葉彩紅,許窕孜,張中瑞,朱航勇,張耕,何茜,丁曉綱
(1廣東省林業(yè)科學(xué)研究院/廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510520;2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣州 510642)
土壤是肥沃的疏松表層,可以讓植物生長,是生態(tài)系統(tǒng)最基本的組成成分之一,是人類生存和發(fā)展的基本資源[1-3]。森林作為地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),參與地球的水文、化學(xué)與生物循環(huán)[4],具有保水、調(diào)節(jié)氣候和防止污染等生態(tài)服務(wù)功能。重金屬具有不易降解、毒性高、易富集和環(huán)境持久性強(qiáng)等特點(diǎn)[5-6],土壤重金屬污染已成為土壤污染中最嚴(yán)重的問題[7]。重金屬可以通過多種渠道進(jìn)入森林并在土壤中聚集,造成嚴(yán)重的生態(tài)危害,因此研究森林土壤重金屬含量變化對保護(hù)生態(tài)環(huán)境有重要意義。為了解重金屬元素對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,在過去的十幾年中,已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)了多種土壤重金屬污染評價(jià)方法,主要有單因子和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[8]、沉積物富集系數(shù)法[9]、污染負(fù)荷指數(shù)法[10]、地累積指數(shù)法[11]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[12]等。
研究發(fā)現(xiàn),森林土壤重金屬污染受土壤母質(zhì)、林木種類和人為作用等因素影響,并表現(xiàn)出不同的規(guī)律。為了解其變化規(guī)律,許多學(xué)者對不同區(qū)域不同林分類型的土壤理化性質(zhì)展開研究,涉及江西九江[13]、粵西[14]、湖北省桂花林場[15]、商洛金鳳山[16]等地,重點(diǎn)比較不同林分類型、土壤重金屬污染程度、理化性質(zhì)等,而對流域尺度的研究相對較少。因此,分析流域尺度的林地土壤重金屬污染現(xiàn)狀對林地資源的保護(hù)具有重要意義。
本研究以北江流域桉樹(Eucalyptusrobusta)、竹(Bambusoideae)、杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)和濕地松(Pinuselliotti)5 種林分類型土壤為研究對象,分析北江流域不同林分類型土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg元素含量分布特征,并采用單因子和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對北江流域土壤重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià),以期為北江流域的土壤重金屬污染評價(jià)提供科學(xué)理論指導(dǎo)。
北江是珠江流域第二大水系。發(fā)源于江西新豐縣,經(jīng)韶關(guān)大余縣進(jìn)入廣東,由東北向西南跨越山巒,流經(jīng)南雄、始興、曲江等市(縣),最后在韶關(guān)沙洲末端與武江支流匯合;自北向南經(jīng)英德、清新、清遠(yuǎn)至三水口,在思賢滘與西江相接,流入珠江三角洲河網(wǎng)。北江流域包括韶關(guān)市、清遠(yuǎn)市、肇慶市、廣州市、佛山市、河源市等6市25縣(區(qū))。
研究區(qū)位于韶關(guān)市中部,北江流域上游,介于東經(jīng)113°40′—114°45′、北緯24°16′—25°36′之間,地處亞熱帶和中亞熱帶,光熱資源豐富,氣候溫和,雨量充沛,非常有利于各種作物的生長。自然資源豐富,農(nóng)林資源潛力巨大。
1.2.1 林地土壤樣品采集與分析按照北江流域的植被、地形、氣候等特征,在其兩側(cè)選擇桉樹、竹、馬尾松、杉木和濕地松5種不同林分類型林地,確定采樣點(diǎn)146個(gè),并采用專題布點(diǎn)與空間隨機(jī)布點(diǎn)相結(jié)合的方法布設(shè)樣點(diǎn),其中桉樹林38個(gè)樣點(diǎn)、竹林43個(gè)樣點(diǎn)、馬尾松林32 個(gè)樣點(diǎn)、杉木林21 個(gè)樣點(diǎn)、濕地松林12 個(gè)樣點(diǎn),采樣點(diǎn)分布情況如圖1 所示。根據(jù)采樣點(diǎn)的立地條件,選擇地形條件(坡度、坡度方向等)相對平坦、能夠代表該區(qū)域水平的地方作為剖面點(diǎn)。為確保土壤調(diào)查結(jié)果科學(xué)可靠,每個(gè)樣點(diǎn)均挖掘3 個(gè)土壤剖面,按0~40 cm采集土壤剖面樣品。采樣時(shí)應(yīng)先在剖面上劃好采樣深度,從底層向高層分層次采集土壤樣品,每份土壤樣品重量不低于500 g,總共采集土壤樣品438 份。收集的土壤樣品密封并儲存在聚乙烯密封袋中。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后,進(jìn)行干燥、研磨、篩分、混合、分離,最后儲存。于2021 年10—12 月前往韶關(guān)市進(jìn)行林地土壤樣品采集。
