節能燈產地竹林土壤重金屬污染的時空分布特征

張 素，梁 鵬，吳勝春， 張 進， 曹志洪

（1.浙江農林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 臨安311300）

節能燈產地竹林土壤重金屬污染的時空分布特征

張 素1,2，梁 鵬1,2，吳勝春1,2， 張 進1,2， 曹志洪2

（1.浙江農林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 臨安311300）

于2012年3月、6月、10月，2013年1月在典型節能燈生產集聚區浙江省臨安市高虹鎮沿仇溪與猷溪選取17個采樣點采集竹林土壤樣品，分析其理化性質并測量重金屬質量分數，運用統計學原理對土壤重金屬進行描述性分析與聚類分析，并研究其時空分布特征。結果表明：研究區域竹林土壤平均pH值為pH 5.55，呈弱酸性，有機質質量分數為53.00 g·kg-1，土壤質地肥沃；剔除異常值后，除鎳外，其他重金屬均屬非正態分布，空間變異程度為汞＞砷＞鋅＞硒＞銅＞鎳＞鉻＞鉛＞鎘，說明竹林土壤重金屬已經受到人為影響；汞的最高值為0.61 mg·kg-1，超出食用農作物產地環境質量標準（HJ/T 332-2006）和土壤環境質量二級標準（GB 15618-1995）；其他重金屬質量分數在土壤背景值附近，表明研究區域部分竹林土壤已經受到汞的污染。相關性與聚類分析結果顯示：汞與其他重金屬來源不同，鋅與鉛、鎳、銅、鉻有極顯著相關性關系（P＜0.01）。圖2表3參29

森林土壤學；節能燈生產；重金屬；汞；聚類分析；時空分布

土壤重金屬污染是指人類活動導致土壤中重金屬積累帶來的生態環境質量惡化的現象［1］。土壤重金屬污染危害周期長，范圍廣，持續時間長，污染隱蔽，且具有生物不可降解性和相對穩定性等特點，會導致大氣和水環境質量的進一步惡化，影響農作物產量和質量；同時重金屬會通過食物鏈不斷地在生物體內富集，最終在人體內蓄積而危害人體健康［1］。節能燈生產是汞進入環境中的典型通道。有數據表明，2008年全國生產48億支熒光燈共使用汞78.2 t［2-3］，1支節能燈損壞后滲入地下的汞，會污染大約180 t水［2］。浙江省臨安市高虹鎮是節能燈生產聚集區，生產產量占到全國的1/3，是臨安經濟支柱產業之一［2］。研究顯示，該地大米樣品中總汞和甲基汞的含量都顯著高于商品大米樣品［4］，提示節能燈生產已經對周圍汞環境造成影響；而竹筍是臨安經濟的另一支柱產業，其產值約占全市農、林、牧、漁業產值的5.0%，2012年僅雷竹Phyllostachys violascens的栽植面積就達到216 km2［5-6］，因此，竹林土壤的安全至關重要。有關不同行業對周圍土壤重金屬污染的研究報道已較多［7-10］，但關于節能燈生產對竹林土壤重金屬的影響并不常見。本研究以浙江省臨安市高虹鎮為研究區域，分析了竹林土壤重金屬的時空分布特征，并用統計學方法對數據進行分析，以探明節能燈生產對竹林土壤中重金屬含量及分布的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區域

浙江省臨安市高虹鎮地處浙江省西北部，平均海拔為65 m；屬于中亞熱帶季風氣候區南緣，溫暖濕潤，四季分明；土壤以偏酸性的紅壤為主（pH 4.9）。據常年氣象資料統計，年平均氣溫為16.1℃，月平均降水量為133.6 mm，年日照時數為1 703.6 h。該地區水資源豐富，中苕溪的2條支流仇溪和猷溪穿越境內。鎮內建有一處日處理量2 000 t的污水處理廠［2,11］。

1.2 樣品采集

根據節能燈廠區的分布情況，沿仇溪和猷溪布設17個采樣點，于2012年3月，6月，10月及2013年1月，在采樣點附近竹林采集土壤樣品。按對角線原則選擇8 m2范圍內0～10 cm的表層土壤，4個·樣點-1，采集到的樣品按四分法取約1.0 kg裝入聚乙烯密封袋保存［2］并帶回實驗室。除去石塊碎屑和植物殘根，經冷凍干燥機（Labconoco，120457321D，美國）干燥后，用研缽（瑪瑙）研磨過100目篩，裝于聚乙烯密封袋待測。每次采樣用全球定位系統（GPS）定位，以保證4個季節采樣位點一致。

