚類結(jié)果Fig.3 Cluster result of single pollution index of soil heavy metals in Yinna Mountain

2.3 陰那山土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陰那山土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果如表4所示。各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均值由大到小排序?yàn)镃o>As>Pb>Cu>Cr>V>Zn>Ti>Mn,其中Co為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),As為中等風(fēng)險(xiǎn),其余重金屬均為輕微風(fēng)險(xiǎn)。

表4 陰那山土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table 4 Potential ecological risk index of soil heavy metals in Yinna Mountain

具體分析各采樣區(qū)各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比(見(jiàn)圖4)發(fā)現(xiàn),25.00%的采樣區(qū)Co為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),8.33%的采樣區(qū)As為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),分別有33.33%、16.67%、8.33%的采樣區(qū)Co、As、Pb為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),分別有58.33%、25.00%和8.33%的采樣區(qū)As、Pb、Cu為中等風(fēng)險(xiǎn),Cr、Zn、Ti、V、Mn在所有采樣區(qū)中皆為輕微風(fēng)險(xiǎn)。由此再次證實(shí),Co、As、Pb為陰那山土壤的主要風(fēng)險(xiǎn)重金屬。

圖4 陰那山土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)占比Fig.4 Proportion of potential ecological risk index of soil heavy metals in Yinna Mountain

陰那山各采樣區(qū)土壤多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5表明,研究區(qū)沒(méi)有很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的采樣區(qū),強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的采樣區(qū)占25%,中等風(fēng)險(xiǎn)占50%,輕微風(fēng)險(xiǎn)占25%。對(duì)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行聚類分析,結(jié)果與重金屬的單因子污染指數(shù)聚類結(jié)果幾乎沒(méi)有差別。

圖5 陰那山土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布Fig.5 Distribution of comprehensive potential ecological risk index of soil heavy metals in Yinna Mountain

2.4 陰那山土壤重金屬源解析

人類活動(dòng)是區(qū)域重金屬污染的重要驅(qū)動(dòng)因素[29]。陰那山附近沒(méi)有大型的礦業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸、垃圾填埋、污水灌溉等重金屬污染源。但陰那山內(nèi)有千年古剎靈光寺、五指峰玉皇頂神廟,作為風(fēng)景旅游區(qū),域內(nèi)每年接待游客較多;農(nóng)業(yè)活動(dòng)主要為種植柚子、茶葉、毛竹等:這些宗教活動(dòng)、旅游活動(dòng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和游客的活動(dòng),可能給陰那山土壤帶來(lái)重金屬污染。同時(shí),珠江三角洲離陰那山距離不遠(yuǎn),通過(guò)大氣沉降的方式也可能給陰那山帶來(lái)土壤重金屬污染。陰那山土壤重金屬之間的相關(guān)系數(shù)如表5所示。

表5 陰那山土壤重金屬相關(guān)系數(shù)1)Table 5 Correlation coefficients of soil heavy metals in Yinna Mountain

由表2已知,Cu、Cr、Ti、V濃度均值與廣東省土壤元素背景值大體相當(dāng),表明這4種重金屬受人類活動(dòng)影響不大。這4種重金屬與Zn和Mn大多具有顯著相關(guān)性,加上對(duì)重金屬的單因子污染指數(shù)聚類分析發(fā)現(xiàn)它們都同屬一類,故而認(rèn)為Cu、Cr、V、Ti、Zn和Mn為同一來(lái)源,主要是自然因素(包括氣候、母質(zhì)、土壤類型等因素)來(lái)源。BORUVKA等[30]也認(rèn)為,土壤中Cu、Cr、Zn、Ti、V、Mn等重金屬主要受地球化學(xué)成因影響,屬地質(zhì)來(lái)源。

Co的變異系數(shù)為96.46%(見(jiàn)表2),說(shuō)明其含量空間分布不均勻,有外源物質(zhì)進(jìn)入,可能存在點(diǎn)源污染[31-32]。然而需要特別指出的是,盡管陰那山土壤Co均值遠(yuǎn)高于廣東省土壤元素背景值,但是陰那山的部分區(qū)域存在Co高自然背景情況。因此,陰那山的Co既有高自然背景值的成因,也有受人類活動(dòng)影響的原因。

As、Pb與其他7種重金屬均沒(méi)有顯著相關(guān)性,且這2種重金屬的均值均明顯高于廣東省土壤元素背景值,它們的變異系數(shù)也很大(見(jiàn)表2),說(shuō)明As、Pb主要受人為活動(dòng)的影響[33]。

3 結(jié) 論

(1) 陰那山土壤重金屬M(fèi)n均值低于廣東省土壤元素背景值,Ti、Cr、V、Cu均值與廣東省土壤元素背景值大體相當(dāng),Co、Pb、As、Zn均值明顯高于廣東省土壤元素背景值。9種重金屬均表現(xiàn)出中間海拔(500～900 m)的采樣區(qū)含量較高。

(2) 采用污染負(fù)荷指數(shù)法進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià),Co屬重度污染,Pb、As、Cu、Zn、Ti、Cr為輕度污染,V、Mn為無(wú)污染。中間海拔的采樣區(qū)污染最嚴(yán)重,為中度污染,向低海拔和高海拔方向污染程度總體呈遞減趨勢(shì)。

(3) 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)表明,Co為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),As為中等風(fēng)險(xiǎn),其余重金屬為輕微風(fēng)險(xiǎn)。

(4) Cr、V、Ti、Zn、Cu、Mn主要屬自然因素來(lái)源,Pb、As主要受人為活動(dòng)的影響,Co既有高自然背景值的成因,也有受人類活動(dòng)影響的原因。

(致謝:嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院黃曉霞老師給予了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),陳家威、張旭明、呂嬌娜、陳標(biāo)、羅智慧、陸楚棋同學(xué)參與了室內(nèi)樣品測(cè)試,趙楷、陳國(guó)立、姚浩榮、鄧懿同學(xué)參與了土壤取樣工作,在此致以衷心感謝!)