圖1 北江流域不同林分類型采樣點(diǎn)分布圖
林地土壤重金屬Cu、Zn、Cr、Ni 元素含量參照《土壤和沉積物銅、鋅、鎳、鉻的測定火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)進(jìn)行測定;Hg、Pb 元素含量參照《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法》(GB/T 22105.3—2008)進(jìn)行測定;pH 參照《森林土壤pH 值的測定》(LY/T 1239—1999)進(jìn)行測定;全氮(TN)含量參照《森林土壤氮的測定》(LY/T1228—2015)進(jìn)行測定;全磷(TP)含量參照《森林土壤磷的測定》(LY/T 1232—2015)進(jìn)行測定;有機(jī)碳(OC)含量參照《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定及碳氮比的計(jì)算》(LY/T 1237—1999)進(jìn)行測定。
1.2.2 土壤重金屬污染評價(jià)方法
(1)單因子指數(shù)法。單因子指數(shù)[17]的計(jì)算如式(1)所示。
式中,Pi為單因子指數(shù),Ci為土壤重金屬i的實(shí)測濃度(mg/kg),Si為土壤重金屬i的標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)。
本次單因子指數(shù)法采用《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)》[18](GB 15618—2018)中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為標(biāo)準(zhǔn)值(非農(nóng)田)(如表1 所示),中國暫無林地的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。單因子指數(shù)法可以將評價(jià)等級劃分為4個(gè)梯度,見表2。
表1 土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控篩選值和廣東省重金屬背景值 mg/kg
表2 單因子和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)的等級梯度劃分標(biāo)準(zhǔn)
(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)[19]的計(jì)算如式(2)所示。
式中,P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù),Pimax為土壤重金屬單因子指數(shù)的最大值,Piavg為土壤重金屬單因子指數(shù)的平均值。
內(nèi)梅羅綜合指數(shù)可以將評價(jià)等級劃分為5 個(gè)梯度,見表2。
(3)地累積指數(shù)法。地累積指數(shù)[20]計(jì)算如式(3)所示。
式中,Igeo為地累積指數(shù);Cn為土壤重金屬n的實(shí)測濃度(mg/kg);Bn為土壤重金屬n的背景值(mg/kg);K為考慮到巖層差異和成巖作用等因素引起背景值變動的常數(shù),一般為1.5。
本次地累積指數(shù)法采用廣東省土壤重金屬元素背景值[21](表1)為參考背景值。地累積指數(shù)可以將評價(jià)等級劃分為7個(gè)梯度,見表3。
表3 地累積指數(shù)等級梯度劃分標(biāo)準(zhǔn)
(4)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[22]的計(jì)算如式(4)所示。
式中,RI為多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù),Ei為單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),Tri為土壤重金屬i的毒性系數(shù),Ci為土壤重金屬i的實(shí)測濃度(mg/kg),Si為土壤重金屬i的背景值(mg/kg)。其中Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg的毒性系數(shù)[23]分別為2、5、5、1、5、40。
本次潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法選用廣東省重金屬元素背景值[21]作為參考背景值(表1)。單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)將評價(jià)等級劃分為5 個(gè)梯度,多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)則被劃分為4個(gè)等級,見表4。
表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級梯度劃分標(biāo)準(zhǔn)