1.3 實驗方法

土壤樣品［m（土）∶V（水）=1.0∶2.5］pH值用酸度計測定；有機質質量分數用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定。

圖1 高虹竹林土壤采樣點分布圖Figure 1 Location of sampling sites in bamboo forest soil in Gaohong

重金屬質量分數測定：準確稱取0.1 g土壤樣品，加入3.0 mL濃鹽酸和1.0 mL濃硝酸，于石墨消解爐消解；待樣品呈現灰白色時取下冷卻，定容到45.0 mL并搖勻，離心，取上清液；采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，Teledyne Leeman Labs，Prodigy 7，美國）測定重金屬質量分數。

總汞的測定：為除去可能附著的汞，將實驗過程中用到的玻璃等儀器放入體積分數為10%的稀硝酸中浸泡一夜，沖洗干凈放入馬弗爐，500℃灼燒0.5 h后，自然冷卻過夜，用錫箔紙包好備用。配制汞標，氯化溴（BrCl，將樣品中的汞氧化為Hg2+），鹽酸羥胺（NH2OH·HCl，除去多余的Cl-），氯化亞錫（SnCl2，還原Hg2+為 Hg0）等溶液。準確稱取0.1 g樣品于25.0 mL比色管中，加入5.0 mL的超純水，5.0 mL王水，消解爐消解0.5 h；加入0.5 mL氯化溴繼續消煮，隔0.5 h手動搖1次，6 h后定容到25.0 mL；放置24 h后［2］用手動汞形態測試系統（Brooks Rand Labs，MERX-T，美國）測定總汞質量分數。

1.4 數據分析

采用IBM SPSS Statistics 20.0（IBM Analytics，美國）統計軟件分析試驗數據；采用Sigmaplot 10.0（Systat Software，Inc.，美國）作圖。

2 結果與分析

2.1 竹林土壤pH值和有機質質量分數

本次研究共采集到竹林土壤樣本113個，分析數據可知pH值為pH 5.55±0.09，呈弱酸性；變異系數為17.6%，表明研究區域竹林土壤具有較強的空間變異性。有機質質量分數為（53.00±21.80）g·kg-1，表明該地質地肥沃，處于高肥力水平；變異系數為41.2%，表明空間變異性較強［12］，與pH值所得結果一致。

正態分布檢驗采用描述性統計頻率分布正態性檢驗法，偏度系數小于1則為正態分布；結合實驗數據發現，pH值偏度1.16，有機質偏度1.38，均不符合正態分布。有數據顯示［13-15］，竹農為了提高竹筍產量，大量施用化肥和有機肥，單施化肥全年用量為3.0～4.5 t·hm-2，化肥和有機肥配施的全年用量分別為1.0～2.0 t·hm-2和80～100 t·hm-2。因此，可以推測研究區土壤有機質質量分數高很可能是竹農大量施肥造成的。

2.2 竹林土壤重金屬質量分數統計分析

研究區竹林土壤重金屬質量分數統計結果如表1所示。通過計算，對9種重金屬進行了異常值處理，分別剔除了3個鉻、2個銅、1個鉛、1個硒和1個汞的異常值。整體來看，研究區域竹林土壤重金屬質量分數除鎳外，其他均不符合正態分布。重金屬質量分數表現為概率分布的正偏［16-17］，表明研究區域的竹林土壤環境已經受到人為活動的影響。綜合高虹鎮節能燈生產、農業活動現狀，可以推測節能燈生產排放的污水、廢氣，竹林施肥行為與土壤中重金屬富集呈正相關關系。9種重金屬的變異程度為汞＞砷＞鋅＞硒＞銅＞鎳＞鉻＞鉛＞鎘；其中汞的變異系數最大，為81.98%，偏度為2.20。這種空間變異性較大的現象表明研究區域的汞受外界條件干擾明顯［18］。研究區域內的汞質量分數最大值為0.61 mg·kg-1，高于土壤環境質量二級標準（GB 15618-1995）和食用農作物產地環境質量標準（HJ/T 332-2006）（pH＜6.5），說明當地節能燈產業已經引起了竹林土壤汞的污染。

表1 高虹鎮竹林土壤重金屬質量分數統計Table 1 Descriptive statistics summary of heavy metals concentration in bamboo forest soil in Gaohong