利用SPSS對土壤重金屬元素含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差及變異系數(shù)等進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì);計(jì)算Kolmogorov-Smirnov 值,檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布(顯著水平α=0.05)。使用Origin 軟件繪制污染程度圖,使用ArcGIS軟件繪制采樣點(diǎn)的空間分布圖。
由表5可知,就6種土壤重金屬含量平均值來看,除桉樹林土壤重金屬平均含量是以Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Hg的順序排列,其余4種林分土壤重金屬平均含量的排列順序均為Zn>Pb>Cr>Cu>Ni>Hg。變異系數(shù)(CV)反映樣點(diǎn)間數(shù)據(jù)的離散程度,CV<0.2為低變異,0.2≤CV<0.5 為中等變異,0.5≤CV<1 為高度變異,CV≥1為極度變異[24]。Ni在竹林土壤中的變幅最大,Pb在濕地松林土壤中的變幅最小。濕地松林土壤中的Cr、Pb 元素,桉樹林土壤中的Pb 元素,馬尾松林土壤中Zn元素,這4種元素的變異系數(shù)小于0.2,為低變異;其余林分類型土壤中重金屬的變異系數(shù)均處于0.2~0.5 之間,為中等變異。6 種重金屬元素含量均符合正態(tài)分布(α=0.05)。
表5 北江流域不同林分類型林地土壤重金屬含量
繪制北江流域采樣點(diǎn)的重金屬實(shí)測值與廣東省元素背景值、農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(非農(nóng)田)的比較圖,如圖2。以廣東省元素背景值為標(biāo)準(zhǔn)時(shí),5 種林分土壤中,94%的Cr、Ni 含量在其之下,但92%Hg 含量超過背景值。以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(非農(nóng)田)為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),僅杉木林中的Pb 元素含量存在高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值的現(xiàn)象,但超標(biāo)率低,僅為3%,其余重金屬含量均低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值。
圖2 北江流域不同林分類型土壤各重金屬實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值比較
不同林分土壤的重金屬含量如圖3 所示,竹林中Ni元素含量顯著高于馬尾松林和杉木林,竹林中Zn元素含量顯著高于桉樹林、馬尾松林和濕地松林,杉木林和竹林中Pb 元素含量分別顯著高于桉樹林和濕地松林,其余重金屬元素含量在不同林分之間無顯著差異。
圖3 北江流域不同林分類型土壤重金屬含量
由表6可知,Pb元素僅與Zn元素呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,Hg元素僅與Cr元素呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,其余4種元素兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。林地土壤重金屬與土壤養(yǎng)分(包含pH)的相關(guān)分析顯示,pH 分別與Zn、Ni元素存在極顯著正相關(guān)關(guān)系;與Hg元素存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。TN分別與Hg、Cu元素存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。TP與Cr元素?zé)o相關(guān)性,但和其他5種重金屬元素都存在顯著相關(guān)關(guān)系,其中與Hg元素存在顯著正相關(guān)關(guān)系,與Cu、Ni、Pb、Zn元素存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。OC 與Cu 元素存在顯著正相關(guān)關(guān)系,與Hg元素存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。
表6 北江流域林地土壤重金屬元素與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系
2.3.1 不同林分類型土壤重金屬單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)如表7 所示,杉木林中Cr、Ni、Cu元素的單因子指數(shù)低于其他林分類型,但Pb元素的單因子指數(shù)卻高于其他林分;竹林中Ni、Cu、Zn 元素的單因子指數(shù)均高于其他林分類型。各林分土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg 元素的單因子指數(shù)Pi<1,評價(jià)等級為1級,為無污染狀態(tài),表明5種林分類型土壤受重金屬影響不顯著。5 種林分的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P<0.7,評價(jià)等級為1級,均處于安全狀態(tài),內(nèi)梅羅指數(shù)由小到大依次為濕地松林、桉樹林、馬尾松林、竹林、杉木林,說明這5 種林分類型的土壤均未受到重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg的污染。