2.3 竹林土壤重金屬時空分布特征

竹林土壤重金屬的空間分布特征見表2。除汞外，其他重金屬質量分數均低于土壤環境質量二級標準值，說明這幾種重金屬未對研究區域內的竹林土壤造成污染。汞在7號，10號，16號采樣點的質量分數分別為0.37，0.61，0.47 mg·kg-1，超過了土壤環境質量二級標準；尤其10號采樣點的汞質量分數超過土壤環境質量二級標準的2倍。比對采樣位置可知，7號采樣點靠近節能燈廠聚集區，10號采樣點位于污水處理廠附近，16號采樣點位于仇溪和猷溪的匯合處。本結果與LIANG等［19］發現的該地區污水處理廠周圍水生生態系統中水體、沉積物以及生物體內汞含量均高于其他采樣點的結果一致，推測原因是高虹鎮污水廠排放到附近水體中汞含量超標，引水灌溉造成竹林土壤汞污染。雷竹是臨安地區主要的竹類品種，竹林土壤汞污染會導致潛在的健康風險，需引起足夠的重視。

表2 高虹鎮不同采樣點重金屬質量分數Table 2 Concentration of heavy metals in different sampling sets in Gaohong

對不同季節測定的重金屬質量分數的統計學分析表明：9種重金屬質量分數在四季中不存在顯著性差異。因此，可以推斷，季節變化對研究區域內土壤中重金屬質量分數沒有顯著影響。

2.4 竹林土壤重金屬相關性與聚類分析

對研究區域土壤重金屬進行相關性分析與聚類分析，結果如表3所示：在所有樣品中，銅與鉻、鉛；鎳與鉻；鋅與鉻、銅、鎳、鉛之間表現為極顯著正相關關系（P＜0.01）。鎳與銅；硒與鉛、砷；汞與砷達到顯著相關性（P＜0.05）。表明土壤中這些重金屬的污染源相同［20-21］或者存在伴生關系［20,22］。其他重金屬之間相關性不顯著，表明這些重金屬來源可能差異較大。

聚類分析的結果（圖2）顯示：鎘、硒、砷、鎳、鉻、銅和鉛之間的聚類距離非常接近，污染同源的可能性較大。鎳、鉻、銅、鉛、鋅的聚類距離也較為接近，但與鎘、硒、硒、鎳、鉻、銅和鉛有一定的聚類距離，其來源有一定的差異，鋅與另外4種重金屬之間呈現相互伴隨的復合污染現象。而汞與另外8種重金屬的聚類距離相距甚遠，表現出其污染來源的獨特性。由此可知：除汞外，其他重金屬來源幾乎相同，可能是因為用于竹林灌溉的水源相同，抑或是竹林施肥措施相同所致。而汞的來源獨特，極有可能與高虹節能燈生產引起的汞沉降有關，這與前面竹林土壤重金屬統計分析及時空分布特征分析結果一致。

表3 高虹鎮竹林土壤中9種重金屬相關性分析Table 3 Correlation analysis of the nine heavy metals in the bamboo forest soil in Gaohong

3 結論與討論

土壤有機質是陸地生物圈的重要碳庫［23-24］，土壤酸堿性可以改變有機碳的溶解性［25］，也可以通過改變土壤微生物活性和酶活性進而改變微生物種群的組成和數量，是影響土壤有機質的周轉過程的主要因素之一［26-27］。土壤有機質含量與土壤肥力水平密切相關，是衡量土壤肥力的重要指標［18］。研究結果表明：高虹鎮竹林土壤酸堿度平均值為pH 5.55，呈弱酸性；有機質質量分數平均值為53.00 g·kg-1，處于高肥力水平；但無論pH值還是有機質都處于中等強度以上的空間變異性。土壤重金屬質量分數呈現明顯的非正態分布，且空間變異性較大，9種重金屬的變異程度為汞＞砷＞鋅＞硒＞銅＞鎳＞鉻＞鉛＞鎘；其中，汞的空間變異系數高達81.98%，受人為影響較為嚴重；最高值為0.61 mg·kg-1，超出食用農作物產地環境質量標準（HJ/T 332-2006）（pH＜6.5）和土壤環境質量二級標準（GB 15618-1995）。鎘、硒、砷、鎳、鉻、銅、鉛、鋅的質量分數多數與自然背景值持平，有個別樣點略為偏高，但仍低于國家土壤環境質量標準。土壤中汞質量分數呈現明顯的空間分布特征，在節能燈廠聚集區和污水處理廠附近明顯高于仇溪與猷溪的下游，但四季變化不明顯。通過聚類分析可知汞與其他重金屬來源不同，有明顯的獨特性，節能燈廠是主要的汞污染源。同時鋅與多數重金屬有極顯著的相關性，可能是受礦物伴生關系的影響。