表7 北江流域不同林分類型土壤重金屬單因子及內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價(jià)
2.3.2 不同林分類型土壤重金屬地累積指數(shù)評價(jià)由圖4 可知。除竹林土壤中Hg 元素的地累積指數(shù)大于0外,其余林分重金屬元素的地累積指數(shù)均小于0,處于無污染等級;而竹林中Hg元素的地累積指數(shù)大于0但小于1,為輕度—中等污染等級。由此可知,除竹林土壤受到Hg 元素污染外,其余林分土壤均未受到Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg這6種重金屬的污染。
圖4 北江流域不同林分類型土壤重金屬地累積指數(shù)評價(jià)
2.3.3 不同林分類型土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)由表8 可知,Hg 元素在不同林分中的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)范圍是54.12~63.10,均處于40~80,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為中等;其余5 種重金屬元素在不同林分的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均低于40,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為輕微。5 種林分土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)橹窳郑旧寄玖郑捐駱淞郑緷竦厮闪郑抉R尾松林,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于150,表明這5種林分的土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
表8 北江流域不同林分類型土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)
(1)北江流域5種林分中,除杉木林中極少部分樣點(diǎn)Pb元素含量高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(非農(nóng)田)外,其余林分土壤重金屬含量都低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(非農(nóng)田),但Zn、Cu、Pb、Hg元素含量大部分高于廣東省元素背景值,由此推測該流域土壤重金屬可能不僅受成土母質(zhì)的影響,還受到人為因素的影響。
(2)6種土壤重金屬中Cr、Ni、Cu、Zn這4種重金屬兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明這4 種重金屬元素可能存在復(fù)合型污染,或具有相似的污染來源。土壤重金屬含量受土壤TP、pH、OC 和TN 的影響,其中TP的影響最為顯著。
(3)研究區(qū)大部分地區(qū)土壤重金屬評價(jià)結(jié)果為清潔或無污染,僅竹林中Hg元素的地累積指數(shù)表現(xiàn)為中等污染,此外Hg元素在各林分的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中均為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
北江流域5種林分類型林地土壤重金屬含量及其分布結(jié)果表明,6 種重金屬元素含量實(shí)測值均存在超出廣東省元素背景值的現(xiàn)象,但就重金屬平均值而言,Pb 元素的平均含量僅在桉樹林和濕地松林土壤中低于廣東省元素背景值,而Hg元素的平均含量均高于廣東省元素背景值。以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(非農(nóng)田)為參考值時(shí),僅Pb元素存在污染超標(biāo)現(xiàn)象,且集中分布在杉木林中。由此推測,5 種林分類型土壤中Cu、Zn、Pb、Hg元素可能不僅受成土母質(zhì)影響,還受到頻繁的人為干擾。
研究區(qū)5 種林分類型土壤中Cu、Zn、Pb、Hg 元素含量雖大部分超過了廣東省元素背景值,但僅有部分Pb元素含量超出了農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(非農(nóng)田)。因此,需加強(qiáng)對這4 種重金屬的污染防控監(jiān)測,同時(shí)還可以根據(jù)植物對重金屬的吸附特性,在杉木林中合理混合種植其他可富集Pb元素的植被,利用植物的凈化作用緩解該區(qū)域Pb元素污染。
土壤重金屬的主要來源土壤的母質(zhì)層和人類的社會活動。來自同一來源的重金屬通常在某種程度上相關(guān)。所以,通過分析相同環(huán)境下林地土壤中重金屬含量的相關(guān)關(guān)系,可以推測其來源是否相同[25]。本研究發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域土壤中Pb 元素與Zn 元素、Hg 元素與Cr 元素分別存在極顯著正相關(guān),而Cr、Ni、Cu、Zn 這4種重金屬均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,其他重金屬之間的相關(guān)關(guān)系都不顯著,說明北江流域林地土壤中Cr、Ni、Cu、Zn 4 種重金屬存在復(fù)合污染的可能性很大,或是具有相同的污染來源。一方面韶關(guān)市是中國重要的礦產(chǎn)基地,Cu、Zn、Cd、Pb、Hg 等礦產(chǎn)儲量位居全省第一[26],被譽(yù)為“金屬之都”,礦產(chǎn)資源豐富,頻繁的采礦活動會帶來大量的工業(yè)“三廢”,通過自然界的遷移和沉降等多種途徑進(jìn)入土壤并不斷累積,這可能是這4種重金屬之間分別存在極顯著相關(guān)的原因之一;另一方面可能是存在相同的成土母質(zhì),這與Cheng 等[27]研究基本一致。
通過對研究區(qū)土壤重金屬與土壤養(yǎng)分(包括土壤pH)的相關(guān)性分析,土壤pH、TP、TN和OC含量對土壤重金屬含量均有一定影響。通常情況下,土壤對重金屬的吸附固定能力隨pH的升高而增加,從而降低土壤中重金屬有效態(tài)的含量[28]。本研究中,土壤pH 與Hg元素存在極顯著負(fù)相關(guān),與Ni、Zn 元素則表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系,這可能與pH對土壤重金屬吸附、有機(jī)質(zhì)分解、微生物活性等多個(gè)化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[29],因此表現(xiàn)出不同的相關(guān)性。已有研究表明,土壤養(yǎng)分是影響重金屬含量的主要因子,可直接或間接影響土壤重金屬活性[30]。周曼等[31]、徐磊等[32]研究結(jié)果也表明,土壤重金屬活性是由多種生態(tài)因子共同作用決定的。這與本研究結(jié)果一致,即TN、TP、OC與不同重金屬具有不同的相關(guān)性。這一結(jié)果也說明,土壤養(yǎng)分對土壤重金屬的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程,它可能通過改變土壤物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)(土壤pH、土壤膠體等)直接或間接改變土壤中重金屬的含量。
不同的評價(jià)方法得出的重金屬污染評價(jià)結(jié)果不同。單因子指數(shù)法僅比較實(shí)測濃度與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值之間的差距,不能充分反映土壤環(huán)境污染的綜合情況[33];相比之下,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法依賴于單因子指數(shù)法,結(jié)合含量最大的重金屬評價(jià)結(jié)果,不僅反映了各重金屬對土壤的影響,還突出了高污染重金屬濃度對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[34];地累積指數(shù)法將實(shí)測值與自然地球化學(xué)背景值結(jié)合起來,能評估重金屬分布的自然變化,區(qū)別人類活動對重金屬污染的影響[35];潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法充分考慮了不同重金屬的生物毒性,并在評價(jià)中增加毒性系數(shù)(Tri),從而使重金屬污染評價(jià)更加全面、綜合[36]。本研究結(jié)果表明,竹林中Hg元素的地累積指數(shù)評價(jià)等級為輕度至中度污染;單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)顯示Hg元素在各林分中均為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),這可能是由于Hg的高毒性系數(shù)使得其的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果更高;也可能與Hg元素實(shí)測值普遍高于背景值有關(guān),因此需加強(qiáng)Hg 元素的污染防治。此外,其余重金屬評價(jià)等級雖為輕微污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),但也不容忽視,加強(qiáng)管控監(jiān)督,防患于未然。綜上所述,應(yīng)定期對北江流域林地土壤重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測,以期降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。