此次研究數據可以確認高虹鎮周邊的竹林土壤已經受到不同程度的汞污染，而且進入土壤中的汞可以在硫酸還原菌或化學作用下，轉化為毒性更強、能通過食物鏈產生生物放大效應的甲基汞，進而可以導致汞的生物積累效應的發生［28］。因此，土壤中汞元素的富集不僅直接破壞土壤和水體的功能，還會影響植物、動物，最終威脅人體健康。汞對環境與生態系統的持續性、嚴重性危害已引起全球性的關注［30］。中國汞污染研究處于剛剛起步階段，嚴重滯后于社會發展需要，今后除應加強基礎研究工作，還要對重要汞污染地區的污染狀況、機制、環境效應開展研究，以全面掌握汞污染的來源、污染源分布以及環境治理現狀［29］。

圖2 高虹鎮竹林土壤中9種金屬聚類分析圖Figure 2 The clustering analysis of the nine heavy metals in the bamboo forest soil in Gaohong

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Temporal and spatial distribution of heavy metal contamination in Gaohong,Lin’an,Zhejiang Province

ZHANG Su1,2,LIANG Peng1,2,WU Shengchun1,2,ZHANG Jin1,2,CAO Zhihong2
（1.Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China）

Gaohong,a small town situated at the west of Hangzhou,is one of the largest production bases of compact fluorescent lamps （CFLs）in China.To determine the influence of local CFL production on temporal and spatial distribution characteristics of heavy metals in ambient bamboo forest soils during the four seasons,a systematic survey was conducted in March,July,and October of 2012 and January of 2013 with a total of 272 soil samples collected at 17 sampling sites in CFL production areas.Each sampling site was 8 m×8 m,on which four topsoil samples （0-10 cm）per time were collected by a soil auger in the diagonal position.Each sample’s representativeness was ensured by collecting four field replicates in a one-meter diameter area and then mixed together as one sample.The chemical properties and heavy metals contents of the samples were determined,and the spatial and temporal distribution characteristics of heavy metals in soils was elucidated using descriptive and cluster analysis.Results showed that the average pH value of the bamboo forest soils was 5.55, and the mean organic matter content was 53.00 g·kg-1.The highest value for Hg was 0.61 mg·kg-1,two times higher than the Environmental Threshold for Agricultural Soil（HJ/T 332-2006）and the GradeⅡStandard ofSoil Environment Quality in China （GB 15618-1995）.Spatial variability of the heavy metals was in an order of Hg＞As＞Zn＞Se＞Cu＞Ni＞Cr＞Pb＞Cd.After eliminating outliers,the heavy metals,except Ni,were non-normally distributed.The cluster analyses showed that there was a significant mutually associated compound contamination property between Zn and Pb,Ni,Cu,and Cr （P＜ 0.01）,while Hg and the other heavy metals （Zn,Pb,Cu,Cr,Ni,As,Se,and Cd）might have originated from different sources.Thus,even though these acidic bamboo forest soils with abundant organic matter had been polluted by mercury,an essential raw material for the CFL industry,and even though heavy metal contamination had possibly been induced by anthropogenic activities,it was possible that Zn,Pb,Cu,Cr,Ni,As,Se,and Cd in the bamboo soils did not originate from the CFL industry.［Ch,2 fig.3 tab.29 ref.]

forest soils;CFL production;heavy metals;mercury;cluster analysis;spatial-temporal distribution

S714；X53

A

2095-0756（2017）03-0484-07

浙 江 農 林 大 學 學 報，2017，34（3）：484-490

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.014

2016-05-16；

2016-07-22

浙江省科技廳重點創新團隊項目（2013TD12）；浙江省科技廳公益技術研究社發項目（2015C33050）；浙江省 “三農六方”科技協作項目（CTZB-F150922AWZ-SNY1）

張素，從事重金屬環境地球化學研究。E-mail：18868801653@163.com。通信作者：張進，副教授，博士，從事生物質廢棄物的資源化利用及環境行為和環境效應等方面研究。E-mail：jzhang@zafu.edu.cn